廠拌熱再生設備第二烘干筒的設計分析

徐江濤++游小平++張慧++涂煒瑋

摘 要：第二烘干筒是熱再生設備的關鍵部件之一，其烘干效率將影響到整體設備生產(chǎn)效率的高低和再生混凝土材料的優(yōu)劣，因此對其進行計算分析具有非常重要的意義。本文主要通過經(jīng)驗公式計算得出第二烘干筒的主要尺寸，然后使用FLUENT14.5軟件得到筒內(nèi)溫度場、速度場和筒壁溫度場等分布數(shù)據(jù)以對各區(qū)段設計值進行驗證。

關鍵詞：熱再生設備；第二烘干筒；FLUENT仿真；結(jié)構(gòu)設計

瀝青道路經(jīng)過長時間的使用后會受到各種形式的損壞，為保證其使用功能不得不對其進行維修和保養(yǎng)。此時維修或者重筑損壞的路面時，會得到很多舊瀝青混合料。廠拌熱再生設備可以根據(jù)設計好的級配要求把瀝青路面在翻修和重筑時產(chǎn)生的廢舊瀝青混合料和一定比例的新料均勻混合變成可用于鋪筑路面的再生混凝土材料[1]。

熱再生設備是生產(chǎn)再生料的關鍵設備，基本上仍在采用火焰加熱的方式烘干集料，其烘干筒加熱耗能十分巨大。目前第二烘干筒的節(jié)能改造研究雖然越來越引起重視，但是相關研究仍相對不足。其設計和優(yōu)化改進缺乏足夠的理論支撐，不僅容易造成資金浪費，也使其節(jié)能改造發(fā)展遲滯，因此對其進行優(yōu)化研究十分必要。

1 第二烘干筒概念介紹

20世紀末出現(xiàn)了配套第二烘干筒的強制間歇式瀝青攪拌設備，此設備使用第二烘干筒對廢舊瀝青混凝土材料單獨進行對流傳熱和輻射傳熱的作用，有效地避免了傳統(tǒng)模式下的操作復雜、效率不高的問題[2]。合理設計第二烘干筒各區(qū)段長度直接關系到廢瀝青料的烘干加熱效率，可防止其在加熱過程中的二次老化問題。

廢舊瀝青混凝土在烘干筒內(nèi)的運動通常劃分成3個階段：混凝土的預熱階段、烘干加熱階段和排料階段。這3個階段分別與烘干筒進料區(qū)、料簾區(qū)和卸料區(qū)一一對應。烘干筒的葉片布置和數(shù)量也有利于快速均勻加熱集料。普通烘干筒有兩種最常用的葉片排列方式：直排式和分段交錯式。分段交錯排列式可以避免直排式葉片的缺陷并減少風洞現(xiàn)象的產(chǎn)生，使形成的骨料料束排列在不同的位置，以提高與高溫煙氣的換熱面積。但是由于廢舊瀝青料中含有瀝青，加熱容易造成粘連現(xiàn)象，因此第二烘干筒的葉片多采用鏈形分段交錯式。

2 第二烘干筒設計計算

本文以國內(nèi)某廠家第二烘干筒為參考基礎，設計計算出其主要尺寸。廢瀝青料在烘干筒加熱時，形成的料簾和高溫煙氣對流換熱面積越大，熱量傳熱越劇烈。第二烘干筒直徑可以用式（1）計算：

式中：

Vx—排出的煙氣體積，m3/h。

β—瀝青料在烘干筒內(nèi)的充盈率，通常可取0.1～0.3，本文取0.2。

vx—不同形式烘干筒內(nèi)高溫煙氣的流動速度，對大型可取3～6 m/s，本文根據(jù)具體工作情況取3.5 m/s。

代入數(shù)據(jù)可以算出Dc=2.18 m，經(jīng)圓整后可取為2.2 m。

假設廢瀝青料進到烘干筒的初始溫度是20 ℃，進到卸料區(qū)為140 ℃，排料階段時為160 ℃。此時烘干筒沿軸向方向的能量耗散圖如圖1所示，其中曲線1顯示的煙氣溫度沿遠離燃燒器方向的降低曲線，曲線2顯示的是廢舊瀝青混凝土進入烘干筒后溫度升高曲線。

各區(qū)段中廢舊瀝青混凝土材料的體積可以根據(jù)不同區(qū)段溫度差計算得到，具體公式是：

式中：

Qa0—各區(qū)段實際耗熱量，（單位：kJ）；Δt0—各工藝段進料和出料溫度差，（單位：℃）；vx0—各工藝區(qū)尾端煙氣速度，（單位：m/s）。

第二烘干筒3個區(qū)段的長度可以根據(jù)公式（3）計算：

在上式中代入數(shù)據(jù)，可以得出烘干筒各段的長度分別為L1=3.60 m，L2=4.27 m，L3=2.84 m，則烘干筒總長度為L=10.71 m。

第二烘干筒在工作過程中，因為傾角的影響廢瀝青料每次被提升拋灑均會向末端移動相應距離，其轉(zhuǎn)速可根據(jù)筒徑和長度進行計算：

式中：

hm—廢舊瀝青混凝土在烘干筒中的提升高度，hm=0.8D，（單位：m）；

α—第二烘干筒的傾斜角度，一般為3～6°，本文為保證廢舊瀝青混凝土能被充分加熱，取最小值3°。

z—筒體轉(zhuǎn)動一周，混合料被拋灑的次數(shù)，一般為1.75～2.5次，本文取3次。

n—烘干筒的轉(zhuǎn)速，單位：r/min。

T—瀝青料在筒內(nèi)的停留時間，一般離散的冷骨料為2～4 min，本文取3 min。

在公式（4）中代入數(shù)據(jù)能夠得出烘干筒轉(zhuǎn)速為9.94 r/min。

3 FLUENT仿真分析

第二烘干筒的工作過程十分復雜，伴隨著能量的劇烈交換并涉及傳熱學、結(jié)構(gòu)動力學和燃燒化學等多個學科。若進行現(xiàn)場試驗研究則成本十分高昂，且試驗條件十分嚴苛。計算機數(shù)值模擬卻在這方面有很多優(yōu)勢，通過使用FLUENT軟件可以分析出第二烘干筒溫度場等分布，用以指導各工藝段長度的劃分，達到充分利用重油燃燒產(chǎn)生的熱量并提高烘干筒能效的目的[3]。

空氣與瀝青料一起進入烘干筒的設計可以在有效烘干集料的同時帶走集料中大量蒸發(fā)的水分，并且不致集料溫度過高。烘干筒內(nèi)靜溫度場分布如圖2所示，從圖2上可以看出整個烘干筒內(nèi)部火焰主要集中在瀝青料進口一側(cè)1 m范圍內(nèi)，火焰溫度較高約為1 800～2 000 K。火焰呈現(xiàn)“短粗狀態(tài)”，長度約為烘干筒長度的1/5，這樣更有利于烘干瀝青料并防止過度加熱使瀝青老化。

烘干筒內(nèi)溫度區(qū)域占比最大的是料簾區(qū)溫度為700～900 K，約為總面積區(qū)域的2/3。此區(qū)域內(nèi)沒有明火主要靠高溫煙氣與集料之間進行熱交換，是廢舊瀝青料烘干過程的主要區(qū)域[4]。排氣口煙氣溫度約為500～600 K，溫度不致過低造成除塵系統(tǒng)結(jié)露，也不致太高造成資源浪費。一般情況下排氣口煙氣溫度為180～320℃，因此從本文的仿真結(jié)果來看排煙溫度能夠滿足設備使用要求。endprint

烘干筒內(nèi)速度場分布如圖3所示，從圖3中可以看出烘干筒內(nèi)火焰中心處速度最大，然后依次遞減。高溫煙氣從燃燒區(qū)向料簾區(qū)快速運動的過程中會受到料簾和葉片等的阻礙作用，速度值會逐漸減小。在高溫煙氣到達料簾區(qū)后速度趨于穩(wěn)定且均勻分布在整個斷面上，這種分布也有利于保證廢舊瀝青料加熱溫度均勻和提高烘干效率。

烘干筒筒壁溫度分布如圖4所示，從圖4中可以看出烘干筒內(nèi)溫度最低處為空氣和混合料進口附近，這是由于空氣和混合料溫度較低且遮擋了筒壁與火焰之間的熱量傳遞作用。烘干筒筒壁溫度最高處為烘干筒末端，此處烘干筒壁溫為700 K。烘干筒筒壁也有和廢舊料進行熱交換的作用，此處筒壁溫度分布情況可以為烘干筒的設計提供參考。

進料區(qū)段主要作用是使廢舊瀝青料快速進入烘干筒內(nèi)，然后迅速除去廢料中的水分?；鹧婢托纬捎谶@個階段，高溫煙氣也在這個階段產(chǎn)生。此階段應避免集料和火焰接觸，否則廢料中的瀝青將會老化，同時重油液滴接觸到集料也不能完全燃燒。從烘干筒壁的溫度場分析可知設計計算的長度L1=3.60 m可以很好地滿足該區(qū)段的功能需求。

料簾區(qū)內(nèi)沒有火焰燃燒，此時廢料形成料簾與高溫煙氣接觸傳熱。此段應具有較長的尺寸以保證加熱效果。從溫度場分布可見烘干筒內(nèi)該區(qū)段溫度變化不大，能夠保證廢料溫度均勻。從烘干筒速度場分布也可以直觀看出火焰約為筒長的1/3。綜合數(shù)值模擬結(jié)果可知設計值L2=4.27 m與模擬結(jié)果一致性較好，這說明設計值可以很好地滿足該區(qū)段的使用，經(jīng)過圓整可取該值為4.4 m。

卸料區(qū)段考慮到烘干筒工作效率尺寸應較短，燃燒廢氣和加熱后的廢料均通過此處排出。廢氣煙氣溫度不能太低或者太高，以避免影響布袋除塵器的性能。根據(jù)溫度分布可知排煙區(qū)段釋放的煙氣溫度為180～300℃，煙氣溫度能夠達到排放要求。這說明設計值L3=2.84 m基本能夠滿足要求，經(jīng)過圓整可取該值為3 m。此時烘干筒全長為11 m。

4 結(jié)語

本文主要通過計算得出第二烘干筒的主要尺寸，然后利用FLUENT14.5軟件對第二烘干筒內(nèi)部進行了模擬分析，得到烘干筒內(nèi)部溫度場、速度場等分布數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)驗證了烘干筒各區(qū)段的設計值能夠滿足要求。經(jīng)過圓整第二烘干筒長度為11 m，其中進料區(qū)段長度為3.6 m、料簾區(qū)段長度為4.4 m和排料區(qū)段長度為3 m。

[參考文獻]

[1]畢宏建，紀洪杰，張秀華.熱再生瀝青混合料的性能試驗—威海市利用再生瀝青筑路的實踐[J].石油瀝青，2007（5）：47-50.

[2]李航.熱再生設備第二烘干筒的熱效率分析和性能優(yōu)化設計[D].西安：長安大學，2015.

[3]李衛(wèi)華.基于FLUENT的烘干機內(nèi)部流場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學，2010.

[4]孫祖望.瀝青攪拌設備的節(jié)能減排[J].建設機械技術與管理，2011（6）：41-44.endprint