一種基質(zhì)瀝青快速升溫裝置的研制

王 俊

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

將廢棄輪胎的橡膠剝離后制成橡膠粉（細(xì)度為30目左右），以一定比例添加到基質(zhì)瀝青中形成橡膠瀝青,以其作為黏結(jié)劑與級(jí)配礦料摻配和拌合成瀝青混凝土，可以明顯改善瀝青路面的力學(xué)特性和使用性能,這種變害為寶的舉措也成功解決了廢棄輪胎難以處理（在自然環(huán)境中難以降解）的環(huán)境保護(hù)難題。與普通瀝青相比，橡膠瀝青制作時(shí)要求的加熱溫度較高,而目前工程中用于瀝青加熱的設(shè)備很難在短時(shí)間內(nèi)將瀝青加熱到改性工藝要求的溫度,并且能量消耗大,燃料熱效率低。有鑒于此，山西省交通科學(xué)研究院立項(xiàng)研發(fā)了型號(hào)為JKKS20的瀝青快速升溫裝置，成功解決了橡膠瀝青混合料制作時(shí)的瀝青加熱問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型

JKKS20型快速升溫裝置主要由瀝青加熱儲(chǔ)存罐、推進(jìn)式側(cè)攪拌、瀝青進(jìn)料泵、燃燒器、導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)、瀝青出料泵及整機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)等主要部分組成，如圖1。主要工作原理為利用燃燒器產(chǎn)生的熱量加熱導(dǎo)熱油，然后利用導(dǎo)熱油和燃燒爐煙道的余熱對(duì)瀝青進(jìn)行加熱。JKKS20的主要技術(shù)特點(diǎn)是導(dǎo)熱油和燃燒爐煙道的排煙余熱同時(shí)參與瀝青的加熱，其綜合加熱效果有效提高了系統(tǒng)的加熱效率。另外，專門設(shè)計(jì)的推進(jìn)式攪拌裝置使瀝青在加熱容器內(nèi)隨漿葉旋轉(zhuǎn)上下翻騰，使得瀝青在運(yùn)動(dòng)中受熱，不僅消除了加熱死角，而且實(shí)現(xiàn)了被加熱物體的快速升溫，出料泵和計(jì)量系統(tǒng)用于把加熱好的基質(zhì)瀝青按設(shè)定好的數(shù)量泵出。

圖1 JKKS20型快速升溫罐結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 瀝青加熱儲(chǔ)存罐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

瀝青加熱儲(chǔ)存罐的斷面采用U型結(jié)構(gòu)，分上下兩層布置。下層為導(dǎo)熱油加熱盤管和燃燒爐，上層為導(dǎo)熱油盤管，壁厚采用4 mm厚的鋼板，外層為50 mm的保溫巖棉。

1.2 導(dǎo)熱油加熱爐的設(shè)計(jì)和燃燒器的選擇

導(dǎo)熱油加熱及熱油循環(huán)系統(tǒng)主要由導(dǎo)熱油加熱爐、導(dǎo)熱油泵及熱油循環(huán)管道、燃料供應(yīng)系統(tǒng)、煙道加熱管路和引風(fēng)機(jī)及煙囪等組成。導(dǎo)熱油加熱爐是加熱系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)導(dǎo)熱油爐的主要要求是爐內(nèi)油溫穩(wěn)定，無(wú)局部過(guò)熱。導(dǎo)熱油加熱爐爐管主要有盤管式和鍋殼式兩種類型，本設(shè)計(jì)選用鍋殼式，以節(jié)省空間和提高加熱效率。導(dǎo)熱油爐燃燒過(guò)程中最主要的熱損失和排煙熱損失，它決定于排煙溫度和排煙量。通常排煙量決定于排煙過(guò)剩空氣系數(shù)的大小，故排煙熱損失隨著排煙溫度的升高和排煙過(guò)?？諝庀禂?shù)的增大而增加。對(duì)于導(dǎo)熱油加熱爐，排煙溫度通常比較高，這時(shí)降低排煙溫度的意義就更大。因此，增加煙道加熱管路，既可以降低排煙溫度，又能夠較多地減少排煙熱損失。由此可見(jiàn)，增設(shè)高溫?zé)煔馀c瀝青的接觸面積，能夠提高加熱系統(tǒng)的熱效率。

1.2.1 燃燒爐的設(shè)計(jì)和選型

導(dǎo)熱油加熱爐分燃煤、燃?xì)?、燃油系?設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厝剂蟻?lái)源、環(huán)保要求和經(jīng)濟(jì)效益等進(jìn)行爐型選擇。燃?xì)鉅t和燃油爐較有利于環(huán)境保護(hù),而燃煤爐的經(jīng)濟(jì)效益較好。設(shè)計(jì)和選用時(shí)應(yīng)根據(jù)受熱物質(zhì)對(duì)供熱能量的大小和實(shí)際作業(yè)工況計(jì)算綜合考慮。加熱爐的主要選擇參數(shù)是額定供熱量和供熱溫度[1]。

生產(chǎn)需用熱功率W為:

式中：G為加熱物料量,kg/h;r為物料比熱,kcal/kg·℃;K1為加熱設(shè)備傳熱效率;K2為導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)效率;Δt為物料加熱前后的溫差,℃。

根據(jù)計(jì)算所得熱功率選用導(dǎo)熱油爐的額定供熱量。

導(dǎo)熱油爐的供熱溫度一般應(yīng)高于加熱介質(zhì)需要加熱的最高溫度30～50℃。

1.2.2 燃燒器的選擇

燃燒器通常采用柴油或重油為熱源，對(duì)其評(píng)價(jià)主要是要求燃燒值高，燃燒充分，熱效率高，易于操控和安全性好等指標(biāo)。

背壓曲線范圍內(nèi)燃燒器才可以正常工作。圖2是目前常用的利雅路RL100燃燒器曲線圖。

圖2 利雅路RL100燃燒器曲線圖

1.3 熱油循環(huán)泵的選型

熱油循環(huán)泵使導(dǎo)熱油在加熱管道中強(qiáng)制循環(huán)。由于熱油循環(huán)泵的推動(dòng)，導(dǎo)熱油在油爐管（受熱管）和加熱管中形成一定的流速，在這個(gè)流速下有較大的傳熱系數(shù)和較小的阻力降，從而避免因局部過(guò)熱而使導(dǎo)熱油結(jié)焦和老化[2]。

導(dǎo)熱油循環(huán)泵的流量可由式（2）決定：

式中:K為比例系數(shù)，一般取1.2～2，主要考慮導(dǎo)熱油爐本身的循環(huán)及能力儲(chǔ)備；Q為熱油爐的額定發(fā)熱量；ρ2為溫度為t2時(shí)導(dǎo)熱油的密度，一般取0.72×103kg/m3；t2為導(dǎo)熱油流出導(dǎo)熱油爐時(shí)的溫度；c2為溫度為t2時(shí)導(dǎo)熱油的比熱，一般取2.93 kJ/(kg·℃)；t1為導(dǎo)熱油流回導(dǎo)熱油爐時(shí)的溫度；c1為溫度為t1時(shí)導(dǎo)熱油的比熱，一般取2.55 kJ/(kg·℃)。

1.4 攪拌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

攪拌傳動(dòng)裝置采用電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)及攪拌軸直聯(lián)的方式，以便于維修時(shí)的拆裝。攪拌器的形式目前有槳式、開(kāi)啟渦輪式、圓盤渦輪式、推進(jìn)式、錨式、框式、螺桿式和螺帶式等[3]。

罐內(nèi)攪拌介質(zhì)為150℃的基質(zhì)瀝青。由于溫度較高，故介質(zhì)黏度比較低。標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)式攪拌器為3瓣葉片，其螺距與槳直徑相等。攪拌時(shí)，瀝青從槳葉上方吸入，從下方以圓筒狀螺旋形排出，瀝青至容器壁再沿壁面返至槳葉上方，從而形成軸向流動(dòng)。

推進(jìn)式攪拌器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，適用于黏度低、流量大的場(chǎng)合，能夠通過(guò)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的槳葉使瀝青獲得較好的攪拌效果，同時(shí)可使瀝青在運(yùn)動(dòng)中受熱而升溫均勻，防止局部過(guò)冷或過(guò)熱。推進(jìn)式攪拌的直徑較小，槳葉直徑與容器直徑之比為0.1～0.3；葉端速度為 7～10 m/s，最高達(dá) 15 m/s[3]。

攪拌功率P可由式（3）決定：

式中：Np為攪拌功率準(zhǔn)數(shù)；ρ為液體密度，kg/m3；n為攪拌轉(zhuǎn)速，r/s；d為葉輪直徑，m。

2 作業(yè)原理和工藝流程簡(jiǎn)述

目前，基質(zhì)瀝青快速升溫裝置通常采用兩種方式。一是在基質(zhì)瀝青罐里，通過(guò)多層導(dǎo)熱油盤管加熱瀝青，這種方式的特點(diǎn)是加熱穩(wěn)定瀝青不易老化，但加熱時(shí)間長(zhǎng)，需要大功率導(dǎo)熱油爐，熱效率較低；二是通過(guò)螺旋板式換熱器加熱瀝青，特點(diǎn)是體積小，加熱快，但是也需要大功率導(dǎo)熱油爐提供熱量。與上述裝置不同的是，JKKS20型瀝青快速升溫裝置是一種自帶燃燒器加熱導(dǎo)熱油間接加熱瀝青的設(shè)備，同時(shí)燃燒爐煙道的熱量也同時(shí)參與加熱，因此有效提高了加熱效率。

JKKS20型快速升溫罐的作業(yè)必須嚴(yán)格依照設(shè)定工序進(jìn)行。首先啟動(dòng)瀝青泵，將150℃左右的基質(zhì)瀝青注入快速升溫罐中,當(dāng)瀝青液位升至80%或高液位報(bào)警時(shí)，關(guān)閉基質(zhì)瀝青泵停止注入。當(dāng)快速升溫罐低液位報(bào)警取消后，檢查快速升溫罐導(dǎo)熱油管路進(jìn)油、回油閥門開(kāi)啟正確后，啟動(dòng)導(dǎo)熱油循環(huán)泵，確認(rèn)導(dǎo)熱油壓力表指示在0.3～0.4 MPa之間；當(dāng)快速升溫罐低液位報(bào)警取消，且罐內(nèi)瀝青溫度顯示在140℃以上時(shí)，可開(kāi)啟升溫罐攪拌裝置?？焖偕郎毓薜鸵何粓?bào)警取消，且攪拌裝置啟動(dòng)，方可啟動(dòng)燃燒器工作。當(dāng)瀝青溫度達(dá)到180℃左右時(shí)，檢查升溫罐出料泵，可用手動(dòng)盤動(dòng)瀝青泵聯(lián)軸器后，開(kāi)啟升溫罐出料泵，使其將瀝青泵到制作橡膠瀝青混合罐里。保持進(jìn)料瀝青泵、出料瀝青泵、燃燒器、攪拌、循環(huán)油泵等正常工作，使其連續(xù)加熱瀝青，保證橡膠瀝青的正常連續(xù)生產(chǎn)。

3 快速升溫裝置的應(yīng)用前景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛和汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，廢舊輪胎的產(chǎn)生量以每年5%的速度遞增。將這些輪胎制作成橡膠粉，與瀝青混合成一種新型改性瀝青，不僅對(duì)環(huán)境保護(hù)有重大意義，且橡膠瀝青的應(yīng)用可以有效改善路面抗變形能力和抗疲勞開(kāi)裂性能，并使其具有良好的溫度穩(wěn)定性。

制備高質(zhì)量的橡膠改性瀝青，其加工工藝的掌握是非常重要的，因?yàn)楦男詣?duì)于瀝青的作用具有較復(fù)雜的物化反應(yīng)。在橡膠瀝青的生產(chǎn)過(guò)程中，作業(yè)溫度、攪拌速度和發(fā)育時(shí)間是影響橡膠瀝青品質(zhì)的重要因素，其中作業(yè)溫度尤為重要。因此，瀝青快速升溫裝置作為橡膠瀝青生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，隨著橡膠瀝青在高等級(jí)公路建設(shè)中的大量推廣和應(yīng)用，瀝青快速升溫裝置也會(huì)得到快速發(fā)展和更好地推廣應(yīng)用。