一种基质沥青快速升温装置的研制

王 俊

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

将废弃轮胎的橡胶剥离后制成橡胶粉（细度为30目左右），以一定比例添加到基质沥青中形成橡胶沥青,以其作为黏结剂与级配矿料掺配和拌合成沥青混凝土，可以明显改善沥青路面的力学特性和使用性能,这种变害为宝的举措也成功解决了废弃轮胎难以处理（在自然环境中难以降解）的环境保护难题。与普通沥青相比，橡胶沥青制作时要求的加热温度较高,而目前工程中用于沥青加热的设备很难在短时间内将沥青加热到改性工艺要求的温度,并且能量消耗大,燃料热效率低。有鉴于此，山西省交通科学研究院立项研发了型号为JKKS20的沥青快速升温装置，成功解决了橡胶沥青混合料制作时的沥青加热问题。

1 结构设计和选型

JKKS20型快速升温装置主要由沥青加热储存罐、推进式侧搅拌、沥青进料泵、燃烧器、导热油加热系统、沥青出料泵及整机自动控制系统等主要部分组成，如图1。主要工作原理为利用燃烧器产生的热量加热导热油，然后利用导热油和燃烧炉烟道的余热对沥青进行加热。JKKS20的主要技术特点是导热油和燃烧炉烟道的排烟余热同时参与沥青的加热，其综合加热效果有效提高了系统的加热效率。另外，专门设计的推进式搅拌装置使沥青在加热容器内随浆叶旋转上下翻腾，使得沥青在运动中受热，不仅消除了加热死角，而且实现了被加热物体的快速升温，出料泵和计量系统用于把加热好的基质沥青按设定好的数量泵出。

图1 JKKS20型快速升温罐结构示意图

1.1 沥青加热储存罐的结构设计

沥青加热储存罐的断面采用U型结构，分上下两层布置。下层为导热油加热盘管和燃烧炉，上层为导热油盘管，壁厚采用4 mm厚的钢板，外层为50 mm的保温岩棉。

1.2 导热油加热炉的设计和燃烧器的选择

导热油加热及热油循环系统主要由导热油加热炉、导热油泵及热油循环管道、燃料供应系统、烟道加热管路和引风机及烟囱等组成。导热油加热炉是加热系统的关键设备，对导热油炉的主要要求是炉内油温稳定，无局部过热。导热油加热炉炉管主要有盘管式和锅壳式两种类型，本设计选用锅壳式，以节省空间和提高加热效率。导热油炉燃烧过程中最主要的热损失和排烟热损失，它决定于排烟温度和排烟量。通常排烟量决定于排烟过剩空气系数的大小，故排烟热损失随着排烟温度的升高和排烟过剩空气系数的增大而增加。对于导热油加热炉，排烟温度通常比较高，这时降低排烟温度的意义就更大。因此，增加烟道加热管路，既可以降低排烟温度，又能够较多地减少排烟热损失。由此可见，增设高温烟气与沥青的接触面积，能够提高加热系统的热效率。

1.2.1 燃烧炉的设计和选型

导热油加热炉分燃煤、燃气、燃油系列,设计应根据当地燃料来源、环保要求和经济效益等进行炉型选择。燃气炉和燃油炉较有利于环境保护,而燃煤炉的经济效益较好。设计和选用时应根据受热物质对供热能量的大小和实际作业工况计算综合考虑。加热炉的主要选择参数是额定供热量和供热温度[1]。

生产需用热功率W为:

式中：G为加热物料量,kg/h;r为物料比热,kcal/kg·℃;K1为加热设备传热效率;K2为导热油加热系统效率;Δt为物料加热前后的温差,℃。

根据计算所得热功率选用导热油炉的额定供热量。

导热油炉的供热温度一般应高于加热介质需要加热的最高温度30～50℃。

1.2.2 燃烧器的选择

燃烧器通常采用柴油或重油为热源，对其评价主要是要求燃烧值高，燃烧充分，热效率高，易于操控和安全性好等指标。

背压曲线范围内燃烧器才可以正常工作。图2是目前常用的利雅路RL100燃烧器曲线图。

图2 利雅路RL100燃烧器曲线图

1.3 热油循环泵的选型

热油循环泵使导热油在加热管道中强制循环。由于热油循环泵的推动，导热油在油炉管（受热管）和加热管中形成一定的流速，在这个流速下有较大的传热系数和较小的阻力降，从而避免因局部过热而使导热油结焦和老化[2]。

导热油循环泵的流量可由式（2）决定：

式中:K为比例系数，一般取1.2～2，主要考虑导热油炉本身的循环及能力储备；Q为热油炉的额定发热量；ρ2为温度为t2时导热油的密度，一般取0.72×103kg/m3；t2为导热油流出导热油炉时的温度；c2为温度为t2时导热油的比热，一般取2.93 kJ/(kg·℃)；t1为导热油流回导热油炉时的温度；c1为温度为t1时导热油的比热，一般取2.55 kJ/(kg·℃)。

1.4 搅拌系统的设计

搅拌传动装置采用电动机、减速机及搅拌轴直联的方式，以便于维修时的拆装。搅拌器的形式目前有桨式、开启涡轮式、圆盘涡轮式、推进式、锚式、框式、螺杆式和螺带式等[3]。

罐内搅拌介质为150℃的基质沥青。由于温度较高，故介质黏度比较低。标准推进式搅拌器为3瓣叶片，其螺距与桨直径相等。搅拌时，沥青从桨叶上方吸入，从下方以圆筒状螺旋形排出，沥青至容器壁再沿壁面返至桨叶上方，从而形成轴向流动。

推进式搅拌器结构简单、制造方便，适用于黏度低、流量大的场合，能够通过高速转动的桨叶使沥青获得较好的搅拌效果，同时可使沥青在运动中受热而升温均匀，防止局部过冷或过热。推进式搅拌的直径较小，桨叶直径与容器直径之比为0.1～0.3；叶端速度为 7～10 m/s，最高达 15 m/s[3]。

搅拌功率P可由式（3）决定：

式中：Np为搅拌功率准数；ρ为液体密度，kg/m3；n为搅拌转速，r/s；d为叶轮直径，m。

2 作业原理和工艺流程简述

目前，基质沥青快速升温装置通常采用两种方式。一是在基质沥青罐里，通过多层导热油盘管加热沥青，这种方式的特点是加热稳定沥青不易老化，但加热时间长，需要大功率导热油炉，热效率较低；二是通过螺旋板式换热器加热沥青，特点是体积小，加热快，但是也需要大功率导热油炉提供热量。与上述装置不同的是，JKKS20型沥青快速升温装置是一种自带燃烧器加热导热油间接加热沥青的设备，同时燃烧炉烟道的热量也同时参与加热，因此有效提高了加热效率。

JKKS20型快速升温罐的作业必须严格依照设定工序进行。首先启动沥青泵，将150℃左右的基质沥青注入快速升温罐中,当沥青液位升至80%或高液位报警时，关闭基质沥青泵停止注入。当快速升温罐低液位报警取消后，检查快速升温罐导热油管路进油、回油阀门开启正确后，启动导热油循环泵，确认导热油压力表指示在0.3～0.4 MPa之间；当快速升温罐低液位报警取消，且罐内沥青温度显示在140℃以上时，可开启升温罐搅拌装置。快速升温罐低液位报警取消，且搅拌装置启动，方可启动燃烧器工作。当沥青温度达到180℃左右时，检查升温罐出料泵，可用手动盘动沥青泵联轴器后，开启升温罐出料泵，使其将沥青泵到制作橡胶沥青混合罐里。保持进料沥青泵、出料沥青泵、燃烧器、搅拌、循环油泵等正常工作，使其连续加热沥青，保证橡胶沥青的正常连续生产。

3 快速升温装置的应用前景

随着我国经济的腾飞和汽车工业的迅猛发展，废旧轮胎的产生量以每年5%的速度递增。将这些轮胎制作成橡胶粉，与沥青混合成一种新型改性沥青，不仅对环境保护有重大意义，且橡胶沥青的应用可以有效改善路面抗变形能力和抗疲劳开裂性能，并使其具有良好的温度稳定性。

制备高质量的橡胶改性沥青，其加工工艺的掌握是非常重要的，因为改性剂对于沥青的作用具有较复杂的物化反应。在橡胶沥青的生产过程中，作业温度、搅拌速度和发育时间是影响橡胶沥青品质的重要因素，其中作业温度尤为重要。因此，沥青快速升温装置作为橡胶沥青生产中的关键环节，随着橡胶沥青在高等级公路建设中的大量推广和应用，沥青快速升温装置也会得到快速发展和更好地推广应用。