沥青混合料烘干拌合设备的节能要点

李文亮

（山西路桥第二工程有限公司，山西 临汾 041051）

目前，国内外道路的面层大多采用沥青混合料铺筑（我国已建成通车的等级道路中，沥青路面约为92%左右）。由于各种级配的矿料在常温下与混合料的使用温度呈现较大的温差，而作为黏结剂的沥青在常温下呈固态，因此沥青混合料（包括沥青混凝土和沥青黑碎材料）的制作绝大多数离不开加热（采用乳化沥青和其他常温拌合工艺在工程中仅占很少比例）和烘干拌合工序。实体工程统计表明，加热和拌合工序所耗能量占沥青混合料制备总耗能的80%以上。有鉴于此，探讨沥青混合料烘干拌合工序的节能问题是十分重要的。

1 烘干滚筒结构与节能的关系

目前常用的沥青混合料烘干滚筒具有2种基本作用，即材料的换热和搅拌混合。经典热学理论认为，减小换热部分（即换热容器）的体积不仅能够减少换热器本身的能耗，而且也会有些减少整个系统的热能耗[1]。但这种结果的实现必须建立在增强换热器内部的传热效率的基础上。换热器内部的理论传热量可由下式进行计算：

式中：Q为换热器内部的理论传热量；K为传热系数；F为传热面积；Tt-T0为加热和被加热物体的温度差。

显然，换热器内部的理论传热量与自身传热面积和加热和被加热物体的温度差成正比。对烘干滚筒（即换热器）来说，如果滚筒本身的质量为常数，为了提高传热量，应当在其内部适当增加换热片以增加传热面积和提高加热和被加热物体的温度差来实现传热量的提高。当然，换热片的增加不能影响烘干拌合滚筒内的热空气流动速率，否则会降低系统的传热系数。因此，换热片的增加量应在大量试验的基础上来量化。同时，换热片本身的结构、外观和几何尺寸也必须通过优化设计来完成。

另外，传统上烘干滚筒内的拨（扬）料板呈多层多组布置，料板本身的横断面为直角。显然，当烘干滚筒旋转时形成的料帘难以涵盖滚筒的整个圆形断面，也就使得加热火焰（或热风）的相当部分无法起到加热和热交换作用而作为无效热量排出筒外。有鉴于此，改进直角拨（扬）料板，将其直角改为向内弯折的双直角形，使其作业时扬起的料帘能够比较均匀地涵盖滚筒的整个圆形断面，其加热效率会得到有效提高。

2 降低被加热物料的含水量

沥青混合料的基本组成为级配矿料（骨料）、沥青（黏结剂）、石粉（沥青混凝土用）等，这些物料只有加热到一定温度并以严格比例均匀掺配在一起才能成为符合路用性能的沥青混合料。混合料的使用温度（亦为成品料温度）通常为140～180℃，这个温度显然大大超过了常温和水的沸腾（蒸发）温度，即合格的沥青混凝土材料（制备结束时）是不含水的。但上述材料在采集、运输和储存过程中或多或少会混入一定量的水分（笔者曾在山西南部某公路分局材料基地地下库存的沥青中发现含有高达10%的液态水，说明沥青含水量的严重性），这些隐含的水分在沥青混合料的制作过程中必然会以蒸汽的形式挥发出来。水分的挥发需要吸收大量的热量。

2.1 沥青混合料制备中的材料升温的3个阶段

a)预热阶段 由常温加热至100℃（用时占总加热时间的20%，耗能占总耗能的20%左右）；

b)水分蒸发阶段 由100℃加热至110℃左右（用时65%，耗能占60%左右）；

c)升温阶段 由110℃加热至160℃左右（用时15%，耗能占20%左右）。

2.2 降低材料含水量的有效措施

显然，水分蒸发阶段的温度虽然仅由100℃升至110℃左右，但耗费的加热能量和加热周期却占了相当大的比例，这说明该阶段由于水分蒸发需要较长时间和耗费大量汽化热所致。有鉴于此，尽可能降低被加热物料的含水量是降低加热能耗和缩短加热周期的有效途径。因此，采取下述措施是必要的：

a)无论是级配矿料，还是沥青或其他添加剂，在采集、运输和储存过程中特别注意防水（落雨和地下水的渗水）。若采集后的材料含水较高，应视情况进行晾晒；阴雨天气运输时注意在材料上部采取防雨措施；储存时应置于有顶棚且高于当地平面的专用防水平台上保存（若限于条件难以满足，则应采取防雨和防地下水渗入措施）。同时，原材料的储存备用时间不应太长（以不超过一个工程年度为宜）。

b)沥青混合料制备的整个过程应在无雨时完成，最好是选择天气晴朗、环境空气相对干燥（空气湿度小于等于30%）和气温较高时进行，且在作业过程中严防水分侵入原材料和混合料成品。另外，混合料制备应与路上摊铺工程协调一致同步进行，以保证作业质量、提高效率和降低材料的无效损耗。

c）近年来，沥青路面材料（回收沥青混合料）的再生利用因具有突出的经济效益和环保效益而提到了重要日程[2]，但回收利用的前提是对回收材料进行热再生，以合理的再生工艺加工出符合路用特性的新的沥青混合料。回收材料的采集、运输和储存过程中同样存在防水的问题，而回收材料铲挖或铣刨时，应特别注意尽量不要伤及道路基层（即水泥稳定层）。由于处于面层的下部，水稳层往往含水量较上部面层高。显然，水稳层材料若混入面层材料中，不仅会增加再生材料的含水量，而且会影响其合理级配，降低材料应有的路用质量[3]。另外，以人工铲挖方式获得的沥青旧路面材料的粒径较大，而机械铣刨方式得到的旧路面材料若堆积放置时间过长（上部压力作用和较高常温的双重作用）也会形成较大的结块。粒径较大的材料若直接进入加热再生，会明显降低热量的吸收效果（沥青混合料是典型的不良热导体），增加燃料消耗和延长加热时间。因此，此时对较大粒径的路面材料先行打散，使其单个结块的粒径小于等于20 mm将会有效提高加热效率。山西省交通科学研究院近年研发的LZ-20型多功能热再生养护车就在旧材料加热前增加了打散工序。经过这道工序后，被加热物体呈现较小且均匀的颗粒。实体工程显示增加打散工序可缩短加热时间40%～60%，降低燃料消耗30%～40%，明显提高了生产效率和再生成品料的路用质量，收到了良好的效果。

3 加热温度的优化选择

沥青混合料是由沥青、矿料和某些添加剂组成的混合物。这些材料组成中，只有沥青对温度较为敏感并容易老化。矿料、石粉等为典型的无机物质，其化学特性在加热和较高的温度下比较稳定和不易老化。因此，沥青混合料制作时的沥青加热更为重要。根据光学吸收特性测试，石油沥青在1～1 000μm的红外波段均有不同程度的吸收，而在3.5～6.5μm范围内为红外热辐射的吸收波峰。根据经典光学理论中的维恩位移定律，则沥青的加热温度取500～650℃左右为宜。在这个温度下，能够使其内部分子的运动因加剧而共振，使得加热效率更高、质量更好。目前在沥青混合料制作常采用煤、煤粉、柴油和重油等为燃料的直接加热（可见光加热），其加热温度通常为1 200℃以上，加热深入性差，也易造成严重的材料老化问题。因此，建议将加热温度限定在（600±50）℃较为合适。LZ-20型多功能热再生养护车专门研发了热风循环加热技术，这种以热风加热为主要技术特征的间接加热方式，对路面材料的加热温度限定在550～650℃范围内，有效提高了加热效率，也成功规避了材料的老化现象。

纵观国内外道路施工领域，为了优化加热工艺，一系列新的加热方法都在研讨之中，除了热风循环加热技术，还有立式固定烘干、远红外辐射加热、太阳能聚焦加热（经过聚焦后，太阳能可使沥青和矿料加热至90℃以上）等加热技术尚在不断改进和逐步完善。通过这些新工艺、新技术的研发和应用，沥青混合料的制作技术水平会进一步提高，能耗会有效降低，对环境的污染将得到进一步遏制。