們的新選擇瀝青混合料加熱問題的思考好產(chǎn)品

一、瀝青混合料攪拌設(shè)備是能耗大戶

已向世界宣示了碳中和的時間點，在品牌上又為何選擇柳工？“市場越是低迷，即力爭于2030年前實現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060年前實現(xiàn)“碳中和”。在這個目標(biāo)下，我們的設(shè)備越是要好，節(jié)能、減排早已成為各行各業(yè)關(guān)注的重點問題。瀝青混合料攪拌設(shè)備是筑養(yǎng)路機(jī)械諸多機(jī)種中能耗和排放最大的設(shè)備。一臺3000型瀝青混合料攪拌設(shè)備，要新，裝機(jī)總功率一般在700kW左右，才能找到更多的工程。柳工汽車吊，燃油消耗率6.5公斤/噸成品料，做的越來越好，那么按這臺設(shè)備年產(chǎn)量20萬噸瀝青混合料計算，用的人也越來越多，則每年將至少消耗583000度電能、消耗燃油1300噸以上，我早有耳聞、再加上我是安徽人，排放一氧化碳約50噸。全國市場的瀝青混合料攪拌設(shè)備保有量大約13000臺套，肯定要支持下柳工了。”對此，按開工率20%保守折算，馬先生解釋道。早在十多年前，每年將消耗標(biāo)準(zhǔn)柴油338萬噸！消耗的電能更是驚人的數(shù)字，上?；A(chǔ)設(shè)施快速推進(jìn)，并可能排放13萬噸的一氧化碳。

我國公路通車?yán)锍桃堰_(dá)到500萬公里以上，尤其橋梁架設(shè)、廠房搭建等項目對于起重機(jī)的需求日漸加大。一直在上海打工的馬先生，高速公路超過了15.5萬公里，看準(zhǔn)了其中蘊含的機(jī)遇，世界第一。按照“十三五”交通發(fā)展規(guī)劃和《公路網(wǎng)中長期規(guī)劃》（2013-2030年），湊齊首付款之后，我國干線公路網(wǎng)已接近完成，果斷購進(jìn)了1臺汽車起重機(jī)，縣鄉(xiāng)農(nóng)村道路快速發(fā)展，進(jìn)入起重機(jī)租賃行業(yè)。剛剛?cè)胄械鸟R先生，公路密度增長較快。通車的公路里程中黑色瀝青路面占95%以上，只能是摸著石頭過河，高等級干線公路鋪筑時使用了大量的瀝青混合料。依高等級公路設(shè)計使用壽命15年計，不過憑借自己的努力，大量的瀝青路面已陸續(xù)進(jìn)入大中修期。按照固廢再生利用的原則，很快便融入到了新的圈子。得益于工程量的不斷增多，應(yīng)將瀝青混凝土路面中寶貴的瀝青和骨料資源再生利用。目前的廠拌熱再生技術(shù)日趨成熟，馬先生的起重機(jī)租賃事業(yè)越做越大。經(jīng)過10余年的奮斗和努力，大都采取在原來的瀝青混合料攪拌設(shè)備上增加再生滾筒（圖1），馬先生在上海起重機(jī)租賃業(yè)已經(jīng)闖出了不小的名頭，再生料的添加比例越來越高，市場應(yīng)用也越來越廣泛。增加廠拌熱再生功能的設(shè)備，再生料加熱系統(tǒng)（仍以3000型附加1500型再生滾筒計）一般需再增加200kW的電能消耗和大約4-5公斤/噸成品料的燃油消耗。所以舊料再生過程將要消耗更多的燃油和電能。在路面養(yǎng)護(hù)比重越來越大的今天，研究瀝青混合料加熱過程中的加熱方式和如何節(jié)能減排將是一個非常重要和及時的課題。

瀝青混合料攪拌設(shè)備

二、一般的加熱原理及應(yīng)用

瀝青混合料是骨料（石子、填料等）被瀝青均勻裹覆并黏合在一起的路面鋪筑材料。瀝青在加熱到100℃以上時才有良好的流動性，要保證和骨料的良好粘連，骨料也須被加熱到相應(yīng)的溫度。按照技術(shù)規(guī)范要求，瀝青混合料成品料的出料溫度為160℃左右，將各種材料加熱到160℃以上的過程是瀝青攪拌設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)所在。我們知道，瀝青本身是熱的不良導(dǎo)體，要將其從常溫加熱到160℃，過程比較復(fù)雜。100℃以內(nèi)的脫水過程要耗費大量的時間，從而使熱交換過程較長，能耗較高。對再生料的加熱來說，在加熱滾筒中，骨料外裹覆的瀝青以薄層或小顆粒狀態(tài)受熱，高溫下容易老化變質(zhì)，所以要控制換熱溫度。舊骨料表面的瀝青受熱脫落后才有利于骨料本身的溫度提升，熱交換中的溫度梯度不高會影響到換熱效率，太高又會使瀝青老化加劇，加熱時間延長不但生產(chǎn)效率不高，而且增加了能耗和污染物的排放量。追求經(jīng)濟(jì)性是技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)之一，舊料再生加熱過程中對熱的有效利用才是問題的關(guān)鍵所在。

常規(guī)加熱滾筒的內(nèi)結(jié)構(gòu)

目前，舊料再生加熱一般都是通過細(xì)長滾筒的方式進(jìn)行的（圖2），集料隨滾筒的旋轉(zhuǎn)而分散跌落、翻滾、涌動，與熱氣流充分接觸完成熱的交換。有順流式、逆流式、套環(huán)入料等各種形式。不管哪種形式都是以追求加熱效率和保護(hù)瀝青不被過熱為目的。燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)釟饬髀舆^低溫的集料顆粒表面，由表面向顆粒中心的傳熱過程是通過熱傳導(dǎo)原理進(jìn)行的，集料材質(zhì)的導(dǎo)熱性能和溫度梯度決定了熱傳遞的效率。同時在滾筒中，高溫?zé)釟饬鞯妮椛鋫鳠岷图嫌縿舆^程中的對流傳熱也是熱交換的存在形式。滾筒中的料流形式和入料方式對提高換熱效率和保護(hù)瀝青不被過熱有一定的積極作用，但熱交換的方式不外乎上述三種傳熱機(jī)理。集料是以顆粒式的固體形狀被加熱的，料流的運動可以增加對流傳熱的效率，但微觀上的顆粒中心升溫則只能通過熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行，大顆粒的石子和塊狀瀝青都不容易被加熱。有沒有其它傳熱方式，既能提高加熱效率又不致使瀝青過熱老化？答案有一個，就是微波加熱。

三、微波加熱原理及應(yīng)用

微波是一種波長極短的電磁波。當(dāng)被加熱物質(zhì)放在微波場中時，其極性分子隨微波頻率高頻振蕩擺動、摩擦而產(chǎn)生熱能。外加電場越強，極化作用越強，分子的熱運動和相鄰分子之間的摩擦作用也就越劇烈，從而完成了微波能向熱能的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生熱量。家用微波爐加熱食品我們比較熟悉，微波加熱的工業(yè)應(yīng)用也很普遍，常被應(yīng)用在食品行業(yè)，制藥行業(yè)，化工行業(yè)，農(nóng)產(chǎn)品，礦產(chǎn)等行業(yè)。微波加熱（Microwave heating）方式是一種非接觸性的穿透性加熱，采用電能作為能源，無污染，加熱時不需要熱傳導(dǎo)，對物料的表里同時加熱，速度快。由于物體內(nèi)外同時產(chǎn)生熱量，所以物體內(nèi)外溫差小，加熱均勻，大大提高了加熱效率。由此可見，微波加熱是一種清潔能源的應(yīng)用，能不能利用其對瀝青混合料進(jìn)行加熱呢?

長安大學(xué)焦生杰教授團(tuán)隊經(jīng)過十幾年的努力，已經(jīng)把微波加熱技術(shù)應(yīng)用在瀝青路面就地?zé)嵩偕鷻C(jī)組和路面綜合養(yǎng)護(hù)車的加熱系統(tǒng)中，取得了良好的效果和豐碩的成果，為微波加熱在行業(yè)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。那么作為瀝青混合料加熱工程的大戶-瀝青混合料攪拌設(shè)備，如何利用微波加熱技術(shù)呢，據(jù)悉國內(nèi)已有科研院校和相關(guān)單位早前開展了許多探討，但都沒有深入研究和。國外在這方面的研究與應(yīng)用走在了前頭，已有相關(guān)的專利技術(shù)被公開。下面介紹幾種國外瀝青混合料微波加熱技術(shù)的應(yīng)用，希望在尊重其知識產(chǎn)權(quán)的情況下能對我們諸多的創(chuàng)新型瀝青攪拌設(shè)備企業(yè)研發(fā)開拓提供參考思路。

圖3是一種微波加熱的瀝青路面回收料再生設(shè)備示意圖。如將其組裝在一套移動底盤上，就可組成瀝青路面就地?zé)嵩偕鷻C(jī)組。也可安裝在固定地點對瀝青路面舊料進(jìn)行加熱、再生、攪拌，組成一套固定式廠拌熱再生設(shè)備。該技術(shù)的特點是對回收的舊料進(jìn)行粗細(xì)分開加熱。經(jīng)篩分的細(xì)料含瀝青成份高，適合用常規(guī)化學(xué)能源燃燒的熱氣進(jìn)行加熱，大的骨料適合用微波進(jìn)行加熱。具體原理與結(jié)構(gòu)在筑養(yǎng)路機(jī)械分會交流資料中有比較詳細(xì)的描述。

圖4是一種微波加熱小顆粒煤粉裝置。煤粉輸送帶從微波加熱腔中通過，實現(xiàn)連續(xù)加熱。加熱均勻，效率高，可使輸送的煤粉在90℃的狀態(tài)下脫水干燥，以達(dá)到所要求的含水量。同樣，用于瀝青混合料生產(chǎn)的骨料烘干，也可以使用同樣相似的工藝進(jìn)行。

圖5是微波加熱技術(shù)在瀝青混合料攪拌設(shè)備中的應(yīng)用，回收的舊料或袋裝的常溫瀝青混合料由刮板輸送機(jī)送入帶微波加熱的配料倉，也可直接投入配好的集料。電機(jī)驅(qū)動的攪拌器可將放進(jìn)的各種料來回攪拌，之后放入存儲料倉。配料倉和攪拌鍋都有低能加熱系統(tǒng)提供的微波輸入，進(jìn)行加熱。攪拌鍋中的混合料在微波加熱下一般可被加熱到138-163℃。為防護(hù)微波泄漏，所有微波加熱倉都用沒有磁性的不銹鋼制成，也可用同樣性能的鋁材制造。圖5為一個1-4噸的攪拌鍋和一個50-75噸儲料倉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
 

微波加熱再生設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

微波加熱煤粉的裝置示意圖


微波加熱的瀝青混合料攪拌系統(tǒng)示意圖

歐美發(fā)達(dá)的公路密度已達(dá)到飽和，中大修或翻修工程主要對付的是舊料的再生加熱問題，我國也會逐漸走向這個階段，而且時間不會太久。他們考慮的是如何能夠為遠(yuǎn)離城市的路面維修工程或小城市提供用量不大的瀝青混合料，而且加熱能力大小可調(diào)，節(jié)能源，減少排放。利用微波加熱技術(shù)、采用組合式結(jié)構(gòu)、移動式或固定式（根據(jù)工程量而選擇）瀝青混合料供應(yīng)站，可以實現(xiàn)這一目標(biāo)。圖6是一個具備低能加熱系統(tǒng)（LEHS）的移動式瀝青混合料攪拌設(shè)備示意圖。包括發(fā)電機(jī)、低能加熱的微波發(fā)生單元、冷料箱、刮板式輸送機(jī)、帶低能加熱的配料倉、微波加熱攪拌器（3噸）、50噸成品保溫料倉等成塔式組合在一套移動式拖掛底盤上。該系統(tǒng)落地就是一臺小型固定式攪拌設(shè)備。利用適當(dāng)頻率的磁控管獲取的微波能通過微波導(dǎo)管輸入到多個加熱點，加熱點的多少可根據(jù)加熱目標(biāo)的設(shè)計而布置。

移動式微波加熱瀝青混合料攪拌設(shè)備示意圖

該技術(shù)也提供了微波加熱在固定式瀝青混合料生產(chǎn)設(shè)備中的應(yīng)用示例。卸料區(qū)可以與微波加熱生產(chǎn)的區(qū)域隔離開。微波加熱單元采用組合式設(shè)計，以適應(yīng)不同的生產(chǎn)量需求。

四、對微波加熱形式的一點思考

1、符合發(fā)展方向

不管是原生骨料加熱還是回收舊料再生加熱，用微波加熱不失為是一種清潔的、快速的、可控的加熱方式。從傳熱原理上看，微波在穿越集料堆時從內(nèi)到外同時產(chǎn)生熱量，傳熱快速而且均勻，也避免了熱傳導(dǎo)形式的表面溫度過高易導(dǎo)致瀝青老化問題。雖然瀝青等有機(jī)物沒有良好的微波吸收性能，但回收的舊料中瀝青是以裹覆在骨料表面的薄層或小顆粒狀存在的，骨料吸收微波能后很容易使外圍的瀝青薄層受熱。有關(guān)資料顯示，把回收的瀝青舊料從21℃加熱到121℃，用微波加熱的能耗為88.8MJ/t，90%的微波能都可以被吸收利用。若最初含水量4%，則可比常規(guī)加熱減少四分之一的能耗。因此，微波加熱方式應(yīng)該得到行業(yè)的大力研發(fā)和推廣應(yīng)用，良好的節(jié)能減排效果也符合我國“碳中和”的大方向。

2、防泄漏

使用微波加熱，人們最擔(dān)心的是微波泄漏造成的輻射傷害。以現(xiàn)代的工業(yè)設(shè)計水平和人們對防微波輻射機(jī)理的掌握，利用微波加熱完全可以達(dá)到安全的目的。家用食品微波加熱爐我們都很熟悉，完全沒有安全方面的擔(dān)憂，那么用在加熱瀝青混合料上也應(yīng)該沒有必要擔(dān)心安全問題。通過設(shè)計、檢測后投放市場的產(chǎn)品一定能夠取得大眾的信任。電力出版社出版的有關(guān)微波加熱方面的專業(yè)書籍《微波技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療中的應(yīng)用》作了很好的科學(xué)普及。

另外，適用于不同瀝青混合料加熱裝置的微波發(fā)生器-磁控管，在加大研發(fā)投入的情況下，技術(shù)上的壁壘完全可以被科研人員攻克。

3、攪拌設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡化

常規(guī)瀝青混合料攪拌設(shè)備加熱中，為了提高加熱效率或降低再生加熱中瀝青的老化程度，加熱形式都是滾筒式的結(jié)構(gòu)，裝備復(fù)雜、龐大、笨重，且驅(qū)動其轉(zhuǎn)動的電機(jī)要消耗大量電能（一般配備總功率80kW左右）。如果使用微波加熱，可以用不同大小、各種形式組合的微波加熱箱代替加熱滾筒的功能，使瀝青混合料攪拌設(shè)備的結(jié)構(gòu)大大簡化，直接降低制造成本。沒有滾筒了，燃燒器當(dāng)然也被略了，從而避免了化石燃料產(chǎn)生的一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害氣體的排放。微波加熱烘干設(shè)備只需要用電，而且是即開即用，也不需要預(yù)熱，干凈衛(wèi)生，對生產(chǎn)環(huán)境也沒有污染，系統(tǒng)中的顆粒物排放將大大降低，因而可使除塵系統(tǒng)和瀝青煙氣處理系統(tǒng)大大縮小或簡化，甚至可以取消整個除塵器。一般瀝青混合料攪拌設(shè)備的成本中布袋除塵器的成本約占到20％，這必將大大降低瀝青混合料攪拌設(shè)備的制造和使用成本。

4、創(chuàng)新成果

幾十年來，瀝青混合料攪拌設(shè)備的系統(tǒng)構(gòu)成一直沿用國外引進(jìn)的結(jié)構(gòu)形式，在環(huán)保、節(jié)能、適應(yīng)不同原料的要求下，各研發(fā)制造企業(yè)都有不同程度的改進(jìn)、提升和創(chuàng)新設(shè)計，但大的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沒有變化。不管是強制間歇式還是連續(xù)式攪拌設(shè)備，加熱方式都是利用旋轉(zhuǎn)滾筒的結(jié)構(gòu)形式，用燃燒器燃燒煤、油、氣等燃料產(chǎn)生的高溫?zé)釟饬鲗橇线M(jìn)行加熱。從科研創(chuàng)新的角度來說，沒有加熱原理方面的突破。研發(fā)微波加熱形式，將從加熱原理上突破使用傳導(dǎo)、對流、輻射傳熱形式的途徑，大大提高加熱效率和保護(hù)舊料再生中瀝青的性能，降低設(shè)備的復(fù)雜程度，減少有害物的排放，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的潛力是非常巨大的。

在此，我們呼吁行業(yè)有識之士潛心研究，社會資本大力投入，有關(guān)方面能夠立項支持，盡快使微波加熱的瀝青混合料攪拌設(shè)備服務(wù)于社會。在瀝青混合料攪拌設(shè)備的科研創(chuàng)新上，作為世界第應(yīng)用市場的，應(yīng)該走在前邊。作者：朱文天 張西農(nóng)(本文來自筑路機(jī)械分會)

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