瀝青混合料加熱問題的思考

一、瀝青混合料攪拌設備是能耗大戶

中國已向世界宣示了碳中和的時間點，即力爭於2030年前實現“碳達峰”、2060年前實現“碳中和”。在這個目標下，節能、減排早已成為各行各業關注的重點問題。瀝青混合料攪拌設備是築養路機械諸多機種中能耗和排放最大的設備。一台3000型瀝青混合料攪拌設備，裝機總功率一般在700kW左右，燃油消耗率6.5公斤/噸成品料，那麽按這台設備年產量20萬噸瀝青混合料計算，則每年將至少消耗583000度電能、消耗燃油1300噸以上，排放一氧化碳約50噸。全國市場的瀝青混合料攪拌設備保有量大約13000台套，按開工率20%保守折算，每年將消耗標準柴油338萬噸！消耗的電能更是驚人的數字，並可能排放13萬噸的一氧化碳。

我國公路通車裏程已達到500萬公裏以上，高速公路超過了15.5萬公裏，世界第一。按照“十三五”交通發展規劃和《國家公路網中長期規劃》（2013-2030年），我國幹線公路網已接近完成，縣鄉農村道路快速發展，公路密度增長較快。通車的公路裏程中黑色瀝青路麵占95%以上，高等級幹線公路鋪築時使用了大量的瀝青混合料。依高等級公路設計使用壽命15年計，大量的瀝青路麵已陸續進入大中修期。按照固廢再生利用的原則，應將瀝青混凝土路麵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日趨成熟，大都采取在原來的瀝青混合料攪拌設備上增加再生滾筒（圖1），再生料的添加比例越來越高，市場應用也越來越廣泛。增加廠拌熱再生功能的設備，再生料加熱係統（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。在路麵養護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。

瀝青混合料攪拌設備

二、一般的加熱原理及應用

瀝青混合料是骨料（石子、填料等）被瀝青均勻裹覆並黏合在一起的路麵鋪築材料。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的溫度。按照技術規範要求，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備的關鍵技術所在。我們知道，瀝青本身是熱的不良導體，要將其從常溫加熱到160℃，過程比較複雜。100℃以內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受熱，高溫下容易老化變質，所以要控製最高換熱溫度。舊骨料表麵的瀝青受熱脫落後才有利於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效率不高，而且增加了能耗和汙染物的排放量。追求經濟性是技術發展的目標之一，舊料再生加熱過程中對熱的有效利用才是問題的關鍵所在。

常規加熱滾筒的內部結構

目前，舊料再生加熱一般都是通過細長滾筒的方式進行的（圖2），集料隨滾筒的旋轉而分散跌落、翻滾、湧動，與熱氣流充分接觸完成熱的交換。有順流式、逆流式、套環入料等各種形式。不管哪種形式都是以追求加熱效率和保護瀝青不被過熱為目的。燃燒器產生的高溫熱氣流掠過低溫的集料顆粒表麵，由表麵向顆粒中心的傳熱過程是通過熱傳導原理進行的，集料材質的導熱性能和溫度梯度決定了熱傳遞的效率。同時在滾筒中，高溫熱氣流的輻射傳熱和集料湧動過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隻能通過熱傳導的方式進行，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、微波加熱原理及應用

微波是一種波長極短的電磁波。當被加熱物質放在微波場中時，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換，產生熱量。家用微波爐加熱食品我們比較熟悉，微波加熱的工業應用也很普遍，常被應用在食品行業，製藥行業，化工行業，農產品，礦產等行業。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，無汙染，加熱時不需要熱傳導，對物料的表裏同時加熱，速度快。由於物體內外同時產生熱量，所以物體內外溫差小，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用，能不能利用其對瀝青混合料進行加熱呢?

長安大學焦生傑教授團隊經過十幾年的努力，已經把微波加熱技術應用在瀝青路麵就地熱再生機組和路麵綜合養護車的加熱係統中，取得了良好的效果和豐碩的成果，為微波加熱在行業的應用奠定了基礎。那麽作為瀝青混合料加熱工程的大戶-瀝青混合料攪拌設備，如何利用微波加熱技術呢，據悉國內已有科研院校和相關單位早前開展了許多探討，但都沒有深入研究和開發。國外在這方麵的研究與應用走在了前頭，已有相關的技術被公開。下麵介紹幾種國外瀝青混合料微波加熱技術的應用，希望在尊重其知識產權的情況下能對我們諸多的創新型瀝青攪拌設備企業研發開拓提供參考思路。

圖3是一種微波加熱的瀝青路麵回收料再生設備示意圖。如將其組裝在一套移動底盤上，就可組成瀝青路麵就地熱再生機組。也可安裝在固定地點對瀝青路麵舊料進行加熱、再生、攪拌，組成一套固定式廠拌熱再生設備。該技術的特點是對回收的舊料進行粗細分開加熱。經篩分的細料含瀝青成份高，適合用常規化學能源燃燒的熱氣進行加熱，大的骨料適合用微波進行加熱。具體原理與結構在築養路機械分會交流資料中有比較詳細的描述。

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，實現連續加熱。加熱均勻，效率高，可使輸送的煤粉在90℃的狀態下脫水幹燥，以達到所要求的含水量。同樣，用於瀝青混合料生產的骨料烘幹，也可以使用同樣相似的工藝進行。

圖5是微波加熱技術在瀝青混合料攪拌設備中的應用，回收的舊料或袋裝的常溫瀝青混合料由刮板輸送機送入帶微波加熱的配料倉，也可直接投入配好的集料。電機驅動的攪拌器可將放進的各種料來回攪拌，之後放入存儲料倉。配料倉和攪拌鍋都有低能加熱係統提供的微波輸入，進行加熱。攪拌鍋中的混合料在微波加熱下一般可被加熱到138-163℃。為防護微波泄漏，所有微波加熱倉都用沒有磁性的不鏽鋼製成，也可用同樣性能的鋁材製造。圖5為一個1-4噸的攪拌鍋和一個50-75噸儲料倉係統的結構示意圖。
 

微波加熱再生設備結構示意圖

微波加熱煤粉的裝置示意圖


微波加熱的瀝青混合料攪拌係統示意圖

歐美發達國家的公路密度已達到飽和，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離城市的路麵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，節省能源，減少排放。利用微波加熱技術、采用組合式結構、移動式或固定式（根據工程量而選擇）瀝青混合料供應站，可以實現這一目標。圖6是一個具備低能加熱係統（LEHS）的移動式瀝青混合料攪拌設備示意圖。包括發電機、低能加熱的微波發生單元、冷料箱、刮板式輸送機、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。該係統落地就是一台小型固定式攪拌設備。利用適當頻率的磁控管獲取的微波能通過微波導管輸入到多個加熱點，加熱點的多少可根據加熱目標的設計而布置。

移動式微波加熱瀝青混合料攪拌設備示意圖

該技術也提供了微波加熱在固定式瀝青混合料生產設備中的應用示例。卸料區可以與微波加熱生產的區域隔離開。微波加熱單元采用組合式設計，以適應不同的生產量需求。

四、對微波加熱形式的一點思考

1、符合發展方向

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到外同時產生熱量，傳熱快速而且均勻，也避免了熱傳導形式的表麵溫度過高易導致瀝青老化問題。雖然瀝青等有機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麵的薄層或小顆粒狀存在的，骨料吸收微波能後很容易使外圍的瀝青薄層受熱。有關資料顯示，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%，則可比常規加熱減少四分之一的能耗。因此，微波加熱方式應該得到行業的大力研發和推廣應用，良好的節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，人們最擔心的是微波泄漏造成的輻射傷害。以現代的工業設計水平和人們對防微波輻射機理的掌握，利用微波加熱完全可以達到安全的目的。家用食品微波加熱爐我們都很熟悉，完全沒有安全方麵的擔憂，那麽用在加熱瀝青混合料上也應該沒有必要擔心安全問題。通過設計、檢測後投放市場的產品一定能夠取得大眾的信任。中國電力出版社出版的有關微波加熱方麵的專業書籍《微波技術在工業生產和醫療中的應用》作了很好的科學普及。

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

3、攪拌設備的結構簡化

常規瀝青混合料攪拌設備加熱中，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構，裝備複雜、龐大、笨重，且驅動其轉動的電機要消耗大量電能（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備的結構大大簡化，直接降低製造成本。沒有滾筒了，燃燒器當然也被省略了，從而避免了化石燃料產生的一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害氣體的排放。微波加熱烘幹設備隻需要用電，而且是即開即用，也不需要預熱，幹淨衛生，對生產環境也沒有汙染，係統中的顆粒物排放將大大降低，因而可使除塵係統和瀝青煙氣處理係統大大縮小或簡化，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備的製造和使用成本。

4、創新成果

幾十年來，瀝青混合料攪拌設備的係統構成一直沿用國外引進的結構形式，在環保、節能、適應不同原料的要求下，各研發製造企業都有不同程度的改進、提升和創新設計，但大的係統結構沒有變化。不管是強製間歇式還是連續式攪拌設備，加熱方式都是利用旋轉滾筒的結構形式，用燃燒器燃燒煤、油、氣等燃料產生的高溫熱氣流對骨料進行加熱。從科研創新的角度來說，沒有加熱原理方麵的突破。研發微波加熱形式，將從加熱原理上突破使用傳導、對流、輻射三大傳熱形式的途徑，大大提高加熱效率和保護舊料再生中瀝青的性能，降低設備的複雜程度，減少有害物的排放，經濟效益和社會效益的潛力是非常巨大的。

在此，我們呼籲行業有識之士潛心研究，社會資本大力投入，國家有關方麵能夠立項支持，盡快使微波加熱的瀝青混合料攪拌設備服務於社會。在瀝青混合料攪拌設備的科研創新上，作為世界第一大應用市場的中國，應該走在前邊。作者：朱文天 張西農(本文來自築路機械分會)