瀝青混合料用礦粉加熱技術與裝置

師 浩，趙利軍

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

0 引言

礦粉填料是瀝青混合料中一個重要的組成部分，主要由石灰巖或巖漿巖中的強基性巖石等憎水性石料經磨細得到[1]。礦粉顆粒的粒徑在0.075mm以內[2]，雖然在混合料中所占的體積比例不大，但其比表面積較大，可以達到500m2/kg以上[3]。在瀝青混凝土中，礦粉用量只占礦料用量的6%～8%，表面積卻占礦質集料的總表面積的70%～90%[4]。由于礦粉直接與瀝青融合形成膠漿，因此它的溫度狀態對混合料性能有重要影響[5-8]。加熱礦粉是要它有足夠的溫度，并除去礦粉吸附的潮氣和水分，以便與其他材料，特別是與瀝青充分地融合在一起，使混合料性能有顯著的改善。

澆注式瀝青混合料由于具有優良的耐久性、抗老化、抗疲勞性能以及對鋼橋面板優良的追從性等，是目前橋面鋪裝中最為常用的一種材料[9-12]。由于這種混合料需要在高溫下（220℃～260℃）攪拌，依靠自身的流動性攤鋪成型，空隙率小于1%，因此混合料中的礦粉含量占比更大，可達到26%以上[13-15]。根據澆注式瀝青混合料的拌和工藝，如果礦粉加熱，粗集料溫度需要控制在250℃～300℃；如果礦粉沒有預先加熱，粗集料則需要加熱至350℃左右[16-17]。礦粉未預先加熱拌和時，由于這些礦粉有一定的含水量，與顆粒較小的細集料和瀝青的溫差大，會造成瀝青混合料中產生氣泡和團簇，嚴重影響混合料性能[14]；更高加熱溫度的集料不但對烘干滾筒的驅動和傳動系統造成嚴重傷害[18]，而且能耗也將大幅增加。因此，礦粉加熱是影響澆注式瀝青混合料質量的一個重要因素。

為了提高礦粉的加熱質量和效率，本文在對目前加熱技術分類的基礎上，對比分析了不同加熱方式的原理與特點，并結合礦粉特性，分析了加熱的關鍵技術以及適用的合理加熱方式與方案，為瀝青混合料用礦粉加熱提供了指導。

1 加熱技術與裝置現狀

對于瀝青混合料用礦粉的加熱，可根據熱源的不同可分為導熱油加熱、電加熱、火焰加熱和熱風加熱；根據熱源與礦粉是否接觸可分為直接加熱和間接加熱，間接加熱是利用高溫裝置內壁或外壁加熱礦粉；根據加熱工藝，可分為連續式和間歇式；根據加熱礦粉所采用的攪拌方式，可分為無翻動、自落式、強制式和自落強制式；根據加熱裝置結構的不同可分為立軸多層盤式、滾筒式、單臥軸葉片式、單立軸葉片式等。

1.1 連續式加熱

1.1.1 多層盤式加熱

多層盤式加熱裝置采用立軸式結構，多層加熱盤間隔垂直布置，加熱盤上布置有導熱油管[14-17]或者電加熱管[19]，主要結構原理如圖1所示。加熱時，冷礦粉從加熱器頂部落入第一層加熱盤，加熱盤上的刮板將礦粉分散推移，并從盤上的落料口或邊緣處落入下層加熱盤上，第二層加熱盤上的刮板繼續將礦粉分散推移后灑落到第三層，如此往復，從而礦粉在自落與強制攪拌過程中通過與各層電加熱或者導熱油加熱盤的熱傳導實現升溫。

圖1 連續多層盤式加熱裝置

圖2 的加熱盤采用了不同的直徑設計，大、小加熱盤間隔布置。加熱時，大加熱盤上方的刮板將礦粉向里推移，并從中間落料口處灑落入下層小加熱盤上；小加熱盤上方的刮板則是將礦粉向外推移，從邊緣灑落到下層大加熱盤上。

圖2 大小加熱盤式結構

根據熱源的不同，加熱路線有：熱源→導熱油→加熱盤盤壁→礦粉；電源→電加熱管→加熱盤盤壁→礦粉。

1.1.2 滾筒式加熱

滾筒加熱裝置多采用臥式的雙層滾筒結構[20-22]，如圖3所示。內滾筒為燃燒器作用的燃燒區，可用來加熱粗集料，也可只產生高溫煙氣；內滾筒與外滾筒之間的區域或整個外滾筒內部為礦粉加熱腔。為便于礦粉的分散和運動，加熱腔內布置有不同類型的葉片。加熱時，內滾筒或外滾筒轉動，礦粉從高處一端的進料口進入加熱腔，在葉片強制地連續分散和推進過程中，通過高溫內筒外壁的熱傳導實現加熱，并不斷地從另一端低處的出料口出料。

圖3 連續式滾筒加熱裝置

滾筒式加熱裝置的具體結構有不同變化，因此加熱路線也有所不同。圖4的內滾筒設計為鼠籠狀的煙氣散熱管，外滾筒內壁上布置有螺旋狀的提料葉片，可在外滾筒旋轉時使礦粉形成自由散落的料幕，提高了礦粉與高溫煙氣的熱交換效率。圖5的內滾筒用來加熱粗集料，外滾筒的外壁還固定有電加熱板，兩方面共同加熱礦粉，加強了加熱效果。

圖4 鼠籠火焰管式內滾筒

圖5 電加熱式外滾筒

1.1.3 連續式加熱特點分析

連續式加熱具有產量高、能耗低、可靠性好的優點，其技術特點是連續進料、連續加熱和連續出料，加熱過程載荷比較平穩，動力與傳動系統可靠性相對易于保證。但是現有連續式加熱裝置的結構都較為復雜，維護困難，增加了成本。

對于多層盤式，其主要問題有：一是為保證加熱效果，礦粉進入加熱盤的流量小，會導致產量低，而增大流量會導致加熱不均勻和達不到目標溫度；二是刮板與盤接觸，有磨損，影響工作性能；三是加熱盤因熱變形會有凸起或凹坑，直接影響刮板的工作性能；四是導熱油加熱方式，要先加熱導熱油，然后導熱油再加熱礦粉，熱效率低，能量損失較大。

對于滾筒式，雖然可以在現有集料的單滾筒基礎上，通過增加外層礦粉加熱滾筒來實現，結構較為簡單，但由于礦粉在滾筒內停留時間直接決定熱交換的效果，因此需要的滾筒長度較大；同時，大直徑的轉動滾筒難以密封，易造成礦粉泄漏和污染；圖4中礦粉與高溫煙氣接觸會造成礦粉焦化失效的問題。

1.2 間歇式強制攪拌加熱

間歇式加熱分為臥軸或立軸強制式。臥軸裝置頂部進料，底部端面出料，兩個火焰燃燒器對稱布置在礦粉攪拌鍋端面底部并分別接有含噴孔的火焰管，結構如圖6所示[23]。作業時，燃燒器產生的高溫煙氣由火焰管噴孔流出，并沿攪拌鍋外布置的S型裝置導流以加熱鍋壁大部分面積，鍋內攪拌葉片強制推動礦粉循環運動，不斷地與鍋內內壁接觸受熱。另一種變體是單根火焰管位于攪拌鍋最低點的正下方，鍋下部的雙層鍋壁中儲有導熱油，火焰和高溫煙氣共同加熱上述導熱油和鍋壁以加熱礦粉，如圖7所示。

圖6 雙火焰管間歇式臥軸強制攪拌加熱裝置

圖7 單火焰管間歇式臥軸強制攪拌加熱裝置

立軸結構[24]如圖8所示，煙道布置在攪拌鍋底部和筒周，加熱原理與臥軸結構類似。

1.2.1 臥/立軸強制式對比

第一，立軸與臥軸的邊界條件不同，立軸的攪拌鍋對礦粉是不可穿透的，而臥軸只有鍋底與側面是不可透的，而上部是可透的，從而使得臥軸結構會造成粉料與空氣頻繁熱交換的現象，熱效率較低；第二，由于礦粉的粉末狀特性，對攪拌機構旋轉部件與固定部件之間的動密封性能要求較高，臥軸攪拌裝置的軸端密封需要特別設計，立軸結構如果采用懸臂立軸則軸端密封要求較低，但工作時受力較大；第三，由于在加熱過程中需要排出礦粉水汽，所以鍋頂部一般布置有排氣口，臥軸結構的排氣開口與物料線速度方向有重合，因此在攪拌線速度較高時會發生甩料現象。

圖8 立軸強制攪拌間歇式加熱設備攪拌鍋

1.2.2 間歇式強制攪拌加熱特點分析

與連續式加熱相比，間歇式攪拌使得熱交換充分并且礦粉停留時間可控，礦粉溫度均勻性好，在不改變熱源的情況下加熱最終溫度范圍廣；礦粉與熱源通過鍋壁分隔，避免了礦粉的焦化和礦粉揚起對燃燒器的損害；礦粉進料口可充當人孔，維護方便。

存在的不足主要有：第一，產量較低，如要增加產量則須增加攪拌鍋的體積，相應會增大整個裝置的體積；第二，耗能高和存在葉片磨損；第三，熱源位于礦粉攪拌鍋外部，須在裝置最外層設置保溫棉層以減緩熱量流失。

2 技術關鍵與總結

1）因為礦粉顆粒粒徑小，比表面積大，因此礦粉會彌散在氣流中，造成材料損失并影響裝置正常工作，所以不能與高溫煙氣直接接觸。

2）為滿足加熱指標，經計算使用電源作為直接熱源所需加熱裝置的功率大，需再額外配置發電機或小型發電站，在文中各間接加熱方案中該方式是能量傳遞級數最多的四級能量傳遞，這意味熱效率的降低和成本的增加，因此該方案技術可行性最低。

3）邊強制攪拌邊加熱，有助于礦粉分散，均勻受熱，因此強制攪拌式效果較佳。需要注意的是，在連續滾筒式結構中，采用自落和強制攪拌共同作為翻料方式表面上加強了礦粉的翻動，但同時也使礦粉在加熱區域的停留時間較短，減少了熱交換的作用時間。

4）間歇式強制攪拌不僅能加強礦粉分散，提高與熱源的作用面積和作用時間，并且加熱時間可根據礦粉狀態調整，既保證了加熱質量也能夠改善加熱效率。各加熱方案對比列于表1。推薦間歇式強制攪拌的礦粉加熱方案，導熱油或者燃燒器作為熱源加熱攪拌筒壁，并建議合理優化煙道和攪拌機構的結構與參數，以便實現更高的熱交換效率。

表1 各加熱方案對比