沥青混合料加热问题的思考

中国工程机械工业协会筑养路机械分会  朱文天  张西农

一、沥青混合料搅拌设备是能耗大户

中国已向世界宣示了碳中和的时间点，即力争于2030年前实现“碳达峰”、2060年前实现“碳中和”。在这个目标下，节能、减排早已成为各行各业关注的重点问题。沥青混合料搅拌设备是筑养路机械诸多机种中能耗和排放最大的设备。一台3000型沥青混合料搅拌设备，装机总功率一般在700kW左右，燃油消耗率6.5公斤/吨成品料，那么按这台设备年产量20万吨沥青混合料计算，则每年将至少消耗583000度电能、消耗燃油1300吨以上，排放一氧化碳约50吨。全国市场的沥青混合料搅拌设备保有量大约13000台套，按开工率20%保守折算，每年将消耗标准柴油338万吨！消耗的电能更是惊人的数字，并可能排放13万吨的一氧化碳。

我国公路通车里程已达到500万公里以上，高速公路超过了15.5万公里，世界第一。按照“十三五”交通发展规划和《国家公路网中长期规划》（2013-2030年），我国干线公路网已接近完成，县乡农村道路快速发展，公路密度增长较快。通车的公路里程中黑色沥青路面占95%以上，高等级干线公路铺筑时使用了大量的沥青混合料。依高等级公路设计使用寿命15年计，大量的沥青路面已陆续进入大中修期。按照固废再生利用的原则，应将沥青混凝土路面中宝贵的沥青和骨料资源再生利用。目前的厂拌热再生技术日趋成熟，大都采取在原来的沥青混合料搅拌设备上增加再生滚筒（图1），再生料的添加比例越来越高，市场应用也越来越广泛。增加厂拌热再生功能的设备，再生料加热系统（仍以3000型附加1500型再生滚筒计）一般需再增加200kW的电能消耗和大约4-5公斤/吨成品料的燃油消耗。所以旧料再生过程将要消耗更多的燃油和电能。在路面养护比重越来越大的今天，研究沥青混合料加热过程中的加热方式和如何节能减排将是一个非常重要和及时的课题。

图1 沥青混合料搅拌设备

二、一般的加热原理及应用

沥青混合料是骨料（石子、填料等）被沥青均匀裹覆并黏合在一起的路面铺筑材料。沥青在加热到100℃以上时才有良好的流动性，要保证和骨料的良好粘连，骨料也须被加热到相应的温度。按照技术规范要求，沥青混合料成品料的出料温度为160℃左右，将各种材料加热到160℃以上的过程是沥青搅拌设备的关键技术所在。我们知道，沥青本身是热的不良导体，要将其从常温加热到160℃，过程比较复杂。100℃以内的脱水过程要耗费大量的时间，从而使热交换过程较长，能耗较高。对再生料的加热来说，在加热滚筒中，骨料外裹覆的沥青以薄层或小颗粒状态受热，高温下容易老化变质，所以要控制最高换热温度。旧骨料表面的沥青受热脱落后才有利于骨料本身的温度提升，热交换中的温度梯度不高会影响到换热效率，太高又会使沥青老化加剧，加热时间延长不但生产效率不高，而且增加了能耗和污染物的排放量。追求经济性是技术发展的目标之一，旧料再生加热过程中对热的有效利用才是问题的关键所在。

图2常规加热滚筒的内部结构

目前，旧料再生加热一般都是通过细长滚筒的方式进行的（图2），集料随滚筒的旋转而分散跌落、翻滚、涌动，与热气流充分接触完成热的交换。有顺流式、逆流式、套环入料等各种形式。不管哪种形式都是以追求加热效率和保护沥青不被过热为目的。燃烧器产生的高温热气流掠过低温的集料颗粒表面，由表面向颗粒中心的传热过程是通过热传导原理进行的，集料材质的导热性能和温度梯度决定了热传递的效率。同时在滚筒中，高温热气流的辐射传热和集料涌动过程中的对流传热也是热交换的存在形式。滚筒中的料流形式和入料方式对提高换热效率和保护沥青不被过热有一定的积极作用，但热交换的方式不外乎上述三种传热机理。集料是以颗粒式的固体形状被加热的，料流的运动可以增加对流传热的效率，但微观上的颗粒中心升温则只能通过热传导的方式进行，大颗粒的石子和块状沥青都不容易被加热。有没有其它传热方式，既能提高加热效率又不致使沥青过热老化？答案有一个，就是微波加热。

三、微波加热原理及应用

微波是一种波长极短的电磁波。当被加热物质放在微波场中时，其极性分子随微波频率高频振荡摆动、摩擦而产生热能。外加电场越强，极化作用越强，分子的热运动和相邻分子之间的摩擦作用也就越剧烈，从而完成了微波能向热能的转换，产生热量。家用微波炉加热食品我们比较熟悉，微波加热的工业应用也很普遍，常被应用在食品行业，制药行业，化工行业，农产品，矿产等行业。微波加热（Microwave heating）方式是一种非接触性的穿透性加热，采用电能作为能源，无污染，加热时不需要热传导，对物料的表里同时加热，速度快。由于物体内外同时产生热量，所以物体内外温差小，加热均匀，大大提高了加热效率。由此可见，微波加热是一种清洁能源的应用，能不能利用其对沥青混合料进行加热呢?

长安大学焦生杰教授团队经过十几年的努力，已经把微波加热技术应用在沥青路面就地热再生机组和路面综合养护车的加热系统中，取得了良好的效果和丰硕的成果，为微波加热在行业的应用奠定了基础。那么作为沥青混合料加热工程的大户-沥青混合料搅拌设备，如何利用微波加热技术呢，据悉国内已有科研院校和相关单位早前开展了许多探讨，但都没有深入研究和开发。国外在这方面的研究与应用走在了前头，已有相关的专利技术被公开。下面介绍几种国外沥青混合料微波加热技术的应用，希望在尊重其知识产权的情况下能对我们诸多的创新型沥青搅拌设备企业研发开拓提供参考思路。

图3是一种微波加热的沥青路面回收料再生设备示意图。如将其组装在一套移动底盘上，就可组成沥青路面就地热再生机组。也可安装在固定地点对沥青路面旧料进行加热、再生、搅拌，组成一套固定式厂拌热再生设备。该技术的特点是对回收的旧料进行粗细分开加热。经筛分的细料含沥青成份高，适合用常规化学能源燃烧的热气进行加热，大的骨料适合用微波进行加热。具体原理与结构在筑养路机械分会交流资料中有比较详细的描述。

图4是一种微波加热小颗粒煤粉装置。煤粉输送带从微波加热腔中通过，实现连续加热。加热均匀，效率高，可使输送的煤粉在90℃的状态下脱水干燥，以达到所要求的含水量。同样，用于沥青混合料生产的骨料烘干，也可以使用同样相似的工艺进行。

图5是微波加热技术在沥青混合料搅拌设备中的应用，回收的旧料或袋装的常温沥青混合料由刮板输送机送入带微波加热的配料仓，也可直接投入配好的集料。电机驱动的搅拌器可将放进的各种料来回搅拌，之后放入存储料仓。配料仓和搅拌锅都有低能加热系统提供的微波输入，进行加热。搅拌锅中的混合料在微波加热下一般可被加热到138-163℃。为防护微波泄漏，所有微波加热仓都用没有磁性的不锈钢制成，也可用同样性能的铝材制造。图5为一个1-4吨的搅拌锅和一个50-75吨储料仓系统的结构示意图。

图3  微波加热再生设备结构示意图

图4  微波加热煤粉的装置示意图

图5.微波加热的沥青混合料搅拌系统示意图

欧美发达国家的公路密度已达到饱和，中大修或翻修工程主要对付的是旧料的再生加热问题，我国也会逐渐走向这个阶段，而且时间不会太久。他们考虑的是如何能够为远离城市的路面维修工程或小城市提供用量不大的沥青混合料，而且加热能力大小可调，节省能源，减少排放。利用微波加热技术、采用组合式结构、移动式或固定式（根据工程量而选择）沥青混合料供应站，可以实现这一目标。图6是一个具备低能加热系统（LEHS）的移动式沥青混合料搅拌设备示意图。包括发电机、低能加热的微波发生单元、冷料箱、刮板式输送机、带低能加热的配料仓、微波加热搅拌器（3吨）、50吨成品保温料仓等成塔式组合在一套移动式拖挂底盘上。该系统落地就是一台小型固定式搅拌设备。利用适当频率的磁控管获取的微波能通过微波导管输入到多个加热点，加热点的多少可根据加热目标的设计而布置。

图6移动式微波加热沥青混合料搅拌设备示意图

该技术也提供了微波加热在固定式沥青混合料生产设备中的应用示例。卸料区可以与微波加热生产的区域隔离开。微波加热单元采用组合式设计，以适应不同的生产量需求。

四、对微波加热形式的一点思考

1、符合发展方向

不管是原生骨料加热还是回收旧料再生加热，用微波加热不失为是一种清洁的、快速的、可控的加热方式。从传热原理上看，微波在穿越集料堆时从内到外同时产生热量，传热快速而且均匀，也避免了热传导形式的表面温度过高易导致沥青老化问题。虽然沥青等有机物没有良好的微波吸收性能，但回收的旧料中沥青是以裹覆在骨料表面的薄层或小颗粒状存在的，骨料吸收微波能后很容易使外围的沥青薄层受热。有关资料显示，把回收的沥青旧料从21℃加热到121℃，用微波加热的能耗为88.8MJ/t，90%的微波能都可以被吸收利用。若最初含水量4%，则可比常规加热减少四分之一的能耗。因此，微波加热方式应该得到行业的大力研发和推广应用，良好的节能减排效果也符合我国“碳中和”的大方向。

2、防泄漏

使用微波加热，人们最担心的是微波泄漏造成的辐射伤害。以现代的工业设计水平和人们对防微波辐射机理的掌握，利用微波加热完全可以达到安全的目的。家用食品微波加热炉我们都很熟悉，完全没有安全方面的担忧，那么用在加热沥青混合料上也应该没有必要担心安全问题。通过设计、检测后投放市场的产品一定能够取得大众的信任。中国电力出版社出版的有关微波加热方面的专业书籍《微波技术在工业生产和医疗中的应用》作了很好的科学普及。

另外，适用于不同沥青混合料加热装置的微波发生器-磁控管，在加大研发投入的情况下，技术上的壁垒完全可以被科研人员攻克。

3、搅拌设备的结构简化

常规沥青混合料搅拌设备加热中，为了提高加热效率或降低再生加热中沥青的老化程度，加热形式都是滚筒式的结构，装备复杂、庞大、笨重，且驱动其转动的电机要消耗大量电能（一般配备总功率80kW左右）。如果使用微波加热，可以用不同大小、各种形式组合的微波加热箱代替加热滚筒的功能，使沥青混合料搅拌设备的结构大大简化，直接降低制造成本。没有滚筒了，燃烧器当然也被省略了，从而避免了化石燃料产生的一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有害气体的排放。微波加热烘干设备只需要用电，而且是即开即用，也不需要预热，干净卫生，对生产环境也没有污染，系统中的颗粒物排放将大大降低，因而可使除尘系统和沥青烟气处理系统大大缩小或简化，甚至可以取消整个除尘器。一般沥青混合料搅拌设备的成本中布袋除尘器的成本约占到20％，这必将大大降低沥青混合料搅拌设备的制造和使用成本。

4、创新成果

几十年来，沥青混合料搅拌设备的系统构成一直沿用国外引进的结构形式，在环保、节能、适应不同原料的要求下，各研发制造企业都有不同程度的改进、提升和创新设计，但大的系统结构没有变化。不管是强制间歇式还是连续式搅拌设备，加热方式都是利用旋转滚筒的结构形式，用燃烧器燃烧煤、油、气等燃料产生的高温热气流对骨料进行加热。从科研创新的角度来说，没有加热原理方面的突破。研发微波加热形式，将从加热原理上突破使用传导、对流、辐射三大传热形式的途径，大大提高加热效率和保护旧料再生中沥青的性能，降低设备的复杂程度，减少有害物的排放，经济效益和社会效益的潜力是非常巨大的。

在此，我们呼吁行业有识之士潜心研究，社会资本大力投入，国家有关方面能够立项支持，尽快使微波加热的沥青混合料搅拌设备服务于社会。在沥青混合料搅拌设备的科研创新上，作为世界第一大应用市场的中国，应该走在前边。