沥青混凝土拌和机燃油系统节能技术改造.docx
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沥青混凝土拌和机燃油系统节能技术改造
沥青混凝土拌和机燃油系统节能技术改造
摘要
滁州市公路管理局对下属养护工区6台30t/h沥青混凝土拌和机进行燃油系统节能技术改造，以沥青代替柴油。
因地制宜，结构简单，操作方便，性能良好，安全可靠，投资少、收益大，有效地降低了公路养护成本，具有推广价值。
本文对该项技术进行全面介绍。
关键词
拌和机燃油系统技术改造节能
1项目由来
我省自1996年起，在全省范围内开展《公路机械化养护关键问题的研究与应用》科研项目，到2001年底，全省先后建立起51个标准机械化养护工区，为我省公路养护改革走向市场化探索出了新路子，取得了公路养护经济效益和社会效益的显著成果。
在公路机械化养护工区覆盖全省公路网的同时，我们在调研中发现继续推进公路养护改革走向市场化，要研究攻克的问题很多，其中如何降低机械化养护成本、特别是养护机械燃料支出，仅以黄山市谭家桥养护工区为例（见表一），燃料费占各项总支出的46.15%。
近年来燃油价格不断攀升，油价涨至每吨3500-4000元左右。
我们分析各种养护机械发动机燃料暂时还找不到替代的燃料，在沥青混凝土拌和设备生产中，集料的烘干一项，耗用柴油数量相当可观，随着柴油价格上涨，导致拌和成本加大，带来公路养护成本急剧升高。
因此，寻求价格适中的其它替代燃料成为我们工作的急需和重心。
沥青混凝土拌和机燃油系统节能技术由安徽省公路管理局主导开发，本着安全、节能、环保、简便的原则，实现在原生产率不变的情况下，降低燃料成本，提高拌和机的经济效益，同时也为推广到其它类似的燃料锅炉的节能提供可能的途径。
表
（一）工区历年主要机械核算表单位:
元
考核期
机械数
台班
台班费收入
各项支出
各项总支出
盈亏
维修费
燃料费
折旧费
其它费用
1998年
7
1078
446040.22
95861.92
102627.85
114862.86
51232.50
364585.13
+81455.09
1999年
7
798
586974.22
37916.02
115542.79
157237.86
48612.60
359309.27
+227664.95
2000年
8
1121
940673.88
59084.05
377183.49
170327.92
94180.50
700755.96
+239897.92
2001年
8
907
876142.73
63977.40
324724.77
174595.00
5907.10
569204.27
+306938.46
合计
3904
2849831.05
256839.39
920078.90
617023.64
199932.70
1993874.63
+855956.42
各项支出占总支出百分率（%）
12.88
46.15
30.95
10.02
2国内外研究现状
国内外沥青混凝土拌和机的集料烘干加热装置大部分采用柴油作燃料，少部分采用重油，国外也有用天然气作燃料，它有更优良的燃料特性，但是价格昂贵，仅限于获得天然气较方便、较便宜的地区。
国内也有少量的中小型沥青拌和机仍然烧煤，煤的发热值低、火焰不稳定、温度不易控制，并且劳动强度大，环境污染严重。
燃煤的优点是价格较便宜。
国内的沥青拌和机绝大多数以柴油为燃料，少数用重油。
生产率60t/h以上大中型沥青拌和机所用燃烧器构造复杂，自动化程度高，风油比自动调控，具有自动点火、火焰温度可调、火焰温控及熄火安全保护功能，燃烧效率≥90%，节能效果好。
60t/h以下的沥青拌和设备燃烧器相对于大中型沥青拌和机构造简单，风油比调控手动，人工点火，火焰温控根据简易检测工具或施工经验，燃烧效率≥75%，节能不显著。
安徽省科学技术情报研究所出示的《科技查新报告》指出:
“国内文献中有关沥青混凝土拌和机燃油系统节能技术研究方面，有关以沥青为燃料用于沥青混凝土拌和机，主要是用在60t/h以上的大型沥青混凝土拌和设备上，60t/h以下沥青混凝土拌和机节能，主要是以燃重油和煤为节能手段。
从检索的情况看，未见有在60t/h以下沥青混凝土拌和机上使用沥青代替柴油作燃料的研究或应用的文献报道。
”
3用户需求、系统目标和系统开发原则
3.1用户需求
1）养路机械化施工的目的。
实现筑养路机械化是提高公路施工和养护质量必不可少的手段，是促进公路事业发展的物资技术基础。
坚持筑养路机械技术改造，节约机械的各项消耗费用，减少公害，便利操作、实现生产过程自动化，有利于提高筑养路机械的技术性能和经济性能。
2）沥青混凝土拌和工艺流程分析及工作原理。
沥青混凝土拌和机是沥青路面施工和养护的关键设备，按照施工要求，应完成以下基本工作:
a、冷矿料的烘干、加热与计量;
b、沥青的加热、保温与计量;
c、按照一定的配合比，将热矿料（或加适的矿料粉）与热沥青均匀地拌和成所需要的成品料。
目前，国内各种拌和机根据所采取的工艺流程的不同，主要可分成两大类:
（1）强制间歇式沥青拌和机。
其特点是冷矿料的烘干、加热以及热沥青的拌和是先后在不同的设备中进行，拌和方式多为强制式，其工艺流程见图一。
图一强制间歇式沥青拌和机工艺流
（2）滚筒式沥青拌和机。
这是上世纪七十年代国外出现的一种新型拌和工艺，即冷矿料的烘干、加热与沥青的拌和是在同一滚筒中进行，其拌和方式是非强制式，矿料在旋转滚筒内自行跌落而实现被沥青的裹覆。
其工艺流程见图二。
图二滚筒式沥青拌和机工艺流程
根据工艺流程，无论是强制间歇式拌和机还是滚筒拌和机，石料烘干、加热是一道主要工序。
3.2系统目标
通过对沥青混合料拌和机烘干加热系统的改造，改善其工作的经济性，降低养护成本，节约能源，实现技术经济指标，降低拌和成本幅度达到30%。
第一，以滁州市公路局为试点，实行节能增效积累经验的目的。
通过燃油系统以精制程度低、用途单一、价格低的沥青（或重油）代替精度高、用途范围广、价格高的柴油，节约有限的石油成品能源，在能源得到合理利用的同时，降低养护成本。
第二，进一步完善和提高，优化系统结构，提高燃烧系统科技含量和燃烧系统效率。
第三，在滁州市公路局技术改造成功的基础上，在全省公路系统51个标准机械化养护工区进行推广。
3.3系统开发原则
1）经济性。
由于基层养护单位员工素质和技术力量等诸多条件的限制，系统的改造必须因地制宜、操作简单、运行可靠、投入少，同时替代燃料来源有保障，价格要低。
2）安全性。
系统必须安全可靠、防护措施简便易行。
3）环保性。
系统的节约不能以牺牲环境为代价，不能有废水、废渣排出，同时废气的排放要符合国家环保标准。
4系统的基本功能和开发要求
4.1系统的基本功能
为了满足集料烘干应达到的燃烧温度，系统应具备满足燃烧器工作所需的雾化条件，应具备降低沥青粘度，保证稳定的工作压力、可靠的加热温度控制系统及安全方面防护措施等功能。
1）满足雾化条件功能。
生产率60t/h以下的沥青混合料拌和设备，由于燃烧器类型多种多样，其所需的雾化条件差异较大，雾化时所需的燃料粘度、输送压力、供风量都不相同。
因此，改造后的燃油系统应能满足不同类型的拌和设备所需的雾化条件。
2）降低粘度功能。
通过加热方法可降低沥青粘度，加热后沥青温度应根据燃烧所需的粘度确定。
为了满足粘度要求，通常燃烧用的沥青温度在180℃～200℃之间，此温度下的沥青粘度一般≤10°E，加热后沥青一般不易老化变质。
由于一般加热方法温升较慢，若采用电加热，温升较快、温升速率可达20℃/h。
但要采取强制对流、加速循环等措施，控制沥青加热温度和加速热交换。
3）保持稳定的工作压力功能。
稳定的工作压力通常是由沥青泵和管路阀门系统提供，沥青泵提供油流动力，阀门调节燃烧器需要的不同工作压力。
4）加热及温度控制功能。
通过加热升高沥青温度、降低其粘度。
为了保持沥青燃烧时的温度及温升要求，采取电加热方法，并将加热温度控制在某一固定范围，防止温度变化导致燃烧器火焰波动，影响燃烧效果。
同时为了防止温度过高、沥青变质或自燃，加热控制系统应具备自动控制沥青温度升高或下降的加热器自行停、开的功能。
5）安全保护功能。
燃料沥青供给系统在工作时，其载体具有较高的温度，承受一定的压力，为了确保操作人员不被烫伤，应采取隔热、防泄漏等安全装置。
4.2系统开发要求
1）严格执行国家有关规范和技术标准。
2）满足生产要求。
3）充分利用现有设备。
4）因地制宜，不影响原场址布置。
5）使用方便，操作简单。
6）技术要求符合基层操作人员的业务水平。
5系统的构造及系统运行环境
5.1系统的构造
该系统的主要构造由加热罐、燃料供给系统、电器控制系统、预热保温装置等组成。
5.2系统构造各部分主要功能
1）加热罐。
由罐体、加热管组成，其主要功能就是降低沥青粘度，保持设定的工作温度，满足燃烧器的燃烧粘度要求。
2）沥青供给系统。
由油泵、管路、阀门及相应的温度仪表构成，主要功能就是保持稳定压力、输送燃料。
3）电器控制系统。
由温控仪、相关的开关组成，主要功能是控制系统中的各类电器组件。
4）预热保温装置。
由电热带、电热片等组成，其功能是保证高温沥青热量不散失，降低输送燃料时粘滞阻力，保证电机正常运转。
6系统设计
6.1现有沥青拌和机燃烧器类型结构分析
我省养护工区现有沥青混凝土拌和机就其工艺流程分间歇式、连续式两种，两者燃烧方式、燃烧机理各不相同，其燃烧类型大致可分为四种:
1）低压旋风炉燃烧室。
以高压旋转空气流为雾化剂，燃油压力低（0.08~0.15Mpa）雾化质量要求不高，要求粘度5~10°E，可调二次风，其结构如图三所示。
图三煤、油两用微型旋风炉工作原理
1、密封圈联接法兰2、喷火口3、燃烧4、二次风口5、炉体6、一次风口7、窥视孔8、炉门
9、风管10、窥视孔玻璃钢11、二次风管12、接料斗法兰13、过料通道14、预燃区15、燃烧区
2）油压式机械喷嘴燃烧器。
用于高压油流小孔喷出时压力的突然降低使油流分裂、破碎进行雾化。
燃油压力为0.5～1Mpa，雾化要求高，要求
粘度≤7°E，可调空气压力，其结构如图四所示。
图四油压式机械喷嘴结构示意图
a）无回油;b）回油式
1-分油片;2-离心涡流片;3-雾化片
3）转杯式机械燃烧器:
带预热燃烧室，其工作原理是将油导入高速旋转的扩张形杯中，离心力将油、推向杯口，并使油向四周分散均匀地甩出，从而取得雾化效果。
燃油压力为0.05～0.5Mpa，雾化一般，要求粘度≤8°E，不可调空气压力，其结构如图五所示。
图五转杯式机械喷嘴示意图
1-转杯；2-次风嘴；3-二次风嘴；4、导风室（旋流叶片）;5-风扇叶轮；6-一次风进口；7-转轴；8-油管；9-电动机；10-进油体
4）低压直流式燃烧器:
带预热室，它是以燃烧的全部或大部分助燃空气作雾化剂。
调节风量主要靠油嘴前后滑动改变空气出口截面积来进行。
燃油压力为0.5～1.5Mpa，雾化要求高，要求粘≤8°E，可调空气压力。
其结构如图六所示。
图六低压直流式喷嘴示意图
1、喷嘴体空气管2、重油阀3、调风外套管（重油嘴子）4、重油管（内套管）5、风量指针与刻度盘6、偏心轮7、调风手柄8、密封垫
6.2替代燃料的选择
用于沥青混凝土拌和机燃油通常有固体燃料（煤），气体燃料（天然气），液体燃料（柴油、重油、沥青、其它废油、原油），选择时在考虑经济性的同时，还应结合场址的局限性、投入设备多少、环境保护、降低劳动强度、劳动安全等因素。
其方案比较如下:
1）气体燃料。
需重新添置设备，气源不丰富。
2）固体燃料。
如煤、燃煤本身价格便宜，但煤发热值低，火焰不稳定，温度不易控制，劳动强度大，环境污染严重，须添置粉煤机、燃料室、盖库房，投资费用大。
3）以原油作燃料。
虽然我省境内有原油，但获取时困难较多（能源浪费因素）。
4）重油。
价格低廉，与柴油价差1300元/吨，经济性好，但需投资10万元重新添置100吨储油罐、加热系统、管路及保温设施，不仅投资大，而且大部分工区原场址规划后无法安装新设施。
养护工区拌和机年耗油仅100余吨，相比用量不大情况下又多了一个品种多了一道采购程序。
5）沥青。
特征类似重油，可在原路用沥青加温罐中就地取材，无须较大场地，只须添置高温加热装置，做好防烫伤、防高温油泄漏措施即可，价格与柴油相比每吨低1000多元，虽然沥青价格比重油高出300元/吨，与采用重油方案相比，选用沥青综合经济性更好些。
6.3沥青的燃烧机理
道路沥青是一种复杂的高分子碳氢混合物，其化学元素主要是碳（80～87%）和氢（10～15%），燃烧时基本上是蒸发、裂化与裂解（500～700℃），其可燃基低，发热值在38500KJ/kg～42000KJ/kg，具有较高的热值，燃烧性能好。
加热至180～200℃后粘度≤10°E，经雾化后形成微小颗粒，与合适的空气混合后充分燃烧，燃烧室内温度可达1500℃，完全能够满足任何状态下烘干需要。
常见沥青火焰的颜色与温度的关系如下:
暗红色
约600℃
深红色
约700℃
红橙色
约900℃
橙黄色
约1100℃
白色
约1300℃
白炽色
约1500℃
6.4设计原则
由于工区是基层养护单位，技术条件及加工能力有限，燃油系统改造应力求因地制宜，操作简单，运行可靠。
1）经济原则。
应根据实际情况，尽量通过增加罐的容量来减少罐的数量，这样既能节省钢材，又能占地少，减少配件的用量，便于操作与管理等，从而节省投资。
2）加热方式的选择。
采用加热的方法降低沥青粘度，通常有煤加热、导热油加热、电能加热三种方法。
用煤加热，热值低，温升速率小，加热速度慢，劳动强度大，环境污染严重;用导热油加热，实践中加热最高温度在150℃～160℃，不能适应四类燃烧器不同工作温度（粘度）要求，其温度（粘度）勉强能满足SLB-30双滚筒型拌和机低压旋风炉为燃烧器雾化要求;用电能加热，温度连续可调可控，最高达230℃（闪燃极限），其温度（粘度）可用时满足四类型燃烧器雾化要求，温升速率快，电加热控制操作简易方便，劳动强度低，电能又是环保能源，工作时无污染，通过技术经济性能分析比较，我们拟采用电能加热方法及电热带管路保温措施。
6.5加热罐设计
1）合理选择径高比（D/H）。
根据数学理论，钢材用量一定，当D=H，即D/H=1时，其容量最大，本罐径高比为0.6，适合目前工区的现有厂址，满足使用容量的需要。
2）材料的选择。
沥青罐为钢材焊接结构，从使用角度考虑，对罐体和边缘板用材要求很高。
所以选用钢板应满足强度、可焊性和冲击韧性的基本要求。
一般可选用A3或A3F钢板材料。
3）设计主要参数的确定:
①罐体采用δ=5mm的A3钢板焊接，经气密性试压（压力为0.8Mpa）试漏的一种常卧式油罐。
L=2000mm，φ内=1200mm，端面为平板封头，由鞍式支座作底座。
②罐体外部保温层采用厚度6cm岩棉材料全封闭保温。
③保温层外部用δ=0.6mm金属薄板包裹，用抽芯铆钉固定于罐体。
④公称容量V=πD2L/4=3.14×（1.2m）2×2m/4=2.3m3。
⑤有效容量V1=0.75V=0.75×2.3m3=1.7m3。
⑥电热功率为8KW×3=24kW。
⑦加热终了温度为180～200℃。
⑧燃烧器工作压力连续式的为0.17～0.21Mpa，间歇式的为0.5～1.5Mpa。
⑨燃烧室温度为1200～1600℃。
4）热平衡计算。
从路用沥青加热罐抽提沥青至燃油系统加热高温罐，其初始温度t1为130℃，加热终了温度t2为200℃。
①加热时间计算:
Q吸＋Q散＝Q放
Q吸＝M·Cm·Δt
M—加热沥青总量（kg），M=1700kg
Cm—沥青平均比热，取2.1KJ/kg·℃
Δt=t2-t1
t2=200℃t1=130℃
则Q吸=1700kg×2.1KJ/kg·℃×（200-130）℃=249900KJ
因Q散数值较小，可以忽略不计
Q放=P·T·J·η
P—加热装置输出功率（KW），这里P=8KW×3=24KW
T—加热时间（h）
J—热功当量，值3600KJ/kw·h
η—加热系统热效率0.8～0.85，取0.8
通过计算在不加搅拌设备或内循环条件下，从130℃升至200℃，最多要用3.6h。
温升速率为:
70℃/3.6h=19.4℃/h
②每小时加热沥青量:
Q放＝P·T·J·η=24KW×1h×3600KJ/kw·h×0.8=69120KJ
Q吸＝M·Cm·ΔtQ吸=Q放
通过计算，每小时可将470kg沥青从130℃加热至200℃。
通常燃烧器平均油耗:
6kg/吨拌和料，（实际采用沥青燃料加热，每吨拌和料只须沥青燃料5kg），则每小时30型沥青拌和机燃油需要量为M’=6kg×30=180kg。
两式相比:
M>M’，所以该装置完全能满足正常拌和需要的燃油量。
5）主要设备及配件的选择
①沥青输送泵选用CBL-50型啮合齿轮泵，该泵工作压力为1.0Mpa，流量为50m3/h，泵内设回油通道，工作压力可调节，并具有噪音低，效率高的优点。
②输油管道选用φ32×5加厚无缝钢管和无缝压制钢弯头，耐压3.0Mpa。
③输油管道上配用T型三通旋塞阀和耐高温球阀（阀芯为钢质），这两种阀具有高温密封性能好，转动阻力小等特点。
④管道、泵及阀门的联接均采用Pa=1.5Mpa法兰联接。
⑤选用双金属长杆园表面温度表，测试范围为0～300℃
⑥主要电气原件:
a、罐体上装有3只各8KW的U型管式电热管（长度为1m），总功率为24KW，使用电源为380V、50HZ，可满足设计加热时间的要求。
b、与CBL-50型内啮合齿轮泵配套电机为2.2kw,四级交流电机一台，使用电源为380V、50HZ，电机转速为r=800r/min。
c、选用镍铬—镍硅热电偶，可用于0～400℃显示和调节（与数字显示调节仪配套使用）。
d、选用功率为100W带状电热带。
e、本装置供电外线采用10平方毫米三相四芯多股铜芯橡胶绝缘电缆。
敷设方式采用现场架空或穿PVC保护管敷设。
6）温度自动控制原理
沥青燃油系统加热罐的供电，由配电柜中自动或手动控制系统进行控制。
柜中装有一台XMT122数字显示调节仪、2台60A交流接触器、电热带手动控制开关，以及过截保护装置和红绿指示灯等，油罐上的三只电热管直接由数字显示调节仪和交流接触器控制工作（见图七）。
图七沥青加热罐电气原理
数字显调节仪中的上限温度值设定为200℃时，交流接触器吸引线圈，电源切断，电热管即停止工作。
当沥青温度下降到下限值（180℃）时，交流接触器吸引线圈，电源自动吸合，此时电热管恢复工作，沥青再次升温，这样使沥青温度始终保持在180～200℃之间，满足不同工况下需要的温度。
当自动控制系统出现故障时，可启动另一组交流接触器，实行人工手动控制操作，其原理同上（见图八）。
图八电热元件手动控制
当安装在罐体上的热电偶出现故障、数字显示调节仪无法显示出正确温度时，可从安装在罐体上的一只长杆式双金属温度表上直接读出沥青温度值。
7）管道预热保温装置（见图九）
图九管道保温（局部）
由于输油管道温度较低，沥青泵在输送高温沥青时若不进行预热，温度会骤然下降，易堵塞管道，导致沥青通过喷油嘴不易形成良好雾状，因此采用电热带预热装置。
通常在沥青泵工作前10min，合上电热带控制开关，使电热带工作，加热输油管道、阀门、喷油嘴，待供油系统升温后，即可启动沥青泵工作。
7改造后的运行情况和使用效果
7.1改造后的运行情况（见图十）
图十燃油系统改造的运行情况
1）加热罐确保降低沥青粘度。
由于输入加热罐的沥青温度有所差异，实测加热时间为3-4h就能达到200℃，只要粘度值<15°E温控仪执行元件工作准确，备用手动控制开关工作可靠，同时为了使罐内沥青受热均匀，可适时启动油泵，调整相关阀门，实现沥青罐内循环。
2）燃烧供给系统工作压力稳定。
当沥青加热及管路预热完成后可开机生产，高温沥青通过油泵、管路输送至燃烧器（见图十一），观察燃烧效果，调整系统压力，对于SLB-30型沥青拌和机，压力应保持在0.2～0.3Mpa之间，对SHB-30型沥青拌和机，则应保持0.6～0.8Mpa的范围。
图十一管路控制系统
3）雾化燃烧正常。
由于各工区拌和机燃烧结构不同，要达到沥青充分燃烧提高热效率，必须采取相应的措施。
对于SLB-30型沥青拌和机，应在风口安装喷嘴连接组件，而对于SHB-30型沥青拌和机，则要调整原喷嘴的孔径来确保雾化燃烧正常。
4）工作温度和拌和温度。
火焰呈橙黄色～白色之间，温度约1100～1300℃。
拌和温度为130～170℃
5）工作完毕清洗阀、泵、管道及喷油嘴。
当拌和机即将停止工作时，提前2～3min关闭沥青供给阀门（见图十二），调整供油三通阀和回油三通阀，分别处于图中右下方的F1和F2位置，接通清洗油箱，柴油通过沥青泵经管道与阀，从喷油嘴喷出，清洗阀、泵、管道及喷油嘴内的残余沥青。
图十二供油系统工艺流程
7.2使用效果
1）可靠性。
系统运行正常，电器控制设置合理，雾化效果良好，正常燃烧温度满足各种工况条件下石料烘干要求，尤其是雨后石料较湿，也能满足烘干所需温度。
详见实物照片一组（图十三～图十九）。
图十三燃油系统在SHB-30型强制间歇式拌和机（镇江制造）油压式机械雾化燃烧器上的应用
图十四油压式机械雾化燃烧器的燃烧效果，火焰呈白炽色
图十五该系统在SHB-25型强制连续式拌和机（镇江制造）转杯式机械燃烧器上的应用
图十六转杯式机械燃烧器的燃烧火焰
图十七该系统在SHB-30型强制间歇式拌和机（西安制造）低压直流式燃烧器上的应用
图十八低压直流式燃烧器的燃烧效果
图十九该系统在SHB-30型滚筒拌和机（福州，泉州制造）低压旋风炉式燃烧器上的应用
2）节能性。
①实现了降低拌和成本幅度30%的系统目标，以滁州市十二里半2000年为例，燃油系统技术改造前原每吨拌和料耗柴油6kg，每台班按8h计，30型沥青拌和机产拌和料240t，耗柴油1440kg,按当时柴油价2800元/t，每台班耗费柴油款4032元;改造后因沥青热值高，每吨拌和料耗燃料沥青5kg，每台班8h计,30型沥青拌和机产拌和料240t，耗燃料沥青1200kg，按当时沥青价1800元/t，每台班耗费燃料沥青款2160元。
在同等情况下，每台班用沥青作燃料比柴油节省1872元，除去电加热耗去电费每台班112元，每台班净节省燃料费1760元。
降低成本为（4032-2160-112）÷4032=43.65%，超过30%的目标值，短期就能收回改造成本。
30型沥青拌和机平
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