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t 2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·Δt Q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。 (end)
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