厂拌热再生设备第二烘干筒的设计分析

2024.07.21

徐江涛++游小平++张慧++涂炜玮

摘要：第二烘干筒是热再生设备的关键部件之一，其烘干效率将影响到整体设备生产效率的高低和再生混凝土材料的优劣，因此对其进行计算分析具有非常重要的意义。本文主要通过经验公式计算得出第二烘干筒的主要尺寸，然后使用FLUENT14.5软件得到筒内温度场、速度场和筒壁温度场等分布数据以对各区段设计值进行验证。

关键词：热再生设备；第二烘干筒；FLUENT仿真；结构设计

沥青道路经过长时间的使用后会受到各种形式的损坏，为保证其使用功能不得不对其进行维修和保养。此时维修或者重筑损坏的路面时，会得到很多旧沥青混合料。厂拌热再生设备可以根据设计好的级配要求把沥青路面在翻修和重筑时产生的废旧沥青混合料和一定比例的新料均匀混合变成可用于铺筑路面的再生混凝土材料[1]。

热再生设备是生产再生料的关键设备，基本上仍在采用火焰加热的方式烘干集料，其烘干筒加热耗能十分巨大。目前第二烘干筒的节能改造研究虽然越来越引起重视，但是相关研究仍相对不足。其设计和优化改进缺乏足够的理论支撑，不仅容易造成资金浪费，也使其节能改造发展迟滞，因此对其进行优化研究十分必要。

1 第二烘干筒概念介绍

20世纪末出现了配套第二烘干筒的强制间歇式沥青搅拌设备，此设备使用第二烘干筒对废旧沥青混凝土材料单独进行对流传热和辐射传热的作用，有效地避免了传统模式下的操作复杂、效率不高的问题[2]。合理设计第二烘干筒各区段长度直接关系到废沥青料的烘干加热效率，可防止其在加热过程中的二次老化问题。

废旧沥青混凝土在烘干筒内的运动通常划分成3个阶段：混凝土的预热阶段、烘干加热阶段和排料阶段。这3个阶段分别与烘干筒进料区、料帘区和卸料区一一对应。烘干筒的叶片布置和数量也有利于快速均匀加热集料。普通烘干筒有两种最常用的叶片排列方式：直排式和分段交错式。分段交错排列式可以避免直排式叶片的缺陷并减少风洞现象的产生，使形成的骨料料束排列在不同的位置，以提高与高温烟气的换热面积。但是由于废旧沥青料中含有沥青，加热容易造成粘连现象，因此第二烘干筒的叶片多采用链形分段交错式。

2 第二烘干筒设计计算

本文以国内某厂家第二烘干筒为参考基础，设计计算出其主要尺寸。废沥青料在烘干筒加热时，形成的料帘和高温烟气对流换热面积越大，热量传热越剧烈。第二烘干筒直径可以用式（1）计算：

式中：

Vx—排出的烟气体积，m3/h。

β—沥青料在烘干筒内的充盈率，通常可取0.1～0.3，本文取0.2。

vx—不同形式烘干筒内高温烟气的流动速度，对大型可取3～6 m/s，本文根据具体工作情况取3.5 m/s。

代入数据可以算出Dc=2.18 m，经圆整后可取为2.2 m。

假设废沥青料进到烘干筒的初始温度是20 ℃，进到卸料区为140 ℃，排料阶段时为160 ℃。此时烘干筒沿轴向方向的能量耗散图如图1所示，其中曲线1显示的烟气温度沿远离燃烧器方向的降低曲线，曲线2显示的是废旧沥青混凝土进入烘干筒后温度升高曲线。

各区段中废旧沥青混凝土材料的体积可以根据不同区段温度差计算得到，具体公式是：

式中：

Qa0—各区段实际耗热量，（单位：kJ）；Δt0—各工艺段进料和出料温度差，（单位：℃）；vx0—各工艺区尾端烟气速度，（单位：m/s）。

第二烘干筒3个区段的长度可以根据公式（3）计算：

在上式中代入数据，可以得出烘干筒各段的长度分别为L1=3.60 m，L2=4.27 m，L3=2.84 m，则烘干筒总长度为L=10.71 m。

第二烘干筒在工作过程中，因为倾角的影响废沥青料每次被提升抛洒均会向末端移动相应距离，其转速可根据筒径和长度进行计算：

式中：

hm—废旧沥青混凝土在烘干筒中的提升高度，hm=0.8D，（单位：m）；

α—第二烘干筒的倾斜角度，一般为3～6°，本文为保证废旧沥青混凝土能被充分加热，取最小值3°。

z—筒体转动一周，混合料被抛洒的次数，一般为1.75～2.5次，本文取3次。

n—烘干筒的转速，单位：r/min。

T—沥青料在筒内的停留时间，一般离散的冷骨料为2～4 min，本文取3 min。

在公式（4）中代入数据能够得出烘干筒转速为9.94 r/min。

3 FLUENT仿真分析

第二烘干筒的工作过程十分复杂，伴随着能量的剧烈交换并涉及传热学、结构动力学和燃烧化学等多个学科。若进行现场试验研究则成本十分高昂，且试验条件十分严苛。计算机数值模拟却在这方面有很多优势，通过使用FLUENT软件可以分析出第二烘干筒温度场等分布，用以指导各工艺段长度的划分，达到充分利用重油燃烧产生的热量并提高烘干筒能效的目的[3]。

空气与沥青料一起进入烘干筒的设计可以在有效烘干集料的同时带走集料中大量蒸发的水分，并且不致集料温度过高。烘干筒内静温度场分布如图2所示，从图2上可以看出整个烘干筒内部火焰主要集中在沥青料进口一侧1 m范围内，火焰温度较高约为1 800～2 000 K。火焰呈现“短粗状态”，长度约为烘干筒长度的1/5，这样更有利于烘干沥青料并防止过度加热使沥青老化。

烘干筒内温度区域占比最大的是料帘區温度为700～900 K，约为总面积区域的2/3。此区域内没有明火主要靠高温烟气与集料之间进行热交换，是废旧沥青料烘干过程的主要区域[4]。排气口烟气温度约为500～600 K，温度不致过低造成除尘系统结露，也不致太高造成资源浪费。一般情况下排气口烟气温度为180～320℃，因此从本文的仿真结果来看排烟温度能够满足设备使用要求。

烘干筒内速度场分布如图3所示，从图3中可以看出烘干筒内火焰中心处速度最大，然后依次递减。高温烟气从燃烧区向料帘区快速运动的过程中会受到料帘和叶片等的阻碍作用，速度值会逐渐减小。在高温烟气到达料帘区后速度趋于稳定且均匀分布在整个断面上，这种分布也有利于保证废旧沥青料加热温度均匀和提高烘干效率。

烘干筒筒壁温度分布如图4所示，从图4中可以看出烘干筒内温度最低处为空气和混合料进口附近，这是由于空气和混合料温度较低且遮挡了筒壁与火焰之间的热量传递作用。烘干筒筒壁温度最高处为烘干筒末端，此处烘干筒壁温为700 K。烘干筒筒壁也有和废旧料进行热交换的作用，此处筒壁温度分布情况可以为烘干筒的设计提供参考。

进料区段主要作用是使废旧沥青料快速进入烘干筒内，然后迅速除去废料中的水分。火焰就形成于这个阶段，高溫烟气也在这个阶段产生。此阶段应避免集料和火焰接触，否则废料中的沥青将会老化，同时重油液滴接触到集料也不能完全燃烧。从烘干筒壁的温度场分析可知设计计算的长度L1=3.60 m可以很好地满足该区段的功能需求。

料帘区内没有火焰燃烧，此时废料形成料帘与高温烟气接触传热。此段应具有较长的尺寸以保证加热效果。从温度场分布可见烘干筒内该区段温度变化不大，能够保证废料温度均匀。从烘干筒速度场分布也可以直观看出火焰约为筒长的1/3。综合数值模拟结果可知设计值L2=4.27 m与模拟结果一致性较好，这说明设计值可以很好地满足该区段的使用，经过圆整可取该值为4.4 m。

卸料区段考虑到烘干筒工作效率尺寸应较短，燃烧废气和加热后的废料均通过此处排出。废气烟气温度不能太低或者太高，以避免影响布袋除尘器的性能。根据温度分布可知排烟区段释放的烟气温度为180～300℃，烟气温度能够达到排放要求。这说明设计值L3=2.84 m基本能够满足要求，经过圆整可取该值为3 m。此时烘干筒全长为11 m。

4 结语

本文主要通过计算得出第二烘干筒的主要尺寸，然后利用FLUENT14.5软件对第二烘干筒内部进行了模拟分析，得到烘干筒内部温度场、速度场等分布数据。这些数据验证了烘干筒各区段的设计值能够满足要求。经过圆整第二烘干筒长度为11 m，其中进料区段长度为3.6 m、料帘区段长度为4.4 m和排料区段长度为3 m。

[参考文献]

[1]毕宏建，纪洪杰，张秀华.热再生沥青混合料的性能试验—威海市利用再生沥青筑路的实践[J].石油沥青，2007（5）：47-50.

[2]李航.热再生设备第二烘干筒的热效率分析和性能优化设计[D].西安：长安大学，2015.

[3]李卫华.基于FLUENT的烘干机内部流场分析与结构优化[D].镇江：江苏科技大学，2010.