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摘 要：阐述了煤转气沥青搅拌设备干燥滚筒的结构特点及煤气化技术，通过对煤转气沥青搅拌设备干燥滚筒的热力学分析，得出干燥滚筒热效率、热平衡计算过程;结合实际生产，以600型沥青搅拌设备为例，分析了影响干燥滚筒热效率的主要因素，为煤转气沥青搅拌设备干燥滚筒的热能利用、结构优化提供参考。

关键词：煤转气;干燥滚筒;热力学分析;热效率

中图分类号：U415.52   文献标志码：B

Thermodynamic Analysis of Drying Drum of Gas-generator Mixing Plant

LIU Bo， LI Zi-guang， DA Yun-feng

（School of Automobile Engineering and Mechanical， Changsha University of Science and Technology，

Changsha 410076， Hunan， China）

Abstract： The structural characteristics of drying drum of the gas-generator mixing plant and the gas-generator technology were introduced. Through the thermodynamic analysis of drying drum of gas-generator mixing plant， the calculation process of thermal efficiency and thermal equilibrium of drying drum was obtained. Combined with actual production， 600-type asphalt mixing plant was taken as an object to analyze the main factors that affect the thermal efficiency of drying drum， which provides reference for energy utilization and structural optimization of the drying drum of gas-generator mixing plant.

Key words： gas generator; drying drum; thermodynamic analysis; thermal efficiency

0 引 言

随着公路建设的发展，沥青混凝土搅拌设备产量不断增加，同时人们对沥青混合料的质量以及节能环保的要求也越来越高。干燥滚筒作为沥青混凝土搅拌设备烘干加热系统的核心结构，能耗和污染物排放量最大，其热能利用效率直接影响设备的生产成本、干燥能力、骨料加热质量^[1]。本文对干燥滚筒进行热力学分析，结合煤气化技术确定干燥滚筒多个阶段的燃烧热量，从而得出干燥滚筒的热效率，并采取有效措施提高其热交换能力，减少环境污染。

1 煤转气搅拌设备干燥滚筒结构分析

1.1 煤气化原理

煤转气沥青搅拌设备是将传统搅拌设备的燃煤型燃烧器或重油燃烧器改装成煤气燃烧器，在原有的基础上加装一个煤气发生装置，将原来的燃油或燃煤变为燃气。煤转气即煤炭气化，指在特定的设备里加热、加压，使燃煤中的有机质与气化剂（水蒸气、空气）发生一系列复杂的物理、化学反应，将固态煤转化为含有CO、H2、甲烷等气态产物的过程^[2]。煤气化技术的应用是沥青混凝土搅拌设备的一项技术革新，打破了传统的燃料燃烧方式，将固态煤转化为气体燃料进行加热，煤中的硫、灰分在气化过程中或之后得到脱出，有效控制了污染物的排放，从根本上解决了煤炭燃烧产生的环境污染与成本高的问题。

1.2 煤转气搅拌设备干燥滚筒的结构特点

干燥滚筒作为沥青混凝土搅拌设备烘干加热系统的核心结构，在烘干加热过程中是影响骨料干燥质量最重要的因素。其主要工作原理是：与燃烧器进行热交换，用较低能耗使冷骨料中的水分在最短时间内蒸发，完成烘干，并且将骨料加热至所需的搅拌温度^[3]。本文以湖南某机械公司生产的MQBHJ-600煤转气厂拌热再生搅拌设备为例进行研究。该设备烘干加热系统的突出特点是双滚筒（一个加热新料，一个加热旧料），两个滚筒通过连接法兰形成一个密封结构;煤气发生装置产生的煤气经过除尘后在燃烧器作用下给干燥滚筒提供热量;双滚筒正反转，使新旧骨料在不同温度的滚筒内烘干加热，避免了旧料与火焰接触而发生烧焦、变质、二次燃烧等问题，充分利用了热烟气对旧料进行预热，同时降低了废气的排放温度，提高了干燥滚筒的热能利用。煤转气搅拌设备干燥滚筒结构如图1所示。

图1 煤转气搅拌设备干燥滚筒结构

2 干燥滚筒的热力学分析

2.1 干燥滚筒骨料加热分析

在不考虑进料口二次进风的前提下，骨料加热分为三个阶段。第一阶段为冷骨料预热，冷骨料主要集中在干燥滚筒进料区，在抄板与螺旋叶片作用下自由跌落;新骨料预热产生的烟气用来加热旧骨料。第二阶段为新骨料进入到烘干区，旧骨料中的水分被蒸发，并且被加热到烟气温度，此过程中骨料在抄板作用下上升、下落，新旧骨料充分吸收热量。第三阶段为新旧骨料被同时加热到搅拌所需的温度，此过程中热烟气被不断地传给旧料。通过对干燥滚筒骨料加热分析可知，新骨料充分加热产生的热烟气对旧料进行预热，避免了旧料与燃烧火焰直接接触而发生旧料沥青烧焦、变质、二次燃烧等问题，同时旧料轻质油被蒸馏出来而产生的“蓝烟”直接导入除尘设备，使新骨料不被废旧烟气影响，保证了新骨料的烘干质量，提高了干燥滚筒骨料的加热性能。

2.2 干燥滚筒热力学分析

通过骨料加热分析可知，骨料在进入滚筒之前暴露在空气中的温度为T0，首先冷骨料中的水分被预热到可以蒸发的温度T2，同时对旧料沥青预热;其次旧料中的水分被汽化，且旧料加热到烟气温度;最后新骨料加热到搅拌温度T3，旧料加热到搅拌温度T3，在加热过程中产生尾气温度为T4。

2.2.1 加热冷骨料需要的热量Q1

新料烘干筒的生产能力为G1（t·h-1），冷骨料中水分含量为p，加热冷骨料所需热量包括水分预热消耗热量、加热石料热量和汽化热量3个部分，这3个部分每小时所消耗的热量如下。

（1） 冷骨料水分预热所消耗的热量Q1，1

Q1，1=G1Cwp（100-T0）（1）

式中：Cw为水的比热（kJ（kg·℃）-1）。

（2） 加热石料所消耗的热量Q2，2

Q2，2=G1Cg（1-p）（T2-T0）（2）

式中：Cg为石料的比热（kJ（kg·℃）-1）。

（3） 冷骨料中水分被汽化所消耗的热量Q1，3

Q1，3=G1p[γ+Cs（T4-100）]（3）

式中：Cs为水蒸气的比热（kJ（kg·℃）-1）;γ为水蒸气的汽化热（kJ·kg-1）。

那么加热冷骨料总共需要的热量为

Q1=Q1，1+Q1，2+Q1，3（4）

2.2.2 加热旧沥青料需要的热量Q2

旧料烘干筒的生产能力为G2（t·h-1），混合料中石料含量为p1，含水量为p2，沥青含量为p3，则p1+p2+p3=1。加热旧沥青料需要的热量包括旧料水分预热所需的热量、加热石料热量、汽化热量以及加热旧料中沥青所需的热量。这4个部分每小时消耗的热量如下。

（1） 旧料水分预热消耗的热量Q2，1

Q2，1=G2Cwp2（100-T0）（5）

（2） 加热石料所消耗的热量Q2，2

Q2，2=G2CRp1（T3-T0）（6）

式中：CR为旧石料的比热[kJ（kg·℃）-1]。

（3） 旧料中水分被汽化消耗的热量Q2，3

Q2，3=G2p2[γ+Cs（T4-100）]（7）

（4） 加热旧料中沥青消耗的热量Q2，4

Q2，4=Q2C1p3（T3-T0）（8）

式中：C1为沥青的比热[kJ（kg·℃）-1]。

那么加热旧沥青料所需要的热量为

Q2=Q2，1+Q2，2+Q2，3+Q2，4（9）

2.2.3 干燥滚筒筒壁损失的热量Q3

干燥滚筒筒壁损失的热量包括2个部分，即新料滚筒筒壁损失的热量与再生滚筒筒壁损失的热量。

Q3=3 600πDL（t1-t0）h（10）

式中：t0为大气平均温度（℃）;t1为新、旧滚筒筒壁平均温度（℃）;D为干燥滚筒内径（m）;

L为干燥滚筒长度（m）;h为筒壁的传热系数（kJ（m2·℃）-1）。

h=9.211（t1-t0）5/4+16.747t1+2371004-

t0+23710043 600（t1-t0）（11）

2.2.4 煤气燃烧热值

煤气燃烧总热量

Q4=MaV（12）

式中：Ma为燃料的热值（kJ·m-3）;V为煤气的产量（m3·h-1）。

煤转气600型厂拌热再生搅拌设备的煤气热值计算公式为

Ma=418.6×（30.2ωCO+25.7ωH2+

85.3ωCH4+55.8ωH2S）（13）

式中：ωCO、ωH2、ωCH4、ωH2S为煤气中各成分所占的体积分数。

通过以上热力学分析可知，干燥滚筒的热效率

η=（Q1+Q2+Q3）/Q4（14）

2.2.5 干燥滚筒热平衡分析

整个干燥滚筒的热效率为η，那么其所需要的总热量

Q5=Q4η（15）

可以计算出煤气消耗量

Q6=Q5Q2（16）

根据以上分析可以得出该干燥滚筒热平衡方程

Q4=Q6Maη（17）

3 影响干燥滚筒热效率因素的分析

通过对干燥滚筒进行热力学分析，得出了干燥滚筒的热平衡方程，为煤气发生装置与干燥滚筒的匹配设计研究提供了参考。结合MQBHJ-600煤转气厂拌热再生搅拌设备的各项参数，可计算出干燥滚筒的热效率在80%左右，这符合交通行业JT/T 207—2002规定的“烘干效率不低于70%”的要求，与某些干燥滚筒热效率高达90%相比，依旧还有10%的上升空间，基于这点对干燥滚筒热效率的影响因素进行分析。

3.1 骨料的含水量

通过热力学分析可知，骨料含水量对干燥滚筒干燥能力的影响非常大^[4]。数据表明，骨料含水量每增加1%，干燥滚筒的干燥能力下降约10%，相应的排气中水蒸气增加10%～15%^[5]。水的含量越高，燃烧烟气中的水蒸气含量就越高，所需要的燃料也就越多，干燥滚筒的热能利用效率也就越低。降低骨料含水量，减少水蒸气的体积，可使更多的热烟气与旧骨料接触，提高干燥滚筒的干燥能力与热效率。

3.2 干燥滚筒尾气温度

干燥滚筒尾气温度的高低直接影响干燥滚筒的加热效率。尾气温度越低，热损失就越少，干燥滚筒的热效率就越高^[6]。针对该设备，尾气温度最理想控制在110 ℃～120 ℃，最低不能低于100 ℃。因为如果尾气温度低于结露温度，会在除尘设备上产生凝结现象，将腐蚀性的物质残留在设备上，严重影响其使用寿命;若尾气温度过高，大量热量被带走，同样降低了干燥滚筒的热效率。尾气温度须根据实际生产情况控制在合理范围内，从而减少干燥滚筒尾气带走的热量。

3.3 过量空气系数

过量空气系数是实际空气量与理论空气量的比值，是影响煤气加热干燥滚筒的主要性能指标之一。根据煤转气燃烧器实测所得数据绘制了过量空气系数与燃烧器排烟热损失的关系曲线，如图2所示。

图2 过量空气系数与排烟热损失的关系曲线

由图2可知，随着过量空气系数的增大，烟气带走的热量增多，干燥滚筒热能损失相应变大;相反，过小的过量空气系数使煤气燃烧不充分，产生黑烟，加大热量损失，同样影响热能利用。

因此，在燃料充足的前提下，根据实际情况适当降低过量空气系数，可降低排烟温度，减少排烟损失，提高干燥滚筒热效率。综合考虑燃料种类、燃烧系统、热能利用等因素，煤转气搅拌设备燃烧系统的过量空气系数一般取1.05～1.10。

3.4 干燥滚筒抄板

从干燥滚筒的结构分析，抄板数量与安装角度也是影响烘干筒热效率的主要因素。骨料在干燥滚筒内翻转主要靠抄板的不断提升、下落以及周期性的运送，使冷骨料达到均匀、快速加热烘干的效果。图3为干燥滚筒抄板的分布及结构。

图3 干燥滚筒抄板的分布及结构

干燥滚筒骨料烘干主要靠热烟气加热，当滚筒转速一定时，抄板越多，骨料提升次数就越多，增加了骨料与热烟气的接触时间，有利于骨料形成均匀料帘，提高热能利用效率。抄板安装角直接影响料帘的形成与出料快慢。通过煤转气沥青搅拌设备干燥滚筒内叶片分布正交试验可知，安装角在45°左右时出料最快，可在进料口形成均匀料帘，使骨料与热烟气充分进行热交换，避免了干燥骨料回流到滚筒内，造成热量损失。

4 结 语

本文以MQBHJ-600煤转气厂拌热再生搅拌设备为例，对干燥滚筒进行了热力学分析，得出了该设备干燥滚筒热效率与热平衡计算方程，为研究骨料烘干加热系统匹配设计研究提供了参考。结合实际生产情况，分析了影响该设备干燥滚筒热效率的几个主要因素，对提高沥青搅拌设备干燥滚筒的热能利用效率具有指导意义。

参考文献：

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[3] 凌 杰.厂拌热再生沥青混凝土干燥滚筒设计方法[J].工程机械，2008，39（2）：38-40.

[4] 王旭朗.影响干燥滚筒热效率的因素分析[J].中国公路，2013，21（11）：116-117.

[5] 王 浩.传统沥青砼拌和设备的再生工艺改造及热效率研究[D].镇江：江苏大学，2007..

[6] 张瑞芳.沥青混凝土搅拌站烘干加热系统热力学分析与计算[J].建设机械技术与管理，2013，26（4）：108-113