Анализ оборудования, используемого для обезвоживания битума на АБЗ

Запас битума на асфальтобетонных заводах необходим для обеспечения их бесперебойной работы в строительный сезон. Битум хранят в ямных, полуямных и наземных битумохранилищах, где происходит его обводнение. В ямных и полуямных битумохранилищах, составляющих около 72% от общего количества хранилищ, обводнение битума достигает 5-15 %, в основном за счет попадания в битум грунтовых и поверхностных ливневых вод (рис. 1).

Рис. 1. Приямок крытого ямного битумохранилища после дождя

С целью минимизации обводнения битума путем исключения проникновения в хранилище грунтовых, поверхностных и ливневых вод, внастоящее время, все чаще вводятся в эксплуатацию наземные битумохранилища. Однако эксплуатация наземных битумохранилищ не решает проблему обводнения битума полностью. Обводнение битума вназемных хранилищах происходит за счет конденсата пара при сливе битумаиз железнодорожных цистерн, а также сорбции конденсата влаги из воздуха при перепадах температур в осенне-зимне-весенний период, когдапроизводиться заполнение хранилищ. При этом обводненность битума вназемных битумохранилищах достигает 0,5-1%.

Однако даже малое количество влаги (0,5-1%) в битуме, используемомдля приготовления асфальтобетонной смеси недопустимо. Поэтому битум, взятый из хранилищ, обезвоживают путем длительного нагрева, что приводит к значительным энергозатратам и снижению качества битума.Выпаривание влаги из битума на АБЗ производится в битумоплавильных установках или котлах обезвоживания. Битумоплавильные установки непрерывного действия представляютсобой котлы, оснащенные смесительными теплообменниками и центробежными или щелевыми пароотделителями (рис. 2-3).Технологический процесс обезвоживания и нагрева битума до рабочей температуры в нагревателе Д-506А (рис. 2) заключается в следующем. Емкость 37 заполняют до минимально допустимого уровня предварительно нагретым обводненным битумом. После розжига форсунки открывают трехходовой кран 39 и включают насос 44, который подает битум из емкости 37 в пароотделитель 9. При нагреве до температуры 120-125 С битум интенсивно вспенивается. До приближения к этой температуре, не прекращая циркуляции, уменьшают подачу топлива в форсунку топки. Чтобы предотвратить вспенивание битума, в него вливают 4— 6 капель (на10т) противопенного препарата МКТ-1 или 2-3 капли СКТН-1. После достижения рабочей температуры битума в емкости приступают к непрерывному обезвоживанию и нагреву до рабочей температуры битума, поступающего из цистерны 1.  

Рис. 2. Технологическая схема нагревателя битума Д-506А

1 - цистерна; 2, 4, 21, 30 - термометры; 3,24,29 - электронагреватели; 5,11,40,41 - битумопроводы; 6 - указатель уровня; 7 - люк; 8 - сопло; 9 - пароотделитель; 10,25,26, 31, 39,42,45,47 - краны; 12 - отражатель; 13 - пароотвод; 14,15, 33 - трубы; 16 - воздуховод; 17 - вентилятор; 18 - заслонка; 19 - манометр; 20 - регулятор; 22 - щуп; 23 - бак; 27 - фильтр; 28, 43,44,46 - насосы; 32 - топка; 34 - короб; 35 - лоток; 36 - перегородка; 37 - емкость; 38 - теплоизоляция

Рис. 3. Технологическая схема нагревателя битума Д-649А

1,10- указатели уровня; 2 - емкость; 3, 11, 12, 16, 18, 20, 27,28, 33, 34,42 - краны; 4 - фотоголовка; 5 - топка; 6 - нагреватель; 7 - труба; 8 - битумопровод; 9, 25, 39,44 - термометры; 13 - пароотделитель; 14,23,45 - терморегуляторы; 15 - резервуар; 17 - исполнительный механизм; 19, 41 - электронагреватели; 21, 31,43 - насосы; 22 - теплообменник; 24 - воздухопровод; 26 - бачок; 29 - клапан; 30, 32 - манометры; 35 - форсунка; 36 - запальник; 37 - заслонка; 38 - вентилятор; 40 - нагреватель

Для чего включают электронагреватели 3, открывают кран 45 и включают насос 46. Насос 46 подает предварительно разогретый, обводненный битум в обогреваемый битумопровод 5. Здесь битум рабочей температуры смешивается с обводненным битумом и нагревает последний до температуры 115-150°С. При этом происходит интенсивное паровыделение. Из битумопровода 5 битум через пароотделитель 9 поступает в правый отсек емкости 37. Если температура смеси битума, контролируемая по термометру 2, оказывается ниже 115°С, то часть потока обводненного битума возвращают в цистерну 1 через кран 47. Готовый битум выдается потребителю насосом 43 через трехходовой кран 42.

Нагреватель битума Д-649А (рис. 3) предназначен для непрерывного выпаривания влаги из битума, поступающего из битумных цистерн по трубопроводам при температуре 90°С и влажности до 5%. Нагреватель битума входит в состав технологического оборудования асфальтосмесительной установки производительностью 100 т/ч. В состав нагревателя включены резервуар обслуживания 15, трубчатый нагреватель 6, расходная битумная емкость 2, битумопроводы и топливопроводы.

Практика эксплуатации битумоплавильных установок показала, что центробежные отделители пара работают устойчиво лишь при невысокой и постоянной обводненности битума. Увеличение количества воды в битуме приводит к его резкому вспениванию и выбросу из пароотделителя.

При эксплуатации щелевых пароотделителей (нагреватель битума Д-506А) было установлено, что щели забиваются примесями, содержащимися в битуме, что затрудняет практическое использование данных пароотделителей.

Поэтому в качестве пароотделителей часто используют обычные открытые лотки, на которые с помощью циркуляционного насоса через открытый трехходовой кран подается битум. В процессе движения слоя вспененного битума по лотку происходит интенсивный выход паров влаги. Далее, с лотка битум поступает обратно в котел, где смешивается с обводненным битумом. Циркуляционный насос подает битум на лоток до тех пор, пока он не выпарится полностью. Об окончании процесса выпаривания свидетельствует повышение температуры битума в котле.

В процессе обезвоживания битума в установках непрерывного действия испарение воды происходит из распыленного при температуре 115-145°С (или вспененного) битума, который интенсивно омывается воздухом. Известно, что присутствие влаги способствует ускорению химических превращений, растворению и вымыванию низкомолекулярных компонентов битума, то есть его старению. Таким образом, установки непрерывного действия - это разновидность окислительных установок, в которых битум резко теряет свои исходные свойства. Поэтому, установки обезвоживания битума непрерывного действия не нашли широкого применения.

С целью улучшения процесса непрерывного обезвоживания битума были предприняты попытки усовершенствования оборудования. Учеными была разработана бескотловая (лотковая) установка для электропоточной тепловой обработки битума.

Поточный метод обезвоживания заключается в следующем: из приямка битумохранилища битум, нагретый до температуры 90°С, насосом подается в напорный бак. Включение насоса производится автоматически, чем в напорном баке в заданных пределах поддерживается уровень битума. Из напорного бака через кран битум подается на поточные линии, выполненные в виде открытых лотков с уложенными по днищам открытыми электронагревательными элементами. Перемещаясь по лоткам поточных линий, битум обезвоживается и сливается в расходную емкость.

Однако бескотловая (лотковая) установка обезвоживания распространения не получила, что было связано с существенным снижением качества битума обезвоживаемого при высокой температуре и в тонком слое (порядка 5 см), а также пожароопасностью.

Проблема пожароопасности при обезвоживании битума в потоке была устранена в установке обезвоживания битума на мармитных плитах. В данной установке днище наклонного лотка выполнено из электронагревательных мармитных плит, над которыми установлены секции нагревателей-активаторов из оребрённых закрытых теплоэлектрических нагревательных элементов (ТЭНов). Выполнение лотка из мармитных плит и введение оребрённых ТЭНов существенно увеличивает теплоотдающую поверхность и полностью исключает пожароопасность, вследствие понижения температуры теплоотдающей поверхности до 150-180°С, а наличие поворотных козырьков и секций оребрённых нагревательных элементов, установленных в шахматном порядке, создаёт турбулентность в движущемся потоке битума, что значительно увеличивает коэффициент  теплопередачи.

Не менее интересными разработками в области устройств, предназначенных для выпаривания влаги, являются установка обезвоживания битума с динамической лотковой системой и установка СВЧ - обезвоживания битума, разработанные заслуженным изобретателем РФ, к.т.н., профессором Ю.Я. Никулиным.

В установке обезвоживания с динамической лотковой системой процесс выпаривания влаги интенсифицируется за счет тепловой энергии ИК - нагревателей при движении тонкого слоя обводненного битума по вращающимся лоткам. При этом образующийся пар удаляется вентилятором. СВЧ - технология в настоящее время реализована в специальной установке СВЧ - обезвоживания битума (рис. 4). Экспериментальные исследования воздействия СВЧ - энергии на свойства битума  доказали, что основные характеристики битума, при обезвоживании СВЧ - энергией, в целом не изменяются, что говорит о сохранении его качества при обезвоживании.

Рис. 4. СВЧ - установка обезвоживания битума

Обладая довольно большим количеством преимуществ, описанные установки все же распространения не получили, что связано со сложностью их эксплуатации и необходимостью изменения «традиционной» технологии обезвоживания битума.

Поэтому, в настоящее время, как и 30-50 лет назад, на АБЗ битум обезвоживают в котлах (БКЖ-15, ДС-6, ДС-17А и другие) - горизонтальных цилиндрических емкостях объемом 15-30 тонн с жаровыми трубами, масляными (паровыми) регистрами или электронагревателями.

Обезвоживание битума в котлах осуществляется циклически. Весь цикл обезвоживания нагреватели в котлах работают в непрерывном режиме, при этом температура поверхности электрических нагревателей достигает 400-500°С, а нижних жаровых труб - 600°С и выше (в нижние жаровые трубы поступают продукты сгорания с температурой 1100-1300°С, на выходе из верхних жаровых труб температура газов около 400°С). Вблизи теплоотдающей поверхности происходит локальный перегрев битума до 300-400°С, что приводит не только к ухудшению его качества, но и снижению коэффициента теплоотдачи от нагревателей.

Поскольку битум обладает малой теплопроводностью и достаточно большой вязкостью, теплоотдача от нагревателей к битуму происходит при слаборазвитой свободной конвекции, что обуславливает большую длительность процесса его обезвоживания в котлах. Длительность цикла обезвоживания с увеличением процентного содержания влаги в битуме возрастает и, например, при обводненности 5% достигает 10-12 часов (таблица 1)! При этом высокая температура и большая длительность процесса обезвоживания приводят не только к значительным энергозатратам (коэффициент полезного действия котлов обезвоживания составляет всего 48-50%), но и к снижению качества битума.

Таким образом, из анализа оборудования для обезвоживания битума на АБЗ следует, что в настоящее время для выпаривания влаги из битума в основном эксплуатируются котлы, и процесс обезвоживания битума в котлах приводит к следующим негативным последствиям:

  • значительным энергозатратам вследствие большой продолжительности процесса обезвоживания битума, что обусловлено малыми коэффициентами теплопроводности битума и теплоотдачи от нагревателей к битуму (при свободной конвекции), а также тепловыми потерями в окружающую среду;
  • снижению качества битума вследствие протекания процесса выпаривания при высоких температурах и доступе воздуха, а также улетучивания легких фракций битума;
  • отрицательному влиянию на состояние окружающей среды в рабочей зоне вследствие испарения из битума вместе с влагой летучих углеводородов.

Таблица 1. Техническая характеристика котлов обезвоживания и битумоплавильных установок

ПоказателиМарки котлов
БКЖ-15СИ-201ДС-6ДС-17АДС-36ДС-45
Способ подготовки битумаПериодический (порционный)Непрерывный
Способ обезвоживанияВода выпаривается в котлеВода удаляется непосредственно в центробежном отделении
Производительность при обводненности 5%12-Ит  за 10-12ч9-11 т за 10-12 ч4-4,5 т за 10-12ч3 т/ч6 т/ч10 т/ч
ТеплоносительГорячие газыЭлектроэнергияГорячие газыВ трубчатом нагревателе - горячие газы, в расходной емкости и резервуаре обслуживания - электронергтя
Расход топлива, кг/ч40 м3/ч-2640до 45100-102
Мощность электронагревателей, кВт-150--126168
Рабочий объем, л:
- основного агрегата
- расходных котлов
20000 1-2 по 2000015000 1-2 по 1500020000 1-2 по 200006500 1-2 по 650014300 1-2 по 300002900 3-5 по 30000

Примечание:
1. Продукты сгорания жидкого (мазут, солярка) или газообразного топлива.
2. Теплоотдающая поверхность (поверхность жаровых труб, ТЭНоы) в котлах составляет 1,3 - 2,5 м на 1 м разогреваемого битума.

Как показал анализ научной литературы, посвященной изучению обезвоживания битума, исследований по данному направлению крайне мало, а точной количественной оценки энергозатрат при изменении качества битума в процессе его обезвоживания в котле на АБЗ в настоящее время не имеется.

Поэтому с целью сбора информации и количественной оценки энергозатрат при изменении качества битума в процессе обезвоживания проведены натурные исследования процесса обезвоживания битума в котле на АБЗ.