Технологические процессы подготовки органических вяжущих

В последнее время за рубежом и в России для доставки битума все большее распространение получает автомобильный транспорт - битумовозы. Из них битум подается в металлические резервуары с жидкостным или электрическим обогревом.

Для нагрева битума до рабочей температуры, поддержания ее в расходных емкостях, обогрева битумо- и топливопроводов применяют специальные теплообменные устройства, которые можно классифицировать по видам теплоносителей: с паровым нагревом (дымовыми газами); с косвенным жидкостным нагревом («прямым огнем» нагревается промежуточный жидкий теплоноситель); с электрическим обогревом.

Рис. 25.2. Склады закрытых битумохранилищ ямного типа:

А- с приямком, расположенным в центре битумохранилища; б - с приямком расположенным с боку битумохранилища; 1 - паровой регистр; 2 - битумопровод для забора разогретого битума: 3 - битумохранилище; 4 - битумный насос; 5 - приямок с паровым змеевиком

При прямом обогреве применяют жаровые трубы, нагреваемые горячими газами, которые образуются при сжигании жидкого или газообразного топлива, либо различные электронагреватели. При косвенном обогреве применяют промежуточный теплоноситель, в качестве которого обычно используют водяной пар и в незначительном количестве минеральные масла. Прямой разогрев вяжущего наиболее прост с точки зрения переноса тепла, но не всегда экономичен и часто уступает косвенному.

Дымовые газы позволяют осуществлять теплопередачу при высоких температурах без их термического разложения. Однако, как теплоносители прямого обогрева они имеют ряд недостатков: высокая температура стенок теплопередающих устройств, вследствие чего изменяются качества битума; неравномерность обогрева; трудность регулирования температуры; относительно низкая интенсивность теплообмена и пожароопасность; сравнительно высокое содержание кислорода (вследствие необходимости смешивания их с воздухом для снижения температуры), что приводит к окислению теплоотдающей поверхности нагрева.

Водяной пар имеет высокий коэффициент теплоотдачи при конденсации (около нескольких тысяч ккал/(м²×ч×град)) и обеспечивает нагрев битума без коксования и изменения его качества. Кроме того, он непожароопасен. Недостатком водяного пара как теплоносителя является необходимость применения систем высокого давления. Так, температуре газа 119°С соответствует манометрическое давление 1 кгс/см², 169°С - 7 кгс/см², 200°С - 15 кгс/см² и 300°С - 90 кгс/см². Установки и системы с давлением пара 15 кгс/см² требуют больших капиталовложений и сложны в эксплуатации, поэтому на асфальтобетонных заводах используют преимущественно парообразователи с давлением пара около 7 кгс/см² и температурой 169°С.

Электроэнергия. Использование этого источника тепла позволяет выполнять нагрев практически при любых заданных температурах. Имеется возможность автоматизировать процесс разогрева и улучшить условия труда. Однако наряду с очевидными, казалось бы, преимуществами электрический разогрев обладает целым рядом существенных недостатков, которые препятствуют его широкому применению. В первую очередь это нестабильность заданной рабочей температуры (при постоянном питающем напряжении), которая зависит от условия теплоотдачи, а также необходимость применения сложных автоматических систем для ее стабилизации. При отсутствии автоматических систем стабилизации температуры не гарантируются качество битума и других технологических условий, а также пожарная безопасность. Кроме того, для нагрева битума до рабочей температуры с помощью электрической энергии требуются очень большие мощности (от 300 кВт и выше), соизмеримые с энергопотреблением всего остального оборудования АБЗ. С учетом стоимости электроэнергии и того, что КПД тепловых электростанций составляет всего 25-35 %, широкое применение электрического разогрева битума и других материалов на АБЗ экономически не всегда оправдано. В практике в отдельных случаях применяются битумные цистерны вертикального и горизонтального типов с электрическим разогревом и установки для нагрева жидких теплоносителей с электрическим нагревом теплоносителя.

Минеральные масла (компрессорное, цилиндровое, трансформаторное, авиационное и т.п.) обеспечивают высокую температуру кипения при атмосферном давлении, что позволяет создавать весьма простые и надежные в эксплуатации нагревательные устройства, мягкий, равномерный и интенсивный нагрев, возможность точного регулирования температуры, предотвращают опасность размораживания системы. При их применении один источник тепла может обслуживать несколько потребителей.

Существенным недостатком минеральных масел как теплоносителей является их более низкая термическая стойкость. Эти недостатки отсутствуют у специальных жидких теплоносителей (высокотемпературных органических теплоносителей - ВОТ), широко применяемых в настоящее время в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслях промышленности.

Жидкие теплоносители с точки зрения технической и экономической целесообразности их применения должны иметь следующие качества:

1. Быть термически стойкими, обладать высокой плотностью и теплоемкостью, малой вязкостью и высоким значением теплоты парообразования. Кроме того, важно, чтобы теплоноситель имел высокую температуру кипения при атмосферном давлении и низкую температуру плавления, что облегчает конструктивное оформление теплообменных устройств.

2. Не оказывать агрессивного действия на материалы установки. Теплоноситель при использовании в открытых (негерметичных) системах должен сохранять свои физико-химические свойства при воздействии высоких температур рабочего процесса; не коррозировать в контакте с конструкционными материалами, которые обычно применяют в дорожном машиностроении, и не подвергаться воздействию кислорода.

3. Быть взрыво- и пожаробезопасными, нетоксичными, экономичными и достаточно распространенными, недефицитными.

Использование жидких теплоносителей, не удовлетворяющих этим требованиям, требует увеличения капитальных затрат и эксплуатационных расходов, что в раде случаев может привести к экономической нецелесообразности их применения.

Высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ) занимают особое место среди всех теплоносителей, так как обладают рядом преимуществ по сравнению с перечисленными выше традиционными теплоносителями. Основными преимуществами ВОТ по сравнению с обычными теплоносителями являются возможность получения оптимальных температурных режимов, не нарушающих качество битума; возможность использования любых видов топлива; высокая термическая стойкость при многократном нагревании.

В нашей стране в качестве жидких теплоносителей на АБЗ применяются в основном минеральные масла типа ИС-20, ИС-40, ИС-50, рабочая температура которых 160-180°С, (что недостаточно для нагревания битума до рабочей температуры), и специальные теплоносители, к которым относится ароматизированное масло АМТ-300 (ДТМ) и др.

За рубежом большое распространение получили теплоносители XV-250, Мобильтерм-600 (аналогичен нашему АМТ-300), Мобильтерм-Лихт, Термальоль (Германия), Тетраарилсиликат (Англия), Канехлор-400 (Япония), Жидкость-37, Терессо-120 (Италия), Спиракс-80ЕП (Финляндия) и др. Краткая техническая характеристика отдельных теплоносителей приведена в табл. 25.1.

Таблица 25.1

Техническая характеристика теплоносителей

Оборудование для нагрева жидких теплоносителей. В настоящее время за рубежом получили широкое распространение оборудование и различные системы жидкостного разогрева битума, битумных коммуникаций и оборудования. Выпускаемые установки для нагрева жидких теплоносителей можно разделить по способу нагрева теплоносителя - огневые и электрические, и по компоновке с основным технологическим оборудованием - специальные (объединенные с обогреваемой цистерной) и автономные. Наиболее перспективны для нагрева жидких теплоносителей на асфальтобетонных заводах - автономные установки. Их можно классифицировать также по производительности в диапазоне 200 тыс. - 3 млн. ккал/ч.

В странах СНГ изготавливается единственный нагреватель жидких теплоносителей, который входит в состав асфальтосмесительной установки Д645-2Г Кременчугского завода дорожных машин (ОАО «Кредмаш», Украина). В качестве жидкого теплоносителя применяется масло ИС-20А с предельной рабочей температурой 160°С. Тепловая мощность нагревателя 300000 ккал/ч. Способ нагревания масла огневой.

Основными странами, выпускающими такие установки и другое оборудование, предназначенное для работы с жидкими теплоносителями, являются США (фирма «ASTEC» и др.), Германия (заводы фирм «Teltomat», «Benninghoven», «Ammann»), Италия (фирмы «Marini», «Massenza», «Bernardi»), Финляндия (фирмы «ARA», «Kallotikone»), Франция (фирма «Ermont»), Япония (фирмы «Niigata», «Tanaka»), Англия (фирма «Cartem» и др.).

При всем многообразии установок для нагрева жидких теплоносителей основным их конструктивным отличием является горизонтальное или вертикальное расположение емкости, заполненной теплоносителем.

Форсунки для нагрева жидкого теплоносителя работают в основном на жидком или газообразном топливе, реже - на тяжелом топливе типа мазутов. Иногда нагрев теплоносителя выполняется с помощью электрических нагревательных элементов.

Максимальная температура нагрева жидких теплоносителей, как правило, составляет 230-260°С, что определяется не только предельной рабочей температурой большинства теплоносителей, но и условиями сохранения качества битума при разогреве и исключения его коксования на теплоотдающей поверхности.

Выбор той или иной установки для нагрева жидкого теплоносителя определяется производительностью асфальтосмесительной установки или другими условиями, связанными с количеством потребителей тепла. Как правило, для асфальтосмесительной установки производительностью 100 т/ч достаточно нагревателя в виде жидкого теплоносителя тепловой производительностью 600-700 тыс. ккал/ч.

За рубежом на асфальтобетонных заводах системы жидкостного оборудования находят широкое применение. Жидкие теплоносители используются для обогрева различного оборудования: битумных емкостей, накопительных бункеров, днища и корпуса мешалок, битумного дозатора и насоса, арматуры, битумопроводов, емкостей битумовозов и агрегатов для разогрева тарного битума.

Разнообразие конструкций установок, существующих за рубежом, и их постоянное усовершенствование свидетельствует о большом внимании, которое уделяется установкам для нагрева жидкого теплоносителя и системам жидкостного обогрева.

Усовершенствование конструкций установок для нагрева жидкого теплоносителя происходит в двух направлениях:

большая утилизация тепла отходящих дымовых газов, что позволяет уменьшить габаритные размеры установок и повысить их к.п.д.;

автоматизация и контроль теплового процесса нагрева жидкого теплоносителя, что способствует сохранению физико-химических свойств теплоносителя и более длительному его использованию.

Преимущество жидкостных теплообменников перед системами парового обогрева состоит в возможности нагрева теплоносителя до высоких температур (до 300°С) при атмосферном давлении. Общим достоинством систем с косвенным обогревом является возможность нагрева битума при любом его уровне в цистерне, полное исключение опасности коксования, возможность полной выработки емкости резервуара. Однако продолжительность разогрева вяжущего в резервуарах с косвенным обогревом значительно больше, чем в системах с прямым обогревом.

Автоматические устройства обеспечивают работу нагревателей без надзора во время простоя завода, например, ночью, когда нужно нагреть вяжущее для работы днем. Краткая техническая характеристика нагревателей жидких теплоносителей приведена в табл. 25.2.

Цистерны для хранения и нагрева битума. Битум доставляют на завод в железнодорожных обогреваемых цистернах. Необходимый запас битума хранят в специальных расходных резервуарах, которые можно классифицировать по их компоновке на резервуары горизонтального и вертикального типов, а также по вместимости битума 50-200 т и более.

Необходимое количество резервуаров, устанавливаемых на заводе, и их суммарная емкость определяются расходом битума и условиями его поставки на завод. Для восполнения тепловых потерь в окружающую среду, а также для нагрева битума до требуемой рабочей температуры применяют специальные теплообменники, которые либо встраивают в расходные емкости, либо устанавливают отдельно и соединяют с обогреваемым оборудованием системой трубопроводов. Теплообменники можно использовать также для обогрева битумных коммуникаций и отдельных устройств смесительного оборудования - битумных дозаторов, смесителей, а также для нагрева топлива.

Таблица 25.2

Техническая характеристика нагревателей жидких теплоносителей

Зарубежные фирмы выпускают множество теплообменников различных типов: паровые, огневые (газовые), электрические и комбинированные. Правильный режим нагрева битума, исключение его перегрева, вызывающего изменения химического состава и физических свойств битума, - непременное условие получения качественных битумоминеральных смесей.

Прямой нагрев битума через жаровые тонкостенные трубы горячими газами, получаемыми при сгорании жидкого или газообразного топлива, обеспечивает быстрый нагрев вяжущего до рабочей температуры, но является далеко не совершенным из-за опасности коксования вяжущего на стенках жаровых труб. Кроме того, понижение уровня вяжущего ниже жаровых труб небезопасно в пожарном отношении. Поэтому необходимо постоянно контролировать уровень битума и устраивать специальные системы сигнализации или автоматической блокировки подачи топлива при снижении уровня ниже допустимого.

Такую систему обогрева применяют многие зарубежные фирмы. Передвижные битумные цистерны емкостью до 25 м³ обычно бывают оборудованы термостатами для поддержания температуры битума в заданных пределах. При оголении жаровых труб форсунка выключается автоматически.

При электрообогреве значительно упрощается конструкция теплообменника, исключается необходимость в промежуточном теплоносителе, не нужны устройства для его разогрева. Однако системам с электрообогревом свойственны многие недостатки нагревателя: нагрев битума жесткий, возможность коксования практически остается. По технике безопасности, долговечности и в пожарном отношении электронагреватели уступают теплообменникам других типов.

Технические характеристики цистерн вертикального и горизонтального исполнения с жидкостным обогревом, выпускаемых отдельными фирмами, приведены в табл. 25.3 и 25.4.

Вертикальные резервуары по сравнению с горизонтальными занимают меньшую площадь, а процесс разогрева в них протекает более интенсивно. Например, швейцарская фирма «Clarmac» изготавливает и поставляет заказчикам вертикальные цилиндрические теплоизолированные резервуары с подогревом, вмещающие от 23 до 91 т жидкого битума. При этом диаметр резервуаров составляет 3,5-4 м, а высота - 4-9 м. Резервуар имеет люк для очистки, трубу для заливки битума, сливную трубу, автоматическое реле отключения насоса при достижении битумом верхнего уровня. Кроме вертикальных резервуаров, фирма «Clarmac» выпускает горизонтальные теплоизолированные резервуары с системами огневого разогрева битума. Их вместимость 2-68 т. Автоматические системы цистерн с электрическим разогревом дают возможность нагревать имеющийся битум до необходимой температуры в течение заданного промежутка времени.

Таблица 25.3

Техническая характеристика цистерн вертикального типа

Таблица 25.4

Техническая характеристика цистерн горизонтального типа с жидкостным обогревом

Битумные насосы. Для перекачивания по трубам битума, дегтя, мазута на асфальтобетонных заводах применяются шестеренчатые насосы. Наиболее распространены насосы с внешним зацеплением шестерен как надежные и простые в конструкции и в эксплуатации. Битумные насосы применяются для перекачивания битума из битумных цистерн в дозирующие устройства асфальтосмесительного оборудования.

Производительность битумных насосов должна быть согласована с производительностью дозирующих устройств смесительного оборудования, а при перекачке битума - удовлетворять требованиям по производительности, предъявляемым при разгрузке железнодорожных цистерн, загрузке битумовозов и автогудронаторов.

Характеристики выпускаемых промышленностью России стационарных и передвижных битумных насосов различных марок, в основном производительностью 500-600 л/мин, приведены в табл. 25.5.

Таблица 25.5

Техническая характеристика битумных насосов