Низкотемпературная установка обезвоживания битума с использованием свч энергии

 

Изобретение относится к оборудованию для строительства автомобильных дорог и применяется при приготовлении горячей асфальтобетонной смеси. Цель изобретения сохранение качества битума, снижение энергозатрат, улучшение экологии производства. Установка обезвоживания битума, содержащая последовательно соединенные приемный бак, кран, входной патрубок битума, регулятор потока битума, испарительную камеру в виде лотка с переменным углом наклона к горизонтальной плоскости, выходной патрубок битума, дополнительно снабжена входным патрубком горячего воздуха с калорифером, выходным патрубком горячего воздуха с воздушным фильтром, дополнительными регуляторами потока битума и дополнительными лотками, последовательно соединенными с основным с образованием четного количества прямоугольных в поперечном сечении лотков с переменными углами наклона к горизонтальной плоскости, причем у всех нечетных лотков угол наклона к горизонтальной плоскости составляет 5 - 10°, днища их выполнены радиопрозрачными и под ними установлены СВЧ-генераторы, а у всех четных лотков угол наклона к горизонтальной плоскости составляет 25 - 30° и над их днищами установлены электронагревательные элементы, причем дополнительные регуляторы потока битума установлены на выходе нечетных лотков, при этом нижняя выходная часть последнего лотка присоединена к выходному патрубку битума, выполненному с СВЧ-затвором, а верхняя его входная часть через входной патрубок горячего воздуха соединена с калорифером, причем к верхней выходной части первого лотка подсоединен выходной патрубок горячего воздуха с воздушным фильтром, а последовательно соединенные приемный бак, кран, входной патрубок битума, регулятор потока битума подсоединены к нижней входной части первого лотка. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к оборудованию для строительства автомобильных дорог и может быть использовано для приготовления горячей асфальтобетонной смеси.

Известен битумоплавильный агрегат непрерывного действия Д-506 [1], предназначенный для выпаривания влаги из битума. Он состоит из котла, оборудованного жаровыми трубами, двумя насосами для выпаривания влаги из битума и пароотделителя. Недостатками данного агрегата являются:

- обезвоживание осуществляется при высокой температуре и протекает достаточно длительное время;

- теплоносителем для обезвоживания битума, поступающего из битумохранилища с температурой от 80°С до 90°С в теплообменник, является также битум, предварительно обезвоженный и нагретый в собственно котле до температуры от 200°С до 220°С;

- наличие в агрегате жаровых труб с температурой поверхности, достигающей от 500°С до 600°С, что приводит к сильному перегреву битума, потере его основных свойств и его коксованию;

- наличие испарительной камеры с лотками, где битум с высокой температурой при многократной циркуляции протекает тонким слоем, что приводит к его окислению.

Вышеприведенные недостатки создают при обезвоживании условия для активного выделения из битума легких фракций (масел), перехода смолы в асфальтены, что существенно ухудшает его качество, а также значительно ухудшает экологическую обстановку вблизи агрегата.

Следует отметить, что в настоящее время на большинстве асфальтобетонных заводов (АБЗ) распространен более простой технологический прием обезвоживания битума, заключающийся в том, что установка обезвоживания представляет собой котел (технологическую емкость от 10 т до 30 т), на дне которого установлен электрический нагреватель с открытой спиралью мощностью от 30 кВт до 70 кВт. В котел заливается обводненный битум. Процесс обезвоживания осуществляется при температуре от 140°С до 170°С, длительность обезвоживания зависит от процентного содержания влаги, объема битума, мощности нагревателя и продолжается от 2 до 3 суток. Это объясняется сложностью выделения паров из нижних слоев битума в котле.

Данной установке присущи все вышеперечисленные для [1] недостатки при значительном увеличении длительности обезвоживания. Хотя поверхностный окислительный процесс проявляется слабее.

Известна безкотловая установка нагрева и обезвоживания битума [2]. Установка содержит приемный бак, лотки с электронагревателями с одинаковым углом наклона и расходную емкость. Битум, нагретый от 80°С до 85°С, из битумохранилища закачивается в приемный бак. Из бака битум самотеком попадает на лотки, протекая по которым омывает поверхности обезвоживается и стекает в расходную емкость. Данная установка имеет следующие недостатки:

- выпаривание производится при высокой температуре (от 140°С до 200°С);

- данная установка обезвоживает битум при его обводнении не более 1,5% и при повышенной обводненности битума необходима многократная циркуляция;

- при выпаривании влаги в тонком слое битума на лотках, нагретых до высокой температуры, происходит активное его окисление.

Установка [2] не получила применения на практике из-за низкой эффективности и существенного снижения качества битума за счет его окисления при высокой температуре.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является устройство для разогрева и обезвоживания битума лоткового типа [3]. Оно состоит из последовательно соединенных: приемного бака, крана, входного патрубка битума, регулятора потока битума, испарительной камеры в виде лотка с переменным углом наклона к горизонтальной плоскости и выходного патрубка битума. Снизу лотка, под его дном, а также над лотком, на несущем каркасе установки, расположены электрические излучатели, заключенные в теплоизоляционную обшивку. Двигатель с редуктором и эксцентриком позволяет регулировать величину наклона лотка. Слой материала на лотке регулируется автоматически за счет величины открытия крана. Удаление паров воды происходит через щель, образованную боковинами лотка и неподвижной обшивкой. Верхние излучатели непосредственно облучают поверхность, проникают внутрь материала, нагревают его и находящуюся в нем влагу, нижние излучатели облучают поверхность лотка, через которую тепловая энергия передается нижнему слою вещества, расположенному на нем. При заполнении материалом всего сечения лотка термодатчиком фиксируется температура. При достижении установленной температуры автоматически открывается выпускной затвор и материал направляется потребителю.

Очевидно, что прототипу предлагаемой установки [3] присущи те же основные недостатки, что и аналогу [2]:

- обезвоживание производится при высокой температуре (от 140°С до 200°С), так как при низкой температуре (от 100°С до 110°С) процесс обезвоживания становится слишком длительным;

- при выпаривании влаги в тонком слое битума на лотке, нагретом до высокой температуры, происходит активное его окисление.

При современной технологии приготовления горячей асфальтобетонной смеси обезвоженный битум хранится и используется по мере необходимости при той же рабочей температуре от 140°С до 150°С. Этот процесс иногда бывает длительным. Однако известно, что битум при температуре 150°С может храниться не более 5 часов, а при снижении температуры хранения до 100°С-110°С время его хранения практически не ограничено [4].

Поэтому для сохранения качества битума следует производить процесс его обезвоживания и дальнейшего хранения до момента приготовления асфальтобетонной смеси при температуре от 100°С до 110°С.

Целью изобретения является создание низкотемпературной установки обезвоживания битума, позволяющей получать высококачественный обезвоженный битум при снижении энергозатрат на обезвоживание и улучшении экологии производства.

Поставленная цель достигается тем, что известная установка обезвоживания битума [3], содержащая последовательно соединенные приемный бак, кран, входной патрубок битума, регулятор потока битума, испарительную камеру в виде лотка с переменным углом наклона к горизонтальной плоскости, выходной патрубок битума, дополнительно снабжена входным патрубком горячего воздуха с калорифером, выходным патрубком горячего воздуха с воздушным фильтром, дополнительными регуляторами потока битума и дополнительными лотками, последовательно соединенными с основным с образованием четного количества прямоугольных в поперечном сечении лотков с переменными углами наклона к горизонтальной плоскости, причем у всех нечетных лотков угол наклона к горизонтальной плоскости составляет 5-10°, днища их выполнены радиопрозрачными и под ними установлены СВЧ-генераторы, а у всех четных лотков угол наклона к горизонтальной плоскости составляет 25-30° и над их днищами установлены электронагревательные элементы, причем дополнительные регуляторы потока битума установлены на выходе нечетных лотков, при этом нижняя выходная часть последнего лотка присоединена к выходному патрубку битума, выполненному с СВЧ-затвором, а верхняя его входная часть через входной патрубок горячего воздуха соединена с калорифером, причем к верхней выходной части первого лотка подсоединен выходной патрубок горячего воздуха с воздушным фильтром, а последовательно соединенные приемный бак, кран, входной патрубок битума, регулятор потока битума подсоединены к нижней входной части первого лотка. Количество прямоугольных лотков в предлагаемой установке и количество нагревательных элементов над днищем лотка равно четырем.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемой низкотемпературной установке обезвоживания битума с использованием СВЧ-энергии процесс обезвоживания происходит в несколько этапов. На первом этапе осуществляется интенсивное преобразование в пар водяной фазы битума, нагретого до температуры от 100°С до 110°С, протекающего тонким слоем по наклонному лотку с малым углом наклона к горизонтальной плоскости, под воздействием СВЧ-энергии, которая поглощается водяной фазой битума и нагревает ее от 200°С до 250°С и при этом мало нагревает битум, так как битум имеет низкую диэлектрическую проницаемость и малое значение тангенса угла потерь. В разогретых пузырьках создается избыточное давление и они активно выталкиваются из густой массы вязкого битума.

На втором этапе обезвоживания осуществляется уменьшение толщины слоя битума, протекающего по наклонному лотку с большим углом наклона к горизонтальной плоскости и обтекающего выступающие электронагревательные элементы, которые нагреваются без перегрева до температуры, не дающей налипание битума. Это достигается подбором длины нихромового провода электронагревательных элементов. На этапе протекания тонкого слоя битума на своем пути он сталкивается с электронагревательными элементами и, перетекая их трубчатую конструкцию, активирует процесс выхода пузырьков перегретого водяного пара, которые не успели выйти на предыдущем этапе обезвоживания. Первый и второй этап обезвоживания повторяются столько раз, сколько пар лотков содержит установка.

Низкотемпературная установка обезвоживания битума с использованием СВЧ-энергии (далее “установка”) на чертеже содержит приемный бак 1, кран 2, входной патрубок битума 3, регулятор потока битума 4, первый лоток 5, испарительную камеру 6, первый четный дополнительный лоток 7, последний нечетный дополнительный лоток 8, последний дополнительный лоток 9, СВЧ-генераторы 10, электронагревательные элементы 11, дополнительные регуляторы потока битума 12, выходной патрубок горячего воздуха с воздушным фильтром 13, выходной патрубок битума, выполненный с СВЧ-затвором 14, входной патрубок горячего воздуха 15, калорифер 16.

Из приемного бака 1 разогретый от 100°С до 110°С обводненный битум через кран 2, входной патрубок битума 3, регулятор потока битума 4 и через нижнюю входную часть первого лотка 5 поступает в испарительную камеру 6.

Регулятор потока битума 4, выполненный в виде заслонки, закрепленной на оси с возможностью фиксации в различных положениях, равномерно распределяет слой битума по первому лотку 5 испарительной камеры 6 и его помощью осуществляется регулировка производительности установки путем изменения величины зазора, через который поступает битум. Испарительная камера 6 состоит из 4 лотков: первого лотка 5, первого четного дополнительного лотка 7, последнего нечетного дополнительного лотка 8, последнего дополнительного лотка 9. Число лотков в данном случае выбрано равным четырем, хотя может быть и больше, в зависимости от производительности и обводненности битума. Все лотки испарительной камеры 5 в поперечном сечении имеют прямоугольное сечение, а их геометрические размеры выбраны с учетом рабочей частоты СВЧ-генераторов и режимов бегущей волны создаваемого в СВЧ-генераторе, чем обеспечивается хорошее согласование и полное взаимодействие СВЧ-поля с помещенным в него материалом. На первом лотке 5 испарительной камеры 6, имеющем радиопрозрачное дно, битум нагревается СВЧ-генератором 10. Так как битум незначительно поглощает СВЧ-энергию из-за своих диэлектрических свойств, то большая часть энергии поглощается находящейся в нем водой, что обеспечивает быстрый нагрев воды и паровых пузырьков без значительного нагрева битума. В результате по всей толщине битума образуется множество паровых пузырьков с высоким давлением пара и температурой в них, равной от 200°С до 250°С. Для максимального использования СВЧ-энергии в зоне СВЧ-генератора 10 с помощью регулятора потока битума 4 и малого угла наклона первого лотка 5 искусственно поддерживается толщина слоя битума от 30 до 50 мм. Битум из первого лотка 5 через дополнительный регулятор потока битума 12 поступает на первый четный дополнительный лоток 7, где благодаря большому наклону (от 25 до 30°) скорость потока битума резко возрастает, а толщина слоя битума уменьшается. Над днищем этого лотка установлены четыре электронагревательных элемента 11 равномерно распределенных по длине лотка, нагрев которых исключает налипание битума к ним. В местах обтекания потоком битума разогретых электронагревательных элементов 11 происходит поверхностное растекание верхнего слоя битума и интенсивное перемешивание слоев, что резко активизирует выход пара, который встречным потоком горячего воздуха через верхнюю выходную часть первого лотка 5 и выходной патрубок горячего воздуха с воздушным фильтром 13 удаляется из установки. Благодаря кратковременному нахождению битума в активной зоне электронагревательных элементов 11 на первом четном дополнительном лотке 7 не происходит ухудшения параметров битума из-за его окисления. На последнем нечетном дополнительном лотке 8 и последнем дополнительном лотке 9 процесс обезвоживания битума повторяется.

Обезвоженный битум через нижнюю выходную часть последнего дополнительного лотка 9 и выходной патрубок битума, выполненного с СВЧ-затвором 14, подается на выход установки. СВЧ-затвор выполнен в виде сотового запредельного волновода в соответствии с [5].

Через входной патрубок горячего воздуха 15 и верхнюю входную часть последнего дополнительного лотка 9 в испарительную камеру 6 подается горячий воздух от калорифера 16, который обеспечивает температуру от 120°С до 150°С, необходимую для выноса испаряемой влаги. В выходной патрубок горячего воздуха для исключения попадания частиц (выхлопов) битума в воздушный поток установлен воздушный фильтр лабиринтной конструкции.

Противоточное движение горячего воздуха в установке позволяет интенсифицировать удаление влаги, а также компенсировать внешние тепловые потери нагретого потока битума.

При промышленном применении установка располагается перед резервным или рабочим котлом на АБЗ. Битум в приемный бак 1 закачивается насосом из битумохранилища при температуре от 100°С до 110°С и в дальнейшем процесс обезвоживания осуществляется по ранее описанной схеме.

Практическая промышленная применимость установки не вызывает затруднений. Все элементы конструкции установки смонтированы на раме, выполненной из стальных уголков, трубок и закрытых защитным кожухом из листовой стали (не показаны), детали испарительной камеры (лотки, элементы соединения, опорные стойки) выбираются из условия обеспечения механической прочности с учетом массы битума. Биологическая защита установки достигается защитными кожухами и закрытой конструкцией.

В качестве СВЧ-генераторов используется 8 магнетронов M152-II [6] с блоками питания, широко используемых в бытовых СВЧ-печах, мощностью 700 ватт каждый. Конструктивно электронагревательный элемент 11 представляет собой трубчатый корпус, расположенный в потоке протекающего битума, с размещенным в корпусе между изоляторами, закрепленными на концах и вынесенными за пределы лотка, нагревательным элементом с коммутационной платой для их электропитания.

К калориферу, СВЧ-генераторам и электронагревательным элементам подводится промышленная трехфазная электросеть напряжением 380 В 50 Гц.

Эксплуатация установки позволит:

- сохранять качество битума при его обезвоживании за счет снижения температуры нагрева от 100°С до 110°С и сокращения времени подготовки;

- снизить энергетические затраты;

- улучшить экологию на АБЗ за счет меньшего выделения токсических газов из битума при его подготовке.

Источники информации

1. Е.Н.Дубровин и др. Проектирование производственных предприятий дорожного строительства. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Высшая школа, 1975, 351 с., стр. 105.

2. Е.Н.Дубровин и др. Проектирование производственных предприятий дорожного строительства. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Высшая школа, 1975, 351 с., стр. 106, рис.33.

3. О.В.Монастырский. Автоматизация разогрева битума и мастик в строительстве. М.: Стройиздат, 1966 г., стр. 55-57.

4. В.Д.Портягин. Особенности подготовки и приготовления асфальтобетонных смесей. Учебное пособие. Министерство автомобильных дорог. М., 1988, стр. 5.

5. А.А.Метрикин. Антенны и волноводы РРЛ. М.: Связь, 1977 г., стр. 72.

6. Технические условия на M-152-II АБУК.433160.019ТУ.

Формула изобретения

1. Установка обезвоживания битума, содержащая последовательно соединенные приемный бак, кран, входной патрубок битума, регулятор потока битума, испарительную камеру в виде лотка с переменным углом наклона к горизонтальной плоскости, выходной патрубок битума, отличающаяся тем, что она снабжена входным патрубком горячего воздуха с калорифером, выходным патрубком горячего воздуха с воздушным фильтром, дополнительными регуляторами потока битума и дополнительными лотками, последовательно соединенными с основным с образованием четного количества прямоугольных в поперечном сечении лотков с переменными углами наклона к горизонтальной плоскости, причем у всех нечетных лотков угол наклона к горизонтальной плоскости составляет 5-10°, днища их выполнены радиопрозрачными и под ними установлены СВЧ-генераторы, а у всех четных лотков угол наклона к горизонтальной плоскости составляет 25-30° и над их днищами установлены электронагревательные элементы, причем дополнительные регуляторы потока битума установлены на выходе нечетных лотков, при этом нижняя выходная часть последнего лотка присоединена к выходному патрубку битума, выполненному с СВЧ-затвором, а верхняя его входная часть через входной патрубок горячего воздуха соединена с калорифером, причем к верхней выходной части первого лотка подсоединен выходной патрубок горячего воздуха с воздушным фильтром, а последовательно соединенные приемный бак, кран, входной патрубок битума, регулятор потока битума подсоединены к нижней входной части первого лотка.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что количество прямоугольных лотков равно четырем.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что количество нагревательных элементов над днищем лотка равно четырем.

РИСУНКИ

Рисунок 1