2022-09-14
 
全封闭连续化生产改性沥青设备与工艺的研究
2022年09月14日   阅读量:20740

摘 要

为弥补现有改性沥青设备与工艺存在的不足之处,利用静态混合器代替配料罐、溶胀罐等设备,使生产工艺运行的工作压力在0.8MPa左右,生产过程全封闭连续化,环保节能,产品质量稳定,存储运输方便。同时,工艺路线精练、操作简单,占地面积小,既可以工厂化生产,又可以在沥青砼拌和站现场配套联机生产,需要多少改性沥青就生产多少,无需存储,减少了基质沥青或改性沥青成品的多次运输及反复加热对质量的影响,同时节能降耗,节约成本。通过配方设计也可以生产高黏度改性沥青、胶粉改性沥青,彩色沥青和温拌沥青沥青网sinoasphalt.com。如再连接造粒设备、小包装或胶囊设备,可以生产直投式全颗粒、小包装或胶囊的多品种改性沥青产品。本研究具有颠覆现有改性沥青设备及工艺技术的创新意义。


关键词 全封闭 | 连续化 | 零排放 | 直投式全颗粒 | 小包装或胶囊 | 多品种改性沥青产品


随着我国建设“优质路”、“环保路”、“生态路”、“特色路”和“海绵城市”的趋势迅速增长,不但对沥青路面材料的性能提出了更高的要求,而且对沥青路面材料生产系统和沥青路面施工作业的节能环保也提出了苛刻的要求。


为了适应道路材料市场的需求,SBS改性沥青、SBS高黏度沥青、胶粉改性沥青、PE改性沥青、彩色沥青、温拌沥青等各类改性沥青得到越来越多的应用,使之生产改性沥青的加工设备和生产工艺,也得到了迅速发展。


改性沥青加工设备和生产工艺,根据使用方式不同,分为干法与湿法两种。其中,湿法是指在工厂或施工现场将改性剂与基质沥青预混制得成品改性沥青,与集料拌和后使用,是目前常用的改性沥青生产工艺。与之相比,干法无需预先制备成品改性沥青,在拌和时直接将基质沥青、改性剂、集料拌和,通过拌和过程实现沥青改性的效果。


湿法又可以根据加工方式不同分为工厂化加工和现场加工两种。工厂化加工是指在改性沥青工厂生产成品改性沥青,而后运输至现场使用;而在现场加工方式将改性沥青设备运输拌和站现场,与拌和站的沥青输送系统对接,根据路面施工需要安排改性沥青生产时间,改性后立即拌和使用。另外,有些母液法也得到了一定的应用,所谓母液法是指在工厂预先制备高浓度的改性沥青母液,将母液运输到施工现场后与基质沥青混合使用。现场改性由于生产后立即使用,避免了改性沥青的储存过程,因此使用现场改性工艺生产的改性沥青可以不考虑离析(JTGF40-2004中有明确规定)。另外,现场改性加工在拌和站进行,业主可以通过监控物料消耗及生产参数对生产过程进行监督,在一定程度上避免了偷工减料、以次充好的发生,对于提高产品质量有积极作用。


不同改性沥青加工设备及工艺


工厂化改性沥青生产


(1)改性沥青的生产工艺采用胶体磨和高速剪切法加工改性沥青,一般需要经过改性剂融胀、分散磨细、继续发育三个阶段,每一个阶段的工艺流程随改性剂及加工设备的不同而不同[1]。


(2)SBS改性沥青加工设备,主要由基质沥青加热单元、SBS上料单元、预混单元、计量单元、添加剂单元、发育单元和控制单元组成。改性沥青设备组成单元示意见图1[2]。

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沥青混凝土拌和站现场改性沥青生产


工艺流程与生产方法同工厂化改性沥青生产。不同的是设备组成单元的基质沥青加热单元①和发育单元⑦要利用沥青砼拌和站的设备,其余的设备组成单元安装在集装箱底盘上,便于移动到任何沥青混凝土拌和站。


干法直投式改性剂


直投式改性剂的作用机理是将SBS的溶胀通过加人与聚苯乙烯相容性好的相关树脂和与聚丁二烯相容性好的相关油类,高温下挤出造粒提前实现,这样当改性剂投入到混合料拌缸中时,集料的辗磨使得改性剂颗粒在集料表面形成微米级薄膜,沥青的加入使得改性剂与之迅速熔融,这时已经溶胀的SBS扩散在沥青中,迅速形成三维网络结构[3]。


干法直投式改性剂以SBS为主要改性剂成分,经一定工艺制备成的、可直接投放于沥青混合料拌缸,实现快速熔融并发挥相应改性作用的颗粒状改性材料[4]。


干法直投式改性剂生产装置由料仓(1)、挤出机(2)、切粒机(3)、脱水机(4)、振动筛(5)等设备组成。千法直投式改性剂生产示意图(图2)如下:

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不同改性沥青加工设备及工艺的不足之处


(1)容器罐式、常压、间歇法生产改性沥青,沥青烟气排放污染环境,成品质量不稳定。


(2)工厂化生产改性沥青在检验合格后,还要经过工厂储存、运输、现场储存的过程才能最终进入拌和楼使用,如果一切顺利,往往要储存2d的时间,如果遇到阴雨天气或意外情况,耽搁时间可能要延长到7d。因此,改性沥青工厂必须保证生产的产品在热储存7d的情况下,改性剂不发生明显的离析分层,而且各项性能指标不发生明显变化。


规范JTGF40-2004中,仅对离析有要求,对于各项指标在热储存过程中的衰减并无说明,这一点也常常被人们所忽视,因此造成了很多的产品质量纠纷,改性沥青工厂表示出厂产品质量是合格的,而且这种合格可能也得到了施工单位驻厂人员的认可,施工单位则表示收到的改性沥青某项指标与出厂合格证有较大偏差,这种偏差的原因可能会被工厂归结为施工单位检验方法和设备的缺陷,双方陷入争执。


(3)沥青混凝土拌和站现场生产改性沥青,常会发生以下问题:


a)现场改性生产环境较为简陋,生产、维护力量相对薄弱,容易因设备故障造成工期延误。


b)现场改性每生产一批产品后,要么不经过检验直接打入拌和楼使用,要么存入改性沥青储罐,等待分析合格后使用。对于前者来说,不经检验的产品质量是无法保证的;对于后者来说,即使只分析主要的三项指标也需要最少3h的时间,在这个过程中,改性沥青可能已经离析了。而在实际应用过程中,为了赶工期,不经过检验而直接拌和的情况常有发生。


c)对于不同种类的基质沥青要制定不同的配方和工艺,而在现场改性中,往往不具备指纹识别等基质沥青种类的检测条件,一旦沥青供应商更换了基质沥青种类,仍继续沿用原配方和工艺,轻则造成指标下降、离析,重则可能会造成凝胶,带来严重不良后果。为了避免这种现象的发生,往往采取每批基质沥青先做实验室小样,成功后再大规模生产的方法,带来了很大的工作量。


d)施工单位处于工期考虑,容易降低改性沥青的质量要求,而一旦不合格的改性沥青经过拌和摊铺到路面后,又难以追责。


(4)直接投放式改性剂是以SBS、胶粉或PE为主要改性成分,经过一定的工艺制备,可直接投放于沥青混合料拌缸的颗粒状改性材料。目前市场上已大量应用,如高黏度沥青改性剂、抗车辙剂、干法SBS改性剂等。


直接投放式改性剂的主要优势:


a)改性后的沥青混合料路用性能大大提高,动稳定度可万次以上;沥青软化点可提高至90℃以上;动态模量可达14000MPa。


b)取消了传统SBS改性沥青生产工艺,解决了SBS改性沥青生产过程中的太复杂、高成本、高耗能、存储、运输等费用及高污染问题。


c)产品可利用SBS等聚合物或回收塑料、胶粉等材料有机结合达到功能互补,充分利用各种材料的优点混融而成。


d)使用简单,只要将所需量的颗粒状改性剂直接投放到拌和锅与集料、沥青一起搅拌混合均匀,即可生产出改性沥青混合料,不需要沥青拌和楼改变任何技术及设备条件。


e)质量优异,避免了SBS改性沥青生产过程中改性剂与沥青二种原材料的质量损失;消除了改性后存储过程中质量稳定性与性能衰减的问题,以及在混合料高温拌和中的改性沥青的质量衰减隐患。


f)可以根据地域气候差别及路面不同等级要求设计不同配方,具有很强的灵活性、适用性。


g)沥青的兼容性好,对含蜡量没有任何要求,可以使用任何不同品牌的重交沥青。存储、运输简单方便。


直接投放式改性剂的问题:由于沥青是有一些极其复杂的高分子的碳氢化合物和非金属的衍生物所组成的混合物,采用不同原油炼制而成的沥青其组分显然是不同的,即便是同一种原油,因炼制工艺的不同所产沥青的组分比例也不尽相同。所以,SBS等改性剂与道路沥青的相容性并不太好。使用颗粒状改性剂,必须根据不同批次的道路沥青,调整配方和生产工艺。同时,改性剂的技术特性指标与沥青混合料的技术指标并没有必然的关联性。因此也可能造成产品质量纠纷,如改性剂工厂表示出厂产品品质是合格的,而且这种合格可能也得到了施工单位驻厂人员的认可,但施工单位则表示收到的改性沥青混合料某项指标与有关标准有偏差,而这种偏差是在检测混合料以后得出的,双方会陷入了都无法说清楚的争议。另据有关资料介绍,国外直投式改性剂的市场占有率也仅仅5%左右。


由以上所述可见,不论是工厂化生产改性沥青,还是干法直投式改性剂,都有其难以避免的缺点。


新的解决方案


为解决以上加工设备和生产工艺以及包括直投式改性剂产品在内所存在的缺点,同时为避免改性沥青生产过程中沥青烟气对环境的污染、基质沥青和改性沥青成品在存储、运输、加工等环节反复加热造成的质量损失,做到全产业链的质量可控可追溯,进行了全封闭零排放连续化改性沥青生产设备与工艺及全颗粒或小包装(质量0.1-5.0kg或胶囊状,PE材料)多品种改性沥青的产业化装置的研究,取得了预期初稿,并申请了专利(已授权专利号:201710143294.7)。


本研究的设计构想方案如下:

以现有技术生产改性沥青存在的不足之处为切入点,设计了环保多功能的全封闭零排放连续化生产改性沥青装置及工艺,同时既可以用于工厂化生产改性沥青,也可以移动到沥青混凝土拌和站现场生产改性沥青。新工艺流程见图3。

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工艺流程的装置组成是:储罐或槽罐车通过加热管路和阀门连接沥青泵①的进口,沥青泵①的出口通过加热管路连接流量计后,连接往复式螺旋拌和机③的进口;称重强制喂料机②也直连在往复式螺旋拌和机③另一进口上;往复式螺旋拌和机③的出口通过加热管道连接沥青泵④的进口;沥青泵④的出口连接组合式静态混合器⑤的进口,组合式静态混合器⑤的出口连接单级剪切机⑥的进口;单级剪切机⑥的出口连接沥青泵⑦的进口,沥青泵⑦的出口连接组合式静态混合器⑧的进口;组合式静态混合器⑧的出口连接多级高剪切乳化机⑨的进口;多级高剪切乳化机⑨的出口连接沥青泵⑩的进口;沥青泵面的出口连接组合式静态混合器的进口,组合式静态混合器出口通过加热管路连接储罐或槽罐车或沥青混凝土拌缸的进口。


整个生产系统全封闭连续化生产,沥青泵④以后的系统压力保持在0.8-1.0MPa,使SBS、添加剂等物料与沥青更好的混合、剪切、溶胀。


本研究所述单级高剪切乳化机和多级高剪切乳化机,可用功能类似的胶体磨替代。沥青泵和静态混合器采用市售产品,具体型号和技术特性与生产能力相匹配。


以上工艺流程的具体操作如下:首先通过导热油或电加热自动控制系统,根据操作指标设置所有设备和连接管道的温度,温度达到指标后,来自储罐或槽罐车的基质沥青,温度120-150℃,由沥青泵①输入往复式螺旋拌和机③,同时,按比例预先混合好的SBS与添加剂混合物料(其中按重量计:SBS4-10份、芳经油3份、微晶蜡3份),经强制喂料机②加入往复式螺旋拌和机③。调节沥青泵①和强制喂料机②的电机转速,使基质沥青(按质量计)达到84~90份。


从往复式螺旋拌和机③开始,以后的设备和连接管道的温度提升至140-160℃,SBS与添加剂混合物料在往复式螺旋拌和机③内与基质沥青混合后,连续不间断通过沥青泵④输入组合式静态混合器⑤后,进入单级剪切机⑥初步分散、剪切,再经过沥青泵⑦输入组合式静态混合器⑧搅拌、混合、溶胀后,进入多级高剪切乳化机⑨,最后由沥青泵⑩输入静态混合器后,再进入储罐或槽罐车,输入储罐或槽罐车的改性沥青温度不低于175℃。所生产的成品达到JTGF40-2004聚合物改性沥青技术指标[5](如成品技术指标有误差,只要调整配方设计都可达到)。以上机泵、管路、计量称重、加热、温度、自动控制等设备的技术参数,根据整体设备的生产能力合理优化配置。


(2)为避免工厂化生产改性沥青质量不稳定,易偷工减料弄虚作假的弊端,以及直投式改性剂的技术指标与沥青混合料的技术指标并没有必然的关联性,造成混合料质量纠纷的不足之处,研究运用直接投放式改性剂生产设备和工艺,生产全颗粒多品种改性沥青,其工艺如下:


首先应用SBS预处理技术(已申请专利,申请号:201910105751.2),与添加剂按比例制备混合物料(其中按重量计:SBS4~10份、环烧油或机械油3~6份、矿粉84~90份),加入料仓通过称重装置,与84~90份的基质沥青通过计量装置,同时加入挤出机混炼、剪切、溶胀、切粒,制成全颗粒改性沥青成品。全颗粒改性沥青熔融后的指标,达到JTG F40-2004各热拌沥青混合料种类的各项技术指标”。但由于挤出机造粒机的单位时间内产量太低,且单机体积大能耗高,无法与沥青砱拌和站配套。而全封闭零排放连续化生产改性沥青设备与工艺,具有挤出机同样的功效,只要合理优化配置相关机泵、管路、计量称重、加热、温度、自动控制等设备,即可生产全颗粒多品种改性沥青。(本研究技术由上海砱仁环保技术发展有限公司生产的全颗粒彩色沥青,铺设了上海临港园区环湖大道。


新工艺的主要技术优势


经过反复研究与试验证明,这种新型改性沥青生产装置与工艺具有以下技术以上:

(1)生产系统压力保持在0.8MPa左右,SBS等聚合物与沥青的相互捏合更完全,溶胀更充分,相容更好,是传统常压生产工艺不可相比的,在技术上具有创新性。


(2)使用静态混合器代替搅拌罐模式,具有效率高、能耗低、体积小、投资省、易于连续化生产的特点。其混合不均匀度数为sX≤1%~5%,混炼、融合的效果优于传统工艺。


(3)由于取消了罐类容器,大大缩短了生产工艺路线,机、泵和混合器之间采用直接连接或尽可能短的管道连接,整套生产加工设备包括操作室占地面积仅需20㎡左右即可,如再考虑可以取消基质沥青和改性沥青储罐的因素,相比传统生产工艺,占地面积就小的更多。


(4)该装置按照压力容器标准制造,没有排气泄漏点,做到全封闭零排放连续化生产。


(5)在工厂化生产改性沥青时,生产装置的进口直接和基质沥青运输槽罐车连接,出口直接和改性沥青运输槽罐车连接。如在沥青砼拌和站现场生产改性沥青,生产装置的进口直接和基质沥青运输槽罐车连接,出口和沥青拌和楼的沥青泵连接,与沥青拌和楼同时开停机生产,节能降耗、质量稳定、效果更佳。


(6)该装置用于炼油厂与道路沥青生产装置连接,同时开停机直接生产改性沥青,如再连接造粒设备、小包装或胶囊设备,可以直接生产直投式全颗粒或小包装(胶囊)的多品种改性沥青(也可以连接工厂化生产改性沥青装置)。


(7)通过调整配方设计和操作指标,可以高质釐生产高黏度改性沥青、胶粉改性沥青,彩色沥青和温拌沥青,如连接乳化沥青设备可以生产高含量SBS改性乳化沥青,实现冷拌冷铺改性沥青路面。


(8)该套改性沥青加工设备和工艺还可以生产改性沥青防水材料和防穿刺沥青防水材料。


(9)该装置技术,如用千现有技术生产设备工艺的技术改造或升级换代,除罐类容器外,其余设备、管道、电气、自控、加热等大部分都可利用,投资省,见效快。


结论与展望

本研究的全封闭连续化零排放生产改性沥青设备与工艺,改变了现有技术SBS改性沥青生产的理念,从而可以做到以下几点:

(1)从来自储罐或槽罐车的基质沥青至产出合格的SBS改性沥青,生产系统压力保持在0.8MPa左右,生产过程全封闭连续化,没有任何废气排放。


(2)工艺路线精练、操作简单,占地面积小,非常方便与沥青铨拌和站配套,做到与沥青砼拌和站同时开停机生产,需要多少SBS改性沥青就生产多少,减少了沥青或产品的多次运输及反复加热对产品质量的影响,节能降耗,节约成本。


(3)通过配方设计可以生产高黏度改性沥青、胶粉改性沥青,彩色沥青和温拌沥青。如再连接造粒设备、小包装或胶囊设备,可以直接生产直投式全颗粒或小包装或胶囊的多品种改性沥青。


(4)多品种改性沥青全颗粒或小包装或胶囊成品,质量稳定、指标如一、容易检测,存储、运输、简单易行,可直接投放使用或在拌和站快速熔融后使用,操作方便。


(5)从基质沥青和改性沥青生产或多品种全颗粒产品,到制备混合料,全产业链的质量可控可追溯。


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