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瀝青混合料攪拌設(shè)備瀝青煙氣處理技術(shù)探析

摘要: 在瀝青混合料攪拌設(shè)備熱拌混合料生產(chǎn)過(guò)程中，高溫瀝青會(huì)在瀝青罐排氣口、攪拌鍋卸料處產(chǎn)生大量的瀝青煙氣，它不僅會(huì)嚴(yán)重影響操作人員的健康，也會(huì)對(duì)設(shè)備和周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染，影響周邊居民的生活。但由于瀝青混合料攪拌設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)瀝青煙氣無(wú)組織排放做出明確的規(guī)定，受制于市場(chǎng)重視程度和設(shè)備成本的雙重影響，攪拌設(shè)備在瀝青煙氣治理上發(fā)展相對(duì)滯后。直至2015年新的環(huán)保法出臺(tái)，發(fā)達(dá)地區(qū)對(duì)瀝青攪拌設(shè)備的排放提出了更嚴(yán)格的要求，攪拌設(shè)備瀝青煙氣排放治理才得到施工企業(yè)和制造商的高度重視。

在瀝青混合料攪拌設(shè)備熱拌混合料生產(chǎn)過(guò)程中，高溫瀝青會(huì)在瀝青罐排氣口、攪拌鍋卸料處產(chǎn)生大量的瀝青煙氣，它不僅會(huì)嚴(yán)重影響操作人員的健康，也會(huì)對(duì)設(shè)備和周邊環(huán)境造成嚴(yán)重污染，影響周邊居民的生活。但由于瀝青混合料攪拌設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)瀝青煙氣無(wú)組織排放做出明確的規(guī)定，受制于市場(chǎng)重視程度和設(shè)備成本的雙重影響，攪拌設(shè)備在瀝青煙氣治理上發(fā)展相對(duì)滯后。直至2015年新的環(huán)保法出臺(tái)，發(fā)達(dá)地區(qū)對(duì)瀝青攪拌設(shè)備的排放提出了更嚴(yán)格的要求，攪拌設(shè)備瀝青煙氣排放治理才得到施工企業(yè)和制造商的高度重視。

 

1 瀝青煙氣成分及危害

 

道路用石油瀝青在高溫條件下（100℃~190℃）會(huì)釋放出危害人體和環(huán)境的瀝青煙氣。它是一種特殊的污染物，主要由液態(tài)烴類(lèi)顆粒物和氣態(tài)烴類(lèi)衍生物組成，其中大部分是0.1~1μm的焦油細(xì)霧粒。瀝青煙氣成分中含有近200種有機(jī)污染物，主要是多環(huán)芳烴類(lèi)物及少量氧、氮、硫的雜環(huán)混合物，主要有害成分為酚類(lèi)、蒽萘類(lèi)及苯并[a]芘。一般石油瀝青含苯并[a]芘為0.1~27mg/kg，裂解石油瀝青為4~272mg/kg。苯并[a]芘對(duì)皮膚及呼吸道系統(tǒng)有較強(qiáng)的致癌作用，是引起皮膚癌、肺癌、胃癌和食道癌的主要原因之一。瀝青煙氣對(duì)環(huán)境和人體健康的影響非常明顯，對(duì)其進(jìn)行處理和凈化也有很多不同的方式，本文將對(duì)此進(jìn)行比對(duì)分析。

 

2 常見(jiàn)瀝青煙氣處理方法

 

瀝青煙氣主要由氣液2項(xiàng)組成，濃度不高，成分又極其復(fù)雜分散，一般處理方法很難凈化徹底，常見(jiàn)的處理方法如下：

 

2.1 燃燒法

 

因?yàn)闉r青煙氣主要成分是碳?xì)浠衔铮捎每扇夹晕镔|(zhì)通過(guò)極高溫度進(jìn)行直接燃燒，將大分子污染物斷裂成低分子無(wú)害物質(zhì)，達(dá)到凈化目的。實(shí)踐表明，當(dāng)燃燒狀況穩(wěn)定，溫度達(dá)到510℃時(shí)，有機(jī)廢氣排放已大大降低，當(dāng)溫度穩(wěn)定在800℃~1000℃時(shí)，烴類(lèi)物質(zhì)燃燒更加快速、完全，凈化效果理想，同時(shí)增加催化劑可以降低燃燒溫度。燃燒法的影響因素主要有2點(diǎn)，一是瀝青煙濃度越高越有利于焚燒的進(jìn)行，二是燃燒的溫度與時(shí)間控制。

 

燃燒法的優(yōu)點(diǎn)在于凈化效果較好，缺點(diǎn)在于成本高，燃燒室及催化床設(shè)備昂貴，對(duì)于10萬(wàn)m3/h處理量的燃燒凈化設(shè)備，每年維護(hù)費(fèi)用約需30萬(wàn)，且有一定安全隱患。

 

對(duì)于瀝青攪拌設(shè)備來(lái)講，由于自帶燃燒烘干系統(tǒng)，可直接將瀝青煙氣收集并引入烘干筒進(jìn)行二次焚燒，可處理絕大部分的瀝青煙氣。但由于燃燒溫度和時(shí)間匹配的穩(wěn)定性較難保證，凈化效果不穩(wěn)定，同時(shí)會(huì)對(duì)設(shè)備燃燒系統(tǒng)帶來(lái)一定壓力。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)氮氧化物超標(biāo)問(wèn)題，造成二次污染。所以對(duì)于瀝青攪拌設(shè)備使用自身燃燒系統(tǒng)進(jìn)行瀝青煙氣焚燒，經(jīng)濟(jì)性較好，投入成本低，但處理效果和瀝青煙氣進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系較大。如果瀝青煙氣進(jìn)氣系統(tǒng)均勻穩(wěn)定，氣流與火焰混合充分，燃燒穩(wěn)定，位置合理，將會(huì)達(dá)到較好的處理效果。

 

2.2 活性炭吸附法

 

該方法原理是利用活性炭?jī)?nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，有巨大比表面積原理來(lái)吸附通過(guò)活性炭池的煙氣顆粒及分子，活性炭結(jié)構(gòu)如圖1。

 

 

瀝青混合料常見(jiàn)活性炭?jī)艋桨溉缦拢▓D2）：

 

 

瀝青煙氣首先進(jìn)入廢氣洗滌塔，在廢氣洗滌塔內(nèi)瀝青煙氣中所含的焦油轉(zhuǎn)移到液相(吸收劑)，從而達(dá)到凈化廢氣的目的。瀝青煙氣中的焦油細(xì)霧粒被水吸附后，基本不溶于水，也不會(huì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生大量新的化合物，只是形成浮油漂浮在水面。通過(guò)洗滌塔的補(bǔ)水閥補(bǔ)充新水，漂浮的焦油就會(huì)順著洗滌塔的溢流口流出，對(duì)其收集再做其他處理。經(jīng)過(guò)廢氣洗滌塔處理后，廢氣進(jìn)入活性炭過(guò)濾棉進(jìn)行吸附，較大粒徑的污染物被吸附，然后進(jìn)入到活性炭顆粒吸附層。由于活性炭固體表面上存在未平衡和未飽和的分子引力或化學(xué)健力，因此當(dāng)此固體表面與氣體接觸時(shí)，就能吸引氣體分子，使其濃聚并保持在固體表面，污染物質(zhì)及氣味從而被吸附。廢氣經(jīng)活性炭吸附塔后，凈化氣體通過(guò)風(fēng)機(jī)的作用高空達(dá)標(biāo)排放。

 

活性炭吸附法安全性高，通常凈化效率可達(dá)70%~80%，但隨活性碳逐漸飽和而迅速下降，需定期更換活性炭，產(chǎn)生二次固廢，運(yùn)行維護(hù)成本很高。

 

2.3 低溫等離子凈化法

 

低溫等離子體是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后的物質(zhì)第四態(tài)，當(dāng)外加電壓達(dá)到氣體的放電電壓時(shí)，氣體被擊穿，產(chǎn)生包括電子、各種離子、原子和自由基在內(nèi)的混合體。放電過(guò)程中雖然電子溫度很高，但重粒子溫度很低，整個(gè)體系呈現(xiàn)低溫狀態(tài)，所以也稱(chēng)為低溫等離子體。低溫等離子體降解污染物是利用這些高能電子、自由基等活性粒子和廢氣中的污染物作用，使污染物分子在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生分解，并發(fā)生后續(xù)的各種反應(yīng)以達(dá)到降解污染物的目的。

 

利用高頻高壓的電場(chǎng)與光輻照在電場(chǎng)作用下，離子發(fā)生器產(chǎn)生大量的粒子，粒子與空氣中的氧分子進(jìn)行碰撞而形成正、負(fù)氧離子。光與廢氣氣體分子的相互作用又可以看做是輻射場(chǎng)（震蕩電場(chǎng)）與電子（震蕩偶極子）會(huì)聚時(shí)的一種能量交換，使廢氣物質(zhì)分子的能態(tài)發(fā)生了改變，即分子的轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)或電子能級(jí)發(fā)生變化，由低能態(tài)被激發(fā)至高能態(tài)，這種變化是量子化的。且在與瀝青煙氣分子相接觸后打開(kāi)有機(jī)揮發(fā)性氣體的化學(xué)鍵，經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，最終生成CO2和H2O等穩(wěn)定無(wú)害的小分子（圖3）。

 

 

低溫等離子凈化適合低濃度的瀝青煙氣凈化，正常運(yùn)行情況下效率可達(dá)80%左右，能處理多種成分混合氣體，尤其對(duì)苯并[a]芘這類(lèi)碳20鍵大分子裂解能力較強(qiáng)，對(duì)于一些臭氣成分小分子鍵裂解能力較差。

 

2.4 UV光催化氧化凈化法

 

UV光催化氧化反應(yīng)，就是讓UV紫外光照射光敏半導(dǎo)體催化劑，激發(fā)半導(dǎo)體的價(jià)帶電子發(fā)生帶間躍遷，即從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生光生電子（e-）和空穴（h+）。此時(shí)吸附在納米顆粒表面的溶解氧俘獲電子形成超氧負(fù)離子，而空穴將吸附在催化劑表面的氫氧根離子和水氧化成氫氧自由基。而超氧負(fù)離子和氫氧自由基具有很強(qiáng)的氧化性，能使幾乎所有的有機(jī)污染物氧化至最終產(chǎn)物CO2和H2O，甚至對(duì)一些無(wú)機(jī)污染物也能徹底分解，不存在吸附飽和與二次污染問(wèn)題。

 

TiO2具有化學(xué)穩(wěn)定性好、無(wú)毒、價(jià)廉、易得、具有較正的價(jià)帶電位和較負(fù)的導(dǎo)帶電位等特點(diǎn)，是理想的光催化劑，也是目前使用最多的一類(lèi)光催化劑。當(dāng)TiO2光催化劑受到大于其禁帶能量的光照射時(shí)，在其內(nèi)部和表面都會(huì)產(chǎn)生光生電子和光生空穴。一部分光生電子和光生空穴參與光催化反應(yīng)，另外一部分光生電子與空穴會(huì)立即發(fā)生復(fù)合，以熱量的形式散發(fā)出去。如果TiO2中沒(méi)有電子和空穴俘獲劑，儲(chǔ)備的光能在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)就會(huì)通過(guò)光生電子和空穴的復(fù)合以熱能的形式釋放出來(lái)，或以其它形式散發(fā)掉；如果在TiO2的表面或者體相中有俘獲劑或表面缺陷態(tài)時(shí)，能夠有效阻止光生電子和空穴的重新復(fù)合，使電子和空穴有效轉(zhuǎn)移，從而能在催化劑表面發(fā)生一系列的氧化還原反應(yīng)，將吸收的光能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能（圖4）。

 

 

上面的反應(yīng)式中，羥基自由基(·OH)和超氧離子自由基(·O2)都有很強(qiáng)的氧化性，無(wú)論它們?cè)跉庀噙�是在液相中，都能將一些有機(jī)或無(wú)機(jī)物質(zhì)氧化。·OH和·O2是光催化氧化中主要的也是最重要的活性基團(tuán)，可以氧化包括自然界中生物難以轉(zhuǎn)化的各種有機(jī)物污染物并使之最后降解成CO2、H2O和無(wú)毒礦物。對(duì)反應(yīng)的作用物幾乎沒(méi)有選擇性，在光催化氧化反應(yīng)過(guò)程中起著決定性作用。而且由于它們的氧化能力強(qiáng)，氧化反應(yīng)一般不會(huì)停留在中間步驟，因而一般不會(huì)產(chǎn)生中間副產(chǎn)物。

 

UV光催化氧化凈化法對(duì)瀝青煙氣分子分解能力較強(qiáng)，特別是對(duì)一些臭氣成分小分子鍵氧化分解效果好，去除異味能力強(qiáng)，但對(duì)于較大的碳分子鍵裂解效果一般。

 

各種瀝青煙氣處理工藝技術(shù)的對(duì)比見(jiàn)表1。

 

 

3 新型等離子光催化組合式瀝青煙氣凈化法

 

綜上分析對(duì)比，任何單一的處理工藝都無(wú)法達(dá)到良好的處理效果。除利用自身設(shè)備特點(diǎn)采用燃燒法進(jìn)行較為簡(jiǎn)單的瀝青煙氣處理外，根據(jù)瀝青攪拌設(shè)備瀝青煙氣含煙塵量較高、氣態(tài)污染物烴類(lèi)物質(zhì)復(fù)雜的特點(diǎn)，本文取長(zhǎng)補(bǔ)短，提出一種綜合瀝青混合料瀝青煙氣處理方案，即離子光催化組合式凈化法，使用噴淋旋流塔水洗+離心除霧+靜電除塵+光催化等離子組合工藝對(duì)廢氣進(jìn)行處理。

 

廢氣處理工藝流程為：

 

(1) 當(dāng)瀝青煙霧進(jìn)入噴淋旋流塔內(nèi)時(shí)，低壓高效旋流霧化器噴出極細(xì)小且具有極佳凈化效果的水霧。當(dāng)煙氣從中穿過(guò)時(shí)，其中的分子、顆粒污染物與霧滴相碰撞，產(chǎn)生液滴的合并。因油分子、顆粒污染物的表面粘度較大，就會(huì)被霧滴所包融，體積增大，產(chǎn)生沉降，其中的顆粒分子被水截留，同時(shí)將煙氣溫度降低到60℃以下，使后面的處理工藝達(dá)到更好的處理效果（圖5）。

 

 

(2) 經(jīng)初步截留后的瀝青煙霧再進(jìn)入離心分離段。采用機(jī)械式除油技術(shù)，利用氣體動(dòng)力進(jìn)行凈化瀝青煙霧。通過(guò)流體力學(xué)的雙向流理論在葉輪內(nèi)部實(shí)現(xiàn)油煙分離。通過(guò)改變?nèi)~片的角度和葉片的形式，使顆粒分子在葉輪盤(pán)、片上撞擊聚集，被離心力甩入箱體內(nèi)壁，由漏油管流出（圖6）。

 

 

(3) 經(jīng)過(guò)離心分離段后進(jìn)入到靜電除油煙段。在電暈極(負(fù)極)和沉淀極之間施加直流高壓，使得電暈極放電，煙氣電離生成大量的正、負(fù)離子。正、負(fù)離子在向電暈極、沉淀極移動(dòng)的過(guò)程中與焦油霧滴相遇，并使之帶電，霧滴被電極吸引，煙塵基本得到去除（圖7）。

 

 

(4) 最后進(jìn)入到光催化等離子工藝段。廢氣經(jīng)過(guò)設(shè)備時(shí)被紫外線(xiàn)、等離子電場(chǎng)分解，同時(shí)光催化及等離子產(chǎn)生的多種活性自由基和生態(tài)氧，同煙霧中的分子碰撞時(shí)會(huì)發(fā)生一系列基元物化反應(yīng)，將煙霧分子異味氣體分解或還原為低分子無(wú)害物質(zhì)。廢氣中的非甲烷總烴、惡臭氣體在高能量的轟擊及活性物質(zhì)的氧化下得到降解去除，最后通過(guò)離心風(fēng)機(jī)和煙囪達(dá)標(biāo)排放。

 

4 結(jié)論

 

瀝青煙氣二次焚燒法、等離子光催化組合式瀝青煙氣凈化機(jī)在中交西筑多套SG系列環(huán)保站上投入使用，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，均取得了良好的處理結(jié)果。特別是通過(guò)等離子光催化組合式瀝青煙氣凈化機(jī)后的瀝青煙氣排放指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其組合式的工作模式，非常適合攪拌設(shè)備的瀝青煙氣排放工況，通過(guò)前期處理裝置去除粉塵、焦油類(lèi)物質(zhì)，后期等離子光催化裝置處理氣態(tài)分子，達(dá)到分解去臭的目的，使用效果受到用戶(hù)好評(píng)。

 

參考文獻(xiàn)

 

［1］國(guó)家環(huán)境保護(hù)局. GB16297-1996,大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京: 中環(huán)境科學(xué)出版社, 1996.

［2］國(guó)家環(huán)境保護(hù)局. GB14554-1993,惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1993.

［3］劉江雁. 瀝青煙氣燃燒處理技術(shù)［J］.石油與天然氣化工, 2000, 4.

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