沥青混合料搅拌设备沥青烟气处理技术探析

在沥青混合料搅拌设备热拌混合料生产过程中，高温沥青会在沥青罐排气口、搅拌锅卸料处产生大量的沥青烟气，它不仅会严重影响操作人员的健康，也会对设备和周边环境造成严重污染，影响周边居民的生活。但由于沥青混合料搅拌设备相关标准并未对沥青烟气无组织排放做出明确的规定，受制于市场重视程度和设备成本的双重影响，搅拌设备在沥青烟气治理上发展相对滞后。直至2015年新的环保法出台，发达地区对沥青搅拌设备的排放提出了更严格的要求，搅拌设备沥青烟气排放治理才得到施工企业和制造商的高度重视。   1 沥青烟气成分及危害   道路用石油沥青在高温条件下（100℃~190℃）会释放出危害人体和环境的沥青烟气。它是一种特殊的污染物，主要由液态烃类颗粒物和气态烃类衍生物组成，其中大部分是0.1~1μm的焦油细雾粒。沥青烟气成分中含有近200种有机污染物，主要是多环芳烃类物及少量氧、氮、硫的杂环混合物，主要有害成分为酚类、蒽萘类及苯并[a]芘。一般石油沥青含苯并[a]芘为0.1~27mg/kg，裂解石油沥青为4~272mg/kg。苯并[a]芘对皮肤及呼吸道系统有较强的致癌作用，是引起皮肤癌、肺癌、胃癌和食道癌的主要原因之一。沥青烟气对环境和人体健康的影响非常明显，对其进行处理和净化也有很多不同的方式，本文将对此进行比对分析。   2 常见沥青烟气处理方法   沥青烟气主要由气液2项组成，浓度不高，成分又极其复杂分散，一般处理方法很难净化彻底，常见的处理方法如下：   2.1 燃烧法   因为沥青烟气主要成分是碳氢化合物，采用可燃性物质通过极高温度进行直接燃烧，将大分子污染物断裂成低分子无害物质，达到净化目的。实践表明，当燃烧状况稳定，温度达到510℃时，有机废气排放已大大降低，当温度稳定在800℃~1000℃时，烃类物质燃烧更加快速、完全，净化效果理想，同时增加催化剂可以降低燃烧温度。燃烧法的影响因素主要有2点，一是沥青烟浓度越高越有利于焚烧的进行，二是燃烧的温度与时间控制。   燃烧法的优点在于净化效果较好，缺点在于成本高，燃烧室及催化床设备昂贵，对于10万m3/h处理量的燃烧净化设备，每年维护费用约需30万，且有一定安全隐患。   对于沥青搅拌设备来讲，由于自带燃烧烘干系统，可直接将沥青烟气收集并引入烘干筒进行二次焚烧，可处理绝大部分的沥青烟气。但由于燃烧温度和时间匹配的稳定性较难保证，净化效果不稳定，同时会对设备燃烧系统带来一定压力。当温度过高时，也会出现氮氧化物超标问题，造成二次污染。所以对于沥青搅拌设备使用自身燃烧系统进行沥青烟气焚烧，经济性较好，投入成本低，但处理效果和沥青烟气进气系统结构设计关系较大。如果沥青烟气进气系统均匀稳定，气流与火焰混合充分，燃烧稳定，位置合理，将会达到较好的处理效果。   2.2 活性炭吸附法   该方法原理是利用活性炭内部孔隙结构发达，有巨大比表面积原理来吸附通过活性炭池的烟气颗粒及分子，活性炭结构如图1。     沥青混合料常见活性炭净化方案如下（图2）：     沥青烟气首先进入废气洗涤塔，在废气洗涤塔内沥青烟气中所含的焦油转移到液相(吸收剂)，从而达到净化废气的目的。沥青烟气中的焦油细雾粒被水吸附后，基本不溶于水，也不会发生反应产生大量新的化合物，只是形成浮油漂浮在水面。通过洗涤塔的补水阀补充新水，漂浮的焦油就会顺着洗涤塔的溢流口流出，对其收集再做其他处理。经过废气洗涤塔处理后，废气进入活性炭过滤棉进行吸附，较大粒径的污染物被吸附，然后进入到活性炭颗粒吸附层。由于活性炭固体表面上存在未平衡和未饱和的分子引力或化学健力，因此当此固体表面与气体接触时，就能吸引气体分子，使其浓聚并保持在固体表面，污染物质及气味从而被吸附。废气经活性炭吸附塔后，净化气体通过风机的作用高空达标排放。   活性炭吸附法安全性高，通常净化效率可达70%~80%，但随活性碳逐渐饱和而迅速下降，需定期更换活性炭，产生二次固废，运行维护成本很高。   2.3 低温等离子净化法   低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以也称为低温等离子体。低温等离子体降解污染物是利用这些高能电子、自由基等活性粒子和废气中的污染物作用，使污染物分子在极短的时间内发生分解，并发生后续的各种反应以达到降解污染物的目的。   利用高频高压的电场与光辐照在电场作用下，离子发生器产生大量的粒子，粒子与空气中的氧分子进行碰撞而形成正、负氧离子。光与废气气体分子的相互作用又可以看做是辐射场（震荡电场）与电子（震荡偶极子）会聚时的一种能量交换，使废气物质分子的能态发生了改变，即分子的转动、振动或电子能级发生变化，由低能态被激发至高能态，这种变化是量子化的。且在与沥青烟气分子相接触后打开有机挥发性气体的化学键，经过一系列复杂的化学反应，最终生成CO2和H2O等稳定无害的小分子（图3）。     低温等离子净化适合低浓度的沥青烟气净化，正常运行情况下效率可达80%左右，能处理多种成分混合气体，尤其对苯并[a]芘这类碳20键大分子裂解能力较强，对于一些臭气成分小分子键裂解能力较差。   2.4 UV光催化氧化净化法   UV光催化氧化反应，就是让UV紫外光照射光敏半导体催化剂，激发半导体的价带电子发生带间跃迁，即从价带跃迁到导带，从而产生光生电子（e-）和空穴（h+）。此时吸附在纳米颗粒表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子，而空穴将吸附在催化剂表面的氢氧根离子和水氧化成氢氧自由基。而超氧负离子和氢氧自由基具有很强的氧化性，能使几乎所有的有机污染物氧化至最终产物CO2和H2O，甚至对一些无机污染物也能彻底分解，不存在吸附饱和与二次污染问题。   TiO2具有化学稳定性好、无毒、价廉、易得、具有较正的价带电位和较负的导带电位等特点，是理想的光催化剂，也是目前使用最多的一类光催化剂。当TiO2光催化剂受到大于其禁带能量的光照射时，在其内部和表面都会产生光生电子和光生空穴。一部分光生电子和光生空穴参与光催化反应，另外一部分光生电子与空穴会立即发生复合，以热量的形式散发出去。如果TiO2中没有电子和空穴俘获剂，储备的光能在几毫秒的时间内就会通过光生电子和空穴的复合以热能的形式释放出来，或以其它形式散发掉；如果在TiO2的表面或者体相中有俘获剂或表面缺陷态时，能够有效阻止光生电子和空穴的重新复合，使电子和空穴有效转移，从而能在催化剂表面发生一系列的氧化还原反应，将吸收的光能转换为化学能（图4）。     上面的反应式中，羟基自由基(·OH)和超氧离子自由基(·O2)都有很强的氧化性，无论它们在气相还是在液相中，都能将一些有机或无机物质氧化。·OH和·O2是光催化氧化中主要的也是最重要的活性基团，可以氧化包括自然界中生物难以转化的各种有机物污染物并使之最后降解成CO2、H2O和无毒矿物。对反应的作用物几乎没有选择性，在光催化氧化反应过程中起着决定性作用。而且由于它们的氧化能力强，氧化反应一般不会停留在中间步骤，因而一般不会产生中间副产物。   UV光催化氧化净化法对沥青烟气分子分解能力较强，特别是对一些臭气成分小分子键氧化分解效果好，去除异味能力强，但对于较大的碳分子键裂解效果一般。   各种沥青烟气处理工艺技术的对比见表1。     3 新型等离子光催化组合式沥青烟气净化法   综上分析对比，任何单一的处理工艺都无法达到良好的处理效果。除利用自身设备特点采用燃烧法进行较为简单的沥青烟气处理外，根据沥青搅拌设备沥青烟气含烟尘量较高、气态污染物烃类物质复杂的特点，本文取长补短，提出一种综合沥青混合料沥青烟气处理方案，即离子光催化组合式净化法，使用喷淋旋流塔水洗+离心除雾+静电除尘+光催化等离子组合工艺对废气进行处理。   废气处理工艺流程为：   (1) 当沥青烟雾进入喷淋旋流塔内时，低压高效旋流雾化器喷出极细小且具有极佳净化效果的水雾。当烟气从中穿过时，其中的分子、颗粒污染物与雾滴相碰撞，产生液滴的合并。因油分子、颗粒污染物的表面粘度较大，就会被雾滴所包融，体积增大，产生沉降，其中的颗粒分子被水截留，同时将烟气温度降低到60℃以下，使后面的处理工艺达到更好的处理效果（图5）。     (2) 经初步截留后的沥青烟雾再进入离心分离段。采用机械式除油技术，利用气体动力进行净化沥青烟雾。通过流体力学的双向流理论在叶轮内部实现油烟分离。通过改变叶片的角度和叶片的形式，使颗粒分子在叶轮盘、片上撞击聚集，被离心力甩入箱体内壁，由漏油管流出（图6）。     (3) 经过离心分离段后进入到静电除油烟段。在电晕极(负极)和沉淀极之间施加直流高压，使得电晕极放电，烟气电离生成大量的正、负离子。正、负离子在向电晕极、沉淀极移动的过程中与焦油雾滴相遇，并使之带电，雾滴被电极吸引，烟尘基本得到去除（图7）。     (4) 最后进入到光催化等离子工艺段。废气经过设备时被紫外线、等离子电场分解，同时光催化及等离子产生的多种活性自由基和生态氧，同烟雾中的分子碰撞时会发生一系列基元物化反应，将烟雾分子异味气体分解或还原为低分子无害物质。废气中的非甲烷总烃、恶臭气体在高能量的轰击及活性物质的氧化下得到降解去除，最后通过离心风机和烟囱达标排放。   4 结论   沥青烟气二次焚烧法、等离子光催化组合式沥青烟气净化机在中交西筑多套SG系列环保站上投入使用，经实践检验，均取得了良好的处理结果。特别是通过等离子光催化组合式沥青烟气净化机后的沥青烟气排放指标远远低于国家标准，其组合式的工作模式，非常适合搅拌设备的沥青烟气排放工况，通过前期处理装置去除粉尘、焦油类物质，后期等离子光催化装置处理气态分子，达到分解去臭的目的，使用效果受到用户好评。   参考文献   ［1］国家环境保护局. GB16297-1996,大气污染物综合排放标准［S］.北京: 中环境科学出版社, 1996. ［2］国家环境保护局. GB14554-1993,恶臭污染物排放标准［S］.北京: 中国标准出版社, 1993. ［3］刘江雁. 沥青烟气燃烧处理技术［J］.石油与天然气化工, 2000, 4.
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