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        瀝青煙氣治理技術研究現狀與進展
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        瀝青煙氣治理技術研究現狀與進展
        2022年09月16日    閱讀量:21725    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

        摘 要

        瀝青煙氣因具有持久的刺激性氣味,會對周邊環境和人類健康產生極大的威脅,致使環保部門加大了對瀝青煙氣的管控力度,瀝青煙氣治理手段也日趨完善。就當下較為成熟的瀝青煙氣治理技術包括常規瀝青煙氣治理技術、組合煙氣治理工藝以及新型瀝青煙氣治理方法進行了綜述和討論,并對瀝青煙氣治理的未來研究及應用重點進行了展望。


        關鍵詞

        瀝青煙氣 | 煙氣治理技術 | 組合工藝 | 新型治理工藝


        截至2019年末,我國高速公路總里程已經突破14.96x10^4km,其中90%以上的高速路面為瀝青路面瀝青網sinoasphalt.com。瀝青路面在施工時通常采用熱拌熱鋪工藝,而作為瀝青路面主要原材料之一的石油瀝青又是由性質和分子量不同的經以及經類衍生物組成,因此當瀝青與集料在高溫條件下拌和時,瀝青中的易揮發組分會因受熱而遷移到空氣中形成瀝青煙。


        瀝青煙的主要成分是低碳鏈經類物質以及少量的氮、氧、硫雜環化合物和多環芳經(PAHs),如苯并[a]芘、CO、SO2、苯可溶物(BSO)、NOx、NH3、懸浮顆粒物(TSP)等,其中強致癌物苯并[a]芘的含釐高達1.3~2.0mg/m3。瀝青在加熱時有害物質隨溫度升高不斷逸出并向空氣中擴散,嚴重破壞生態平衡、污染周邊環境并引起人體氧化應激反應進而導致DNA損傷[1]。此外瀝青煙還具有高溫、高濕、高粘的屬性,高濃度條件下會積結為瀝青板塊而喪失流動性,不利千煙氣的收集和輸送,除煙設備也易因此損壞。所以在確保路用性能的前提下最大限度的減少瀝青煙的釋放、實現瀝青路面潔凈化施工將是我國未來交通事業發展的重要內容。目前工業瀝青煙氣治理主要采用常規煙氣治理技術、組合煙氣治理工藝以及新型煙氣治理方法。


        常規煙氣治理技術


        常規瀝青煙氣治理技術需對煙氣進行集中收集和處理,采用的治理技術包括:焚燒法、吸收法、吸附法、高壓靜電捕集法以及等離子體除塵技術。焚燒法是將使瀝青煙氣組分發生化學反應轉化為無害物質,再對其進行凈化;吸收法和吸附法是利用物理方法將污染物從廢氣中分離出來;靜電捕集和等離子體除塵技術使瀝青煙粒子帶電,后利用電場作用分離。常規煙氣治理技術需要保證兩點:一是生產和施工設備完全密閉,瀝青煙由出口集中排出,不得有明顯的無組織排放情況存在,二是在現場需配備真空收集系統。


        焚燒法


        瀝青煙的基本組成是經類氣體、CO、冷凝焦油等可燃物質,焚燒法就是將瀝青煙中的可燃物質在氧氣存在下加熱焚燒,轉變為氧化物(CO2和H2O)排出。據美國對經類反應動力學的研究發現[2]瀝青煙與氧氣在焚燒器內充分接觸且溫度為790°C時,僅需0.5s的停留時間即可將瀝青煙中的經類氣體燃燒殆盡。對于難燃的炭粒,提高溫度至900°C或更高一些,也能較好的燒凈。天然氣與瀝青煙在配比2.3:1.0條件下混合焚燒時,焚燒完全所需溫度可降至510°C。當采用Pt-Ni合金網做催化劑時,燃燒最低溫度為390°C。美國和加拿大早在1972年就開始使用了焚燒法。日本和德國的隧道式焙燒爐窯都采用焚燒法。我國蘭州炭素廠于90年代引進日本美濃窯業公司的隧道式二次焙燒爐,其凈化效果也很好。焚燒法需另外配備大型焚燒爐,精密控制溫度和燃燒前后的氧氣扯,實施條件相對苛刻且投資較大,適用于煙氣最大的企業。


        吸收法


        吸收法是利用煙氣中各組分在吸收劑中溶解度不同,或者某一組分與吸收劑發生反應而從煙氣中脫除,達到煙氣凈化的一種方法,吸收法主要作用于0.1-1.0μm的焦油細霧粒。當瀝青煙濃度較低時,用水作為吸收劑即可達到較好的效果,德國KHO公司預先對瀝青煙進行噴水處理,然后煙氣和水自上而下進入氣體分離器,在密集排列的不銹鋼"S"型薄鋼板上形成水沫層,含有焦油霧粒的水沫層流至底部凹槽,槽滿后溢流至集合槽,經特種添加劑作用后,顆粒沉槽底,焦油滴浮于表面,積累到一定程度即可收集用作燃料,水則作為吸收劑循環使用。水洗率可達80%左右,但在實際使用時會發生焦油冷卻凝結堵塞凈化設備問題。瀝青煙氣最較大時常采用洗油吸收法,洗油吸收法利用汽油、柴油等有機液體作為吸收劑,瀝青煙與洗油逆流充分接觸,使瀝青煙中有機組分溶于洗油達到凈化目的,洗油吸收法多用于焦化廠、涂料廠和石油化工廠。吸收法凈化效率低,存在二次污染問題,技術上還有待進一步優化。


        吸附法


        吸附法借助具有較大比表面積的吸附劑對煙氣中有害組分進行物理吸附??杉毞譃椤鞍追ā?Al2O3吸附)和“黑法”(移動床焦炭吸附和預涂層過濾法),比較有代表性的是白土吸附法、石油焦粉吸附法和布袋除塵器吸附法。白土吸附法是向煙氣中噴灑白土粉末,使煙氣吸附在白土粒上,然后白土經除塵器過濾下來,加熱焚燒后重復利用。上海第二耐火材料廠引進的日本真空油浸設備就是采用白土吸附法,由于操作不夠好,外加工藝本身不過關,在不到半年的時間內所有布袋上都粘結了瀝青板塊,致使該設備停用。石油焦粉吸附法采用高孔隙率的活性石油焦炭粉吸附瀝青煙粒,部分焦粉還可通過被動集團化降低粘結性,最后覆膜過濾。牛利民借助吸附效率高的緞后焦作為吸附劑處理鋁廠預焙陽極槽低濃度瀝青煙取得較好效果。布袋除塵器吸附法[3]通過在濾袋表面預涂粉料,煙氣通過時焦油被吸附在涂層上,飽和后抖落涂層,重新掛粉過濾。吸附法的優點是工藝簡單、投資省、處理率高(可達98%以上),但吸附劑再生比較困難,僅適用于煙氣量小的企業。


        高壓靜電捕集法


        高壓靜電捕集法[4]包括干式和濕式電捕法,國外一般采用C型電捕器,國內則采用同心圓沉淀極式電捕器。當瀝青煙穿過靜電捕集器內部電場時,電暈極高壓放電使瀝青煙組分電離為電子和離子,使煙氣中粒子帶有負電,帶電粒子在重力、洛倫磁力及懸浮力的疊加作用下,較大尺寸的粒子被捕集到正極板上并用刮板刮除,較小粒徑以及未荷電的粒子會隨煙氣帶出[5]。國內同心圓電捕器凈化效率一般在90%-95%,臥入式板式電捕器的凈化效率可達95%以上,出口處焦油含掀在55-60mg/m3之間,基本滿足排法效放標準。貴州鋁廠從日本輕金屬公司引進的濕法煙氣凈化技術凈化率最高達96%以上。干式捕集法只能捕捉冷凝焦油微滴,對氣態瀝青煙無能為力,且同心圓干式電捕器只能作成單電場,無法適應大型設備需要。濕式電捕集法雖可利用堿液洗滌除去SO2、HF等氣態污染物,但在實際應用中也要解決水處理和腐蝕問題。


        低溫等離子體技術


        低溫等離子體技術[6]同時具備高壓毫微秒脈沖高能電子輻射、臭氧氧化、紫外光分解三種功能。高壓脈沖使背景氣體分子被擊穿形成等離子體,等離子體中的活性粒子在梯度場的作用下與煙氣分子碰撞形成激發態分子,當激發態分子能量大于其分子鍵能時,煙氣分子解離形成單質原子或無害氣體分子。煙氣中未被破壞的分子級異味煙氣在高能高臭氧紫外線照射下產生強氧化性自由基,自由基作用于惡臭氣體分子,使其分子鏈斷裂降解,轉化為CO2、H2O等無害化合物排出[7]。低溫等離子體技術[8]煙塵凈化率可達到99%,揮發性有機物(VOCS)消除率高達85%,可以收集0.001-0.010μm級的超細塵粒。該法目前還有許多難關有待突破,比如能夠提供大功率、窄脈沖、長壽命的高壓脈沖電源研發尚未得到有效進展,電源和反應器的有效適配尚未解決,此外還存在能耗大、安全性能低、副產物粘結等問題。


        組合煙氣治理工藝


        經過多年的實踐,單一瀝青煙氣的處理方法都不同程度存在工藝復雜、成本較高等問題,采用單個方法很難達到理想的煙氣治理效果,因此常將多種瀝青煙氣治理工藝組合使用。


        廖志強[9]在治理焦油加工產生的瀝青煙氣時采用洗油吸收法和焚燒法聯用工藝,成本較低,可操作性強,凈化效果好,也是目前焦油加工行業應用較為廣泛的瀝青煙氣治理方法。楊婷[10]等針對高溫燃燒-余熱回收-噴淋的組合凈化方式煙氣進行余熱回收的工程設計優化,提高了能源利用率。美利信新型建材公司在處理防水建材產生的煙氣時綜合了冷凝-吸附-吸收三種處理方案。其中瀝青煙中霧粒經冷凝后粒徑增大,增加了被捕集到的幾率,采用水和柴油做冷凝劑和吸收劑,對高濃度瀝青煙的預處理效果顯著。


        萊鋼焦化廠焦油車間[11]利用文氏管負壓噴淋工藝替代傳統的風機噴淋工藝進行瀝青煙氣治理,大大提高了瀝青煙氣的治理效率,可滿足當下的環保要求。張宏利[12]采用的是文丘里瀝青煙捕集吸收與高溫焚燒相結合的煙氣凈化工藝,利用相似相容原理,使溶劑通過文丘里噴射器與瀝青煙氣充分混合吸收掉70%左右的有害物質,剩余的有害物質引入焚燒爐在1100℃左右高溫焚燒。通過吸收法和焚燒法的聯用,很好的解決了瀝青儲運、加工過程中瀝青煙氣的凈化問題,經此方法處理后的瀝青煙氣符合國家的排放標準。


        廣吉高速GJGX2標段采用的SBS改性瀝青煙氣治理是將收集的高溫煙氣依次經過煙氣噴淋塔、濕式恒流高壓靜電工業廢氣凈化器和多級等離子光催化塔進行分級處理[13]。四川蜀羊防水材料有限公司[14]采用高壓靜電捕集與光氧催化相結合的六級分體式工藝治理瀝青煙氣,兩者具有一定相似性。其中煙氣噴淋冷凝塔是通過噴水霧的方式先將顆粒物轉移到噴淋液中;水汽分離塔則利用多孔介質使煙氣中的焦油細霧液滴相互碰撞、沉淀;濕式恒流高壓靜電廢氣凈化器內產生的高能電子自由基活性粒子使煙氣中的分子裂解成小分子;布袋過濾塔將經過濾布纖維的粉塵顆粒攔截;光解催化凈化塔利用高能高臭氧UV-C光束與氧反應產生臭氧,臭氧再氧化惡臭化合物生成水等低分子氧化物;臭氧中和罐則利用高濃度臭氧分解惡臭氣體來消除異味。


        裴登明[15]等研發的瀝青煙氣處理系統包含高效吸收、氣液分離、靜電捕集和高效除味四個模塊。首先借助增壓泵使油性吸收劑(配料環保油中加入溶劑制成)在設備內部加壓噴淋,與瀝青煙氣充分接觸,最大程度脫除非甲烷總烴和苯并[a]芘等揮發性有機物。瀝青煙氣經氣液分離裝置處理后形成粉塵油滴顆粒進入高壓電場。電場內電暈極放電形成小范圍等離子區,等離子區的微粒(包括正離子、負離子、自由電子)向電暈極和集塵極移動,過程中使煙氣顆粒負載電荷,在電場力的作用下帶電顆粒沉積于集塵板上。經靜電處理后的煙氣進入除異味塔內,攜帶硫化氫等易揮發、含刺激性氣味的物質與塔內離子交換纖維上的活性離子作選擇性的交換,達到祛除異味目的。該系統采用模塊式結構,容易清理,維修便利,大大提高了系統的穩定性。


        廣東省公路管理局茂名瀝青儲運中心和廣東石油化工學院[16]通過曝氣生物濾池把生物氧化機理和深床過濾機理結合起來用于處理瀝青熱發煙氣,在微生物的作用下,含硫的有機污染物被分解為SO4^2-、含氮的有機化合物被分解成NH4+、NO3-、剩余有害物質被分解為對環境無害的CO2和H2O。曝氣生物濾池處理瀝青熱發煙氣是一種全新的廢氣生物處理技術,具有較大的處理負荷和效率、投資小、運行成本低、能穩定長期運行等優點,在我國乃至世界瀝青煙氣處理應用中具有相對明朗的應用前景。


        施工企業應根據瀝青煙氣現場排放情況,對瀝青煙氣治理工藝進行有效的組合優化,其煙氣治理效果較單一方法顯著提升,才能使瀝青煙氣中的有毒有害物質得到有效防治,真正達到安全生產標準化的要求。


        新型煙氣治理方法


        傳統治理技術主要面向可集中排放和收集的瀝青煙氣,在經過隔離、密閉后借助抑煙工藝進行防治,對于像瀝青路面施工過程中無組織排放的瀝青煙氣適用性不強。為此瀝青行業致力于尋找一種可直接摻入瀝青產品中達到控制煙氣排放的添加劑,力求從根源上解決瀝青煙氣排放問題,目前相關工作已經取得了一定進展。


        楊錫武[17]、徐亞鵬[18]等通過復配納米碳酸鈣與SBS得到的低煙瀝青效果優于單一摻加,且具有疊加效應。納米CaCO3和SBS加入瀝青后經過溶脹后形成網狀結構,對瀝青中輕質組分產生吸附和束縛效果,使其阻留在瀝青內部,從而降低了瀝青煙氣的揮發量。通過對比可知4%納米CaCO3和5%SBS復合后瀝青抑煙效果最好,同時還增加了瀝青混合料的強度和高溫穩定性。


        史林謙[19]圍繞六種添加劑開展煙氣抑制實驗研究,結果發現向瀝青中添加3%添加劑時,抑煙效果由好到差依次為:三聚氰胺、活性炭、鉬磷酸銨、SBS、PE、納米碳酸鈣,其中鉬磷酸銨添加量為1%時煙氣量不減反增,可見煙氣抑制劑添加量的多少也對抑制效果產生決定性影響。


        荷蘭殼牌公司自主研發推出的凈味環保瀝青[20]新產品已經在多項實體道路工程中得到應用,比如上海南北高架和北京兩廣大街的養護、省道漯河S238常付線鋪設以及新博高速九連山隧道段鋪筑。殼牌Bitufresh瀝青凈味劑[21]在加入瀝青后與小分子量、易揮發組分發生化學反應轉化為分子量大的化合物,當瀝青受熱時會因揮發受阻滯留在瀝青內部,從而有效降低煙氣排放量。與傳統的熱拌瀝青相比,殼牌凈味環保瀝青的降煙效果可延續兩周左右,充分證明了添加劑法降低瀝青煙氣的可能性和科學性。


        結語


        隨著國家對環保管控力度的日益加大,瀝青煙氣控制技術的研究開發也迎來了更大的機遇。煙氣治理方式逐步多樣化,降煙效果也不盡相同,新型瀝青煙氣治理方法相較于傳統技術具有更大優勢,能夠在有效控制煙氣釋放量的同時大幅度降低了設備資金的投入,將是未來煙氣治理的主流方向。各生產企業應在遵循綠色環保發展理念和自身需求基礎上,選擇高效適用的處理方法,推動企業環保升級改造,最終達到經濟效益和社會效益的共贏。


        標簽:今日頭條,行業新聞,瀝青混凝土
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