2022-09-16
 
沥青烟气治理技术研究现状与进展
2022年09月16日   阅读量:11186

摘 要

沥青烟气因具有持久的刺激性气味,会对周边环境和人类健康产生极大的威胁,致使环保部门加大了对沥青烟气的管控力度,沥青烟气治理手段也日趋完善。就当下较为成熟的沥青烟气治理技术包括常规沥青烟气治理技术、组合烟气治理工艺以及新型沥青烟气治理方法进行了综述和讨论,并对沥青烟气治理的未来研究及应用重点进行了展望。


关键词

沥青烟气 | 烟气治理技术 | 组合工艺 | 新型治理工艺


截至2019年末,我国高速公路总里程已经突破14.96x10^4km,其中90%以上的高速路面为沥青路面沥青网sinoasphalt.com。沥青路面在施工时通常采用热拌热铺工艺,而作为沥青路面主要原材料之一的石油沥青又是由性质和分子量不同的经以及经类衍生物组成,因此当沥青与集料在高温条件下拌和时,沥青中的易挥发组分会因受热而迁移到空气中形成沥青烟。


沥青烟的主要成分是低碳链经类物质以及少量的氮、氧、硫杂环化合物和多环芳经(PAHs),如苯并[a]芘、CO、SO2、苯可溶物(BSO)、NOx、NH3、悬浮颗粒物(TSP)等,其中强致癌物苯并[a]芘的含釐高达1.3~2.0mg/m³。沥青在加热时有害物质随温度升高不断逸出并向空气中扩散,严重破坏生态平衡、污染周边环境并引起人体氧化应激反应进而导致DNA损伤[1]。此外沥青烟还具有高温、高湿、高粘的属性,高浓度条件下会积结为沥青板块而丧失流动性,不利千烟气的收集和输送,除烟设备也易因此损坏。所以在确保路用性能的前提下最大限度的减少沥青烟的释放、实现沥青路面洁净化施工将是我国未来交通事业发展的重要内容。目前工业沥青烟气治理主要采用常规烟气治理技术、组合烟气治理工艺以及新型烟气治理方法。


常规烟气治理技术


常规沥青烟气治理技术需对烟气进行集中收集和处理,采用的治理技术包括:焚烧法、吸收法、吸附法、高压静电捕集法以及等离子体除尘技术。焚烧法是将使沥青烟气组分发生化学反应转化为无害物质,再对其进行净化;吸收法和吸附法是利用物理方法将污染物从废气中分离出来;静电捕集和等离子体除尘技术使沥青烟粒子带电,后利用电场作用分离。常规烟气治理技术需要保证两点:一是生产和施工设备完全密闭,沥青烟由出口集中排出,不得有明显的无组织排放情况存在,二是在现场需配备真空收集系统。


焚烧法


沥青烟的基本组成是经类气体、CO、冷凝焦油等可燃物质,焚烧法就是将沥青烟中的可燃物质在氧气存在下加热焚烧,转变为氧化物(CO2和H2O)排出。据美国对经类反应动力学的研究发现[2]沥青烟与氧气在焚烧器内充分接触且温度为790°C时,仅需0.5s的停留时间即可将沥青烟中的经类气体燃烧殆尽。对于难燃的炭粒,提高温度至900°C或更高一些,也能较好的烧净。天然气与沥青烟在配比2.3:1.0条件下混合焚烧时,焚烧完全所需温度可降至510°C。当采用Pt-Ni合金网做催化剂时,燃烧最低温度为390°C。美国和加拿大早在1972年就开始使用了焚烧法。日本和德国的隧道式焙烧炉窑都采用焚烧法。我国兰州炭素厂于90年代引进日本美浓窑业公司的隧道式二次焙烧炉,其净化效果也很好。焚烧法需另外配备大型焚烧炉,精密控制温度和燃烧前后的氧气扯,实施条件相对苛刻且投资较大,适用于烟气最大的企业。


吸收法


吸收法是利用烟气中各组分在吸收剂中溶解度不同,或者某一组分与吸收剂发生反应而从烟气中脱除,达到烟气净化的一种方法,吸收法主要作用于0.1-1.0µm的焦油细雾粒。当沥青烟浓度较低时,用水作为吸收剂即可达到较好的效果,德国KHO公司预先对沥青烟进行喷水处理,然后烟气和水自上而下进入气体分离器,在密集排列的不锈钢"S"型薄钢板上形成水沫层,含有焦油雾粒的水沫层流至底部凹槽,槽满后溢流至集合槽,经特种添加剂作用后,颗粒沉槽底,焦油滴浮于表面,积累到一定程度即可收集用作燃料,水则作为吸收剂循环使用。水洗率可达80%左右,但在实际使用时会发生焦油冷却凝结堵塞净化设备问题。沥青烟气最较大时常采用洗油吸收法,洗油吸收法利用汽油、柴油等有机液体作为吸收剂,沥青烟与洗油逆流充分接触,使沥青烟中有机组分溶于洗油达到净化目的,洗油吸收法多用于焦化厂、涂料厂和石油化工厂。吸收法净化效率低,存在二次污染问题,技术上还有待进一步优化。


吸附法


吸附法借助具有较大比表面积的吸附剂对烟气中有害组分进行物理吸附。可细分为“白法”(Al2O3吸附)和“黑法”(移动床焦炭吸附和预涂层过滤法),比较有代表性的是白土吸附法、石油焦粉吸附法和布袋除尘器吸附法。白土吸附法是向烟气中喷洒白土粉末,使烟气吸附在白土粒上,然后白土经除尘器过滤下来,加热焚烧后重复利用。上海第二耐火材料厂引进的日本真空油浸设备就是采用白土吸附法,由于操作不够好,外加工艺本身不过关,在不到半年的时间内所有布袋上都粘结了沥青板块,致使该设备停用。石油焦粉吸附法采用高孔隙率的活性石油焦炭粉吸附沥青烟粒,部分焦粉还可通过被动集团化降低粘结性,最后覆膜过滤。牛利民借助吸附效率高的缎后焦作为吸附剂处理铝厂预焙阳极槽低浓度沥青烟取得较好效果。布袋除尘器吸附法[3]通过在滤袋表面预涂粉料,烟气通过时焦油被吸附在涂层上,饱和后抖落涂层,重新挂粉过滤。吸附法的优点是工艺简单、投资省、处理率高(可达98%以上),但吸附剂再生比较困难,仅适用于烟气量小的企业。


高压静电捕集法


高压静电捕集法[4]包括干式和湿式电捕法,国外一般采用C型电捕器,国内则采用同心圆沉淀极式电捕器。当沥青烟穿过静电捕集器内部电场时,电晕极高压放电使沥青烟组分电离为电子和离子,使烟气中粒子带有负电,带电粒子在重力、洛伦磁力及悬浮力的叠加作用下,较大尺寸的粒子被捕集到正极板上并用刮板刮除,较小粒径以及未荷电的粒子会随烟气带出[5]。国内同心圆电捕器净化效率一般在90%-95%,卧入式板式电捕器的净化效率可达95%以上,出口处焦油含掀在55-60mg/m³之间,基本满足排法效放标准。贵州铝厂从日本轻金属公司引进的湿法烟气净化技术净化率最高达96%以上。干式捕集法只能捕捉冷凝焦油微滴,对气态沥青烟无能为力,且同心圆干式电捕器只能作成单电场,无法适应大型设备需要。湿式电捕集法虽可利用碱液洗涤除去SO2、HF等气态污染物,但在实际应用中也要解决水处理和腐蚀问题。


低温等离子体技术


低温等离子体技术[6]同时具备高压毫微秒脉冲高能电子辐射、臭氧氧化、紫外光分解三种功能。高压脉冲使背景气体分子被击穿形成等离子体,等离子体中的活性粒子在梯度场的作用下与烟气分子碰撞形成激发态分子,当激发态分子能量大于其分子键能时,烟气分子解离形成单质原子或无害气体分子。烟气中未被破坏的分子级异味烟气在高能高臭氧紫外线照射下产生强氧化性自由基,自由基作用于恶臭气体分子,使其分子链断裂降解,转化为CO2、H2O等无害化合物排出[7]。低温等离子体技术[8]烟尘净化率可达到99%,挥发性有机物(VOCS)消除率高达85%,可以收集0.001-0.010µm级的超细尘粒。该法目前还有许多难关有待突破,比如能够提供大功率、窄脉冲、长寿命的高压脉冲电源研发尚未得到有效进展,电源和反应器的有效适配尚未解决,此外还存在能耗大、安全性能低、副产物粘结等问题。


组合烟气治理工艺


经过多年的实践,单一沥青烟气的处理方法都不同程度存在工艺复杂、成本较高等问题,采用单个方法很难达到理想的烟气治理效果,因此常将多种沥青烟气治理工艺组合使用。


廖志强[9]在治理焦油加工产生的沥青烟气时采用洗油吸收法和焚烧法联用工艺,成本较低,可操作性强,净化效果好,也是目前焦油加工行业应用较为广泛的沥青烟气治理方法。杨婷[10]等针对高温燃烧-余热回收-喷淋的组合净化方式烟气进行余热回收的工程设计优化,提高了能源利用率。美利信新型建材公司在处理防水建材产生的烟气时综合了冷凝-吸附-吸收三种处理方案。其中沥青烟中雾粒经冷凝后粒径增大,增加了被捕集到的几率,采用水和柴油做冷凝剂和吸收剂,对高浓度沥青烟的预处理效果显著。


莱钢焦化厂焦油车间[11]利用文氏管负压喷淋工艺替代传统的风机喷淋工艺进行沥青烟气治理,大大提高了沥青烟气的治理效率,可满足当下的环保要求。张宏利[12]采用的是文丘里沥青烟捕集吸收与高温焚烧相结合的烟气净化工艺,利用相似相容原理,使溶剂通过文丘里喷射器与沥青烟气充分混合吸收掉70%左右的有害物质,剩余的有害物质引入焚烧炉在1100℃左右高温焚烧。通过吸收法和焚烧法的联用,很好的解决了沥青储运、加工过程中沥青烟气的净化问题,经此方法处理后的沥青烟气符合国家的排放标准。


广吉高速GJGX2标段采用的SBS改性沥青烟气治理是将收集的高温烟气依次经过烟气喷淋塔、湿式恒流高压静电工业废气净化器和多级等离子光催化塔进行分级处理[13]。四川蜀羊防水材料有限公司[14]采用高压静电捕集与光氧催化相结合的六级分体式工艺治理沥青烟气,两者具有一定相似性。其中烟气喷淋冷凝塔是通过喷水雾的方式先将颗粒物转移到喷淋液中;水汽分离塔则利用多孔介质使烟气中的焦油细雾液滴相互碰撞、沉淀;湿式恒流高压静电废气净化器内产生的高能电子自由基活性粒子使烟气中的分子裂解成小分子;布袋过滤塔将经过滤布纤维的粉尘颗粒拦截;光解催化净化塔利用高能高臭氧UV-C光束与氧反应产生臭氧,臭氧再氧化恶臭化合物生成水等低分子氧化物;臭氧中和罐则利用高浓度臭氧分解恶臭气体来消除异味。


裴登明[15]等研发的沥青烟气处理系统包含高效吸收、气液分离、静电捕集和高效除味四个模块。首先借助增压泵使油性吸收剂(配料环保油中加入溶剂制成)在设备内部加压喷淋,与沥青烟气充分接触,最大程度脱除非甲烷总烃和苯并[a]芘等挥发性有机物。沥青烟气经气液分离装置处理后形成粉尘油滴颗粒进入高压电场。电场内电晕极放电形成小范围等离子区,等离子区的微粒(包括正离子、负离子、自由电子)向电晕极和集尘极移动,过程中使烟气颗粒负载电荷,在电场力的作用下带电颗粒沉积于集尘板上。经静电处理后的烟气进入除异味塔内,携带硫化氢等易挥发、含刺激性气味的物质与塔内离子交换纤维上的活性离子作选择性的交换,达到祛除异味目的。该系统采用模块式结构,容易清理,维修便利,大大提高了系统的稳定性。


广东省公路管理局茂名沥青储运中心和广东石油化工学院[16]通过曝气生物滤池把生物氧化机理和深床过滤机理结合起来用于处理沥青热发烟气,在微生物的作用下,含硫的有机污染物被分解为SO4^2-、含氮的有机化合物被分解成NH4+、NO3-、剩余有害物质被分解为对环境无害的CO2和H2O。曝气生物滤池处理沥青热发烟气是一种全新的废气生物处理技术,具有较大的处理负荷和效率、投资小、运行成本低、能稳定长期运行等优点,在我国乃至世界沥青烟气处理应用中具有相对明朗的应用前景。


施工企业应根据沥青烟气现场排放情况,对沥青烟气治理工艺进行有效的组合优化,其烟气治理效果较单一方法显著提升,才能使沥青烟气中的有毒有害物质得到有效防治,真正达到安全生产标准化的要求。


新型烟气治理方法


传统治理技术主要面向可集中排放和收集的沥青烟气,在经过隔离、密闭后借助抑烟工艺进行防治,对于像沥青路面施工过程中无组织排放的沥青烟气适用性不强。为此沥青行业致力于寻找一种可直接掺入沥青产品中达到控制烟气排放的添加剂,力求从根源上解决沥青烟气排放问题,目前相关工作已经取得了一定进展。


杨锡武[17]、徐亚鹏[18]等通过复配纳米碳酸钙与SBS得到的低烟沥青效果优于单一掺加,且具有叠加效应。纳米CaCO3和SBS加入沥青后经过溶胀后形成网状结构,对沥青中轻质组分产生吸附和束缚效果,使其阻留在沥青内部,从而降低了沥青烟气的挥发量。通过对比可知4%纳米CaCO3和5%SBS复合后沥青抑烟效果最好,同时还增加了沥青混合料的强度和高温稳定性。


史林谦[19]围绕六种添加剂开展烟气抑制实验研究,结果发现向沥青中添加3%添加剂时,抑烟效果由好到差依次为:三聚氰胺、活性炭、钼磷酸铵、SBS、PE、纳米碳酸钙,其中钼磷酸铵添加量为1%时烟气量不减反增,可见烟气抑制剂添加量的多少也对抑制效果产生决定性影响。


荷兰壳牌公司自主研发推出的净味环保沥青[20]新产品已经在多项实体道路工程中得到应用,比如上海南北高架和北京两广大街的养护、省道漯河S238常付线铺设以及新博高速九连山隧道段铺筑。壳牌Bitufresh沥青净味剂[21]在加入沥青后与小分子量、易挥发组分发生化学反应转化为分子量大的化合物,当沥青受热时会因挥发受阻滞留在沥青内部,从而有效降低烟气排放量。与传统的热拌沥青相比,壳牌净味环保沥青的降烟效果可延续两周左右,充分证明了添加剂法降低沥青烟气的可能性和科学性。


结语


随着国家对环保管控力度的日益加大,沥青烟气控制技术的研究开发也迎来了更大的机遇。烟气治理方式逐步多样化,降烟效果也不尽相同,新型沥青烟气治理方法相较于传统技术具有更大优势,能够在有效控制烟气释放量的同时大幅度降低了设备资金的投入,将是未来烟气治理的主流方向。各生产企业应在遵循绿色环保发展理念和自身需求基础上,选择高效适用的处理方法,推动企业环保升级改造,最终达到经济效益和社会效益的共赢。


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