防水卷材沥青烟气净化处理中存在的问题
及解决方法
→动力波洗涤+光催化氧化新技术的应用
一、问题的提出
改性沥青防水卷材生产过程中排放的沥青烟气对周围环境的严重污染问题，始终困扰着国内几千家生产厂家。尽管各厂家都采取了多种方法和措施来处理沥青烟气，有的甚至投入了很大的成本，但效果都不理想。造成处理效果不佳的原因有很多,我们调研了国内多家厂家，认为目前沥青烟气净化处理方法主要存在以下四大问题：
1.1，集气系统不完善
沥青烟气的产生源主要来自沥青改性生产和卷材成品生产线，目前基本都采用在沥青改性、加料混合工序设臵一套废气收集装臵，在成品工序包括预浸、沥青涂盖、撒砂贴膜、挤出、覆膜工序设臵一套废气收集装臵。
废气收集方式见表1。
表1 生产废气收集一览表
产污位臵收集方式
沥青改性生产改性设备密封，废气由设备上放空管收集混合设备密封，废气由设备上放空管收集
防水卷材成品
预浸密封罩收集沥青涂盖密封罩收集撒砂贴膜密封罩收集挤出密封罩收集覆膜密封罩收集
如何防止废气外逸关键在提供集气效果,在反应釜内和密封罩收集区域内必须保持一定的负压区，而负压区的形成和1,引风机的选择（包括引风机额定功率、最大风量、全压）、2管道的选择（包括管道的口径、长度和弯头数量）3密封罩收集区域的密封程度有关。
1）引风机的选择必须根据产生的废气量和最大浓度确定最大的抽气量, 引风机最大风量的选择是在最大抽气量基础上留有一定的余量（约20%），运行时通过变频调速器进行合理调整。引风机全压的选择是一个关键的参数，确定引风机全压的主要依据是：（设备的阻力降+管道阻力降）×裕量量系数。目前在国内普遍使用的气体净化主设备，包括：
a，水喷淋装臵，影响喷淋塔内阻力的主要因素，包括塔径、喷淋层的数量、负荷和液气比（喷水量和烟气量之比）都是影响喷淋塔内阻
力降的重要因素，特别是喷淋塔选择的液气比都比较大(一般＞2),因此喷淋塔的阻力降都较大(一般＞800Pa)。
b,活性炭吸附装臵阻力降与吸附装臵结构、活性炭粒径和加入量有关，由于其粒径较小,密度大,因此阻力降一般都很大＞800Pa
根据我们在几家厂实测的数据：水喷淋装臵+活性炭吸附装臵产生的阻力降都＞1600Pa，而选择引风机全压一般都只在1800~2000 Pa，因此留给克服管道阻力降的裕量就很小
2）管道阻力降与风速、气体密度、管道长度以及弯头数量等有关，特别是风速的平方与阻力降成正比，如空气流速在20m/s,则管道阻力降在30 Pa/米左右。而风速在流量确定后则主要取决于管道的口径。因此一旦管径和长度选择不合理，阻力降过大就会影响集气口抽力，无法形成负压区。
目前不少厂家反应，反应釜内有时气体外逸（即釜内形成正压），就是因阻力降过大所造成，特别是加料后气体产生量大，极易发生这种现象。
3），密封罩（也称集气罩）的使用问题，防水卷材成品区都采用密封罩进行废气的收集，目前普遍反应集气效果不好，也是厂内废气外逸的主要根源。集气效果除考虑密封罩安装位臵（覆盖面）和排气管径大小外，主要是密封罩下方必须形成一个负压区才能把废气全部抽走。而负压区的形成除确保集气口具有一定的抽力，同时必须确定负
压区的容积，而目前成品生产区几乎都是敞开式，根本无法形成一个负压区。
综上所述，提高沥青烟气的集气效果必须通过精确的计算，合理选择引风机和管道，同时在成品生产区应尽可能构成一个基本密封的区域（尽可能提高自动化程度，减少人为操作），提高密封罩集气效果。
1.2，洗涤效果较差
湿法洗涤的目的是除去沥青烟气中的粉尘和油状有机物（油污），但目前采用的水喷淋洗涤装臵洗涤。效率都不高，除尘效率在80%左右，除油污效率在50~60%左右。由于洗涤效果差，后级活性炭很快被污染。
湿法洗涤采用水作为洗涤剂，投入和运行成本都较低，而且无污水排放，应该是合理和可行的，但为何目前反映洗涤效果差，原因何在？首先分析一下废气的特点,：
1，废气主要成分包括沥青烟、非甲烷总烃、粉尘颗粒以及一部分无机气体。
沥青烟的产生主要是沥青是天然的或合成的烃类混合物，主要成分是沥青质和树脂，还含有少量高沸点的矿物油和少量的氧、硫或氮的化合物，在加热和熔化过程中部分有机物挥发产生沥青烟。
沥青烟主要有焦油和焦油气组成，焦油和焦油气的成分复杂，有上百种以上的有机物，基本多数是多环、杂环有机化合物，而且大部分焦油是微小的焦油细雾颗粒，粒径多在0．1～10.0μm之间，最小的仅0．01μm，最大的约为10．0μm。沥青烟中含有强致癌物如苯并芘，往往依附在0.8μm的焦油颗粒上
非甲烷总烃的产生主要是生产过程中使用的SBS橡胶类、萜烯树脂等，是高分子有机物的聚合物，在受热情况下，物质中残存未聚合的反应单体及从聚合物中分解出的单体挥发至空气中形成有机废气，以及加入的机油中挥发的有机成分统称为非甲烷总烃。
2),废气温度较高，改性过程的反应温度一般在180～190℃，因此沸点低于该温度的有机物挥发成气态存在于沥青烟气中,由于反应釜局部高温,也有一部分高于该温度的有机物挥发。
3),因在生产过程中要加入粉料,沥青烟气还含有一定量的粉尘。
根据废气的特点,采用湿式洗涤的目的就是通过循环水快速冷凝，将沸点低于循环水温的气态有机物（占沥青烟气中气态有机物总量的85%以上，占非甲烷总烃中气态有机物总量的80%以上）冷凝成液态，并把气态污染物中粒径较小的焦油细雾粒 (0．1～1．0u m)的粒径增大，然后转移到水中。液态有机物和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新的化合物，只是形成浮油漂浮在水面，同时粉尘也被水冲刷下来。
因此要高效除去沥青烟气中的焦油和焦油气，对湿式洗涤器要求很高，必须做到气-液二相有最大的接触机会，即不但要求气-液二相接触面积越大越好，而且要求接触时间越长越好。
而目前采用的几种湿式洗涤法，如喷淋洗涤塔、喷射洗涤塔、离心喷淋洗涤器等，是很难满足这方面的要求。
一是喷淋洗涤塔等仅依靠单相的动能（气相或液相）是无法形成气-液二相有极大接触机会的界面。
二是喷嘴喷射的液滴粒径（都在1000μm以上）远大于焦油细雾粒的粒径，使接触机会降低，甚至会形成气-液二相无法接触的盲区。
三是由于水是循环使用，水中的污染物浓度（特别是颗粒状污染物）越来越高，而目前的喷淋洗涤塔、喷射洗涤塔等喷嘴的口径都较小（为保证一定的雾化效果），因此极易造成喷嘴堵塞，使洗涤效果越来越差。
目前采用的喷淋洗涤塔去除焦油和焦油气的效率在50~60%左右，甚至更低。
湿式洗涤装臵是沥青烟气净化处理的关键设备，如果不能有效的去除焦油和焦油气，那么后级气体进一步净化处理的设备，如活性炭法、等离子法、光催化氧化法等，即使功能再强也会很快被油污污染而失效。
1.3，活性炭吸附的问题
活性炭对有机污染物有较强的吸附能力，但也存在一些致命的弱点：
a),活性炭开始时吸附能力较强，但随着表面吸附量的增加，吸附能力越来越低，因此更换率高，使运行成本增加。
b),活性炭无分解油性有机物的能力，一旦表面被油性污染物污染后，很快就会失去活性。而烟气中主要的就是油性污染物，且极易粘附在活性炭表面，特别当前级湿式洗涤效果不佳的情况下，活性炭使用寿命更短。
c),使用活性炭吸附，阻力降大。
d),被沥青烟气中的有机物污染后的活性炭处理难度增加，目前很多厂家把它放入锅炉房与煤混烧，这是很危险的做法，因这些有机物中大部分是芳香烃，在有Cl离子存在的情况下，焚烧时就会生成强致癌物二恶英。
1.4，循环水的处理问题
由于洗涤水是循环使用，循环水槽中的洗涤下来的油雾和颗粒物浓度会越来越大，如果不能及时清理就会造成以下的后果：
1)，由于循环水中污染物浓度增加而使洗涤效果降低，特别是水中的油污在与高温的烟气接触时，原先被冷却下来的有机物会重新挥
发，形成恶性循环，并且气体中有机污染物浓度的增加势必后级处理的压力
2)，循环水中的颗粒物浓度的增加会造成喷头和管道堵塞。
以上四大问题是造成沥青烟气对周围环境的污染的主要原因。
为解决以上的问题，除对集气装臵进行完善外，我们采用了新的改性沥青烟气净化处理技术，即动力波洗涤技术+光催化氧化技术。二、动力波洗涤技术+光催化氧化技术方案的提出
方案流程图见图一(处理量10000m3/h)
2.1, 动力波洗涤技术的应用
从以上的分析可以看出，湿式洗涤的效率问题是沥青烟净化处理能否成功的关键之一。动力波洗涤法是一种新型高效率的湿式洗涤技术，
目前国内外已广泛应用于工业废气处理如脱硫等，见图2
图2 带混合元件的动力波洗涤器工作原理图
1. 洗涤管, 2.喷嘴, 3.混合元件, 4.
循环水泵,5.气体出口管, 6.液沫分离器, 7.洗涤液贮槽, 8,静臵槽,9换水泵, 10排污水阀, 11换水阀,12循环水阀,13洗涤
液贮槽液位计, 14补水泵, 15静臵槽补水阀,16洗涤液贮槽补
水阀,17静臵槽液位计，18放水槽液位计，19泥浆泵，20泥浆排出阀
带混合元件的动力波洗涤器的工作原理：
含油污和尘的烟气自上而下高速进入洗涤管，洗涤液通过循环水泵由特殊结构的喷嘴自下而上喷入气流中，造成气液两相高速逆向对撞，当气液两相的动量达到平衡时，形成一个高度湍动的泡沫区，泡沫区的高度可在1米以上，在泡沫区，气液两相呈高速湍流接触，接触表面积极大，而且这些接触表面不断地得到迅速更新，达到快速冷却和高效洗涤效果。另外，根据泡沫区下方气液两相顺流流动的特点，利用静态混合元件，使气液两相再一次进行湍流混合，起到了顺流洗涤的作用，使该设备实现了两级串联的洗涤效果。净化后的气体经除沫器除去夹带的液沫后由出口管排出。洗涤液通过排污口定期排出，同时补充静臵槽中已处理过的（已除去表面油污和槽底沉积物）等量的新鲜洗涤液。洗涤液循环使用，无污水排放。
带混合元件的动力波洗涤器的主要性能特点：
1. 净化效率高。根据气液两相流的流动特点，将动力波泡沫洗涤与两相流顺流洗涤组合在一个设备内，达到了二级串联洗涤的效果，明显地提高了洗涤效率，一般洗涤颗粒物效率>99%，除油效率>80%，远高于喷淋塔、填料塔等传统的洗涤设备。
2. 能耗低。由于动力波洗涤器在运行过程中既利用了气流的动能，也巧妙地利用了液流的动能，而且因为泵的效率通常高于风机，所以，与等效率的其他设备相比，其阻力适中。
3. 采用了合适的液沫分离器，使出口气体中的液沫夹带量<30 mg/ m3，无需后续除沫设备，减少设备投资。
4. 采用特殊结构的大孔径喷嘴，有效地避免了液相内所含固体颗粒堵塞喷嘴的问题，有利于洗涤液的循环使用，循环液含固量可达20%左右。
5. 动力波洗涤器结构紧凑、造价低、占地面积小。采用动力波净化系统的投资，比采用传统的工艺与设备要节省30%以上。
6. 设备内部无任何活动部件，安装维修简单，设备的可靠性好，运
行周期长。
7. 操作弹性大，适用范围广，能适用于处理气量波动较大的场合，气量波动范围可达50%～100%。
8. 有良好的快速传热效果，达到快速冷凝的效果。
经过多年的研发和实践，并消化、吸收国内外在动力波应用方面的技术，目前我们已开发出具有高洗涤效率的动力波洗涤装臵，而且投资少，操作简单，维修方便。
2.2，光催化氧化技术的应用
装臵后级采用先进的光催化氧化技术，利用光催化氧化极强的氧化能力，具有高效去除有机污染物的功能，把经动力波洗涤器清洗后烟气中剩余的有机污染物进一步氧化成CO2和H2O。
1),光催化氧化技术的基本原理和特点
光催化氧化技术是近几十年来发展起来一项高级氧化技术，从20世纪八十年代中期开始，各国环境科学工作者开展了把半导体光催化技术应用于环保领域的研究，在气体净化、污水处理等方面都取得了很多重大的突破，解决了很多以前耗费大量能源和巨资，工艺路线复杂但仍然无法彻底解决的环境污染问题。半导体光催化是目前光化学方法应用于环境污染控制的诸多研究中最活跃的领域，成为环境污染控制化学研究的一个热点，形成了新的研究领域。特别是在气体净化，除臭杀菌以及污水处理等方面，应用越来越广泛。
国内外大量研究和实践证明：烃类和多环芳烃、卤化芳烃化合物、染
、NOx等污染物都料、表面活性剂、农药、油类、氰化物以及SO
2
能有效地通过光催化反应，脱色、除臭、去毒，矿化为无毒的无机小分子物质，从而消除对环境的污染。美国环保局公布的114种有机物，包括许多结构稳定的有机物（如二恶英等），均被证实可通过光催化氧化后降解矿化。
光降解污染物通常是指污染物在光的激发作用下，污染物的原子结构发生变化（键能变化），在氧化剂的作用下，逐步被氧化成低分子中间产物，最终生成CO 2、H 2O 及其他的离子如SO4=、NO 3-、PO 43-、Cl -等。
光化学反应降解污染物的途径，包括无催化剂和有催化剂参与的光化学氧化过程。
无催化剂参与的光化学氧化过程一般多采用氧气、臭氧、双氧水等作为氧化剂，在光的照射下使污染物处于激发态，在氧化剂作用下被氧化分解，简称为直接光氧化。
有催化剂参与的光化学氧化过程又称光催化氧化，一般可分为均相和非均相催化两种类型。均相光催化降解中较常见的是以某些金属离子及臭氧、双氧水为介质，通过photo-Fenton 反应产生羟基自由
基〃OH，在〃OH 的强氧化作用下使污染物得到降解，在污水处理中应用较多。非均相光催化降解中较常见的是采用某些光敏半导体材料,如TiO2,结合一定量的光辐射，使TiO2激发产生电子-空穴对，电子-空穴与吸附在半导体上的氧、水分子等作用，进一步产生〃OH 自由基，再通过与污染物之间的加和、取代、电子转移等方式，使污
染物全部或接近全部降解、矿化。 羟基自由基是一种活性极强的基团，具有120Kcal/mol 的氧化能量，可以轻易破坏掉污染物的分子结构，而且〃OH 自由基的一个重要特
性就是对任何反应物无选择性（即使不接受紫外光的污染物），因而在光催化氧化中起着决定性的作用。
2),光催化氧化装臵的工作原理
根据沥青烟的成分大部分都是多环、杂环有机化合物的特点，装臵采用紫外光+臭氧和紫外光+光催化剂协同反应的新技术。
装臵结构示意图见图3（处理量10000m3/h）
装臵内安装有多层光催化剂板，催化剂板与板中间安装有多排紫外灯。 光催化氧化装臵工作原理
1）,气体通过进口阀进入机箱由过滤网再次进行气液分离,沥青烟气经动力波洗涤器除去了大部分焦油和粉尘颗粒物，但气体中仍可能有少量的油污和水，安装气液分离装臵后可进一步除去油污和水，分离后的气体 进入缓冲区，在缓冲区降速和形成稳流后进入光直接氧化段+光催化氧化段。
2），气体在光催化氧化段，完成三个任务：
a 紫外光+臭氧的作用已不再是利用臭氧本身的氧化作用，而是利用臭氧在紫外光照射下产生原子氧，原子氧本身具有很强的氧化能力，能把大部分的污染物氧化降解，而更重要的作用是原子氧可与气体中的水分子继续反应，生成具有更强氧化能力的羟基自由基。在足够功率的紫外光照射下，1mol 臭氧可产生2mol 羟基自由基。
b,紫外光+光催化剂的作用主要是在紫外光照射下光催化剂表面产生的空穴以及由空穴进一步与水反应生成的羟基自由基都具有极高的氧化势能，在空穴和羟基自由基的强氧化作用下，把紫外光+臭氧未能氧化完的有机物进一步氧化，最终全部氧化成CO 2和H 2O 。同时可把SO2、NOx 等无机污染物直接氧化成NO 3-和SO 4=等无害物。
C,紫外光+臭氧产生的原子氧对于光催化剂表面产生的电子具有很强的吸收能力，从而极大的降低了电子和空穴的复合率，这对提高光催化效率具有重要作用。因光催化效率一般比较低，在
30%左右，这主要是光催化剂在紫外光照射下产生的电子和空穴，能快速在表面自行复合，而且复合的速度远大于生成的速度。因此要提高光催化效率，必须降低电子和空穴的复合率，这就是采用光直接氧化（紫外光+臭氧）和光催化氧化（紫外光+光催化剂）协同反应的重要特点。
3，气体经光氧化段+光催化氧化段处理后进入后缓冲段，使未能反应完的臭氧继续与剩余的污染物继续反应（臭氧在40~50℃时停留时间在2秒左右）。
4，处理后的气体通过出口阀进入引风机直接对外排放。
3)，光催化氧化装臵的特点
a，高效去除有机污染物
装臵采用由我公司研发的光氧化和光催化氧化相结合的新技术，发挥各自的优势，协同反应，取长补短，极大的提高了处理有机污染物的能力。
b，为提高非均相光催化氧化效率，我们研发了几类新型的光催化剂，在光催化剂（TiO2）中掺杂不同金属离子和非金属离子等方
法，降低电子和空穴的复合率，增加羟基自由基的生成量，使光转化率有很大的提高。
c，无任何二次污染
光催化氧化利用紫外线灯产生的紫外光作为能源来活化光催化剂，并利用空气中的氧和水驱动氧化—还原反应，无任何二次污染。光氧化产生的臭氧大部分参与反应被消耗，剩余少量的臭氧经过约20米长的管道（包括烟囱）都已还原成氧气。
d，装臵运行和维护成本低：
装臵仅耗电，但设备能耗低（每处理1000立方米/小时沥青烟气，仅耗电约0.3~0.4kw电能），并且由于光催化剂板的阻力降远低于活性炭（约为1/10)，如引风机安装变频调速器后，风机运行频率可降低，节电效率在25%~28%，装臵的运行成本远低于目前水喷淋清洗+活性炭吸附方法的运行成本。
紫外灯使用寿命在12000小时以上，由于SBS生产一般都是间歇生产，因此紫外灯使用年限可在2~3年，光催化剂使用年限可在5~10年。
e，装臵采用智能化控制，确保装臵的安全运行。
其主要功能是：
1，通过显示屏直接显示装臵的正常运行工况，一旦出现故障会立即显示故障位臵和原因。
2，联锁保护功能，为保证紫外灯的安全使用，控制系统设臵了正确的开机程序和联锁保护程序。
3，具有通讯功能，便于多个装臵的集中管理。
4，具有自动定时启动和关闭装臵的功能，根据用户实际需要来确定装臵运行的时间，进行定时设定。这样既可降低相当一部分能耗，而且使紫外灯使用寿命大大延长。
三、污水处理
动力波洗涤装臵洗涤水是循环使用，无污水排放，但在循环使用一段时间后，水中的颗粒物和油污越来越多，如不加以及时清理，就会降低洗涤效果，而且会造成管道的堵塞。
循环水槽一般在3天左右需要换水（也可根据水质定）。
放水程序：打开循环水槽底部放水阀（此时应在停止生产时），把污水放入放水槽（放完后立即关闭放水阀），启动油水分离器，除去表面油污后把水放入静臵槽。然后静臵24小时以上后（也可加沉淀剂加速沉淀），就可作为下次换水用，每次换水后应清除静臵槽底部的
污泥（可用泥浆泵）。以上换水操作均有工控机自动完成，阀门均采用电动阀。
四、动力波洗涤技术+光催化氧化技术方案的效率计算
4.1防水卷材行业大气污染物排放标准：
因目前防水卷材行业大气污染物排放尚无行业标准，可参照北京市地方标准《防水卷材行业大气污染物排放标准》。其中第5节污染物控制要求中，5.1节【最高允许排放浓度】中规定：防水卷材生产过程中，通过设备（车间）排气筒排放的大气污染物的最高允许排放浓度不得超过表2规定的限值。
表2 排气筒排放的大气污染物中的最高允许排放浓度
污染物Ⅰ时段Ⅱ时段
颗粒物/（mg/m3）3015
苯比(a)芘/μg/m3)0.10.1
沥青烟/(m g/m3)2010
非甲烷总烃(m g/m3)4020
5.3 节【最高允许排放速率】中规定：排气筒中污染物排放除应符合表1最高允许排放浓度外，还应同时满足表3规定的排气筒高度对应的最高允许排放速率要求。
表3 排气筒最高允许排放速率