防水卷材行业沥青烟气净化处理中存在问题及解决方法 动力波洗涤+光催化氧化新技术的应用
一、问题的提出
改性沥青防水卷材在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。随着环保法的出台，各级政府对污染物排放的监管和排放指标要求越来越严格，更重要的是随着老百姓环保意识的日益增强，对生活环境的要求越来越高，这对有污染物排放的生产企业，包括改性沥青防水卷材生产厂家的压力也越来越大。尤其沥青烟中不但含有多种致癌物，而且有强烈的刺激味，即使少量的沥青烟也会使人的嗅觉感到不舒服。因此格外引起人们的关切。
多年来在防水卷材行业各厂家曾经采取过多种方法和措施来处理沥青烟气，有的厂家在处理方法上甚至反复过多次，也投入了很大的成本，但始终得不到理想的效果。目前国内沥青烟处理方法主要有焚烧法、冷却法、油吸附法、水喷淋洗涤+活性炭法、水喷淋洗涤+电捕油法、水喷淋洗涤+等离子法等等，多数采用的是水喷淋洗涤，再加上后级处理装置。应该说以上的处理方法都各有所长，对处理沥青烟也都有一定的效果，但为什么使用单位反映采用以上方法处理效果不理想，原因何在？
沥青烟气的净化处理与大部分工业废气处理相比，难度是比较大的，但并不是说不能解决。目前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面主要存在以下四大问题：
问题之一：集气系统不完善，沥青烟气外逸现象严重。其主要原因：
1，集气口选择位置，特别是生产线烟气的排放属无组织排放，一般都采用集气罩捕集，因此集气罩的安装位置及其重要，包括集气罩的覆盖面及高度，尤其目前生产线产生烟气的部位无法封闭，外部空气的进入使集气罩下部形成负压区的难度增加，一旦集气口负压不够（抽力不足），就会造成烟气外逸。
2，引风机的全压选择与设备及管道的阻力降不匹配，流量和处理装置本身处理能力之间不匹配。
A,烟气的全压=静压+动压，静压是单位体积气体所具有的势能，是一种力，它的表现将气体压缩、对管壁施压，产生阻力降。引风机选择的静压是指用于克服气体流动时设备产生的阻力降和管道产生的阻力降的能力。动压是因为流体动量（速度和流量）形成的压能，引风机选择的动压则是指使管内气体改变速度，输送一定流量气体的能力。
目前不少厂家既没有在装置设备之间和管道上，包括引风机进，出口安装压力检测仪表，又没有经过精确的计算，因此对设备及管道的阻力降一无所知，就容易造成因集气口抽力不足，沥青烟外逸。我们举苏州某厂为例，该厂采用冷却法+活性炭，生产线的引风机变频已调至50HZ，但车间内仍然烟气弥漫，我们查看了烟气管道，从集气口至引风机管道长达80多米，并有8个弯头，根据计算生产线的管道阻力降应在500Pa以上，再加上冷却装置和活性炭吸附设备的阻力降（1200Pa左右），也就是设备及管道的阻力降已达1700Pa以上，如果引风机的全压选择或调整不当，就无法保证集气口（总管）所必须要的负压（400～500Pa左右）。
而且，为了提高引风机的静压，往往是通过调高引风机的转速（电机频率）来实现，但引风机风量和频率是成正比的，频率的增加必然使抽风量增加（即流速加快），而流速的增加带来的结果是：1），动压是和流速的平方成正比，流速的增加使动压增加，而动压增加必然使静压减小。
2），管道和弯头的阻力降也与流速的平方成正比，流速的增加使管道和弯头的阻力降同步增加。因此就会发生即使把频率调得很高，集气口抽力并不增加多少的现象发生。
B,在把引风机的频率调到合适位置时（满足集气口抽力后），必须考虑此时选择的引风机风量是否和烟气处理装置最大处理能力相匹配。
举月星防水为例，原风机参数：
流量：22400~30500~32400m3/h
全压：1630～2940～3400Pa
管道长60多米，阻力降在400Pa（实测）左右，烟气处理装置阻力降在1200～1300Pa（实测），集气口抽力要求在400Pa（实测），动压在450Pa（实测），引风机全压应为2500Pa，此时对应引风机的流量已达到25000m3/h，远超过后级电捕油装置的最大处理能力20000m3/h。
如果引风机风量超过烟气处理装置的能力，不但使处理装置效率降低，而且未能处理的污染物会造成对装置的污染（如电极等）。
问题之二：洗涤效果不佳
目前国内在前级较多采用的是湿法洗涤，但目前对采用水洗涤分歧很大，一种观点认为采用水喷淋洗涤装置的洗涤效率都不高，由于洗涤效果差对后级处理装置（如活性炭、电捕油装置等）造成污染，并且水处理的压力很大。另一种观点认为则认为水洗涤投入成本低，水是循环使用，运行成本低，关键是如何提高水洗涤效率和加强水处理。
首先分析一下沥青烟的特点,：
1，沥青烟气中是气态、液态、固态三态共存，主要成分包括沥青烟、非甲烷总烃、粉尘颗粒以及少量无机气体。
改性过程的反应温度一般在180～190℃，在此温度下产生的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、杂环等有机化合物，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左右的焦油颗粒上，非甲烷总烃中主要是废机油中挥发的有机成分。粉尘是在加粉时部分粉尘颗粒被带入沥青烟气中，因此沥青烟气是气、液、固三相共存。
2，根据大量实验的结果，沥青烟气中共有的上百种有机物中，90%以上是高分子有机物，沸点都高于40℃以上。
根据废气以上的二个特点,应该说采用湿式洗涤（水洗涤）是完全合理和可行的，通过低于40℃（在足够水量的情况下完全能做到，越低效果越好）的循环水快速冷凝废气，将沸点高于循环水温的气态有机物冷凝成液态（冷冻法也是这个原理），并把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，基本都不溶于水，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，随水一起被清洗下来 ，同时粉尘等颗粒物也被水冲刷下来。从理论上讲，湿法洗涤可去除废气中80%以上的气态有机污染物和大部分的颗粒物，这可极大减轻后级处理装置（如活性炭、电捕油等）的压力。
但目前为什么反应洗涤效果不理想?
主要原因可归纳为以下几点：
1，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。因喷淋洗涤塔等仅依靠单相的动能（液相）是无法形成气-液二相有充分接触机会的一个界面。
2，目前喷淋洗涤塔采用的喷嘴，喷射的液滴粒径（大部分都在1000μm以上）远大于焦油雾粒的粒径（0.1~10μm），使接触机会降低，甚至会存在气-液二相无法接触的盲区。
3，冲洗水量和烟气量之比，（称为液、气比）选择不合理。
3，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（是为了保证一定的雾化效果），如果没有有效的水处理装置，极易造成喷嘴堵塞，使洗涤效果越来越差。
采用洗涤法，湿式洗涤装置是烟气净化处理的关键设备，如果不能有效的去除大部分的焦油、焦油气及粉尘，那么对后级气体进一步净化处理的设备将带来巨大压力，甚至被很快污染而失效。
问题之三：缺乏高效的除沫装置
经洗涤后的气体中必然夹带有一定量的液沫，液沫中有水、洗涤下来的油及颗粒物，如不加以有效的清除就会很快污染后级处理设备。这个问题目前在采用水洗涤装置的单位往往不被重视，有的单位根本没有除沫装置，有的单位即使装了除沫装置也是极其简单，并且长期不加以清洗。这是造成后级处理设备很快被污染，如活性炭很快失效、电捕油装置电极被污染、引风机带油等的重要原因。
问题之四：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，原先已被冷却下来的有机物会重新挥发，形成恶性循环，使气体中有机污染物浓度增大而增加后级处理的压力
2)，循环水中的颗粒物浓度的增加会造成喷头和管道堵塞。
3)，污水池散发出阵阵恶臭味，污染环境。
以上存在的四个问题是目前采用洗涤法+后级处理装置处理效果不佳的重要原因。
为解决以上的问题，除了对集气和污水处理进行完善外，同时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+光化学氧化技术。
二、动力波洗涤技术+光化学氧化技术方案的提出
装置共有三部分组成：动力波洗涤+光化学氧化+水处理。
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，流程见图2
2.1.1，前级管道冲洗
管道冲洗的作用主要是冷却烟气，同时把部分油污和颗粒物冲洗下来，防止管道堵塞，也能起到防止管道内自燃现象的发生。管道冲洗后的烟气和水进入旋风分离器，进行第一级气、液、固分离。
2.1.2，带混合元件的动力波洗涤器的工作原理：
气、液分离后的烟气自上而下以一定的速度进入洗涤管，洗涤液则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，就会形成一个高度湍动的泡沫区，泡沫区的高度可通过计算，主要是调整喷水量。在泡沫区，气液两相呈高速湍流接触，因此接触表面积极大，而且接触表面随水的冲击不断地得到迅速更新，从而达到快速冷却和高效洗涤效果。
同时，根据泡沫区下方气液两相是顺流流动的特点，设置一个特殊的静态混合元件，使气液两相再一次进行湍流混合，起到了顺流洗涤的作用，使该设备起到了两级串联洗涤的效果。净化后的气体经二级高效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，同时通过换水，换入静水箱槽经水处理后的（已除去表面油污和槽底沉积物）等量的新鲜水。水是循环使用，无污水排放。
2.1.3，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，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， 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%左右仍能正常使用。
3. 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%。
2.2，高效除沫装置
经洗涤后的气体中必然夹带有一定量液沫，液沫中有水、油及颗粒物，如不加以清除就会污染后级处理设备。为此在气体出口安装二级具有不同除沫方式除沫装置，采用高效的除沫装置使出口气体中的液沫夹带量<5mg/ m3，从而保护了后级处理设备不被污染。
2.3，光化学氧化技术的应用
光化学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光化学氧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。光催化氧化技术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、油类、氰化物等污染物都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均被证实可通过光化学氧化后降解矿化。
光化学氧化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，有机污染物最终生成CO2、H2O, 而SO2、NOx等最终生成SO4=、NO3-.
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都采用臭氧作为氧化剂，在特定波长的紫外光照射下使臭氧分解产生原子氧，原子氧又能继续与气体中的水分子反应，生成具有极强氧化能力的羟基自由基，这个过程简称为直接光氧化。
有催化剂参与的光化学氧化过程又称光催化氧化，光催化氧化中较常见的是采用某些光敏半导体材料,如TiO2,在一定量的光辐射下，使TiO2激发产生高势能的电子-空穴对，电子-空穴与吸附在半导体上的氧、水分子等作用，进一步产生羟基自由基（·OH）。
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，因而能氧化几乎所有的有机物，在光化学氧化中起着决定性的作用。
2.3.1,光直接氧化和光催化氧化装置的工作原理
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，装置采用光直接氧化和光催化氧化协同反应的新技术。
装置结构示意图见图3（处理量10000m3/h）
装置前级为光直接氧化区，后级为光催化氧化区。在光直接氧化区主要是安装有多层双波长紫外灯，在光催化氧化区安装多层光催化剂板，催化剂板与板中间安装有多排紫外灯。
光直接氧化区工作原理
1，生成臭氧，在光直接氧化区主要是按网式结构安装有多层双波长(185nm、254nm)紫外灯，在波长185nm紫外光照射下，因185nm光子的能量大于氧气的键能，从而能打断氧气的分子键生存原子氧，原子氧与氧气分子结合生成臭氧。
2，臭氧在254nm波长紫外光照射下再次分解成原子氧和氧气。
3，原子氧与气体中的水分子继续反应，生成具有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。
臭氧实际上是起着过渡介质的作用。因原子氧存在时间很短，而臭氧的停留时间长，在常温下可达1~2秒，能扩散至整个光氧化区，而且254nm波长紫外光衰减率较小，在一定距离的范围内都能保持有效功率，因此利用臭氧作为过渡介质，可增大羟基自由基产生的几率。
光直接氧化区属气相反应，气体通过光氧化区时都处在具有强氧化能力的羟基自由基和原子氧的包围之中，具有充分的接触时间和接触机会（必须控制烟气流速）。光直接氧化区去除沥青烟气中有机污染物的效率可达80%以上。
光催化氧化区工作原理
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光催化剂表面的水分子反应生成的羟基自由基，空穴和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，把光直接氧化区未能氧化完的有机物进一步氧化，最终全部氧化成CO2和H2O。光催化氧化区属气、固反应，因此必须保证气体和光催化剂板有充分的接触机会。为此我们采用具有极大比表面积三维结构的泡沫镍板作为基板，（上面涂有TiO2），增加了气体和光催化剂板接触面。
光直接氧化和光催化氧化协同反应的优点
目前很多单位也采用光催化技术处理有机污染气体，但效果不理想，认为处理效率低。这除了紫外灯功率的匹配和光催化剂使用上的问题，一个重要原因是因为光催化剂的量子转化率较低（在30%左右），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，而且复合的速度大于生成的速度。因此光催化氧化一般只适宜于处理低浓度污染物。为提高光催化效率，必须降低电子和空穴的复合率。我们采用光直接氧化和光催化氧化相结合的技术，可利用在光氧化区紫外光+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。这就是采用光直接氧化和光催化氧化协同反应的一个重要特点。
采用光直接氧化和光催化氧化相结合的新技术，极大的提高了处理有机污染物的能力。处理有机污染物的效率可达95%以上。
装置能耗也较低（每处理1000立方米/小时沥青烟气，耗电约0.5~0.7kw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)，可降低引风机的能耗，装置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，由于防水卷材生产一般都是间歇生产，因此紫外灯使用年限可在2~3年以上，光催化剂使用年限可在5~10年。
?e，装置采用智能化控制，确保装置的安全运行。
三、水处理
为确保动力波洗涤效率和管道冲洗效率，必须经常更换循环水，并及时处理更换下来的污水。
水处理装置，设有三个水箱：
1，中间槽（可用目前地下槽）
2，水处理水箱（包括沉淀剂配置箱）
3, 清水水箱
换水及处理流程：
1），当需要换水时，把冲洗循环水箱，二个动力波洗涤循环水箱的水分时放入中间槽。
2），沉淀剂配置：根据水处理水箱的水量（通过液位计定量），在沉淀剂箱上部定量加入固态沉淀剂，按比例加入清水（通过液位计定量），搅拌15～30分钟。
3）水处理过程：打开沉淀剂配置箱下部阀门，把配置好的沉淀剂加入水处理箱，启动搅拌机，搅拌15～30分钟后静止半小时。
4，除油：先通过溢流口把水处理箱上部的油（带部分水）放入储油箱，然后启动钢带吸油机把油吸出后，流进油桶回收，水返回中间槽。
5，除渣：油层溢流后打开下部放水阀，水进入离心机进行液、固分离，分离后的渣（胶粉）可回收，水进入清水箱作换水用。
5），处理后的清水换水时分别打入管道冲洗循环水箱，二个动力波洗涤循环水箱。完成处理和换水过程。整个过程由电脑自动控制。
动力波洗涤+光化学氧化技术净化处理沥青烟的成功是环保领域技术上的一个重要突破，目前国内很多企业在处理含高浓度有机物的工业废气，如焦化、炭素、喷漆及涂装等基本上都采用水喷淋清洗+活性炭吸附方法，也都存在除污效果不理想，活性炭难以处理等问题。因此动力波洗涤+光化学氧化技术净化处理沥青烟的成功，特别是光直接氧化与光催化氧化协同反应技术的开发为我国大气污染治理和工业废气的处理开辟了一条新的更为广阔的途径。
四、沥青烟处理中多种技术的综合应用
对沥青烟来说，处理难度较大，因此并不能靠单一的技术所能解决（特别是处理气体量大的情况下），因此必须把多项技术进行优化组合，发挥各自的优势并相互取长补短，才能取得理想的效果。
动力波洗涤+光催化氧化技术就是把具有高效洗涤能力的动力波洗涤技术和具有极强处理有机污染物能力的光催化氧化技术进行优化组合，取得明显的效果。
4.1，动力波洗涤+电捕油技术
目前不少单位引人电捕油技术处理沥青烟，电捕油具有很强的处理颗粒物和焦油等高分子有机物的能力，但为什么有些单位反映使用电捕油后效果并不理想，排放的气体不达标。这有二方面的原因：一是电捕油本身处理气态有机物是它的弱项；二是前级洗涤效果差，进入电捕油的气体中带有大量的颗粒物和油状物，并很快粘附在电极上，而且是越积越厚（特别是阳极板），这就使电捕油的功能越来越差，甚至失效。我们在多家厂打开电捕油装置后都发现阳极板上积得厚厚的一层污染物，有的单位甚至阴极也被污染，这就是为什么电捕油装置效率降低的重要原因。
如果把具有高效洗涤能力动力波洗涤和电捕油技术进行优化组合，利用动力波洗涤除去99%以上的颗粒物和80%以上的油污，这样既可防止电捕油装置电极被污染（因没有颗粒物），又极大的减轻了电捕油装置的压力，电捕油装置的功能得以充分发挥。这也是我们目前在苏州月星防水材料厂已实施的方案。
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