关键词：改性沥青防水卷材；废气处理系统；清洁生产

    1废气治理的必要性和紧迫性改革开放30多年来，我国国民经济经历了快速发展，目前已成为世界第二大经济体。但随着经济的持续发展，环境污染问题也日趋严重，这其中水污染和大气污染成为困扰我国可持续发展的瓶颈。进入2000年以来，华北一环渤海、长三角、珠三角等中国经济最发达地区日益严重的雾霾天气，敲响了治理大气污染的警钟。

    近年来，国家环保部、发改委、工信部等部委陆续出台了一批大气污染治理措施，其中重要的原则和目标就是要尽量做到污染物减排、清洁生产。防水材料作为一种重要的建筑材料，在我国近二三十年来发展很快，已从最初单一的纸胎石油沥青油毡品种，发展到今天囊括聚合物改性沥青防水卷材、高分子防水卷材、防水涂料、密封材料等大类品种、门类齐全的建筑防水材料产业。但是，产业集中度不高、布局不合理、产品能耗高、污染大的粗放式发展模式还未得到彻底扭转。于整个行业来说，改性沥青防水卷材既是防水材料中最主要的品种，也是行业中面临环保压力最大的品种，突出的原因在于防水材料生产企业长期以来只重视生产线的产能提升而忽视配套废气处理装置的配备和运行，环保欠账过多。

    加之防水卷材企业选址往往与居民区相距较近，废气的无组织和低空组织排放，引起周边居民反感和抵触，严重危害人体健康及自然环境，因此必须予以治理，实现达标排放。工业化国家都对沥青烟气的排放制定了相应的环保标准。美国政府工业卫生工作者会议将工作环境中的沥青烟允许浓度定为0．2mg／m。。前苏联国家标准规定沥青烟中苯并芘浓度为0．15g／m3。德国规定排入大气的沥青烟浓度应小于50mg／m。我国GB16297--1996(大气污染物综合排放标准》规定了现有污染源排放限值，其中：苯并芘最高允许排放浓度0．50Ixg／rn，沥青烟(熔炼、浸涂)最高允许排放浓度80mg／m。，沥青烟(建筑搅拌)最高允许排放浓度150mg／m，沥青烟(吹制沥青)最高允许排放浓度280mg／m。，非甲烷总烃(使用溶剂汽油或其他混合烃类物质)最高排放浓度150mg／m，生产设备不得有明显的无组织排放存在；新建污染源污染物排放限值为：颗粒物最高运行排放浓度120mg／m，苯并芘最高允许排放浓度0．30t~g／m。，沥青烟(熔炼、浸涂)最高允许排放浓度40mg／m，沥青烟(建筑搅拌)最高允许排放浓度75mg／m。，沥青烟(吹制沥青)最高允许排放浓度140mg／m，非甲烷总烃最高排放浓度120mg／m，生产设备不得有明显的无组织排放存在。所谓非甲烷总烃(NMHC)是指采用HJ厂r38(固定污染源排气中非甲烷总烃的测定气相色谱法》规定的监测方法，检测器有明显响应的除甲烷外的碳氢化合物的总称(以碳计)，通常作为排气筒及厂界VOCs排放的综合控制指标。为应对日益严重的雾霾污染，北京市于2014年1月1日起发布并实施了DB11／1055--2013(防水卷材行业大气污染物排放标准》。

    该地方标准明确规定：自2014年1月1日起至2015年6月30日止，现有污染源执行第1时段相应标准限值；自2015年7月113起，现有污染源执行第Ⅱ时段相应标准限值。自2014年1月1日标准实施之13起，新建污染源执行第Ⅱ时段相应标准限值。第1、Ⅱ时段排放标准如表1、表2所示l3l。这是迄今为止国内第一部针对改性沥青防水卷材生产废气治理排放的标准。标准实施以来，诸多业在严酷的环保压力下，不得不作做出向河北、山东、辽宁等周边省市迁建的决定。但迁建不等于低水平重复建设，对既有生产线和新建线进行技术改造提升，特别是废气治理环保装置的升级改造成为有社会责任企业现实而必须的选择。

    2废气的来源及特点改性沥青防水卷材生产废气除空气外主要成分包括沥青烟气、无机填料粉尘以及附着的各种小分子异味物质等。从部位来说，改性沥青防水卷材生产废气主要来源于生产线中浸油池和涂油池以及配料罐三个部位。现有的改性沥青防水卷材生产线上的浸油池和涂油池由于设计限制，无法完全密闭。

    为减小沥青加热过程中产生的烟气对车间工作人员的伤害，通常会采用风机外抽的措施。由此，大量的室温空气会随着沥青烟进入收集管道系统，如果浸油池及涂油池烟罩设计不合理，则会导致密度较大的沥青烟长期蓄积在烟罩下部，收集系统效率低下且车间内空气质量恶化。因此，来自浸油池、涂油池部位的废气特点是浓度低、温度低、流量大。当前改性沥青生产线的配料罐仍以立式搅拌罐为主。一改性剂、滑石粉、粉煤灰等粉体添加，通常采用从罐顶一侧的开口向下投放的方式。为消除粉体下落过程中的扬尘，投料期间往往采取在另一侧抽气的方式形成负压，然后再对富含粉尘、沥青烟气的废气进行处理。由于配料时需要先将沥青加热到一定温度(150℃以上)熔融，因此来自该部分的废气具有浓度大、温度高、流量较小(间歇)等特点。除此之外，由于国内当前防水市场低价竞争盛行，不少企业还会在配方中添加一定量的废胶粉(未经脱硫处理)、废机油(含有大量低分子的可挥发物)等物质，这不仅需要大大增加沥青改性的时间、提高改性温度，使挥发物中的低分子物质、异味物质、可燃物质含量显著增加，也给废气处理系统的正常工作带来巨大挑战。综合来看，需要重点进行处理的对象包括沥青烟、粉尘和小分子可燃、异味物质。要对这些物质进行处理，必须先了解其特性。

    2．1沥青烟沥青烟气的产生，主要是因为轻组分(芳香分和饱和分)的沸点低于胶质和沥青质的沸点。一般情况下将沥青加热到160℃左右时，沥青中的轻组分由于分子运动的原因，就会脱离胶质和沥青质逸出而形成烟雾。沥青标号越高，其中轻组分的含量相对也越高，在相同的加热条件下产生的烟雾也越多。单纯的沥青挥发，不会产生肉眼可见的挥发物。沥青挥发物中除了含有CO、SO、NO等常见的大气污染物以外，还有直径为0．1～1I．zm的焦油颗粒和3，4一苯并芘等毒性大的物质。沥青烟气温度一般在50～180℃左右，主要由气、液两相组成。液相部分是十分细微的挥发冷凝物，粒径多在0．1～1．0I．Lm之间，气相是不同气体的混合物。对于这种浓度不高又极为分散的沥青烟雾，用常规的方法不可能将其完全净化处理。目前正在研究发展并已获得应用的净化治理方法有4种类型，即燃烧法、电捕法、吸附法和吸收法。

    2．2粉尘粒子主要源于粉体填料、改性剂。其特点是粒径较大(0．01～1mm)，比表面积大，堆积密度高，容易在重力作用下发生沉降。从气体中去除粉尘粒子常用的办法包括洗涤、沉降、电除尘等方法。粉尘粒子表面能较高，是沥青烟气中挥发性物质的有效载体，负载挥发性有机物的粒子黏性变大，容易沉积在管道底部。现有生产线由于管道设计不合理、气体流速减小等原因，经常造成收集管路被沉积的粉体粒子堵塞、清洗困难且运行效率低下的问题。捕获收集粉体粒子是实现废气净化的有效手段。

    2．3异味物质异味物质主要来源包括：从石油沥青中挥发出的杂环物质如噻吩、吡啶、哌嗪，以及从为降低材料成本而添加的废胶粉、废机油中挥发的小分子物质等，其浓度低、沸点低，化学反应活性不高，不容易通过吸附、洗涤、电捕等措施完全除去。在现有配方体系不变的条件下，如何做到无味达标排放，是一项很有挑战性的工作。治理改性沥青防水卷材生产线废气就是要从源头人手，以设计为出发点，统筹考虑各种治理措施的优缺点，实现治理后废气的达标排放。

    3现有生产废气治理技术调研

    3．1燃烧法

    沥青烟中含有大量可燃烧的物质，因为沥青烟的基本成分是碳氢化合物，还含有油粒及其他可燃烧的物质，因此在一定的温度下，经供氧是可以保证其燃烧的。试验证明，当温度超过790qC时，燃烧时间大于0．5s，在供氧充足的条件下，烃类物质可以燃烧得很完全；当温度大于900℃时，混杂在沥青烟中的其他物质也能燃烧得很完全。影响燃烧法应用的因素有两点：1)沥青烟的浓度越高，越有利于焚烧的进行；2)燃烧温度一般在800—1000oC之间，燃烧时间应该控制在0．5s左右。如果温度不足、时间不够，则焚烧不完全；若温度过高、时间过长，则会使部分沥青烟炭化成颗粒，以粉末形式随烟气排出产生二次污染。一般对氧化沥青装置的尾气进行处理时较多地采用燃烧法，但因设备投资大、运行成本高，且具有很大的安全隐患，燃烧法很难在防水行业推广应用。

    3．2电捕法

    电捕法是基于静电场的一些性质而应用该技术的。沥青烟气净增湿后进入电除雾器，沥青烟中的颗粒及大分子的有机物分子进入电场后，在静电场的作用下，它们可以载上不同电荷，并驱向极板，在被捕集后聚集成液体状靠自身重力作用顺板流下，从静电捕集器底部贮斗定期排出沥青，从而达到净化沥青烟的目的。电除雾器内的温度应保持在70～80℃，以保证沥青不在极板上结块。气量14000～54000m3／h，处理前沥青烟气浓度130～800mg／m，处理后能降到10～103mg／m，收集效率可达95％以上。采用喷淋调质、宽间距高电压、提高气流速度、改善气流分布均匀性和以单片机为核心的自动控制技术，炭素厂沥青烟净化后排放低于德国等发达国家的排放限值50mg／m。。该方法的优点是：1)回收的沥青呈焦油状且均溶于苯或环己烷，可返回生产系统或作燃料使用；2)系统阻力小、能耗少、运行费用低。缺点是：1)对烟温要求较高，温度过高，不利于静电捕集，温度过低又易于凝结在极板上；2)干式静电捕集对气相组分的捕集效率几乎为零，而湿式静电捕集器虽然可捕集气态沥青，但增加了污水处理设备和维修费用；3)沥青易燃，有时会发生放电着火现象，因此静电捕集器不能用于炭粉尘的捕集回收，特别是不适合炭粉尘与沥青烟气混合气体的净化；4)长期运行净化效率降低，必须进行定期清洗维护；5)一次性投资大，占地面积大。

   3.3吸收法

    吸收法俗称洗涤法，是一种常用的工业废气治理方法。它是利用废气中各混合组分在选定的吸收剂中溶解度不同，或者某种组分与吸收剂中活性组分发生反应，达到净化废气的一种方法。吸收净化法应用于沥青烟气治理，就是将烟气中气态污染物(实际上是0．1～1．0I,zm的焦油细雾粒)转移到液相(吸收剂)，从而达到净化烟气的目的。对于防水行业这种相对少量的沥青烟气处理，用水作为吸收剂是最简单有效的。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，通过油水分离可以实现污染物的收集。水作为吸收剂可循环使用，所以不会造成二次污染。在其他行业例如焦化厂的含沥青烟气的废气处理中，也有用洗油作吸收剂、在填料塔内进行吸收的。采用吸收净化法，应根据沥青烟气的处理量、压降、温度等具体情况，设计合适的吸收设备。板式吸收塔是适合要求的一种吸收设备，实际应用最普遍。这种设备工艺简单，制造、安装都较容易。板式吸收塔内有多块板式分离部件，操作时，水从塔顶部进入，顺塔板向下逐级流下，废气从塔底部引入向上逐级穿过塔板，沥青烟气和水在塔板上充分接触进行吸收、传热。处理烟气的工艺流程为工作时水从塔顶部导人，然后沿塔板逐级流下。与此相反，废气从塔底部向上逐级流动，这样可保证废气与水充分接触。筛板塔由于其结构简单、实用，是最常用的一种板式吸收塔。

    3．4吸附法

    吸附净化法，顾名思义就是利用各种颗粒小或多孔具有较大比表面积的物质(如活性炭、氧化铝等)作吸附剂，将气体或液体混合物中的一种或多种成分吸收，以达到净化气体或液体的目的。根据吸附过程和原理的不同，分为物理吸附和化学吸附两大类。物理吸附一般不受环境温度变化影响，但温度升高会导致吸附效率的下降，在吸附净化前对沥青烟气进行冷凝处理可提高净化效果。沥青烟气所用的吸附净化属于物理吸附范畴。物理吸附是由分子间引力引起的，通常称为“范德华力”，它是取向力、诱导力和色散力的总称，其特征是吸附剂与吸附质之问不发生化学作用，是一种可逆过程，即吸附与脱附州。选用合适的吸附滤料是吸附净化法的关键之一。作为吸附滤料一般应具有以下特点：具有较大的吸附容量，即吸附滤料应是疏松的固体泡沫；具有良好的选择性，以便达到净化一种或几种污染物的目的；具有良好的再生特性和耐磨能力，有对酸、碱、水、高温的适应性。沥青烟气吸附净化法的主要设备为固定床式吸附器，一般为圆柱形立式结构，内置格板或孔板，其上放置滤料，沥青烟气由容器内通过，穿过滤料间隙，经吸附后排出或进入下一道工序。该方法的优点是：1)工艺简单、净化效率高；2)投资省，操作维修方便。缺点是：管道阻力大、压差损失较大，需要定期更换吸附介质，运行费用较高。

    3．5过滤法

    过滤法是利用多孔介质，与沥青烟气中的焦油细雾粒相碰撞而将烟气中焦油细雾粒吸附下来，从而净化废气的一种方法。从原理上来说，该方法应该是属于吸附法的一种。这种废气净化方法在防水行业已有10多年的应用，也是目前应用最广泛的一种沥青烟气处理方法。作为过滤介质的填料，一般为不锈钢金属丝网。用金属丝网叠成条形或盘形网块，制成符合设计要求的形状后放置于相应的烟气设备中。一般将这种填料层块称为丝网除雾器。作为一种有效的气液分离装置，丝网除雾器设备简单、投资少，通常与其他方法结合使用。该方法的缺点是对于颗粒物及挥发性异味物质无作用，且存在收集废物二次污染的风险，现已很少应用。

    3．6复合处理系统

    3．6．1物理吸附加静电吸附、气味化学分解这是一套综合物理吸附剂及静电捕集、气味化学分解功能于一体的改性沥青防水卷材生产废气处理系统。该系统使废气通过不同部位的风管汇集到总管，再对废气进行处理。在总管的外壳加装套管，于套管内使用冷却塔的水进行冷却，升温后的水再送回冷却塔循环；沥青烟气冷凝后于管壁凝结靠自重滴落于积油斗被回收，废气冷却后送往高效吸滤式油烟净化器进行初步处理。沥青烟气被高效吸滤片处理后，大部分油烟大颗粒分子被去除，收集下来的沥青可完全被回用于生产。然后由自动调节料位的高速喷射系统将石粉喷人气固混合装置，烟气与石粉得以充分气固接触并结合成粉尘粒子。进入电除尘器后，大颗粒粉尘粒子在重力作用下首先得以落人灰斗，中细粉尘粒子随气流前进过程中，由于高压静电作用而被高效去除。粉尘分子(沥青烟气)去除效率据称可达99％以上，收集下来的粉尘可完全被送至防水卷材生产线上回用。该工艺的优点在于先对废气进行降温，以提高后续吸附阶段的净化效率，并提高电除尘效率。缺点在于采用夹套式冷却废气，导致冷凝物质长期蓄积在管壁，容易造成管道堵塞，清洗也很困难；其次，采用一次过滤(金属滤网)、两次物理吸附(石粉及异味吸附物质)，导致系统压力损失严重，风机能耗高，运行费用偏高；第三，粉尘回用容易导致二次污染或挥发性物质在系统内的循环，降低系统效率。

    3．6．2电捕加物理吸附该方法的创新之处在于采用收集系统加水喷淋，实现废气降温、增湿和颗粒物吸收，为废气进入电捕单元创造便利条件，提高了电捕效率。不足之处在于，未设计喷淋水循环使用系统，存在喷淋水处理及排放问题；采用活性炭吸附式过滤器增加了系统中风压损失，’衙陛炭消耗量大，风机功率高，运行成本较高。

    3．6．3洗涤吸收加等离子、光解净化该处理工艺流程包括：废气收集一喷淋水洗气液分离一金属滤器吸收过滤一等离子烟气净化光解异味净化一环保排放。采用该工艺，先进行水洗降温，再用金属滤器吸收过滤，最后通过等离子辉光放电和uV光解净化实现对废气中异味物质的降解清除，比较适用于气体浓度较低、风量较小的场合，如厨房油烟净化等，对于改性沥青防水卷材生产废气处理则可能存在设备容易损坏、需频繁清洗等不足。

    3．6．4电捕加等离子体复合净化㈣该系统由洗涤降温段、离心扑雾分离段、机械过滤段、高压静电吸附段、低温等离子体净化段、紫外线光解段6部分组成。此工艺的优点在于通过电捕、等离子体辉光放电，形成高能区域实现小分子异味物质的彻底治理，并使喷淋水实现循环使用，最大限度地实现废气治理初衷；缺点在于等离子发生阶段的等离子灯束容易被油污、水雾污染，造成损坏而频繁更换，使用寿命不长。

    4新型废气处理系统的设计及特点

    4．1系统设计与组成在技术调研分析的基础上，结合国内当前改性沥青防水卷材生产线实际需要，项目组通过优选设计处理工艺，研制开发出一套新型改性沥青防水卷材生产线废气处理系统。该系统的目标是：工艺简单可行，具有良好的废气处理效果，满足处理后的废气达标排放要求；模块化设计，根据生产线实际需要进行灵活调整组合；全面采用自动控制技术，大幅降低设备运行能耗及占地面积。具体组成如图l所示。

    如图1所示，该系统由收集系统、洗涤系统、高压电捕系统、化学分解净化除味系统、自动控制系统、循环系统组成。

    4．1．1收集系统对于既有线的室内收集系统，采取密闭浸(涂)油池，降低空气吸入截面积、增加风速，以及在正对操作面的一侧隔板处安装风管，加大烟气的吸收力度等改造措施。对于新建线，则采取在浸(涂)油池上部安装侧吸式烟罩及风管的设计。对收集废气的管道，均在连接喷淋吸收塔的主管道内壁安装水喷淋系统，通过水流的清洗作用，防止粉体粒子可能造成的管道堵塞。针对配料系统废气浓度高、温度高、平均风量小的特点，采取设置清扫孔和在收集管道中设置喷淋水系统的措施。

    4．1．2洗涤系统废气经洗涤塔洗涤净化，其中的固体颗粒物及大部分油性有机物经过物理混合，形成乳浊液排人油水分离器，待回收利用，剩余的小部分颗粒物及小部分有机雾化物进入水油雾扑捉分离装置。烟气经过水气分离捕雾装置脱去水分后，具有一定湿度的沥青烟气进入高压电捕系统。

    4.1.3高压电捕系统烟气的温度和湿度(含水量)是影响粉尘比电阻的两个重要因素。温度较低时，粉尘的比电阻是随温度的升高而增加的。通过水洗吸收，降低进入高压静电捕焦器废气的比电阻，降低捕焦器的工作电压，同时通过降温处理，可大大增加设备运行的安全性。高压静电捕焦器的设计就是在给定净化效率玑气体流量p、工作电压等参数时，计算得到积尘极面积A，并依据计算结果进行设备选型。

    4．1．4化学分解净化除味系统经过喷淋塔逆流喷淋洗涤、高压电捕两个单元的净化，废气中的粉尘以及粒径0．1I．zm以上的物质已经基本被清除干净，但一些挥发陛的带有刺激性异味的小分子物质，如胺类、吡啶、噻吩、硫醚等仍有微量残留，将这些物质直接排放到大气中，会引起人体的不适反应，必须加以净化分解。在课题组研发的化学分解净化除味系统中，恶臭气体分子在电场中高能自由基的作用下进一步离解，生成无味的物质，其作用机理尚有待进一步研究。但有一点已明确，臭味分解处理能力与改性沥青的原料组成密切相关，对于含有废胶粉、废机油较多的配方，其除味效果欠佳。

    4．1．5自动控制系统系统采用可编程逻辑控制(PLC)和变频器组合使用，实现系统中风机、水泵、高压电捕器、化学分解净化装置的自动运行和控制，有效降低系统的运行能耗。

    4．1．6循环水系统循环水系统的核心部件是油水分离器。混合有粉体粒子和有机油污的废水自分离器底部注入，由于各组分密度不同，即污油<油水混合物<水<粉体粒子，各部分在重力作用下发生分层。粉体粒子沉积到分离器底部，上部为污油，两者通过溢流器进行分离。本系统通过油水混合物三级分离的措施实现循环水的再生和重复使用。新型废气处理系统典型工艺流程如图2所示。

    4．2系统特点该新型废气处理系统具有如下特点：1)收集效率高。通过合理设计收集系统的风罩形状、位置、风量和管径，可实现配料系统和浸、涂油池等部位废气的有效收集，收集效率接近100％。2)工艺先进。彻底摒弃传统的涪I生炭吸附工艺原理，对收集废气采用逆向喷水洗涤降温除尘、高压静电捕捉、化学分解等核心工艺措施，实现对废气中有害固、液物质的分离、分解，处理效率高。3)净化效果明显。可有效分离出废气中的细微固体粒子，将其中的沥青烟及非甲烷类烃分解为无害的小分子，实现有组织达标排放。4)无有害固液废物排放。系统以水为循环介质，无液体及固体废弃物排放二次污染的问题。5)能效高。综合采用高效引风机、智能控制系统根据生产线产能自动调节核心处理部件功率，相对传统废气处理系统能耗下降40％以上。6)安全稳定、使用寿命长。综合考虑收集系统废气的高温特点，利用水洗等措施消除堵管、火灾等安全隐患，系统运行稳定可靠。管道及核心设备采用耐腐蚀工程塑料制造，使用寿命长，维护保养简单。

    5结论

    通过认真分析和比较改性沥青防水卷材生产过程，从源头人手，对生产线中的配料系统、浸油池、涂油池及管路系统进行优化设计，采用负压收集、管道喷淋、水洗净化、固液分离、电离分解、化学净化等一系列处理单元，实现生产过程中废气的收集、处理和组织排放。经过该废气处理系统净化处理的废气，其排放标准可达到北京市地标DB11／1055--2013《防水卷材行业大气污染物排放标准》的规定。任何技术都是不断发展和进步的，该套系统及其处理工艺仍需经过大量实际应用，积累经验，发现问题，不断改善和提高，使之更好地解决防水材料企业的废气排放问题。下一步，将在现有基础上完善装置的除味功能，提升循环水的使用效率。