燃燒法處理瀝青煙氣的研究

宋昌偉

(安康學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，陜西 安康 725000)

瀝青煙是瀝青混合料攪拌設(shè)備的重要污染物之一，成分相當(dāng)復(fù)雜，隨瀝青來源不同而異，主要是碳氫化合物，含有低碳鏈的烴類物質(zhì)，還有少量的氮、硫雜環(huán)化合物。大量研究分析表明，瀝青煙氣中含有咔唑、吡啶、萘、菲、蒽、酚等一百多種成分，特別是以苯并(a)芘為代表的多種致癌物質(zhì)，對環(huán)境和人的健康造成極大的影響。其產(chǎn)生部位有：再生滾筒加熱舊瀝青混合料、成品料卸料口、瀝青罐加熱保溫、攪拌缸混合料拌和。對于這些瀝青煙，主要是以無組織排放為主，所以，如何有效的收集瀝青煙是治理的第一個難題。通常采用煙氣捕集系統(tǒng)，包括集煙罩、煙管、引風(fēng)機等。

1 瀝青煙的燃燒理論分析

瀝青煙的治理方法包括兩種，一是源頭控制；二是末端處理。目前處理方法以末端治理為主，常見的有吸收法、吸附法、燃燒法、冷凝法、低溫等離子體法、UV光催化氧化法等以及這些方法的聯(lián)用[1]。

低溫等離子體法和UV光催化氧化法作為新興的處理方法，處理效率高，無二次污染，很多地區(qū)將安裝這兩個設(shè)備作為處理瀝青煙的標(biāo)配。但一些企業(yè)由于設(shè)計不規(guī)范，未進行系統(tǒng)匹配計算導(dǎo)致處理效果差，甚至出現(xiàn)發(fā)生火災(zāi)的情況，因此，這兩種方法的選用要根據(jù)實際情況進行選擇。

燃燒法又分為直接燃燒、熱力燃燒和催化燃燒，由于瀝青煙的成分中主要以飽和烴和苯及衍生物占比最大，這些成分遇明火、高溫、氧化劑易燃。對于現(xiàn)今的瀝青混合料攪拌設(shè)備來說，直接燃燒和熱力燃燒應(yīng)用的較多。直接燃燒也叫直接火焰燃燒或“火炬”燃燒。熱力燃燒一般分為三個步驟：首先是輔助燃料燃燒，其作用是提供熱量，以便對廢氣進行預(yù)熱；第二步是廢氣與高溫燃氣混合并使其達到反應(yīng)溫度；最后是廢氣中可燃組分被氧化分解，在反應(yīng)溫度下充分燃燒。對于攪拌設(shè)備來說，熱力燃燒與直接燃燒類似，從再生滾筒引出的瀝青煙氣溫度在100～200 ℃之間，所以，不需要對其進行預(yù)熱。直接將瀝青煙氣引入攪拌設(shè)備燃燒，通過燃燒器的火焰外焰的高溫區(qū)將瀝青煙氣燃燒。

而且通過燃燒法處理瀝青煙氣有三個優(yōu)點。其一，通過燃燒處理，將瀝青煙達標(biāo)排放；其二，加入的瀝青煙氣吸熱從而降低了燃燒溫度。由于目前舊瀝青混合料的加熱采用熱氣(400～800 ℃)進行間接加熱，通過將瀝青煙氣引入燃燒室，與燃燒室內(nèi)部的高溫火焰(1300～1400 ℃)進行混合，從而得到低于高溫火焰溫度的中溫?zé)峥諝庾鳛楹娓杉訜釓U舊瀝青混合料的加熱介質(zhì)。其三，可減少NOx的生成。加入的煙氣降低了氧氣的分壓，這將減弱氧氣與氮氣生成熱力型 NOx的過程，從而減少了NOx的生成；煙氣的加入使得空氣速度增加，這將促進空氣與燃料的混合，從而減少快速型NOx的生成。但是，煙氣循環(huán)量不可任意選取，應(yīng)以保證燃料充分燃燒為原則。

2 瀝青煙的燃燒方式分析

瀝青煙的燃燒目前有兩種燃燒方式：引入燃燒器內(nèi)燃燒和引入烘干筒內(nèi)燃燒。對于引入烘干滾筒內(nèi)(或燃燒室內(nèi))燃燒，這種燃燒方式是直接將瀝青煙氣通過管道送入烘干筒內(nèi)，燃燒方式簡單，是目前主流的燃燒方式。但是，加入瀝青煙后，對烘干筒內(nèi)的負壓平衡有一定的影響。其次，加入瀝青煙后，會使氣體流速增大，使得瀝青煙在滾筒內(nèi)的停留時間變短，造成燃燒的不完全。對于引入燃燒器內(nèi)燃燒，該方式是將瀝青煙作為燃燒器的一次風(fēng)鼓入，在噴入燃料和空氣后開始燃燒。這種方式當(dāng)保證燃料和瀝青煙的加入比例后，能夠?qū)r青煙較為充分的燃燒，可以解決烘干滾筒內(nèi)負壓不平衡的狀況。但是，瀝青煙具有粘性，當(dāng)燃燒器工作一段時間以后，容易將燃燒器的噴嘴和噴頭造成堵塞，引發(fā)故障，需要停機進行清洗，降低了工作效率。

圖1 分兩路燃燒示意圖

圖2 沉降室內(nèi)部

實際生產(chǎn)中可采用兩種燃燒方式中的任意一種，若攪拌設(shè)備配備有再生滾筒，則可分兩種形式，其一，是將瀝青煙氣的一部分燃燒，另一部分進入攪拌設(shè)備的布袋除塵器(或?qū)Ｓ玫臑r青煙氣處理裝置)處理；其二，分兩路燃燒，將捕集到的瀝青煙通過一個廢氣分配室，再分別送往燃燒器內(nèi)或滾筒內(nèi)燃燒，如圖1所示。由于再生尾氣的油性含量高，容易導(dǎo)致引風(fēng)機機械故障，而且一部分瀝青煙黏附在粉塵顆粒上，在燃燒時，當(dāng)引入燃燒器或烘干筒(燃燒室)內(nèi)燃燒，則會將燃燒器噴嘴堵住，也會使這些顆粒黏附在烘干筒的葉片上，對烘干筒的性能造成影響。所以，在燃燒之前先將再生尾氣通入一個沉降室，利用重力慣性，將尾氣中的這部分大顆粒煙塵去除。再進行燃燒。沉降室內(nèi)部如圖2所示。由圖3沉降室底部沉降的煙塵可以看出，設(shè)置沉降室的必要性，如果不先進行預(yù)處理，則會降低燃燒器和烘干筒的工作效率，增大除塵器的負擔(dān)，而且沉降室必須定期清理，以免堵塞。

圖3 沉降室底部沉降的煙塵

3 燃燒法影響因素分析

影響瀝青煙燃燒的三要素：瀝青煙濃度、燃燒溫度和燃燒(停留)時間。在焚燒爐內(nèi)，保證充分的氧濃度(一般為空氣中的氧濃度)，在高溫條件下，一定的停留時間即可將瀝青煙完全燃燒。

3.1 瀝青煙的濃度

對于瀝青煙濃度較高可采用直接燃燒法，濃度較低的可采用熱力燃燒或催化燃燒法。一般來說，燃燒溫度和燃燒時間滿足充分燃燒條件下，瀝青煙濃度越高，燃燒效果也就越好[2]。

3.2 燃燒溫度

劉江雁[3]通過試驗研究了瀝青煙氣燃燒處理技術(shù)，得出當(dāng)采用天然氣作為輔助燃料，并且控制和瀝青煙的混合比例為2.3:1，燃燒溫度為510 ℃時，瀝青煙能夠充分燃燒。有學(xué)者研究得到瀝青煙的最小停留時間大約為2 s，火焰的溫度在800～1400 ℃之間，燃燒效率至少達到85%[4]。在瀝青拌合站中對骨料進行加熱時，燃燒器火焰溫度可達到1300 ℃左右，瀝青煙氣被高溫火焰強制點燃，和燃料空氣邊混合邊燃燒，將這些煙氣有機物直接裂解為CO2和H2O[5]。

3.3 燃燒時間

瀝青煙氣在烘干筒(或燃燒室)內(nèi)的燃燒時間也是影響燃燒效率的關(guān)鍵參數(shù)之一，燃燒時間過短，燃燒未充分進行就被熱氣流帶走，達不到燃燒的目的；而燃燒溫度和燃燒時間是緊密相關(guān)的，即使燃燒時間過短，燃燒溫度過高也可以將瀝青煙氣燃燒完全。但燃燒溫度的高低與燃料直接相關(guān)，提高燃燒溫度，燃料量的供給就增大，使成本增加。所以，一般使燃燒時間延長，這樣不需要最高的溫度也可將瀝青煙燃燒完全。

圖4 引入烘干筒內(nèi)燃燒模型

本次計算以瀝青煙送入烘干滾筒內(nèi)燃燒為例(送入燃燒室燃燒計算方法一樣)。該模型(如圖4所示)中燃燒器出口流量為q1(m3/min)，瀝青煙引入流量q2(m3/min)，瀝青煙在3-3截面開始混合燃燒。忽略滾筒內(nèi)延程壓力損失，忽略氣體與筒壁的摩擦損失，且滾筒不漏風(fēng)，則3-3截面煙氣流入的重量為：

(1)

瀝青煙氣從3-3截面參與燃燒反應(yīng)后到4-4截面，整個反應(yīng)過程在滾筒內(nèi)滿足質(zhì)量守恒定理，因為燃燒反應(yīng)本身也滿足質(zhì)量守恒定理。所以，根據(jù)質(zhì)量守恒定理可以列出方程：

m3總=m4總

(2)

同理，氣體從3-3截面流入到4-4截面流出也滿足動量守恒定理。3-3截面和4-4截面所圍成的空間為本次計算的控制體，列出沿烘干筒軸線方向的動量守恒方程：

∑F=∑(mivi)-∑(mjvj)

(3)

即：

p3A3-p4A4=m4v4-(m1v1+m2v2)

(4)

代入式(7)得：

(5)

所以：

(6)

式中：v3—混合后煙氣速度，m/s；p3—混合后3-3截面的壓力。

燃燒時間計算：

(7)

式中：t—燃燒時間，s；l—火焰長度，m；L—滾筒長度，m；v3—煙氣流速，m/s；

代入得到：

(8)

已知某廠家采用燃燒法處理瀝青煙的相關(guān)參數(shù)為：

引風(fēng)機風(fēng)量Q2=27000 m3/h，風(fēng)門開度33%，煙管直徑d=0.55 m，燃燒器鼓風(fēng)機風(fēng)量Q1=20000 m3/h，風(fēng)門開度48%，烘干滾筒長L=10 m。代入公式(5)和式(8)中計算停留時間得：t=0.21 s，可看出停留時間較短。

綜上可得增大瀝青煙在火焰區(qū)的燃燒時間的措施有：

①保持煙氣流量q2即引風(fēng)機風(fēng)量Q2不變，增大煙管的直徑d2；

②保持煙管的直徑d2不變，減小引風(fēng)機風(fēng)量Q2；

③將瀝青煙管的管口應(yīng)設(shè)置旋流板，通過旋流板將瀝青煙在燃燒前進行預(yù)旋，這樣能夠更好的與攪拌設(shè)備燃燒器燃料、燃燒空氣混合并進行二次燃燒，也增加了在火焰區(qū)的停留時間。

4 結(jié) 論

總體來說燃燒法處理瀝青煙適合瀝青攪拌設(shè)備，瀝青煙的燃燒主要受瀝青煙濃度、燃燒溫度和燃燒時間影響，通過對瀝青煙燃燒的影響因素進行分析，得出瀝青煙的濃度與處理效率成正比，燃燒溫度基本可以滿足，提出了三種增大停留時間的方法。但在實際生產(chǎn)過程中依然要考慮引風(fēng)機抽回的瀝青煙氣對滾筒負壓的影響，合理的調(diào)控燃燒時間、溫度、速率之間的關(guān)系，才能達到完全燃燒，降低二次污染。