燃燒法處理瀝青煙氣的研究

宋昌偉

(安康學院電子與信息工程學院，陜西 安康 725000)

瀝青煙是瀝青混合料攪拌設備的重要污染物之一，成分相當復雜，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，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，對環(huán)境和人的健康造成極大的影響。其產生部位有：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)將安裝這兩個設備作為處理瀝青煙的標配。但一些企業(yè)由于設計不規(guī)范，未進行系統(tǒng)匹配計算導致處理效果差，甚至出現發(fā)生火災的情況，因此，這兩種方法的選用要根據實際情況進行選擇。

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。對于現今的瀝青混合料攪拌設備來說，直接燃燒和熱力燃燒應用的較多。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，以便對廢氣進行預熱；第二步是廢氣與高溫燃氣混合并使其達到反應溫度；最后是廢氣中可燃組分被氧化分解，在反應溫度下充分燃燒。對于攪拌設備來說，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，不需要對其進行預熱。直接將瀝青煙氣引入攪拌設備燃燒，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熱空氣作為烘干加熱廢舊瀝青混合料的加熱介質。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：引入燃燒器內燃燒和引入烘干筒內燃燒。對于引入烘干滾筒內(或燃燒室內)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，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的停留時間變短，造成燃燒的不完全。對于引入燃燒器內燃燒，該方式是將瀝青煙作為燃燒器的一次風鼓入，在噴入燃料和空氣后開始燃燒。這種方式當保證燃料和瀝青煙的加入比例后，能夠將瀝青煙較為充分的燃燒，可以解決烘干滾筒內負壓不平衡的狀況。但是，瀝青煙具有粘性，當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 沉降室內部

實際生產中可采用兩種燃燒方式中的任意一種，若攪拌設備配備有再生滾筒，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備的布袋除塵器(或專用的瀝青煙氣處理裝置)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或滾筒內燃燒，如圖1所示。由于再生尾氣的油性含量高，容易導致引風機機械故障，而且一部分瀝青煙黏附在粉塵顆粒上，在燃燒時，當引入燃燒器或烘干筒(燃燒室)內燃燒，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。沉降室內部如圖2所示。由圖3沉降室底部沉降的煙塵可以看出，設置沉降室的必要性，如果不先進行預處理，則會降低燃燒器和烘干筒的工作效率，增大除塵器的負擔，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，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，得出當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)內的燃燒時間也是影響燃燒效率的關鍵參數之一，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，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 引入烘干筒內燃燒模型

本次計算以瀝青煙送入烘干滾筒內燃燒為例(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。忽略滾筒內延程壓力損失，忽略氣體與筒壁的摩擦損失，且滾筒不漏風，則3-3截面煙氣流入的重量為：

(1)

瀝青煙氣從3-3截面參與燃燒反應后到4-4截面，整個反應過程在滾筒內滿足質量守恒定理，因為燃燒反應本身也滿足質量守恒定理。所以，根據質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參數為：

引風機風量Q2=27000 m3/h，風門開度33%，煙管直徑d=0.55 m，燃燒器鼓風機風量Q1=20000 m3/h，風門開度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即引風機風量Q2不變，增大煙管的直徑d2；

②保持煙管的直徑d2不變，減小引風機風量Q2；

③將瀝青煙管的管口應設置旋流板，通過旋流板將瀝青煙在燃燒前進行預旋，這樣能夠更好的與攪拌設備燃燒器燃料、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 論

總體來說燃燒法處理瀝青煙適合瀝青攪拌設備，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。但在實際生產過程中依然要考慮引風機抽回的瀝青煙氣對滾筒負壓的影響，合理的調控燃燒時間、溫度、速率之間的關系，才能達到完全燃燒，降低二次污染。