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北極星大氣網訊:摘要：論述了瀝青煙氣的主要組成成分和對環境、人體健康造成的危害，介紹了瀝青生產、儲運過程中煙氣的主要治理技術，對瀝青使用過程中煙氣的抑制手段進行了總結，並對目前煙氣治理技術存在的問題進行了分析。
目前，我國正處於道路交通建設和發展的高峰期，瀝青路面以其自身的諸多優點成為了高速公路的主要路面形式，此外，在建築、防水等領域也對瀝青有著巨大需求量。隨著瀝青用量的增大，瀝青煙氣對環境和人身健康造成的危害也逐漸顯著，瀝青煙氣的產生主要集中在瀝青的生產、儲存、運輸、拌和、攤鋪等階段，煙氣產生環境的複雜性也使得瀝青煙氣的治理難度增大。
國家環境保護部對瀝青煙氣的定義為：瀝青煙氣是指瀝青及其瀝青製品在生產、加工和使用過程中形成的液固態烴類顆粒物和少量氣態烴類物質的混合煙霧[1]。我們通常所說的瀝青VOC(volatile organic compounds)是從大氣VOE的定義中延伸出來的，通常是指沸點50~260℃、飽和蒸氣壓（室溫下）超過133.32Pa的有機化合物，其主要成分為烴類、滷代經、氮烴、含氧烴、硫烴以及低沸點的多環芳香烴等。瀝青在高溫條件下產生的氣溶膠的沸點遠超大氣VOE的定義範圍，所以一般將瀝青VOE定義為在高溫條件下能從瀝青表面揮發出來的氣溶膠（粒徑<10m)和氣體物質[2]。隨著國家對環保問題的愈發重視，瀝青煙氣的治理技術逐漸成熟，對環境友好型瀝青的開發與應用也成為一個重要的研究方向。
瀝青煙氣組成與危害
瀝青是原油經過常減壓蒸熘後剩下的混合物，成分極其複雜，目前還無法對其進行精細分離研究，研究者通常根據瀝青中各成分的相似性將其分為飽和分、芳香分、膠質、瀝青質四個組分，四種組分之間可通過締合、裂解反應相互轉化，不同油源瀝青性質也各不相同。瀝青組成的多樣性直接導致瀝青煙氣成分的複雜性，表1中列出的是瀝青煙氣中含有的部分有機物[3]。
目前，對於瀝青煙氣產生機理的研究還不夠深入，研究者普遍認為瀝青煙氣的生成包括兩個過程：一是在加熱條件下瀝青中已有輕組分的揮發；二是氧氣與瀝青分子在加熱條件下發生平行順序反應，該反應包括裂解和縮合兩個方向，其中的裂解反應是瀝青煙氣產生的主要原因[4]。瀝青煙霧中的某些成分會與大氣中的其它成分發生光化學反應，增加汙染煙霧和地表臭氧濃度，導致環境汙染見瀝青煙還會通過呼吸道或皮膚進入人體，使人中毒，讓人出現頭痛、心悸、腹痛、胸悶、眼結膜炎、視力模糊、皮炎等症狀，煙氣中的一些物質甚至會令長期接觸者致癌。因此，加快瀝青煙氣治理的研究進程十分必要，確保排放符合相關標準既可以保護環境，又能防止人體健康受到威脅。
瀝青煙氣治理技術
瀝青煙氣主要以粒徑為0.1~1.0m的細霧粒存在，因此瀝青煙氣治理的關鍵就是儘可能捕集這些霧粒並確保不造成二次汙染。目前瀝青煙氣的治理方法主要借鑑煉廠VOE治理的成熟技術，但由於瀝青煙氣的生成環境複雜，現有技術並不適用於所有場合。目前比較成熟的治理技術包括燃燒法、吸收法、吸附法、等離子體法等。
燃燒法
瀝青煙氣成分雖然複雜，但基本組成成分還是以碳氫化合物為主，在溫度和氧氣濃度合適的條件下就可以燃燒分解，這也是燃燒法在處理有機廢氣過程中被廣泛使用的原因。將瀝青煙氣引入專用焚燒爐中，保持溫度700°C左右，僅需0.5s左右的高溫焚燒即可將瀝青煙氣完全燃燒[6]。該方法簡單有效，容易實施，但是要維持如此高的溫度需要耗費大掀燃料，運行成本較高，當煙氣量較小時並不合適。氧化瀝青相較直餾瀝青，在一些性質上有其不可替代的優勢，但氧化工藝生成的瀝青煙氣會導致環境汙染，一般通過在氧化裝置上加裝煙氣焚燒裝置來處理汙染煙氣，但是這不可避免地增加了生產成本，這也是目前國內氧化瀝青裝置幾乎絕跡的主要原因之一。
吸收法
吸收法主要利用瀝青煙氣能夠溶於某些溶液的性質來將空氣中的瀝青煙氣富集到液體環境中，不僅解決了汙染問題，還實現了對有機煙氣的回收利用。為了增加溶液與煙氣的接觸面積，提高吸收效率，吸收過程通常在裝有填料的吸收塔中進行。該方法可以分為油吸收法和水吸收法，由於煙氣成分主要為有機物，在油中溶解度較大，因此油吸收法適合高濃度煙氣的治理，而水吸收法適合煙氣濃度小的環境，吸收效果較油吸收法差[7]。但是由於瀝青加工、儲存、使用都需要在高溫環境下進行，油吸收法安全性要弱於水吸收法，且運行成本相對較高。
吸附法
該方法主要利用小顆粒或多孔物質對氣體的物理吸附作用將瀝青煙氣進行濃縮富集，達到煙氣治理的目的。吸附劑的選擇是該方法的關鍵，常用的吸附劑主要有活性炭、煅後焦、氧化鋁和白雲石粉等，吸附劑的比表面積越大，吸附能力越強。選擇吸附劑時還要考慮脫附難度、是否適用於高溫環境、重複利用次數等因素[8]。
等離子體法
該方法在常溫常壓下利用陡前沿、窄脈寬的高壓脈衝電暈放電來獲得非平衡態等離子體，這些等離子體能夠對瀝青中的相應分子進行氧化和降解，將瀝青煙氣中的有毒物質轉化為無害氣體後再進行排放，達到瀝青煙氣治理的目的。等離子體法對廢氣具有較好的淨化效果，但是該方法前期投資大，操作繁瑣，靈活性差，且對高濃度煙氣處理能力不足。
綜上可知，單一處理方法在治理瀝青煙氣時都存在不同程度的缺陷，因此在實際處理過程中往往將多種方法聯合使用，多種方法之間相互協調，力求達到最好的處理效果。中國石化大連石油化工研究院開發了「低溫柴油吸收－脫硫及經濃度均化－蓄熱氧化(Tg-RTO)"工藝技術，並設計了專門的治理設備，該工藝主要用於瀝青儲運過程中生成煙氣的治理，實現了瀝青煙氣的近零排放，各項排放指標均優於國內外最嚴排放標準要求[9]。另外，柴油吸收－催化氧化組合工藝、動力波洗滌－光催化氧化組合工藝、動力波洗滌－電捕油技術組合工藝等也是比較常用的組合工藝，在瀝青煙氣治理過程中應用較多[10]。組合工藝可以有效避免單一工藝技術固有的缺陷，對汙染煙氣進行最大程度淨化，但是組合工藝操作更為複雜，裝置佔地面積更大，前期投資更高，需要時刻保持各工藝單元之間良好的連續性。
瀝青煙氣抑制技術
現在瀝青煙氣的治理技術主要適用於特定場合的瀝青煙後期處理，對瀝青生產和儲運階段比較合適，但是對於鋪路、壓實等開放環境下釋放的瀝青煙氣並不適用，並且現有治理技術無法在產品源頭處防止煙氣的釋放，不能將汙染消滅在源頭。因此，尋找一種能在源頭處抑制瀝青煙氣產生的方法顯得尤為重要，國內外研究者針對這一問題進行了大量研究，試圖通過瀝青改性、改進鋪路工藝等手段抑制煙氣的生成。
瀝青改性技術
通過向瀝青中添加抑煙劑等添加劑對基質瀝青進行改性，達到抑制瀝青煙氣的目的，這種改性瀝青通常被稱作淨味瀝青。但是，目前對於淨味瀝青的研究較少，國內還沒有開發出真正環保型的淨味瀝青。國際上殼牌公司開發的淨味瀝青最為出名，殼牌自行開發了Bitufresh瀝青淨味劑，經過特殊工藝將該淨味劑與殼牌SBS改性瀝青加工成淨味SBS改性瀝青，取得了較好的淨味抑煙效果。Bitufresh瀝青淨味劑可以與瀝青煙氣中的小分子物質，特別是硫化物進行反應，生成大分子不揮發性物質，進而抑制了瀝青氣味[11]。
常用的淨味瀝青添加劑主要有聚合物改性劑類、吸附劑類、阻燃劑類等。聚合物改性劑類包括SBS改性劑、聚氯乙烯等[12]，主要作用原理是聚合物吸收瀝青中易揮發的輕組分發生溶脹，並形成空間網絡結構，將小分子物質固定，從而達到抑煙的目的。吸附劑類又分為物理吸附劑和化學吸附劑，物理吸附劑常為具有巨大比表面積的多孔結構，吸附劑通過物理作用將小分子物質吸附在孔結構中防止其揮發；化學吸附劑主要是一些活性較強的小分子有機物，能與瀝青中小分子發生反應將其除去，但這種吸附劑往往具有較強的選擇性，不如物理吸附劑實用性強。阻燃劑類改性劑包括中斷熱交換阻燃類和凝聚相阻燃類，前者主要通過自身吸收熱量來降低瀝青溫度，進而阻止煙氣生成，常用的中斷熱交換阻燃類改性劑包括氫氧化鎂、氫氧化鋁等；後者的阻燃原理是阻止瀝青熱分解和可燃氣體的排放。
單一種類添加劑的加入會不可避免地對瀝青高低溫性能產生影響，尤其吸附劑類和阻燃劑類添加劑會導致瀝青的低溫延伸性能劣化，且單一種類添加劑難以達到理想的抑煙效果。因此，往往將不同種類添加劑復配使用，期望在抑煙的同時不影響瀝青的使用性能。有研究表明，將2.0%的SBS、0.4%的氫氧化鎂、0.2%的除味劑復配使用時，能將瀝青煙的排放量從0.60g/kg降到0.31g/kg,臭味等級由4級降到0級[13]。而將SBS與納米CaC03復配使用，當達到最佳復配比例時，煙氣減少效率能達到30%左右[14]。大部分添加劑的加入不僅會影響瀝青使用性能，還難以與瀝青相容，極易出現相分離，不利於長期儲存。為了提高SBS與瀝青的相容性，往往需要加入穩定劑，而穩定劑的加入引入了硫元素，加熱時又會生成SO2,H2S等有毒有害成分。
溫拌技術
瀝青中含有易揮發有毒有害物質是瀝青煙氣存在的根源，瀝青使用過程中高溫加熱是煙氣從瀝青中揮發出來的主要原因。瀝青的本身性質決定了有毒有害物質存在的必然性，因此研究者開發了溫拌瀝青技術，試圖通過降低加熱溫度抑制煙氣揮發，加熱溫度的降低還節省了能源，控制了成本。溫拌瀝青混合料的拌和、攤鋪溫度比熱拌瀝青混合料降低30°C左右，各方面性能達到或接近熱拌瀝青混合料[15]。目前，我國瀝青路面95%以上都是用熱拌瀝青混合料修建，若全部使用溫拌技術將會節省巨量燃料油，瀝青煙氣的排放量也會大大減少。
但是，溫拌瀝青混合料自身的一些不足導致其並沒有大範圍應用。溫拌瀝青混合料沒有專門的設計規範，依然沿用熱拌瀝青技術的設計方法，不利於溫拌技術的應用與推廣。雖然溫拌技術減少了加熱成本，但是溫拌瀝青的總體成本依然高於熱拌瀝青，這也抑制了溫拌技術的應用，而且溫拌瀝青的整體性能還比不上熱拌瀝青，路面長期服役性能變化更是未知。因此，溫拌技術要想全面取代熱拌技術還有很長的路要走。
乳化技術
乳化瀝青就是將瀝青以細小的微粒狀態分散於乳化劑的水溶液中，形成水包油的瀝青乳液，在使用過程中不需要加熱，在常溫下即可施工。乳化技術與溫拌技術一樣，都是通過降低瀝青使用溫度來抑制煙氣排放。但是，我國對乳化瀝青技術的開發較晚，乳化瀝青的整體性能落後於國外，目前乳化瀝青的應用量較小，主要集中在路面養護修補階段，對減小瀝青煙氣排放量的貢獻有限。乳化瀝青與溫拌瀝青一樣，路面使用性能不如熱拌瀝青，且成本較高，難以大範圍推廣。開發優質的乳化劑、改性劑，提高乳化瀝青使用性能，降低成本，是現階段研究者面臨的艱巨任務。
總結與展望
a)瀝青在生產、儲存、運輸階段生成的瀝青煙氣可以借鑑煉廠VOE治理的方法進行處治，工藝技術相對成熟。但在拌和、攤鋪、壓實階段生成的瀝青煙氣仍沒有較好的治理方式。目前研究主要集中在高溫加熱導致的瀝青煙氣，對於路面服役階段瀝青緩慢產生的有毒有害氣體關注較少，瀝青煙氣的釋放研究沒有形成相應的規範和標準。
b)瀝青煙氣排放沒有形成規範的檢測方法。實驗室一般通過檢測旋轉薄膜烘箱試驗前後的質量損失來判斷煙氣生成量，但瀝青在高溫下與氧氣反應會使得質量增加，煙氣的釋放會使得質量減小，用最終質量的變化量來評判煙氣生成量並不合理。
c)用抑煙劑對瀝青進行改性雖然可以一定程度上減少煙氣釋放量，但是加入的大部分添加劑都會影響瀝青的使用性能，尤其會使得低溫延展性降低，以犧牲瀝青質量來降低煙氣排放不值得推廣。
d)瀝青煙氣的治理成本難以控制。無論是使用廢氣治理技術對已生成煙氣進行治理還是通過添加抑煙劑將煙氣消滅在源頭，都很大程度增加了瀝青成本，而瀝青作為煉廠的末端產品，附加值較低，若再加上環保成本，瀝青生產廠家難以盈利，這也使得淨味瀝青的推廣變得困難。
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