瀝青拌合站污染問題的產生及對策

王若涵,穆凱逸

（山東省實驗中學,濟南 250001）

瀝青拌合站污染問題的產生及對策

王若涵,穆凱逸

（山東省實驗中學,濟南 250001）

目前在瀝青路面施工中使用的瀝青混合料拌合站越來越不能適應現代社會對環保的要求,文章分析了傳統瀝青拌合站中污染問題的產生根源,提出了對傳統瀝青拌合設備的改進思路.

瀝青拌合站;環保;能源;土木工程

1　引言

瀝青拌合站的污染問題和多數其他機械類似,主要分為噪音污染、粉塵污染、殘渣廢料污染和地面油水污染等.盡管隨著技術的革新與進步,人們在治理拌合站污染問題上已經有了一定進步,甚至產生了能夠按比例回收并二次利用瀝青混合料廢料的再生設備,但是目前在用的瀝青拌合站在很多方面仍然需要進一步優化和完善,例如在鼓風機中空氣與高速旋轉的葉輪摩擦帶來噪音污染;骨料提升機中由于結構設計問題造成的石料浪費;振動篩晃動時石子與器械碰撞出現噪音;石料的傾倒、堆放與運輸導致粉塵污染;燃燒燃料時排放的有害氣體;拌合完成后產生少量固體廢料等。本文將從瀝青拌合站產生噪聲、粉塵及廢氣排放等問題的原因探討其治理方法。

2　傳統瀝青拌合站工作流程[1][2]

3 　拌合站工作過程中產生的污染及原因分析

3.1 噪聲

傳統的瀝青拌合站中大量的機械設施采用大功率的設計,以便于帶動著整個拌合站的運轉;但同時,此類型的大型發動機在運轉過程中,極容易產生工業噪聲問題,包括空氣動力性噪聲、機械噪聲、電磁噪聲以及結構噪聲.除此之外,由于部分機械設施的設計存在缺陷,導致原料與器械間發生摩擦和碰撞,更加劇了噪聲的嚴重,不利于周邊居民及工人的正常作息。

干燥機滾筒由于干燥滾筒龐大的體積和質量,發動機的運行和滾筒的旋轉會因機械摩擦產生一定機械性噪聲;此外,在葉片的帶動下,砂石料在干燥機滾筒內部做上下往復的機械性運動,石料與金屬轉筒碰撞產生分貝較高的碰撞聲,也是干燥機滾筒的主要噪聲來源。

排風機在排風機正常作業時,由于其功率較大(一般為160千瓦,占到整個拌合站工作功率的1/5),也導致了極為嚴重的噪聲問題:在工作葉片旋轉時,高功率使葉片以較高頻率連續摩擦、撞擊周圍的空氣介質,引起周圍氣體由于氣流不均勻產生壓力脈動,從而向四周輻射大量旋轉噪音;當氣流流經葉片界面產生分裂時,形成附面層及漩渦分裂脫離,而引起葉片上壓力的脈動,在動翼的背面產生渦流,輻射出一種非穩定的渦流噪聲;空氣在負壓排風機內部流動時,若遇到較為尖銳的障礙物,其運動模式容易受到影響產生混亂,形成亂流,從而可能帶來頻率較高的噪聲,并造成風機工作效率的損失．除排風機本身設計產生的固定噪音外,其它部件質量,包括軸承的裝配與精密度、齒輪與皮帶之間的摩擦、馬達等結構的共振等也可能帶來機械噪聲［3］.綜上所述,排風機也成為整個瀝青拌合站中最重要、占比最大的噪聲污染源。

斗式提升機常用的提升機為斗式提升機[4],即由料斗、牽引構件(鏈條或橡膠帶)及鏈輪構成的將砂石料提升到振動臺的機械設施.工作時,在提升機最下方的料斗接收料倉中倒出的物料,隨著輸送帶移動到頂部;繞過頂輪后料斗向下翻轉,將物料傾入相應的接受槽內,并再次隨輸送帶降至底部,進行循環作業.以這樣的方式,在料斗接受及傾倒石料時,下落的石子必定會與料斗及接受槽的鐵質內壁發生碰撞,產生一定的噪聲;此外,由于當前提升機內部設計存在一定缺陷,石子在傾倒至提升機時無法完全被料斗接收,因而下落到地面,在產生少量原料浪費、影響提升機正常工作的同時,下落過程中石料與提升機外殼發生的碰撞摩擦同樣向外輻射出少量的噪聲。

振動篩石料在篩網上不間斷的跟隨篩箱的振動而上下跳躍,致使石子與石子、石子與篩網間產生持久的摩擦和碰撞,從而造成了少量噪音的出現。

3.2 粉塵

在瀝青拌合站的操作過程中的許多環節,包括砂石料的堆放與運輸、干燥機滾筒的初期加熱運轉、廢料排放,都有可能產生粉塵,盡管拌合站中集塵器的設計能夠在一定程度上起到緩解作用,但效果欠佳,特別是積塵處理較難,粉塵仍然是目前瀝青拌合站最顯著的污染來源。

集塵器在第一批石料被送入干燥機滾筒進行加熱干燥時,由于石料還未能跟上滾筒的轉動,筒內尚未形成料簾,因而在瀝青拌合站工作的初期,燃燒器所噴出的火焰無法受到料簾的阻擋.此時如果以正常功率打開排風機進行除塵作業,燃燒器的火焰容易受到強大風力而過度拉長,并通過風機產生的吸力將熱量傳遞到上層的除塵布袋中,引發布袋起火,導致機械的損壞.因此在實際操作過程中,當運輸集料皮帶機將第一批石料送入干燥機滾筒后,需要適當控制風機的功率以防止上述事故的發生;但小功率運作大大降低了集塵器的除塵效率,使大量砂石料中的粉塵無法立刻被處理,只能逸出干燥機滾筒進入空氣中［5］.盡管這類問題僅在拌合站運作初期較為明顯,但其排放的粉塵數量極大,煙霧擴散后在空氣中單位體積含量較高,并伴有刺激性氣味,嚴重影響施工環境;同時,大量的集中粉塵堆積可能損壞工業機械設備,縮短拌合站機械部件的使用壽命,造成一定經濟損失。

石料的轉運工業用車(例如裝載機)在轉運砂石料時,石料的傾倒由于受到重力的影響,在下落時形成的高度落差打破了原本較為緊密的石料內部結構,導致石料顆粒間的縫隙增加,使原本存在于其中的干燥細沙、泥土等灰塵失去了原本相對穩定的受力壞境,再加上下落過程中受到微小不穩定氣流的影響,這部分細小顆粒便會飄散在空氣中形成粉塵,覆蓋在整個瀝青拌合站機械的外層,嚴重時可能會影響影響拌合站的正常工作與運轉,降低生產效率及經濟效益,而當石料在拌合站內部被提升時,由于骨料提升機的斗式設計,提升過程也伴隨著不間斷的石料的傾倒,因此也會由同樣的原因而產生少量粉塵。

3.3 工業排放氣體

瀝青拌合站在利用燃燒特定燃料,例如煤炭、重油等,獲得能量進行工作時可能會由于燃料燃燒不夠完全及燃料純凈度較低產生少量工業氣體,其中包括有毒氣體二氧化硫(SO2),一氧化碳(CO),以及溫室氣體二氧化碳(CO2).對于二氧化硫而言,這種化合物是最簡單也是最常見的硫氧化物及工業排放物,但這種氣體卻嚴重危害大氣環境,是當下大氣主要污染物之一.二氧化硫產生的原因是,在瀝青拌合站的主要供能物質煤炭及燃燒器所需要的重油(原油經過提煉的后期所帶來的產物,同時也是加熱瀝青的重要原料)內部,由于純度問題,存在著一定量的硫元素,且即使經過一定的脫硫技術處理,仍會有少部分留存下來,并在燃燒過程中與氧氣發生氧化反應生成了二氧化硫[6]。

二氧化硫在產生并進入大氣后,很容易與空氣中的水反應生成酸性物質(如硫酸、亞硫酸等),最終以酸雨[7]的形式落向地面,影響水源質量及生態環境。

而對于一氧化碳和二氧化碳,此兩種氣體是普遍出現在燃燒反應中的產物。

其中一氧化碳能夠直接對生物生理機能產生危害:該氣體是具有無色無味性質的有毒氣體,比氧氣更容易與血紅蛋白相結合生成碳氧血紅蛋白[8],從而導致血紅蛋白喪失攜氧能力,在濃度較高時會嚴重影響生物的呼吸系統,造成一系列危險。

不同于其他機械,瀝青拌合站在工作過程中還有可能產生瀝青煙[9],一種瀝青或瀝青混合料在加熱時所釋放的氣溶膠與蒸汽的混合物.由于瀝青煙的成分隨瀝青成分和混合料原料的比例變化而變化,所以瀝青煙的組成極為復雜,其內部既存在著瀝青揮發再凝結所形成的固體顆粒或液滴,也含有其它氣態有機物,且常常混雜著煙塵,呈現黑褐色,并帶有刺激性氣味;其中瀝青煙內部的3-4苯并芘是致癌有機物質,這樣導致經常接觸瀝青拌合站的工作人員有較高的皮膚癌、咽喉癌發病率.在拌合站方面,在瀝青混合料的加熱制作及成品瀝青的裝卸過程中,如果不能夠妥善處理,便可能會引發瀝青煙的排放。

4　改善瀝青拌合站環境污染問題的對策

因目前拌合站仍存在以上諸多污染問題,新型的環保型拌合站勢必會成為瀝青拌合站發展的主流方向;而通過現有技術手段及工業材料,對當前在用的拌合站進行改進也將會成為其發展過程中不可或缺的環節.基于前文對于瀝青拌合站污染源的分析,環保型拌合站的構想將會打破傳統拌合站中常見機械的束縛,通過引入新型多功能材料、構建新型機械設施等方式,對原有拌合站中相對落后的部件進行改造,在理論上能夠起到較為顯著治理效果。

4.1 噪聲問題的治理

根據前期對于瀝青拌合站噪聲來源的分析,可大體將其噪聲源分為兩類,即石料與機械間由摩擦碰撞產生的噪聲以及排風機大功率工作時產生的噪聲.針對此二類噪聲問題,在新型拌合站的設計過程中也將采用三種不同的方式進行處理,即（1）在原有工業機械中引入并應用質地較為柔軟的耐高溫吸音材料;（2）對傳統拌合站中的部分器械設計進行小幅度改進;（3）摒棄傳統拌合站中存在設計缺陷的”干燥機滾筒-排風機-集塵器”系統,并利用全新的機械裝置對瀝青拌合站中干燥除塵系統進行優化升級的處理。

4.1.1 耐熱型吸音材料的使用

礦渣吸音棉礦渣棉[10]是礦物棉的一種,是用石英砂、石灰石和玄武巖為主要原料,加入鈦、鉛、銅、鉻、鐵、鎳、磷、錳、鋅等工業廢渣,經過熔化離心等工藝制成的人造棉絲狀無機纖維;該材料具有吸音能力強、導熱系數低、質輕、強度大、化學性質穩定、經濟成本低、彈性豐富且質地較為柔軟等優良特點.當物體大幅度振動產生噪聲時,聲波經過礦渣棉的纖維結構,并在其內部不間斷地反復干涉、疊加和反射,從而將大量的聲能轉化成其他形式的能量(如熱能),起到減弱噪聲強度的效果;此外,該材料具備柔軟的質地,能夠較好的緩沖與物料撞擊時帶來的震動,減弱聲音幅度;其耐高溫的特性也讓之非常適合承受經加熱的高溫石料.因此,如果將礦渣棉材薄層料覆蓋在瀝青拌合站中振動箱和斗式提升機料斗的箱體內壁,理論上將會起到顯著的降噪作用,解決由于物料和機械間摩擦而產生的碰撞性噪聲。

泡沫鋁泡沫鋁[11]是一種在鋁合金或純鋁中加入特定添加劑后,經過發泡工藝,使其內部形成大量均勻分布的孔洞制成的多功能復合材料,具有可回收、密度小、耐高溫、吸收沖擊能力強、吸音和抗腐蝕效果好且易于安裝加工等性能.當聲波在空氣中傳播時,泡沫鋁內部空洞結構會使其發生干涉、散射及漫反射,將聲音聚集在氣孔,通過孔壁骨架的震動吸收并消耗聲音的能量,起到消音除噪的作用,其吸聲峰值可達到0.95以上,屬于高阻尼材料[14].此外,泡沫鋁沒有方向性和反彈能力,所以能夠高效的吸收沖擊力,有著較強的減震性能,能夠緩解機械部件與物料之間碰撞產生的聲音;而且泡沫鋁的軟化點大約為500℃,且加熱至1400℃也不會熔化,高于鋁合金融化點840℃,有良好的耐熱性,非常適合與高溫石料進行接觸,因此,若將此材料覆蓋在瀝青拌合站部分機械設施的內壁上,運用其吸音及耐熱能力,將有效的規避拌合站中常見的機械噪聲問題。

4.1.2 干燥-排風系統的優化升級

在傳統瀝青拌合站的設計中,排風機和干燥機滾筒的運轉是整個拌合站最主要的噪聲源.因此,在新式拌合站的設計過程中,原始的排風機系統將被淘汰,采用全新的機械裝置取代其功能.同時,干燥機滾筒也必須進行全面的優化升級以配合排風機的革新(參見4.2.3).

4.2 粉塵問題的治理

4.2.1 石料堆積方式的改進

在冷骨料斗附近的空曠地帶建立容量較大的封閉式料倉進行石料的存儲.在料倉的投料口加入水汽除塵的技術,即在料倉的料口設置水霧噴吐裝置,在運輸車輛裝卸石料時,噴水裝置隨著投料口自動打開,對石料進行水霧噴灑的處理,使得石料內的粉塵以及細小顆粒在水霧作用下沉降在料倉內,大幅度減少石料傾倒過程中揚塵的產生.同時,在料倉與冷骨料斗之間建立一條連接通道,使石料直接經電腦操控從料倉進入冷骨料斗進行下一環節的加工,省去用裝載機搬運的過程,減少導致粉塵產生的工序.該類型料倉的建設相比建筑用防塵網,能夠更加全面地達到環保目的.雖然前期建設投入較高,但在后期能夠大幅度減少場內轉運成本,并且使整個拌合站區保持干凈整潔。

4.2.2 干燥-排風體系的改進構想

排風機與集塵器傳統瀝青拌合站中,排風機是整個機械設備中由于功率過大和物理設計缺陷產生噪聲最為嚴重的部分;因此,考慮到其設計不符合環保型拌合站理念且能源消耗占比過大,在新式拌合站中將去處該設備,并直接將干燥機滾筒后段于提升機相連接.同時,雖然布袋式集塵器能夠起到較好的除塵效果,但是由于其在拌合站工作開始階段不能夠以最佳功效工作,仍然產生較為嚴重的粉塵問題,因此在新式拌合站的設計中也需將之去除,并采用全新且更高效的除塵系統,比如靜電除塵模式等,將傳統干燥-排風體系全面升級。

干燥機滾筒設計改進傳統的干燥機滾筒設計,由于轉動過程中料簾的存在,石料與其內壁不可避免發生碰撞,產生碰撞性噪聲;對此,應在滾筒的內壁和外壁之間設計一夾層,并在該層中填入耐熱性隔音保溫材料(如前文所述的礦渣棉、泡沫鋁等),既可以節能,也能削弱碰撞過程中所造成的噪聲強度,防止過量的噪聲穿過滾筒外殼傳播到外界,達到減弱噪聲的目的。

4.3 工業排放有害氣體的處理

對于環保型瀝青拌合站,新式燃燒器燃燒管中加入的空洞設計有效的提高了火焰與空氣的接觸,保證燃燒的充分,從而能夠在一定程度上減少一氧化碳的產生.同時,對整個拌合站的加熱能源,條件允許的情況下可改為天然氣等環保型能源,減少有害氣體的排放.除此之外,在瀝青拌合站的煙囪通路中設置氣體過濾裝置,比如石灰石(CaO)或堿式硫酸鋁吸收法,用于吸附去除二氧化硫等有害氣體,達到清潔排放的目的。

環保型拌合站的設計中對瀝青煙的治理可采用如下方法.（1）電捕法[12],即建立極板并使之產生電場;瀝青煙內部的顆粒以及大分子進入電場后在靜電力的作用下傾向于向一極移動,以達到捕捉有害物質的目的;但此類方法單次投資較大,且對瀝青煙溫度有較高要求.（2）吸附法[13],即在形成瀝青煙的位置(如出料口)安置爐渣、滑石粉等疏松多孔且比表面積較大的物質對煙霧進行物理性吸附;具體吸附材料的采用需根據瀝青煙內部成分的組成以及吸附時的溫度來決定.此方法相比而言二次污染產生可能性較低,且過程中所使用的吸附物質大都可直接再次用于生產,符合環保型拌合站的理念。

5　結語

傳統瀝青拌合站產生的噪聲、粉塵和工業排放氣體問題的有效解決符合環境友好的目標和可持續發展理念,進一步探討對傳統瀝青拌合站的升級改造,對促進公路建設的健康發展具有重要意義。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.232