廢砂再生與廢氣凈化新技術(shù)

（中國(guó)汽車(chē)工業(yè)工程有限公司，天津300113）

廢砂再生與廢氣凈化新技術(shù)

劉小龍，李明，李峰

（中國(guó)汽車(chē)工業(yè)工程有限公司，天津300113）

鑄造生產(chǎn)中的廢砂、廢氣和廢渣，給環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的危害。本文重點(diǎn)介紹了一種廢砂的再生和鑄造氣味的治理方法，希望能對(duì)行業(yè)的節(jié)能減排起到一點(diǎn)作用。

鑄件；廢砂；在線；再生；污染源；廢氣；刺激性；等離子體；粉塵；凈化

我國(guó)是一個(gè)鑄件生產(chǎn)大國(guó)，多年來(lái)鑄件產(chǎn)量一直位居世界首位，圖1為2001年-2015年中國(guó)鑄件年產(chǎn)量及增長(zhǎng)率。

圖1 2001年-2015年中國(guó)鑄件年產(chǎn)量及增長(zhǎng)率

不僅如此，鑄件產(chǎn)量占比也很高。以2013年鑄件產(chǎn)量為例，世界鑄件總產(chǎn)量為10 323萬(wàn)t，我國(guó)是4 450萬(wàn)t，占比43.1%，排在第二位的美國(guó)才是1 225萬(wàn)t.2015年我國(guó)鑄件產(chǎn)量又達(dá)到了4 560萬(wàn)t.作為鑄造人，對(duì)于這樣的業(yè)績(jī)應(yīng)該感到驕傲。但是，這樣的產(chǎn)量，意味著環(huán)保壓力的增加。因?yàn)樵诟黝?lèi)鑄件產(chǎn)量中，砂型鑄造的產(chǎn)量最大，約占75%左右甚至更高。因?yàn)榫湍壳暗蔫T造技術(shù)來(lái)講，砂型鑄造生產(chǎn)1 t鑄件將排出0.8 t到1 t的廢砂。

另外，鑄造生產(chǎn)過(guò)程中，每個(gè)環(huán)節(jié)均產(chǎn)生不同程度的有害廢氣，主要包含粉塵顆粒物、苯系物、醛類(lèi)、酚類(lèi)、胺類(lèi)、醇類(lèi)、酮類(lèi)等污染物。其污染的特點(diǎn)是：污染源分散，濃度低，組分復(fù)雜、氣體量大。圖2為鑄造環(huán)節(jié)大氣污染物示意圖。

圖2 鑄造生產(chǎn)環(huán)節(jié)主要大氣污染物示意圖

從鑄造生產(chǎn)環(huán)節(jié)污染源的情況來(lái)看，其污染物集中在粉塵顆粒物和VOC氣體兩大方面。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年我國(guó)鑄造行業(yè)排放污染物總量約為：廢氣1 000億m3（含粉塵200萬(wàn)t，VOC氣體100萬(wàn)t），廢砂5 000萬(wàn)t.

由此可見(jiàn)，鑄造生產(chǎn)的主要污染物是廢砂和粉塵顆粒物。為了減少鑄造廢砂對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)節(jié)省有限的資源，大家都在積極研究再生技術(shù)，但更多的是局限于樹(shù)脂砂的再生利用，真正黏土廢砂的再生利用還很少。對(duì)于粉塵的處理，目前通過(guò)各種形式的除塵器，完全可以達(dá)到或高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)排放，粉塵的排放濃度達(dá)到30 m g/m3以下，但對(duì)鑄造VOC有刺激性氣味的治理，才剛剛開(kāi)始。本文對(duì)廢砂再生和鑄造氣味處理進(jìn)行介紹。

1 在線黏土廢砂再生技術(shù)的研究

黏土廢砂是指從潮模砂砂處理系統(tǒng)排放的廢砂和清理車(chē)間排放的廢砂的混合物，里面含有芯砂、黏土、煤粉、廢鐵、砂塊、雜質(zhì)等。所謂廢砂再生，實(shí)際上是將上述鑄造廢棄的舊砂進(jìn)行物理處理、化學(xué)處理或加熱處理，去除砂粒表面的附著物，然后將砂子分離出來(lái)、達(dá)到或接近新砂性能并進(jìn)行分級(jí)的過(guò)程。

目前廢砂再生工藝（多為樹(shù)脂砂再生）主要有：濕法再生和熱法再生兩種。在平面布置上，由于環(huán)保設(shè)施不健全，往往單獨(dú)布置在廠區(qū)角落或廠外某個(gè)地方。因此，不管哪種工藝，都要將廢砂轉(zhuǎn)運(yùn)到再生車(chē)間，然后再把再生砂運(yùn)到需要地點(diǎn)。廢砂在運(yùn)輸過(guò)程中，很難做到不散落的可能，從而造成周邊環(huán)境進(jìn)一步惡劣。針對(duì)這一問(wèn)題，中國(guó)汽車(chē)工業(yè)工程有限公司研究了一種在線再生技術(shù)，其主要原理是在造型線的砂處理工部旁，并聯(lián)一個(gè)熱法再生系統(tǒng)。砂處理系統(tǒng)排出的廢砂直接進(jìn)入再生系統(tǒng)的存儲(chǔ)斗中，處理完成后將再生砂直接發(fā)送到需要點(diǎn)。其關(guān)鍵設(shè)備有：破碎、焙燒、冷卻、機(jī)械再生、風(fēng)選及輸送系統(tǒng)等[1]。

2 在線黏土廢砂再生技術(shù)的特點(diǎn)

2.1 廢砂成分穩(wěn)定

由于在線再生系統(tǒng)的廢砂來(lái)自于砂處理系統(tǒng)中的排廢口，而砂處理系統(tǒng)有磁選、過(guò)篩等工藝，進(jìn)入再生系統(tǒng)的廢砂相對(duì)純凈，不會(huì)有塑料紙、石子、大砂塊等，因此，不需要安排專(zhuān)人在廢砂進(jìn)入再生系統(tǒng)的振動(dòng)篩處分揀雜物。

2.2 周?chē)h(huán)境好

非在線再生系統(tǒng)需要將廢砂運(yùn)輸?shù)皆偕?，在運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)散落一地，遇風(fēng)一吹，漫天飛舞，給環(huán)境帶來(lái)污染。經(jīng)過(guò)再生好的砂子，又需要二次運(yùn)輸?shù)接蒙包c(diǎn)，造成運(yùn)輸量增加和人力、機(jī)具的浪費(fèi)[1]。而在線再生，進(jìn)入系統(tǒng)的廢砂來(lái)自于砂處理的排廢口，可自動(dòng)進(jìn)入再生系統(tǒng)，再生好的砂子，可根據(jù)需要發(fā)送到每個(gè)使用點(diǎn)，整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程通過(guò)機(jī)械設(shè)備來(lái)完成[1]。在平面布置上，將再生車(chē)間與砂處理并聯(lián)靠近布置，減少搬運(yùn)環(huán)節(jié)和物流路線，因此，在線再生過(guò)程不需要二次搬運(yùn)，也不會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生污染。

2.3 節(jié)省勞動(dòng)力

由于在線再生不需要二次搬運(yùn)，也不需要專(zhuān)門(mén)分揀，因此大大節(jié)省了勞動(dòng)力。一般一套5 t/h的再生系統(tǒng)可節(jié)省3人到5人，這在勞動(dòng)力嚴(yán)重缺乏，特別是惡劣勞動(dòng)環(huán)境下的勞動(dòng)力更加缺乏的情況下，顯得格外重要。

2.4 設(shè)備投資少

由于在線再生和砂處理是統(tǒng)一考慮的，因此，可以節(jié)省一些輔助設(shè)施，從而減少占地面積，節(jié)省投資。目前一套5 t/h的再生系統(tǒng)，設(shè)備投資大約600多萬(wàn)元，正常情況下一般2年到3年就能收回投資。

2.5 可實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化

自動(dòng)化、智能化、綠色化、數(shù)字化是鑄造業(yè)追求的目標(biāo)，由于在線再生并聯(lián)于砂處理系統(tǒng)，整個(gè)物流可以形成一個(gè)閉環(huán)。因此，在線再生技術(shù)提供了自動(dòng)再生的可能，這對(duì)實(shí)現(xiàn)鑄造的“四化”具有深遠(yuǎn)的意義。

3 鑄造企業(yè)廢氣處理現(xiàn)狀及凈化

3.1 鑄造氣味的處理形式及特點(diǎn)

對(duì)于VOC終端控制方法，針對(duì)不同濃度、不同風(fēng)量和不同組分，有燃燒法、吸附法、生物降解法、吸收法、冷凝法、光催化法和低溫等離子體法，而在處理VOC過(guò)程中也是各有利弊。表1為幾種VOC處理工藝對(duì)比。

對(duì)于鑄造企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣，現(xiàn)場(chǎng)工作人員的表觀反應(yīng)是具有刺激性氣味。這些有刺激性氣味的廢氣以醛類(lèi)、酚類(lèi)、胺類(lèi)、醇類(lèi)、酮類(lèi)及苯系物等VOC為主。當(dāng)濃度達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞身體健康，所以有組織排放已是當(dāng)務(wù)之急。當(dāng)鑄造企業(yè)采用濕法吸收這些VOC時(shí)，會(huì)形成二次污染，而采用活性炭吸附方式時(shí)，置換過(guò)程中，VOC易逃逸，且再生成本高，都存在不足。針對(duì)鑄造VOC廢氣凈化的現(xiàn)狀，中國(guó)汽車(chē)工業(yè)工程有限公司進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)了適宜鑄造行業(yè)的低溫等離子法技術(shù)，圖3為廢氣凈化流程圖。

表1 幾種VOC處理工藝對(duì)比

圖3 廢氣凈化流程圖

3.2 低溫等離子體凈化鑄造廢氣VOC技術(shù)

低溫等離子體技術(shù)在VOC污染物治理方面優(yōu)勢(shì)顯著，其原理是利用交變高壓電場(chǎng)進(jìn)行氣體放電，產(chǎn)生低溫等離子體，凈化廢氣中的VOC，低溫等離子體凈化VOC原理圖見(jiàn)圖4.

凈化過(guò)程主要分為四個(gè)步驟。

圖4 低溫等離子體凈化VOC原理圖

3.2.1 電子雪崩

電子在交流電場(chǎng)作用下，發(fā)生遷移運(yùn)動(dòng)，與放電間隙的氣體分子或原子發(fā)生非彈性碰撞并引起電離，激發(fā)出自由電子。這些電子在交流電場(chǎng)的作用下，飛向陽(yáng)極，發(fā)生了第二次碰撞，又激發(fā)了另外的自由電子。這樣，由于連續(xù)不斷的碰撞電離，產(chǎn)生了更多的電子、空間電荷，形成了電子雪崩。

3.2.2 發(fā)光流柱與微放電

隨著電子崩的發(fā)展，電子崩中的電子數(shù)呈指數(shù)增加，大量電子聚集在雪崩頭部形成電場(chǎng)，并逐漸增強(qiáng)，到達(dá)一定程度后，放電間隙內(nèi)總的合成電場(chǎng)明顯畸變，導(dǎo)致電離加強(qiáng)，在兩極之間形成導(dǎo)電通道，并在電子崩頭部放射出大量光子，形成發(fā)光流柱。由于兩極間介質(zhì)的存在，限制了放電電流的自由增長(zhǎng)，阻礙了火花或弧光的形成，產(chǎn)生了大量細(xì)絲狀的脈沖微放電，從而均勻、穩(wěn)定地充滿整個(gè)放電間隙。

3.2.3 高能電子及自由基的形成

電子在一個(gè)平均自由程內(nèi)獲得能量后，會(huì)與其他粒子碰撞，如果發(fā)生非彈性碰撞，電子將失去大部分能量；如果發(fā)生彈性碰撞，電子將在下一個(gè)自由程內(nèi)繼續(xù)獲得能量，如此反復(fù)。電場(chǎng)強(qiáng)度越大，電子獲得的能量越多，高能電子越密集。

電子被放電電場(chǎng)加速具有高能量，與大氣中的氧氣和水蒸氣發(fā)生非彈性碰撞，傳遞能量，產(chǎn)生羥基自由基，具有強(qiáng)氧化性。

3.2.4 VOC分子的降解

有機(jī)物分子在放電間隙中受到高能電子的轟擊碰撞，當(dāng)高能電子的能量大于有機(jī)物分子的結(jié)合鍵能時(shí)，VOC原有的穩(wěn)定性遭到破壞，斷鍵形成小碎片基團(tuán)；這些不穩(wěn)定的小碎片基團(tuán)與空間彌漫的自由基發(fā)生一系列強(qiáng)氧化反應(yīng)，最終形成C O2、H2O和一些無(wú)害的小分子化合物。廢氣中甲醛和苯乙烯的凈化分別如圖5和圖6所示。

圖5 廢氣中甲醛的凈化

圖6 廢氣中苯乙烯的凈化

4 低溫等離子體凈化鑄造廢氣VOC的特點(diǎn)

低溫等離子凈化技術(shù)適宜鑄造廢氣的特點(diǎn)：大風(fēng)量、低濃度、組分復(fù)雜。

低溫等離子體能凈化樹(shù)脂、煤粉、共聚物泡沫等不充分燃燒產(chǎn)生的苯系物、醛類(lèi)、酚類(lèi)等污染物，同時(shí)也能凈化冷芯盒采用的三乙胺等催化氣體，最終生成C O2、H2O和無(wú)害小分子；

低溫等離子體能高效除味，特別適應(yīng)鑄造生產(chǎn)過(guò)程中制芯、澆注、落砂、熱處理等工序產(chǎn)生的各種刺激性氣味的氣體；

低溫等離子體處理鑄造廢氣屬于干法凈化，是一種全新的凈化過(guò)程，運(yùn)行過(guò)程無(wú)需添加任何添加劑，不產(chǎn)生廢水、廢渣，不會(huì)導(dǎo)致二次污染；

適應(yīng)性強(qiáng)。低溫等離子體發(fā)生器可適應(yīng)高溫200℃，低溫-50℃的廢氣環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)，即使是在潮濕的環(huán)境下仍可正常運(yùn)行，每天24 h連續(xù)工作，穩(wěn)定可靠；

自動(dòng)化程度高。低溫等離子體發(fā)生器實(shí)時(shí)監(jiān)控污染口和排放口的廢氣濃度和凈化效率，實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，同時(shí)提供的數(shù)據(jù)可與工廠信息化主干網(wǎng)交互；

低溫等離子體發(fā)生器由不銹鋼、耐高溫石英、聚四氟乙烯等材料組成，抗氧化性強(qiáng)，可適應(yīng)一定程度的腐蝕性氣體。

5 結(jié)語(yǔ)

鑄造污染物主要有廢砂、廢氣和廢渣，其中廢砂排放量最大，其次是廢氣，再者才是廢渣。本文介紹了一種廢砂的在線再生技術(shù)和鑄造氣味的一種治理方法，在環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)的今天，具有很深遠(yuǎn)的意義。而且，需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是：鑄造污染物排放的多少是設(shè)計(jì)出來(lái)的，不是治理或彌補(bǔ)出來(lái)的。就是一個(gè)鑄造項(xiàng)目，要從設(shè)計(jì)開(kāi)始，選用污染少的工藝，實(shí)在難以避免的污染，設(shè)計(jì)初期就采取完備的治理措施，還人民一個(gè)藍(lán)天白云的環(huán)境。

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圖2 控制系統(tǒng)原理圖

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New Technology of the Waste Sand Regeneration and Flue Gas Purification

LIU Xiao-long，LI Ming，LI Feng
（Automotive Engineering Corporation，Tianjin 300113，China）

Waste foundry sand，flue gas and waste residue in foundry manufacturing damage environment seriously.This article focuses on waste sand regeneration and a management method of flue foundry gas.It intends to work on energy saving and emission reduction in foundry.

casting，waste foundry sand，on-line，regeneration，source of pollution，flue gas，irritant，plasma，dust，purification

TG221

A

1674-6694（2016）06-0008-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.06.003

2016-09-11

劉小龍（1964-），男，教授級(jí)高工，主要從事鑄造工程與非標(biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)。