綠色鑄造廢氣處理裝置設(shè)計與應(yīng)用

張建雄，宋 彬，及曉陽，張志峰，戴開明

（1.浙江遂金特種鑄造有限公司，浙江遂昌323300；2.北京北方恒利科技發(fā)展有限公司，北京102600；3.湖北江山重工有限責(zé)任公司，湖北襄陽441057）

隨著鑄造工藝的發(fā)展，鑄造企業(yè)已廣泛采用新一代自硬呋喃樹脂砂造型,這不僅縮短了生產(chǎn)周期,提高了生產(chǎn)效率,而且也提高了鑄件外觀質(zhì)量。在重復(fù)再生使用的樹脂砂型、芯澆注時,受高溫鋁合金液的烘烤,會散發(fā)出帶刺激、臭氣味的混合氣體,其中不僅有二氧化硫、二氧化氮和少量的一氧化氮、硫化氫外,還會產(chǎn)生極少量粘度較大的樹脂揮發(fā)物，如甲醛、酚、甲醇、苯化合物等有害物質(zhì)；這些物質(zhì)對人體健康有害，也會嚴重污染環(huán)境，影響到周邊居民正常的生活，由此遭到了環(huán)保投訴，引起了公司領(lǐng)導(dǎo)的高度重視。鑒于鑄造行業(yè)的特殊性，暫時不能實現(xiàn)清潔生產(chǎn)，公司決定自主設(shè)計開發(fā)能同時綜合處理這些帶刺激、臭氣味混合氣體的FB09-062鑄造廢氣處理裝置。

該裝置采用兩種鈉堿化學(xué)液體吸收法和活性炭吸附法來凈化鑄造廢氣，使有害物質(zhì)變成了無害的有用物質(zhì)?；钚蕴客ㄟ^化學(xué)液體自動再生，飽和的鈉堿化學(xué)液體用石灰漿進行再生后重復(fù)使用，得到的副產(chǎn)品是石膏，不會產(chǎn)生二次污染。鑄造廢氣經(jīng)過凈化后，達到《大氣污染物綜合排放標準GB16297-1996》，由離心風(fēng)機抽排到大氣中。

1 主要研究內(nèi)容

廢氣治理設(shè)備的設(shè)計一般根據(jù)廢氣的性質(zhì)、處理量及處理的要求來確定。努力減少或防止廢氣污染物的排放、確保達標排放、回收有用物質(zhì)、建立無害型清潔生產(chǎn)工藝是治理的目的。

圖1 FB09-062鑄造廢氣處理裝置

設(shè)計時要努力做到優(yōu)化組合，設(shè)計一個效率高、費用省、能耗低的處理工藝流程，同時兼顧設(shè)備的技術(shù)指標和經(jīng)濟指標。一般設(shè)備的技術(shù)指標指廢氣處理設(shè)備的處理氣量、設(shè)備阻力、污染物去除率等；經(jīng)濟指標指一次投資費用、操作費用、占地面積及使用壽命等。既要做到技術(shù)上的先進性又要保證經(jīng)濟上的合理性。

廢氣治理設(shè)備的共同特點是將氣體中的污染物分離出來或轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，以達到凈化氣體的目的。通常采用的除塵、吸收、吸附、催化、冷凝等治理技術(shù)均屬單元操作，對各單元操作的研究發(fā)現(xiàn)其中的共同規(guī)律及內(nèi)在聯(lián)系就在于三傳的理論。因此動量傳遞、熱量傳遞、質(zhì)量傳遞及化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)是廢氣治理設(shè)備設(shè)計的基本理論。

對于管路及設(shè)備的阻力，需要利用流體力學(xué)的理論去解決、降低流速、提高流通面積、改善設(shè)備氣體入口的分布狀態(tài)、消除初始動能等措施均有利于降低設(shè)備阻力；設(shè)備結(jié)構(gòu)要符合凈化過程的要求；所有氣體凈化技術(shù)都涉及到異相傳質(zhì)問題，為保證傳遞速度穩(wěn)定必須有足夠的相接觸面積，需根據(jù)質(zhì)量守恒定律對設(shè)備進行物料衡算；化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)主要是以流體力學(xué)、熱傳遞及物質(zhì)傳遞原理及化學(xué)動力學(xué)為基礎(chǔ)，目的在于控制生產(chǎn)規(guī)模的化學(xué)反應(yīng)過程，并對設(shè)計提供理論依據(jù)，使之能結(jié)合具體工藝要求進行最佳反應(yīng)器的設(shè)計。

鑄造用新一代呋喃樹脂SQG-400是由C、H、O、N等原子以不同的形式結(jié)合而形成的液態(tài)有機化合物。在樹脂生產(chǎn)階段，各種原材料分子在熱和催化劑的作用下，初步聚合成具有兩維空間的線形鏈狀結(jié)構(gòu)的初聚物分子。在鑄造生產(chǎn)使用時，由于鑄造用固化劑GC-09-G(冬)或GS-03-G(夏)、GS-05-G(春秋)的加入，促使分子間這種聚合反應(yīng)繼續(xù)進行并形成具有非常大的分子量的具有三維空間結(jié)構(gòu)的不溶性的體形網(wǎng)狀高分子聚合物。當(dāng)三維結(jié)構(gòu)聚合反應(yīng)發(fā)生在砂子之間時，所形成的網(wǎng)狀樹脂結(jié)構(gòu)就將砂粒彼此粘結(jié)起來，形成堅硬的骨架結(jié)構(gòu)。在160～200℃烤窯烘烤時，會釋放出帶刺激的甲醛氣體。樹脂砂型、芯在差壓澆注時受高溫鋁合金液的烘烤,會散發(fā)出低濃度帶刺激、臭氣味的混合氣體,混合氣體里不僅有二氧化硫、二氧化氮和少量的一氧化氮、硫化氫,還會產(chǎn)生極少量粘度較大的樹脂揮發(fā)物，如甲醛、酚、甲醇、苯化合物等有害物質(zhì)。

二氧化硫SO2,又稱亞硫硫酸酐，是含硫大氣污染物中最重要的一種。SO2為無色、有刺激性臭味的有毒氣體，不可燃，易液化，氣體密度2.927kg/m3,沸點-10℃，熔點-72.7℃，蒸汽壓155.4kPa(1165.4mmHg,0℃),溶于水，水質(zhì)溶解度為11.5g/L,一部分與水化合成亞硫酸。

二氧化氮NO2為黃色液體和棕紅色氣體，熔點-11.2℃，沸點21.2℃，相對密度1.4494（液體，20℃），能溶于水生成硝酸和亞硝酸，具有腐蝕性。NO2是有刺激性的氣體，毒性很強，，約為NO的4～5倍。對呼吸器官有強烈的刺激作用，進入人體會引起氣管炎、肺炎、甚至肺氣腫。

NO為無色氣體、淡藍色液體或藍白色固體，熔點-163.6℃，沸點-151.8℃，密度1.3402kg/m3，在空氣中容易被O3和光化學(xué)作用氧化成NO2。一氧化氮是大氣污染物之一，但少量的一氧化氮在人體內(nèi)具有擴展血管、增強記憶的功能。通常狀況下，一氧化氮密度比空氣略大，極易與氧氣反應(yīng)，難溶于水。

硫化氫H2S是有機質(zhì)腐爛后的自燃產(chǎn)物。液態(tài)硫化氫的沸點很低，因此我們通常看到的是氣態(tài)的硫化氫,其能在液體中溶解，溶解度與溫度、氣壓有關(guān)。硫化氫(H2S)是一種具有臭雞蛋氣味的致命毒氣，它的密度比空氣大，可溶于水形成氫硫酸，氫硫酸具有酸的通性。

為了改變這種狀況，對大氣污染物必須進行治理，以改善環(huán)境質(zhì)量，保證人群健康，維護生態(tài)平衡，促進良性循環(huán)。為此本著因地制宜，從實際出發(fā)的原則，必須篩選鑄造廢氣綜合治理技術(shù)，盡可能采用最佳實用技術(shù)。

吸收法和吸附法常被應(yīng)用于氣態(tài)污染物的控制，吸收法是利用其氣體混合物的各組分在液體中的溶解性質(zhì)不同，利用吸收劑將有害氣體進行吸收除去的方法。吸附法是用多孔性固體處理流體混合物，使其中所含的一種或幾種組分濃集在固體表面，而與其它組分分開的方法。

1.1 吸收法

吸收法是利用有害氣體的物理或化學(xué)性質(zhì)，利用吸收劑將有害物質(zhì)進行吸收除去的方法。其凈化過程可以用傳質(zhì)原理來描述，氣體混合物在與液體接觸過程中，其中一種或多種氣體組分首先溶解在液相中，物質(zhì)從溶質(zhì)到溶劑的轉(zhuǎn)移過程就是傳質(zhì)，傳質(zhì)也是在勢能或驅(qū)動力引導(dǎo)下的分子運動過程。其過程必須要有驅(qū)動力，在氣體和溶劑之間，還要有足夠的接觸面積和一定的時間確保氣體和溶劑有足夠的機會達到化學(xué)和物理過程平衡。主要設(shè)備使用填料塔或噴淋塔，處理的氣量大，但填料塔容易堵塞；噴淋塔吸收效率低。故采用最佳實用技術(shù)開發(fā)設(shè)計一套鑄造廢氣處理裝置。常用的吸收劑有水，堿溶液，酸溶液以及一些氧化劑等，使用水吸收時，耗水量大，廢水難以處理，當(dāng)外界條件改變（如溫度，溶液p H值變動，或者攪拌，曝氣）時，有害氣體可能從水中逸出，使用化學(xué)吸收液時，吸收過程中伴隨著化學(xué)反應(yīng)，生成物不容易造成二次污染。故在此選用氫氧化鈉(NaOH)和硫代硫酸鈉（Na2S2O3）作為上述廢氣吸收液，石灰石作為處理吸收液。

氫氧化鈉(NaOH)，俗稱燒堿、火堿、苛性鈉，常溫下是一種白色晶體，具有強腐蝕性。易溶于水，其水溶液呈強堿性，能使酚酞變紅。氫氧化鈉是一種極常用的堿，是化學(xué)實驗室的必備藥品之一。氫氧化鈉在空氣中易吸收水蒸氣，對其必須密封保存，且要用橡膠瓶塞。它的溶液可以用作洗滌液。

硫代硫酸鈉，又名大蘇打、海波，為單斜晶系白色結(jié)晶粉末，易溶于水。用于分析試劑等，用途非常廣泛。

生石灰主要成分是CaO。生石灰與水反應(yīng)生成氫氧化鈣Ca(OH)2,即平常說的熟石灰。

1.2 吸附法

吸附法是一種動力消耗較小的脫臭方法，影響吸附過程的因素很多，主要有操作條件、吸附質(zhì)的性質(zhì)以及吸附器的設(shè)計等。采用的吸附劑，有活性碳，兩性交換樹脂，硅膠，活性土等。其中以活性碳對有機污染物的吸附效果最好，因為有些吸附劑對空氣中的水分吸附力比對有機惡臭物質(zhì)的吸附力強，而活性碳吸附劑對有機污染物有較大的平衡吸附量，而且對多種有機污染氣體均有吸附能力。吸附法適用于低濃度有機污染氣體的處理，一般多用于復(fù)合有機污染氣體的末級凈化。

1.3 常用的凈化設(shè)備及其特點

吸收設(shè)備用于有害物質(zhì)凈化的吸收裝置多數(shù)為氣液相反應(yīng)器，一般要求氣液有效接觸面積大，氣液湍流程度高，設(shè)備壓力損失小，易于操作和維修。按吸收表面的形成方式，吸收設(shè)備可分為表面吸收器，鼓泡式吸收器和噴灑吸收器三大類。屬于表面吸收器的有水平液面吸收器、液膜吸收器、填料吸收器和機械膜式吸收器；屬于鼓泡式吸收器的主要吸收設(shè)備有板式塔（如泡罩塔，篩板塔和浮閥塔等）、湍球塔（即活動填料塔）等；屬于噴灑吸收器的主要設(shè)備有噴灑吸收塔、噴射吸收器和文丘里吸收器等。目前工業(yè)上常用的氣液吸收設(shè)備有噴淋塔、填料吸收塔和湍球塔。在此，綜合上述設(shè)備的優(yōu)點，進行有針對性的優(yōu)化設(shè)計。

同時采用吸收法和吸附法對氣態(tài)污染物的綜合控制。吸收法是利用氣體污染物的物理和化學(xué)性質(zhì)，利用吸收劑將有害物質(zhì)吸收去除的方法，如二氧化硫通過堿溶液吸收，不容易造成二次污染；吸附法是一種動力消耗較小的脫臭方法，活性炭對有機污染物的吸附效果最好，故常被使用。

1.4 方法原理

針對二氧化硫氣體，采用NaOH溶液為第一堿吸收，然后再用石灰石或石灰作為第二堿吸收，產(chǎn)品為石膏。再生后的NaOH溶液送回吸收系統(tǒng)里循環(huán)使用。

圖2 FB09-062鑄造廢氣處理裝置工作原理圖

1.4.1 吸收反應(yīng)

2NaOH+SO2=Na2SO3+H2O

Na2SO3具有吸收SO2能力，能繼續(xù)從氣體中吸收SO2：

Na2SO3+SO2+H2O=2NaHSO3

NaHSO3不再具有吸收SO2能力，因此，這個反應(yīng)是主要的吸收反應(yīng)，而實際的吸收劑為Na2SO3。

吸收過程的主要副反應(yīng)為氧化反應(yīng)，生成Na2SO4：

2Na2SO3+O2=2Na2SO4

從以上反應(yīng)可知，循環(huán)吸收液中的主要成分為Na2SO3、NaHSO3和少量的Na2SO4，因此吸收系統(tǒng)中不會生成沉淀物。

1.4.2 再生反應(yīng)

用石灰漿對吸收液在再生處理盆里進行再生：

CaO+H2O=Ca(OH)2

2NaHSO3+Ca(OH)2=Na2SO3+CaSO3·1/2H2O↓+3/2H2O

Na2SO3+Ca(OH)2+1/2H2O=2NaOH+CaSO3·1/2 H2O↓

再生后的NaOH溶液送回吸收系統(tǒng)使用，所得的半水亞硫酸鈣經(jīng)氧化，可制得石膏（CaSO4·2 H2O）。

1.4.3 氧化反應(yīng)

2CaSO3·1/2H2O+O2+3H2O=2CaSO4·2H2O 2NaOH+H2S=Na2S+2H2O(硫化氫少量)NaOH+H2S=NaHS+H2O(硫化氫過量)

該法以NaOH溶液作吸收劑吸收廢氣中的硫化氫氣體，制成Na2S或NaHS。它們可作為染料和一些有機產(chǎn)品的助劑，還可供造紙、印染等行業(yè)使用。

硫代硫酸鈉在堿性溶液中是較強的還原劑，可NO2還原為N2。主要化學(xué)反應(yīng)是：

4NO2+2Na2S2O3+4NaOH=N2↑+4Na2SO4+H2O硫酸鈉，無機化合物，十水合硫酸鈉又名芒硝，白色、無臭、有苦味的結(jié)晶或粉末，有吸濕性。

2NaOH+NO+NO2=2NaNO2+H2O

吸收液采用NaOH溶液進行吸收反應(yīng)，回收NaNO2。

對于甲醛、酚、甲醇、苯化合物等有害物質(zhì)，利用NaOH溶液的洗滌作用，把它們捕獲到吸收液里沉淀降解，最終清理后在環(huán)境安全法律法規(guī)允許的條件下填埋處理。

1.4.5 活性炭吸附法

（1）活性炭對低濃度NOX有很高的吸附能力，其吸附量超過分子篩和硅膠?；钚蕴坎粌H能吸附NO2，還能促進NO氧化成NO2，特定品種的活性炭還可使NOX還原成N2，即：

2NO+C=N2↑+CO2↑

2NO2+2C=N2↑+2CO2↑

活性炭定期用堿液再生處理：

2NO2+2NaOH=NaNO3+NaNO2+H2O

（2）活性炭對低濃度SO2進行吸附，既有物理吸附，也存在著化學(xué)反應(yīng)。

物理吸附過程（以*表示處于吸附態(tài)分子）：

SO2→SO2* O2→O2* H2O→H2O*

化學(xué)吸附過程：

SO2*+O2*→2SO3* SO3*+H2O→H2SO4*

H2SO4*+nH2O→H2SO4*·nH2O

其吸附的總反應(yīng)方程可以表示為：

SO2+H2O+1/2O2=活性炭=H2SO4

（3）活性炭在常溫下具有加速H2S氧化為S的催化作用并使S被吸附。H2S與活性炭的反應(yīng)快、接觸時間短、處理氣量大。

（4）活性炭再生

吸附SO2、NaNO3、NaNO2和S的活性炭，由于其內(nèi)外表面覆蓋了稀硫酸、NaNO3、NaNO2和S，使活性炭吸附能力下降，因此必須對其再生，即采用一定手段，驅(qū)走活性炭表面的物質(zhì)，恢復(fù)活性炭的吸附能力?？梢圆捎孟礈煸偕椒ǎ河脷溲趸c溶液洗出活性炭微孔中的物質(zhì)，再將活性炭進行干燥。從澆注到開始到排廢氣的時間為340秒，均屬于活性炭定期用氫氧化鈉溶液洗滌再生的過程，其未澆注的時間為干燥過程。活性炭可以重復(fù)使用，直至碳粒大量磨細為止。

無論是吸收法和吸附法，都是將有害物質(zhì)在凈化裝置內(nèi)進行瞬間相變轉(zhuǎn)移的過程，因此，鑄造廢氣處理裝置設(shè)計要滿足以下要求：1）具有足夠的過氣斷面和停留時間；2）產(chǎn)生良好的氣流分布，以便所有的過氣斷面都能得到充分利用；3）具有消音降噪、強力除臭性能，對廢氣處理能力大，對有害組分吸收凈化效率高；4）吸收液和吸附劑能再生重復(fù)使用，能把有害物質(zhì)變成有用物質(zhì)，不會造成二次污染；5）結(jié)構(gòu)簡單，操作穩(wěn)定；6）氣體通過阻力小，能提高生產(chǎn)效率；7）運轉(zhuǎn)費用低廉，便于維修。

鑄造廢氣處理裝置為了能在短時間內(nèi)處理這些低濃度的有害氣體，把差壓機排氣管內(nèi)徑?32在進氣管連接處內(nèi)徑擴大到?52，通過進氣管上成120°角的798個?5均勻分布的孔排放到液面上，使液體翻卷疊起，再經(jīng)德國先進技術(shù)的6個碟旋噴嘴噴出的每平方米30立方的碟旋液幕多層覆蓋，增大了氣-液相接觸面積，完成物質(zhì)的傳遞，使化學(xué)反應(yīng)進行得更充分徹底，少量溢出的有害氣體再經(jīng)活性炭吸附凈化，達到《大氣污染物綜合排放標準GB16297-1996》后，由離心風(fēng)機抽排到大氣中。

鑄造廢氣處理裝置由噴淋水箱、離心泵底座、加料斗、噴淋架、除臭箱、活性炭抽屜、排風(fēng)管、再生處理盆及50FP型增強聚丙烯離心泵、11-62No2.8A-1.1-4P離心風(fēng)機、管路構(gòu)成。

噴淋水箱起到吸收器的作用；離心泵底座是固定50FP型增強聚丙烯離心泵的；加料斗起到加料的作用；噴淋架起到固定蝶形噴頭和傳送吸收液的作用；除臭箱、活性炭抽屜起到進一步凈化空氣的作用；11- 62No2.8A- 1.1- 4P 離心風(fēng)機起到排氣干凈，減小阻力，提高生產(chǎn)效率的作用。

2 主要技術(shù)特點

（1）具有足夠的過氣斷面和停留時間；

（2）產(chǎn)生良好的氣流分布，以便所有的過氣斷面都能得到充分利用；

（3）具有消音降噪、強力除臭性能；對廢氣處理能力大；對有害組分吸收凈化效率高；

（4）吸收液和吸附劑能再生重復(fù)使用，能把有害物質(zhì)變成有用物質(zhì)，不會造成二次污染；

（5）結(jié)構(gòu)簡單，操作穩(wěn)定；

（6）離心風(fēng)機抽風(fēng)，能提高生產(chǎn)效率；

（7）運轉(zhuǎn)費用低廉，便于維修（不發(fā)生沉淀物堵塞排液閥時，不需維修）。

3 與國內(nèi)外同類產(chǎn)品的比較

與國內(nèi)外同類產(chǎn)品的比較詳見表1。

4 存在問題及改進方法

存在的問題：車間外面不臭，車間里面臭。差壓釜內(nèi)還留有部分鑄造廢氣，不能處理，只能排在鑄造車間里，污染車間環(huán)境；鑄型澆注完后，還會排放不少的有害氣體到車間里，繼續(xù)污染車間環(huán)境。

表1 國內(nèi)外同類產(chǎn)品的比較

改進方法：通過對鑄造車間內(nèi)各種污染物的分析，采用了臭氧技術(shù)來凈化和祛除車間空氣中的污染物。

5 總結(jié)

車間廢氣經(jīng)全面機械通風(fēng)系統(tǒng)收集，由風(fēng)機進入吸收塔的底部，在吸收塔中，氣體和液體的運動是逆向的，廢氣在上升過程中，在填料區(qū)與經(jīng)噴嘴噴射的吸收液充分氣液接觸，含有臭氧的吸收液在較短的時間內(nèi)將有機污染物全部吸收掉，凈化后的空氣由捕霧器除霧后由塔頂排出。含污染物的吸收液經(jīng)凈化后循環(huán)使用，惡臭的吸收液首先經(jīng)過濾器重新再生，然后在蒸餾塔中與臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧充分混合，形成新的吸收液經(jīng)噴嘴噴向填料區(qū)，進一步凈化廢氣。