鑄造熔煉加料與煙氣除塵的研究與設(shè)計(jì)

吳 劍

（江陰智銘鑄造裝備應(yīng)用技術(shù)設(shè)計(jì)室，江蘇江陰 214400）

市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的大環(huán)境下，對(duì)鑄造產(chǎn)業(yè)管理和鑄造產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來(lái)越高，各種鑄造工藝的應(yīng)用技術(shù)不斷提升。然而，鑄造生產(chǎn)過(guò)程（尤其是熔煉、澆注）所產(chǎn)生的煙氣、廢氣、粉塵問(wèn)題不可避免，容易造成嚴(yán)重的工況及環(huán)境污染，特別是中小型企業(yè)的狀況，直接影響鑄造業(yè)生態(tài)發(fā)展的前景。所以，企業(yè)必須重視鑄造熔煉工藝技術(shù)的改造，認(rèn)識(shí)改造的重要性、必要性和重視綠色環(huán)保的創(chuàng)新發(fā)展理念。

鑄造生產(chǎn)的在線熔煉（電爐、沖天爐等等）需要大量的生鐵、廢鋼和輔料作為熔煉材料。在熔煉過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣（主要成分是C、S、P、N的不穩(wěn)定氧化物）、粉塵（石灰粉、焦油和未完全燃燒的煤渣小顆粒）和大量熱煙氣（黑色和灰黃顏色煙氣）的釋放擴(kuò)散。如果不進(jìn)行有效的除塵過(guò)濾處理會(huì)造成嚴(yán)重的擴(kuò)散和環(huán)境（空氣）污染，形成遏制企業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展的一個(gè)瓶頸。產(chǎn)業(yè)的要求是節(jié)能、環(huán)保、綠色鑄造，也是國(guó)家鑄造行業(yè)環(huán)境治理的首要目標(biāo)。

所以，鑄造熔煉工部配套除塵系統(tǒng)的技術(shù)改造勢(shì)在必行。實(shí)施綠色鑄造的熔煉工藝流程、技術(shù)，有利于企業(yè)的綜合市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，也是企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)，是符合鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的有效措施[1]。

1 設(shè)計(jì)方案的研究

電爐熔煉過(guò)程釋放的煙氣、粉塵排出是不可避免的。但是煙氣、粉塵的排放、集塵控制是可以實(shí)現(xiàn)的。

結(jié)合實(shí)施技改要求的電爐生產(chǎn)條件、生產(chǎn)特性和有關(guān)技術(shù)指標(biāo)，對(duì)規(guī)模型的可采用干法（集塵、物理活性炭過(guò)濾吸附）、濕法（化學(xué)水噴淋酸堿平衡）的綜合處理工藝。其工藝技術(shù)的實(shí)用性好，適用于中小型電爐熔煉（單臺(tái)或多臺(tái)形式）的除塵工藝配套。

（1）干法+濕法的綜合工藝集塵型處理過(guò)程，是利用配套的除塵設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主要核心設(shè)備包括：第一級(jí)低阻旋風(fēng)除塵器（沉降型收集排放的小顆粒物）、第二級(jí)活性碳過(guò)濾裝置（吸附型排放的異味、焦油和部分有機(jī)化合物）、第三級(jí)堿性水噴淋裝置（系統(tǒng)化學(xué)中和反應(yīng)、噴淋污水通過(guò)污水沉淀池進(jìn)行酸堿平衡處理，形成循環(huán)水回用）以及配套的移動(dòng)式傾翻加料平車、離心風(fēng)機(jī)、風(fēng)管和上吸式風(fēng)罩。整個(gè)工藝過(guò)程相對(duì)獨(dú)立。

圖1 為電爐熔煉煙氣除塵綜合處理系統(tǒng)圖。

（2）熔煉過(guò)程的煙氣、粉塵、熱擴(kuò)散排放是重點(diǎn)污染源。經(jīng)研究，考慮借助工業(yè)自動(dòng)化、智能化傳感控制技術(shù)，進(jìn)行有效的節(jié)點(diǎn)控制與調(diào)配，以確定系統(tǒng)的可靠性、安全性和工況環(huán)境的適應(yīng)性。特別是產(chǎn)生的有害氣體、粉塵、高溫和輻射，可利用智能化自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)特性，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的工況、隱患和裝備運(yùn)行情況，有效提高除塵效率[2，3]。

在實(shí)際應(yīng)用中，工藝流程的布置，原則上不同現(xiàn)場(chǎng)不同方案，應(yīng)進(jìn)行必要的工藝試驗(yàn)、調(diào)整和試運(yùn)行，以達(dá)到合理有效的除塵排放要求。

2 工藝特性的研究

2.1 爐料燃燒煙氣的成因

熔煉過(guò)程配有的部分煤（焦）在燃燒過(guò)程中所生成的煙氣大致有三種成分：粉塵、碳?xì)浠衔锖土虻趸?，而形成有害煙氣向外擴(kuò)散釋放。

（1）粉塵——含有典型的煙塵、殘?zhí)肌⒔褂秃图?xì)微顆粒物（飛灰）。

（2）碳?xì)浠衔铩紵龝r(shí)在空氣過(guò)剩的狀態(tài)下，生成有害的碳?xì)浠衔锖鸵谎趸?，而二氧化碳（CO2） 在高溫燃燒時(shí)分解產(chǎn)生一氧化碳（CO）。

圖1 電爐熔煉煙氣除塵綜合處理系統(tǒng)圖

（3）硫氮氧化物——硫的氧化物燃燒初期釋放的大量一氧化硫（SO）、二氧化硫（SO2）有害氣體。氮的氧化物主要是包含氧和氮的混合氣在高溫條件下化學(xué)反應(yīng)生成的一氧化氮（NO）和其他氮氧化物。

還有爐料中的鐵、廢鋼的氧化物，在熔煉過(guò)程產(chǎn)生的濃煙氣等。

熔煉過(guò)程中燃燒效率越高，燃燒氣流上升速度越快，燃燒釋放所擴(kuò)散的煙氣粉塵越多。而且殘余顆粒物、氧化物濃度的變化亦越多。

所以，煙氣除塵處理系統(tǒng)的第一級(jí)采用低阻旋風(fēng)除塵器，作為初級(jí)干法粉塵收集（以凈化粉塵、細(xì)顆粒）。第二級(jí)采用多層活性炭阻抗過(guò)濾、吸附（硫、氮、碳氧化物吸附）。第三級(jí)采用濕法堿性水噴淋工藝，通過(guò)化學(xué)中和反應(yīng)（酸堿平衡法）消除有害氣體。其形成的三級(jí)除塵處理系統(tǒng)，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)熔煉過(guò)程的煙氣排放的綜合治理[4]。

2.2 酸堿中和反應(yīng)

對(duì)熔煉燃燒過(guò)程的煙氣、氧化物治理，采用酸堿中和反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于氧化物酸性成分以及濃度的不同，對(duì)其處理流程、平衡控制和綜合治理的手段要復(fù)雜的多。

工藝操作上主要控制酸堿的PH 值，氧化物的酸殘留余量會(huì)直接干擾、影響酸堿平衡的堿消耗量。所以，PH 值是控制溶液中和反應(yīng)的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。

（1）濕法消煙脫硫

采用濕法消煙脫硫是利用堿性溶液來(lái)吸收硫氧化物。

1）如果采用氫氧化鈉（NaOH）堿性溶液，同煙氣中和反應(yīng)，接觸吸收二氧化硫（SO2）形成亞硫酸鈉（Na2SO3）。

2）如果采用氫氧化鈣[Ca（OH）2]堿性溶液，同煙氣中和反應(yīng)，懸浮吸收二氧化硫（SO2）形成亞硫酸鈣（CaSO3）。

3）如果采用氨水（NH3）堿性溶液，同煙氣中和反應(yīng)，接觸吸收二氧化硫（SO2）形成亞硫酸銨[（NH4）2SO3]。

（2）濕法消煙去氮

濕法消煙去氮是通過(guò)氧化吸收再利用堿性溶液來(lái)轉(zhuǎn)化去氮的過(guò)程。在燃燒過(guò)程中，所產(chǎn)生的氮氧化物大部分是一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2），通過(guò)水溶液直接作用水解，可獲得亞硝酸（HNO2），然后在堿性溶液作用下產(chǎn)生亞硝酸鹽。

（3）濕法中和配方

通常應(yīng)用中和配方的堿性溶液可采用低價(jià)易用的堿性材料：熟石灰（氫氧化鈣[Ca（OH）2]）、燒堿（氫氧化鈉（NaOH））和氨水（NH3+H2O）等配置。堿性溶液可選擇任何一種堿性材料來(lái)進(jìn)行配方（注意：配方是化學(xué)專業(yè)技術(shù)應(yīng)重視試驗(yàn)，不宜采用強(qiáng)堿材料），配比濃度應(yīng)按粉塵、煙氣排放濃度來(lái)確定，并在工藝過(guò)程中按反應(yīng)效果進(jìn)行液料的調(diào)整和補(bǔ)充。

所以，熔煉爐（可以考慮電爐、沖天爐的熔煉類型）燃燒的煙氣除塵采用濕法消煙脫硫去氮是一種合理有效的凈化工藝方法。可按生產(chǎn)實(shí)際條件和要求進(jìn)行合理選擇應(yīng)用[4]。

3 系統(tǒng)裝備特點(diǎn)

3.1 規(guī)模型熔煉工部

可以采用干法+濕法綜合處理系統(tǒng)，配置移動(dòng)式加料平車，以提高熔煉工部的爐料精度和機(jī)械化程度。電氣控制設(shè)計(jì)值入智能化自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，爐料配比形成大數(shù)據(jù)庫(kù)和質(zhì)量控制，可徹底改變?nèi)蹮捁げ康墓r和生產(chǎn)環(huán)境。

電爐熔煉煙氣除塵綜合處理系統(tǒng)的主要設(shè)備包括：移動(dòng)式傾翻加料平車、第一級(jí)低阻旋風(fēng)除塵器、第二級(jí)活性碳過(guò)濾裝置、第三級(jí)堿性水噴淋裝置，以及配套的離心風(fēng)機(jī)、風(fēng)管和上吸式風(fēng)罩（見(jiàn)圖示1）。

3.2 小型電爐熔煉工部

針對(duì)小型電爐熔煉設(shè)備的煙氣集塵，采用一種移動(dòng)式除塵罩（開(kāi)式），處理風(fēng)量不是很大，目的是控制熔煉過(guò)程的上升煙氣。開(kāi)式移動(dòng)罩可避免電爐金屬液出料時(shí)傾轉(zhuǎn)的影響，除塵系統(tǒng)減少了水噴淋裝置（完全干法處理），工藝過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。主要設(shè)備配置了布袋除塵器和旋風(fēng)分離器，風(fēng)機(jī)直接安裝在布袋除塵器上，減少了地面布置（可直接布置在車間副房）[5]。

圖2 為小型電爐熔煉煙氣除塵系統(tǒng)圖。

3.3 移動(dòng)式傾翻加料平車

電爐熔煉加料采用移動(dòng)式傾翻加料平車，實(shí)現(xiàn)定量配料，避免爐料的不確定性和在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中的粉塵污染。

移動(dòng)式傾翻加料平車，由傾翻輸送槽和移動(dòng)平車組成。加料時(shí)輸送槽傾翻由電動(dòng)推桿推動(dòng)實(shí)施，移動(dòng)平車由鏈傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)行走。動(dòng)力傳動(dòng)由低壓電轉(zhuǎn)換控制（人工操作或智能傳感控制）。

輸送槽后底部設(shè)置有一個(gè)小型振動(dòng)電機(jī)，對(duì)流動(dòng)性不太好的物料進(jìn)行振動(dòng)輸送，保持物料的快速過(guò)渡。

采用電動(dòng)推桿，是分析了電爐加料設(shè)備存在的一些問(wèn)題后提出的。很早以前的熔煉加料，有一種氣動(dòng)式鐵料翻斗（氣缸推動(dòng)），由于受氣源的影響使用不便。有一種移動(dòng)式電爐加料車（液壓推動(dòng)），由于受環(huán)境溫度的影響，液壓系統(tǒng)壽命有限[6]。

圖3 為電爐移動(dòng)式傾翻加料平車。

圖2 小型電爐熔煉煙氣除塵系統(tǒng)圖

圖3 電爐移動(dòng)式傾翻加料平車

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用多樣化的鑄造工藝與技術(shù)裝備，其最終目標(biāo)就是要實(shí)現(xiàn)金屬液的熔煉澆注，以獲得合格的、品質(zhì)優(yōu)良的鑄造產(chǎn)品，來(lái)滿足不斷發(fā)展的工程機(jī)械、化工、汽車、農(nóng)機(jī)裝備和建筑裝備生產(chǎn)制造的工藝技術(shù)需求。

現(xiàn)代鑄造工藝的創(chuàng)新發(fā)展，跟隨著鑄造裝備和技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，如先進(jìn)的造型設(shè)備、智能3D打印設(shè)備、熔煉設(shè)備、鑄造砂處理與砂再生裝備、清理及智能后處理設(shè)備等。而配套的環(huán)保設(shè)備亦在不斷的創(chuàng)新發(fā)展。