對砂型鑄造澆注段及型內(nèi)冷卻段廢氣治理的技術(shù)探討

郭 銳，周志偉，劉培華，劉小荷，孫新華

（青島雙星裝備制造有限公司，山東青島 266400）

1 鑄造工藝

鑄造生產(chǎn)工藝主要分為兩大類：砂型鑄造和特種鑄造。砂型鑄造工藝包括：黏土砂濕型工藝、樹脂自硬砂型工藝、水玻璃自硬砂型工藝等。特種鑄造工藝包括：離心鑄造、熔模鑄造（精密鑄造）、壓鑄（高壓鑄造）、低壓鑄造、金屬型鑄造（含金屬型復(fù)砂）、消失模鑄造、V 法鑄造、連續(xù)鑄造、擠壓鑄造、差壓鑄造、石墨型鑄造、陶瓷型鑄造、石膏型鑄造等。其中消失模鑄造和V 法鑄造因存在砂處理及舊砂回用的工序，常稱為“特種砂型鑄造工藝”。上述不同鑄造工藝又由多個不同生產(chǎn)工序構(gòu)成。其中金屬熔煉、爐前處理、澆注、清理和后處理是兩大類別各種不同鑄造工藝共有的通用工序。鑄造生產(chǎn)主要工序大氣污染物產(chǎn)生情況如圖1 所示。

圖1 鑄造生產(chǎn)主要工序大氣污染物產(chǎn)生示意圖

2 澆注段及型內(nèi)冷卻段污染物分析

澆注及冷卻段廢氣特點：污染源分散、成分復(fù)雜、廢氣收集風(fēng)量大、濃度低，處理過程相對于其他工序困難[1]。

2.1 澆注工序

鑄造澆注時溫度較高，即產(chǎn)生大量的高溫粉塵，同時鑄型中會產(chǎn)生有機物污染物。

（1）砂型：由于砂型在制備過程中需要加入煤粉（黏土砂）或有機粘結(jié)劑，在高溫條件下煤粉或有機粘結(jié)劑熱解會產(chǎn)生苯、甲苯、二甲苯、酚、甲醛、乙醛、多環(huán)芳烴等VOCs 污染物。

（2）熔模：由于熔模在澆注使用前要經(jīng)過高溫焙燒，因此VOCs 排放量相對較少。

（3）消失模：聚苯乙烯或共聚物泡沫塑料在澆注過程中受熱會分解產(chǎn)生大量的有機廢氣，主要有害成分是苯、甲苯、乙苯、苯乙烯等VOCs，排放點為澆口處。

（4）金屬型（多為有色合金的壓鑄、低壓鑄造及重力澆注）：模腔中的脫模劑中含有硅氧化合物、蜂蠟、機油、石墨、高壓聚乙烯、煤油等涂料，這些物質(zhì)在高溫條件下會形成CO、CO2、VOCs、乙烯等污染物。

2.2 型內(nèi)冷卻段

澆注之后鑄件溫度隨時間推移進(jìn)行冷卻，型砂內(nèi)的粘結(jié)劑和澆冒口處的高溫氧化物持續(xù)散發(fā)，持續(xù)冷卻至室溫，污染物成分與澆注過程基本一致，樹脂砂后期可產(chǎn)生碳化煙塵，污染性較強[2]。

3 現(xiàn)有處理工藝

3.1 收集方式

澆注段按吊包方式分為傾倒和包底澆注，按操作可以分為機械澆注和人工澆注等，本文引用常用的收集方式分為兩種：固定式側(cè)吸收集方式和移動式收集方式，后續(xù)配置均為密閉式冷卻線[3]。

圖2 固定式側(cè)吸罩

圖3 移動式收集罩

隨著GB 39726-2020《鑄造工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的頒布和執(zhí)行，鑄造行業(yè)的澆注段和型內(nèi)冷卻段將有更多的工程需求，現(xiàn)有的除塵處理工藝一般采用袋式除塵器和濕法除塵器。

（1）袋式除塵器

當(dāng)含塵氣體進(jìn)入除塵器時，粗粉塵因受導(dǎo)流板的碰撞作用和氣體速度的降低而落入灰斗中；其余細(xì)小顆粒粉塵隨氣體進(jìn)入濾袋室；受濾料纖維及織物的慣性、擴散、阻隔、鉤掛、靜電等作用，粉塵被阻留在濾袋內(nèi)，凈化后的氣體逸出袋外，經(jīng)排氣管排出。

濾袋上的積灰用氣體逆洗法或噴吹脈沖氣流的方法去除，清除下來的粉塵由排灰裝置排走。袋式除塵器的清灰方式已日趨成熟，目前的研究主要集中在濾料上。濾料性能和質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到袋式除塵器的性能和使用壽命。濾料已從天然纖維發(fā)展到現(xiàn)在的人工合成纖維，從而使袋式除塵器的除塵性能及應(yīng)用范圍有了大幅提高。目前濾料的研究主要集中在表面覆膜濾料的開發(fā)上，表面覆膜技術(shù)給濾料的除塵性能帶來了革命性的變化。

排放濃度：（10～30）mg/（N·m3）；處理效率：98%～99.9%（袋式有多種類型，除塵效率有差別）。

（2）濕法除塵器

主要靠慣性碰撞、粘附、擴散三種作用將粉塵除去。當(dāng)含有懸浮塵粒的氣體與水相遇接觸且氣體沖擊到濕潤的器壁時，塵粒被器壁所粘附，或者當(dāng)氣體與噴灑的液滴相遇時，液體在塵粒質(zhì)點上凝集，增大了質(zhì)點的質(zhì)量，而使之降落。此種方式可同時消除SO2氣態(tài)污染物，但要配備污水、污泥處理設(shè)施。

排放濃度：（30～80）mg/（N·m3）；處理效率：90%～95%。

3.2 VOCs 處理

在型砂中為了保證鑄件的質(zhì)量和穩(wěn)定性，常會加入一些增強劑（樹脂、固化劑）類的有機材料，在加熱過程中散發(fā)出VOCs，現(xiàn)澆注段及冷卻段常用的為液體吸收法和活性炭吸附方式。

3.2.1 液體吸收法

通過吸收劑與有機廢氣接觸，把有機廢氣中的有害分子轉(zhuǎn)移到吸收劑中，從而實現(xiàn)分離有機廢氣的目的。這種處理方法是一種典型的物理化學(xué)作用過程。有機廢氣轉(zhuǎn)移到吸收劑中后，采用解析方法把吸收劑中有害分子去除掉，然后回收，實現(xiàn)吸收劑的重復(fù)使用和利用。排放濃度：（30～100）mg/（N·m3）；處理效率：60%～90%。

3.2.2 活性炭吸附法

采用蜂窩狀活性炭為吸附劑，結(jié)合吸附凈化、脫附再生并濃縮VOC 和催化燃燒的原理,即將大風(fēng)量、低濃度的有機廢氣通過蜂窩狀活性炭吸附以達(dá)到凈化空氣的目的，當(dāng)活性炭吸附飽和后再用熱空氣脫附使活性炭得到再生，脫附出濃縮的有機物被送往催化燃燒床進(jìn)行催化燃燒，有機物被氧化成無害的CO2和H2O，燃燒后的熱廢氣通過熱交換器加熱冷空氣，熱交換后降溫的氣體部分排放,部分用于蜂窩狀活性炭的脫附再生，達(dá)到廢熱利用和節(jié)能的目的。整套裝置由預(yù)濾器、吸附床、催化燃燒床、阻燃器、相關(guān)的風(fēng)機、閥門等組成。排放濃度：（10～60）mg/（N·m3）；處理效率：90%～99%。

4 推送串聯(lián)工藝

根據(jù)生產(chǎn)工藝澆注段和型內(nèi)冷卻段煙塵收集設(shè)備需同時使用，澆注段因工藝需求，可采用狹縫式或百葉式側(cè)吸罩，澆注段煙塵陣發(fā)性強在煙塵產(chǎn)生點（冒口處）集中風(fēng)量收集煙塵，故澆注收集系統(tǒng)特點為高負(fù)壓低風(fēng)量；型內(nèi)冷卻段面積較大，砂箱停留時間長，煙塵散發(fā)緩慢采用頂吸密閉結(jié)構(gòu)收集，故型內(nèi)冷卻段收集系統(tǒng)的特點為低風(fēng)壓大風(fēng)量；因兩套收集系統(tǒng)的風(fēng)壓、風(fēng)量特點不一致，在管路布置、風(fēng)機選型無法通用，為保證收集效果均單獨設(shè)置廢氣處理系統(tǒng)?，F(xiàn)根據(jù)工程實例，介紹一種推送串聯(lián)收集方式（如圖4 所示）。澆注段和冷卻段收集的煙氣污染物成分類似，但收集系統(tǒng)特點不一致，采用中繼推送風(fēng)機，滿足澆注段高負(fù)壓低風(fēng)量的煙氣收集需求；通過中繼風(fēng)機后的氣流均布送風(fēng)系統(tǒng)，將澆注收集風(fēng)量由密閉式冷卻線兩側(cè)近地面均布進(jìn)風(fēng)口均勻推送入冷卻線，在冷卻線中頂部均布大風(fēng)量吸風(fēng)口排入煙塵處理系統(tǒng)，滿足低風(fēng)壓大風(fēng)量的收集需求。特點在于冷卻線排風(fēng)量大于冷卻進(jìn)風(fēng)量及煙塵散發(fā)速率之和，保證冷卻線低負(fù)壓運行，且通過冬天與夏天環(huán)境溫度和砂箱散發(fā)熱量的冷卻匹配關(guān)系，變頻設(shè)定不同環(huán)境溫度主風(fēng)機風(fēng)量，確保密閉式冷卻線處于微負(fù)壓狀態(tài)，保證收集效果。

圖4 小件澆注冷卻線廢氣處理工藝流程圖

在此工程中，因收集后的煙氣具有粘性，導(dǎo)致濾袋阻力持續(xù)升高，并且反吹再生效果不明顯，設(shè)置了預(yù)處理階段，對煙氣中的粘性粉塵進(jìn)行吸附和包裹，確保收集煙塵中顆粒與濾袋的良好分離性，通過預(yù)處理裝置的涂覆，保證整套系統(tǒng)的阻力在設(shè)計范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，降低了風(fēng)機能耗。

5 處理方式數(shù)據(jù)展示

（1）污染物濃度：根據(jù)現(xiàn)場采樣孔取樣數(shù)據(jù)，澆注后NMHC（非甲烷總烴）數(shù)據(jù)值范圍為（23～42）mg/（N·m3），粉塵值約為27mg/（N·m3），串聯(lián)主管路中NMHC 數(shù)據(jù)值范圍為（28～45）mg/（N·m3）粉塵值約為33mg/（N·m3）,滿足后續(xù)袋式除塵器和催化燃燒設(shè)備入口要求，可以確保處理后顆粒物排放濃度小于10mg/（N·m3），NMHC（非甲烷總烴）小于15mg/（N·m3）。

（2）收集效果：滿足澆注收集效率大于90%的要求，冷卻線側(cè)吸罩罩口風(fēng)速為（12～15）m/s，吸塵罩口負(fù)壓為500Pa，冷卻線砂箱入口風(fēng)速為（1.8～2.3）m/s。澆注段設(shè)置單獨推送風(fēng)機，可最大限度的滿足澆注時煙塵的收集，均布?xì)饬骺捎行Э刂泼荛]式冷卻線內(nèi)氣流走向，而且加大了冷卻線的換氣次數(shù)，提升鑄件冷卻效率的同時，確保罩內(nèi)負(fù)壓和收集效果。

6 兩種方式初期投入和運營費用比較

（1）初期投入：與單獨配置澆注段和型內(nèi)冷卻段兩套除塵除味處理設(shè)施相比，將降低風(fēng)量、設(shè)備占地以及設(shè)備投入，如表1 所示。

（2）運營費用：兩套設(shè)備的電費、耗品均高于推送串聯(lián)工藝，尤其在濾料和活性炭更換數(shù)量上，降低企業(yè)的運營成本，如表1 所示。

7 結(jié)論

通過采用推送串聯(lián)方式，大幅降低了澆注段及型內(nèi)冷卻段的煙氣風(fēng)量和煙氣治理成本，提高了設(shè)備的利用率，解決了處理重復(fù)投入，無設(shè)備布置空間的問題。同時提升車間的廢氣收集效果，滿足了環(huán)保的排放要求，提升了企業(yè)在《鑄造行業(yè)分級管控績效》中環(huán)保廢氣收集設(shè)施的硬性要求，有助于企業(yè)的升高評級。