鑄造工業(yè)揮發(fā)性有機(jī)化合物治理研究

張 翀

（忻州市行政審批受理中心，山西 忻州 034000）

1 研究背景

鑄造工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)工業(yè)，從環(huán)境保護(hù)角度出發(fā)，鑄造業(yè)屬于高能耗、高污染的“兩高”行業(yè)。隨著近幾年國家對(duì)大氣污染控制、治理的持續(xù)加嚴(yán)加緊，陸續(xù)出臺(tái)了大氣污染綜合治理行動(dòng)攻堅(jiān)計(jì)劃、藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)行動(dòng)計(jì)劃、工業(yè)爐窯大氣污染治理方案、鑄造工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)的政策與標(biāo)準(zhǔn)。在常規(guī)污染物如顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的治理方面，已經(jīng)有了很大的進(jìn)步和改善，以目前的污染治理技術(shù)水平，常規(guī)污染物的排放基本已經(jīng)達(dá)到預(yù)期的治理效果。但是在鑄造工業(yè)中產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物（Volatileorganic compound，以下簡稱VOCs）的控制及治理尚處于不斷的摸索階段。

VOCs一般從管理角度被定義為參與大氣光化學(xué)反應(yīng)的有機(jī)化合物，或者根據(jù)規(guī)定的方法測量或核算確定的有機(jī)化合物[1]。VOCs對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)和消化系統(tǒng)等都會(huì)造成損害，且具有刺激性、毒性和致癌性等，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生急性危害[2]。近年來，VOCs已成為大氣污染物的控制重點(diǎn)，我國相繼出臺(tái)《重點(diǎn)行業(yè)揮發(fā)性有機(jī)物綜合治理方案》、《揮發(fā)性有機(jī)物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》等一系列政策、標(biāo)準(zhǔn)。鑄造工業(yè)中造型制芯、砂再生、澆注、涂裝工序都涉及VOCs的產(chǎn)生，針對(duì)鑄造工業(yè)全流程產(chǎn)生VOCs的污染因子、污染源強(qiáng)、治理技術(shù)的系統(tǒng)研究還需要進(jìn)一步從實(shí)踐中探討。

通過結(jié)合企業(yè)的實(shí)地調(diào)查、現(xiàn)場資料收集以及多年的環(huán)境保護(hù)管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鑄造工業(yè)涉及VOCs的產(chǎn)污環(huán)節(jié)分析、源強(qiáng)計(jì)算、污染控制技術(shù)路線、環(huán)境管理等方面進(jìn)行全面總結(jié)，以期達(dá)到以下目的：為鑄造工業(yè)的VOCs污染治理提供技術(shù)支撐，引起從事環(huán)保相關(guān)工作人員的關(guān)注和重視；建議在標(biāo)準(zhǔn)的修訂過程中充分考慮鑄造工業(yè)各環(huán)節(jié)的VOCs排放限值，以此實(shí)現(xiàn)全流程的控制；希冀鑄造、材料等學(xué)科在對(duì)造型制芯材料替代、澆注溫度控制、工業(yè)涂裝防腐漆料等源頭削減的研究上有一個(gè)質(zhì)的提升。

2 鑄造工藝過程中VOCs產(chǎn)生源

鑄造工業(yè)涵蓋的工藝很廣，這里重點(diǎn)分析涉及VOCs產(chǎn)生的原輔材料和工藝過程。目前，絕大部分鑄造企業(yè)在生產(chǎn)管件和鑄管時(shí)，以濕型黏土砂、覆膜砂（樹脂砂）、發(fā)泡塑料作為造型制芯材料，鑄鐵澆注溫度控制在1 400℃左右，涂裝過程采用以防腐為主的環(huán)氧煤瀝青漆和聚氨酯漆。由鑄造生產(chǎn)過程中涉及所含的有機(jī)類物質(zhì)以及所采用的的工藝條件，決定了鑄造工藝過程中VOCs的產(chǎn)生源為造型制芯、澆注、涂裝工序。

從產(chǎn)生的機(jī)理分析，主要原因有以下四方面：

1）造型線采用的濕型黏土砂原料包括砂、黏土（膨潤土）、水和煤粉，煤粉質(zhì)量配比在1%～3%之間，澆注過程中煤粉發(fā)生熱解，產(chǎn)生的VOCs主要成分是苯系物，包括苯、甲苯、二甲苯，在實(shí)際生產(chǎn)中，澆注過程還會(huì)產(chǎn)生少量的二氧化硫和氮氧化物。

2）造型和制芯主要以酚醛樹脂覆膜砂、呋喃樹脂覆膜砂為原料，采用熱芯盒制芯和冷芯盒制芯工藝。在熱芯盒制芯過程及后期的澆注過程中，酚醛樹脂熱解產(chǎn)生的VOCs主要包括酚、苯、甲基萘與苯胺等[3-4]；呋喃樹脂熱解產(chǎn)生的VOCs主要包括苯、酚、乙醛與甲苯等[5]。在冷芯盒生產(chǎn)中，為了使芯盒快速硬化，需要吹入三乙胺，三乙胺的逸散同樣是VOCs的產(chǎn)生源。

3）消失模造型工藝采用的是含聚苯乙烯的發(fā)泡材料，在澆注過程中，發(fā)泡材料在高溫下全部迅速氣化揮發(fā)，產(chǎn)生的VOCs主要為苯系物。

4）鑄造中的涂裝與常規(guī)的工業(yè)涂裝工藝基本一致，漆料和稀料在儲(chǔ)存、調(diào)漆、噴漆、流平、烘干過程中會(huì)揮發(fā)出VOCs，主要的污染物包括苯、甲苯、二甲苯、酯類、酮類等。

3 鑄造工藝過程VOCs源強(qiáng)

根據(jù)以上分析，鑄造工藝過程中VOCs產(chǎn)生源主要為制芯、澆注、涂裝工序，其中以涂裝工序的產(chǎn)生量較大。各工序VOCs廢氣中的成分均有所不同，為了統(tǒng)籌考慮各排放源中的污染物，本文以非甲烷總烴（NMHC）作為源強(qiáng)因子進(jìn)行研究探討。

由于在鑄造工業(yè)中使用的涉及VOCs的原輔材料、工藝技術(shù)條件、運(yùn)行工況、產(chǎn)品規(guī)格都存在較大差別，因此，在收集企業(yè)實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)、文獻(xiàn)資料以及進(jìn)行理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)源強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正，給出了制芯、澆注、涂裝過程的非甲烷總烴的排放水平。

在制芯過程中，熱芯盒制芯用射芯機(jī)將樹脂砂（覆膜砂）射入金屬芯盒內(nèi)，芯盒內(nèi)溫度控制在180～260℃，經(jīng)過一定時(shí)間的加熱，取出實(shí)心砂芯。在芯盒加熱過程中，樹脂砂表面的有機(jī)覆膜在高溫下發(fā)生一定的揮發(fā)，產(chǎn)生非甲烷總烴，揮發(fā)量為1.1～192.8 g/t（產(chǎn)品）[6]；冷芯盒制芯過程中，采用高壓將樹脂砂射入芯盒后，將氣態(tài)的三乙胺高壓吹入芯盒，在催化作用下使之快速硬化，時(shí)間一般控制在10 s左右，整體過程中，三乙胺揮發(fā)量約為40.05～90 g/t（產(chǎn)品）。

鑄件澆注過程中，由于造型材料中有機(jī)物的含量差異很大，濕型砂造型、樹脂砂型造型和消失模造型在澆注過程中揮發(fā)的VOCs量存在明顯的差異。濕型砂造型在澆注過程中，產(chǎn)生的非甲烷總烴在93.4～272.2 g/t（產(chǎn)品）[2]；樹脂砂造型在澆注過程中，產(chǎn)生的非甲烷總烴在2.2～680 g/t（產(chǎn)品）[6]；消失模造型澆注過程中，產(chǎn)生的非甲烷總烴在36.9～868.7 g/t（產(chǎn)品）[6]。

在鑄件噴涂過程中，使用的漆料、鑄件的比表面積均有所不同，以球墨鑄管噴涂為例，以實(shí)際調(diào)研和理論計(jì)算為依據(jù)，球墨鑄管噴漆量（含稀釋劑）為1.42～3.05kg/t（鑄管），漆料中非甲烷總烴含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為230～450g/L，按照揮發(fā)分全部揮發(fā)考慮，在噴漆過程中揮發(fā)的非甲烷總烴量為570～1 220 g/t（產(chǎn)品）。

鑄造工業(yè)各工序產(chǎn)生非甲烷總烴的產(chǎn)污系數(shù)如表1所示。

表1 鑄造工業(yè)各工序產(chǎn)生非甲烷總烴的產(chǎn)污系數(shù)

4 治理措施

根據(jù)對(duì)數(shù)十家鑄造企業(yè)的走訪調(diào)研，鑄造生產(chǎn)中的制芯和澆注環(huán)節(jié)基本無VOCs末端治理措施，主要由于目前污染物排放標(biāo)準(zhǔn)尚未對(duì)鑄造制芯、澆注環(huán)節(jié)排放VOCs制定排放限值。在噴漆工序中普遍采用了活性炭吸附+UV光解、活性炭吸附+廢氣引入退火爐焚燒（部分企業(yè)采用直接引入退火爐）、吸附法、催化燃燒等工藝。

經(jīng)過多年對(duì)噴漆工序中VOCs治理措施的實(shí)踐摸索，并結(jié)合企業(yè)的實(shí)測結(jié)果、處理效率，目前技術(shù)成熟并穩(wěn)定運(yùn)行的VOCs處理工藝以吸附法、催化燃燒法為主。同時(shí)，還應(yīng)密切關(guān)注吸附法和催化燃燒法工藝中的二次污染問題。

吸附法處理VOCs的優(yōu)勢在于吸附、脫附的交替循環(huán)，但在脫附過程中會(huì)有危廢冷凝液的產(chǎn)生，應(yīng)將危廢冷凝液做好處置。催化燃燒法主要采用蓄熱式的氧化器（RTO）和蓄熱式的催化氧化器（RCO）這兩種裝置，在處理有機(jī)廢氣過程中均會(huì)發(fā)生燃燒，因此，需對(duì)燃燒過程中產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化物進(jìn)行有效控制。

在采用焚燒、氧化裝置處理有機(jī)廢氣時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段就對(duì)有機(jī)廢氣量、理論燃燒或者氧化需要的空氣量進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算。若確定需要補(bǔ)充空氣進(jìn)行燃燒、氧化，污染物體積濃度應(yīng)按照φ（O）=3%進(jìn)行折算，由于實(shí)現(xiàn)廢氣中有機(jī)物和常規(guī)污染物達(dá)標(biāo)非常困難，因此必須提高有機(jī)物的處理效率，應(yīng)保證在99%以上，并且還應(yīng)考慮二氧化硫和氮氧化物的協(xié)同處理措施。同樣，如果采取活性炭吸附+廢氣引入退火爐焚燒或者直接引入退火爐焚燒有機(jī)廢氣，在設(shè)計(jì)、廢氣達(dá)標(biāo)方面更應(yīng)該提前進(jìn)行穩(wěn)妥計(jì)算。

5 結(jié)語

鑄造工業(yè)排放的揮發(fā)性有機(jī)物主要來自造型、制芯、澆注、噴涂環(huán)節(jié)，目前主要針對(duì)噴涂環(huán)節(jié)采取了高效的治理措施，但對(duì)造型、制芯、澆注環(huán)節(jié)的污染物治理尚未引起足夠的重視，且未采取有效的治理措施。為了推動(dòng)鑄造工業(yè)向綠色鑄造發(fā)展，建議鑄造工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鑄造工藝環(huán)節(jié)中揮發(fā)性有機(jī)物的排放控制限值進(jìn)行設(shè)定，鑄造企業(yè)應(yīng)遵循源頭削減、過程控制、末端治理、環(huán)保管理的原則，對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物系統(tǒng)性地采取有效治理措施。