樹(shù)脂基防熱復(fù)合材料熱處理工藝防污染設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 瑩，張硯書(shū)，路明輝，胡宏林，武 南

（航天材料及工藝研究所，北京 100076）

1 研究背景、問(wèn)題與意義

目前制備樹(shù)脂基防熱復(fù)合材料存在大段熱處理工藝，工藝過(guò)程會(huì)產(chǎn)生各種高風(fēng)險(xiǎn)職業(yè)衛(wèi)生有害物質(zhì)。隨著法律法規(guī)的日益完善，生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，原有的生產(chǎn)工藝過(guò)程不能滿(mǎn)足新標(biāo)準(zhǔn)、新要求，故需改進(jìn)廠房的通風(fēng)換氣、防污染凈化裝置。目前操作工藝的作業(yè)人員職業(yè)衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求越來(lái)越高，對(duì)熱處理工藝過(guò)程進(jìn)行針對(duì)性分級(jí)、分類(lèi)有害物質(zhì)的通風(fēng)防污染處置工作已刻不容緩。

本項(xiàng)目主要解決的問(wèn)題有：

1）樹(shù)脂基防熱復(fù)合材料熱處理工藝過(guò)程污染物風(fēng)險(xiǎn)分析。

2）針對(duì)樹(shù)脂基防熱復(fù)合材料熱處理工藝過(guò)程污染物，設(shè)計(jì)工藝生產(chǎn)配套設(shè)備防污染處置系統(tǒng)集氣風(fēng)量，選擇配套設(shè)備設(shè)施。

3）針對(duì)樹(shù)脂基防熱復(fù)合材料熱處理工藝生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施特殊性，創(chuàng)新設(shè)計(jì)污染物集氣方式，提高工藝過(guò)程生產(chǎn)的污染物集氣率。

針對(duì)本項(xiàng)目存在的主要問(wèn)題，利用色譜分析，對(duì)樹(shù)脂基防熱復(fù)合材料熱處理工藝過(guò)程污染物進(jìn)行職業(yè)衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn)分析與判定、確定現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員接觸各類(lèi)有害因素物質(zhì)種類(lèi)、確定樹(shù)脂基防熱復(fù)合材料熱處理工藝過(guò)程污染物種類(lèi)，設(shè)計(jì)工藝生產(chǎn)配套設(shè)備防污染處置系統(tǒng)集氣風(fēng)量數(shù)值以及配套設(shè)備設(shè)施相關(guān)參數(shù)。根據(jù)樹(shù)脂基防熱復(fù)合材料熱處理工藝生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施特殊性，創(chuàng)新設(shè)計(jì)污染物集氣方式，提高工藝過(guò)程生產(chǎn)的污染物集氣率，實(shí)現(xiàn)污染物數(shù)值符合GBZ2.1—2019《工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分：化學(xué)有害因素》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2 樹(shù)脂基防熱復(fù)合材料熱處理工藝過(guò)程污染物風(fēng)險(xiǎn)分析

2019年年度職業(yè)衛(wèi)生健康體檢存在指標(biāo)異常。根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃、人員管理、職業(yè)病結(jié)果結(jié)合分析，職業(yè)病體檢結(jié)果與RTM酚醛樹(shù)脂的生產(chǎn)存在一定的相關(guān)性。故對(duì)原材料樹(shù)脂基防熱復(fù)合材料所用的RTM酚醛樹(shù)脂進(jìn)行分析，每周用量約在15～25 kg，用量較大。RTM酚醛樹(shù)脂是由苯并噁嗪和芳基乙炔共混而成，其中苯并噁嗪主要是由奈酚、甲醛和苯胺共聚后形成的混合物，這種混合物主要包括樹(shù)脂預(yù)聚體、酚和苯胺。芳基乙炔是由乙炔基芳烴加成聚合而成。

RTM酚醛樹(shù)脂固化過(guò)程小分子釋放成分分析如下：

1）未固化樹(shù)脂熱重分析：從室溫升溫至300℃，最終質(zhì)量損失達(dá)36.8%，樹(shù)脂固化時(shí)從50℃開(kāi)始，便有大量小分子揮發(fā)，100℃時(shí)揮發(fā)速率最大，之后揮發(fā)速率逐漸減小，200℃以后揮發(fā)速率最小。

2）氣體揮發(fā)物質(zhì)譜分析：由表1可知，苯胺的揮發(fā)量占全部揮發(fā)氣體產(chǎn)物的46%（摩爾分?jǐn)?shù)）。每周可揮發(fā)出的苯胺總質(zhì)量在2.54～4.23 kg之間，苯胺是已經(jīng)確定的致癌物之一，其同系物甲苯胺為1類(lèi)致癌物，可嚴(yán)重影響哺乳動(dòng)物的造血功能，造成網(wǎng)織紅細(xì)胞比率升高。

表1 氣體揮發(fā)物質(zhì)譜分析

在揮發(fā)物產(chǎn)物中存有大量苯胺揮發(fā)，根據(jù)苯胺MSDS，苯胺蒸汽壓為70℃，而RTM酚醛樹(shù)脂是由苯并噁嗪和芳基乙炔混合而成，熱處理工藝高達(dá)200℃，普通的職業(yè)衛(wèi)生有害因素監(jiān)測(cè)手段無(wú)法捕捉到苯胺的揮發(fā)，故采用PGC-MS（裂解氣相色譜—質(zhì)譜）方法對(duì)RTM酚醛樹(shù)脂分析，準(zhǔn)確識(shí)別樹(shù)脂基防熱復(fù)合材料熱處理工藝過(guò)程污染物成分與含量，為后續(xù)防污染集氣、處置提供污染物數(shù)值輸入依據(jù)。

3 樹(shù)脂基防熱復(fù)合材料熱防污染集氣風(fēng)量設(shè)計(jì)

1）移動(dòng)式集氣隔間、混膠集氣隔間：局部強(qiáng)排風(fēng)按照120次/h進(jìn)行設(shè)計(jì)，高溫及有污染性氣體的廠房通風(fēng)換氣次數(shù)設(shè)計(jì)為50～60次/h。根據(jù)中弘環(huán)境各項(xiàng)防污染通風(fēng)工程，結(jié)合3組生產(chǎn)職工實(shí)際體感數(shù)據(jù)，將防污染通風(fēng)設(shè)備的換氣次數(shù)對(duì)比廠房通風(fēng)換氣次數(shù)提高一倍，故換氣次數(shù)設(shè)計(jì)為120次/h。

2）7套烘箱面風(fēng)速不低于1 m/s，烘箱自排風(fēng)管徑DN100 mm，風(fēng)速按照不低于20 m/s計(jì)算。外部吸氣罩的傘形罩中要求三面散開(kāi)型的風(fēng)速為0.9～1.05 m/s，取中間值1 m/s。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的烘箱自排風(fēng)管徑測(cè)量得DN100 mm。根據(jù)除塵風(fēng)管風(fēng)速大致為10～20 m/s，故要求排風(fēng)風(fēng)管管速不低于20 m/s。

3）現(xiàn)場(chǎng)烘箱配備真空泵規(guī)格為100 L/s，以此計(jì)算真空泵的排風(fēng)量。

4）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生污染物的布局設(shè)計(jì)，計(jì)算所需風(fēng)量，系統(tǒng)排風(fēng)處理設(shè)備處理能力不低于40 000 m3/h。

5）北側(cè)烘箱伸縮式集氣隔間：伸縮式集氣隔間尺寸為W×L×H=4 900 mm×3 000 mm×3 500 mm，局部強(qiáng)排風(fēng)按照120次/h換氣計(jì)算，風(fēng)量6 174 m3/h。

6）南側(cè)1號(hào)烘箱移動(dòng)式集氣隔間：伸縮式集氣隔間尺寸W×L×H=3 300 mm×3 000 mm×3 500 mm，局部強(qiáng)排風(fēng)按照120次/h換氣計(jì)算，風(fēng)量4 158 m3/h。

7）南側(cè)3、4號(hào)烘箱移動(dòng)式集氣隔間：伸縮式集氣隔間尺寸W×L×H=5 000 mm×3 000 mm×4 500 mm，局部強(qiáng)排風(fēng)按照120次/h換氣計(jì)算，風(fēng)量8 100 m3/h。

8）排溶劑區(qū)域集氣傘罩：集氣傘罩尺寸W×L=800 mm×800 mm，面風(fēng)速按照1 m/s計(jì)算，共計(jì)5個(gè)傘罩，總風(fēng)量為11 520 m3/h。

9）烘箱自排風(fēng)：烘箱自排風(fēng)管徑DN 100 mm，風(fēng)速不低于20 m/s，排風(fēng)量為576 m3/h。

10）真空泵排氣：真空泵規(guī)格為100 L/s，排氣風(fēng)量為360 m3/h。系統(tǒng)總風(fēng)量為（污染性烘箱最多有2臺(tái)同時(shí)工作）取最大值38 952 m3/h（8 100×2+11 520+576×12+360×12=38 952 m3/h），故要求系統(tǒng)處理設(shè)備處理能力不低于40 000 m3/h。

針對(duì)樹(shù)脂基防熱復(fù)合材料熱處理工藝過(guò)程污染物，設(shè)計(jì)工藝生產(chǎn)配套設(shè)備防污染處置系統(tǒng)集氣風(fēng)量不得低于40 000 m3/h。

4 防隔熱復(fù)合材料制備工藝防污染集氣方式創(chuàng)新

針對(duì)樹(shù)脂基加工工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)有針對(duì)性的集氣措施，滿(mǎn)足對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行涂裝、加熱、二次涂裝和二次加熱等工藝處理流程的排氣需求，有效收集工藝生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的污染性有毒有害氣體，防止污染物逸散至周邊環(huán)境，確保將污染物有效收集并最終處理達(dá)標(biāo)，使職業(yè)健康及達(dá)標(biāo)排放得到保障。改進(jìn)后的集氣裝置如圖1所示。集氣裝置采用封閉式伸縮罩形式，將熱處理設(shè)備及設(shè)備門(mén)口涂裝區(qū)域全部進(jìn)行封閉，伸縮罩固定部分罩住熱處理設(shè)備本體，伸縮部分罩住工件涂裝區(qū)域以滿(mǎn)足模具及工件吊裝需求。為了避開(kāi)熱處理設(shè)備下部電機(jī)維修空間，伸縮罩固定部分采用鋼結(jié)構(gòu)支撐件，立于熱處理設(shè)備前后兩端，結(jié)構(gòu)件外立面采用輕質(zhì)耐溫板材包裹。伸縮罩伸縮部分采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)設(shè)置于中心位置，伸縮軌道設(shè)置于兩側(cè)鋼結(jié)構(gòu)支撐體上端橫梁之上。伸縮罩正面設(shè)置快速卷簾門(mén)，材質(zhì)采用透明耐火苫布。伸縮罩固定部分開(kāi)設(shè)排氣口，用于連接管道，將污染性氣體輸送至終端處理凈化設(shè)備。

5 結(jié)論

針對(duì)樹(shù)脂基防熱復(fù)合材料熱處理工藝過(guò)程的防污染系統(tǒng)，成功設(shè)計(jì)了有效收集污染物質(zhì)的裝置隔間，減少現(xiàn)場(chǎng)有毒有害物質(zhì)濃度，保證工藝過(guò)程的職業(yè)衛(wèi)生安全可靠。針對(duì)以上設(shè)計(jì)方案，提出樹(shù)脂基防熱復(fù)合材料熱處理工藝防污染系統(tǒng)改造項(xiàng)目申請(qǐng)，經(jīng)過(guò)改造后，所有點(diǎn)位有機(jī)廢氣均滿(mǎn)足職業(yè)衛(wèi)生要求，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況如表2所示。

表2 檢測(cè)結(jié)果 mg/m3