工業(yè)煙塵治理技術(shù)現(xiàn)狀分析及新興技術(shù)應(yīng)用案例

王諾 劉德

1 青島市生態(tài)環(huán)境監(jiān)控中心 2 山東省青島生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心

WANG Nuo LIU De

1 煙塵治理工藝分析

1.1 整體置換通風(fēng)

目前，較常用的整體置換通風(fēng)方式是采用吹風(fēng)與吸氣相結(jié)合的方式，即：在車間煙氣較高的地方附近，用空氣吹入，使焊接煙氣進(jìn)入車間上部，再由上部的抽吸裝置將有害氣體排出。該工藝操作簡(jiǎn)便，能有效地排除車間的煙氣。然而，這種傳統(tǒng)的抽氣方法有一個(gè)缺點(diǎn)，那就是必須不斷地進(jìn)行吹風(fēng)、吸氣，消耗高、維護(hù)成本高、操作成本高，從而導(dǎo)致成本大幅度增加。而且，由于空氣流通引起的環(huán)境氣溫變化很大，因此不適合在氣候變化大的地區(qū)使用。

1.2 局部點(diǎn)源治理

采用局部點(diǎn)源治理，可以縮小吸風(fēng)的范圍，只在煙塵產(chǎn)生工位上方安裝吸風(fēng)裝置。這種方式對(duì)于小型零部件、定點(diǎn)生產(chǎn)工位等煙塵量小的工況，凈化效果較好；這種局部點(diǎn)源治理有多種類型，吸氣罩可以是活動(dòng)的，也可以是固定的，將生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的煙霧抽走。但是，該方法存在一定的局限性，比如對(duì)風(fēng)量、風(fēng)速等技術(shù)指標(biāo)要求較高，點(diǎn)源產(chǎn)生點(diǎn)的構(gòu)件尺寸較大、點(diǎn)位不固定、跨度較大，吸塵罩伸縮臂范圍有限等，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)煙塵捕集凈化效果不理想；而且有些工況在運(yùn)行之前必須進(jìn)行人工干預(yù)，不僅會(huì)增加人力成本，而且會(huì)降低工作效率。

1.3 局部面源治理

局部面源治理一般采用小型一體機(jī)，采用多點(diǎn)位分散布置，固定安裝。通過(guò)多臺(tái)小型機(jī)的疏密布局和合理安裝，產(chǎn)生局部空氣流動(dòng)，最大限度地收集煙塵，同時(shí)避免了與廠房?jī)?nèi)原有工藝設(shè)施的交叉作業(yè)。一般小型一體除塵機(jī)組，按照氣流方式，可選擇分布自循環(huán)式、吹吸式等；按煙塵捕集方式分為布袋式、濾筒式、靜電式等。效果對(duì)比見表1。

表1 除塵機(jī)組效果對(duì)比

1.4 局部面源治理+屋頂置換通風(fēng)

為達(dá)到更好的除塵通風(fēng)效果，一些高大空間采用局部面源治理+屋頂置換通風(fēng)的方式，局部面源治理捕集和過(guò)濾煙塵，屋頂置換通風(fēng)為高大空間補(bǔ)充新風(fēng)；另一些還會(huì)加裝溫度調(diào)節(jié)和濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，既可以保障高大空間內(nèi)的煙塵治理，又可以達(dá)到空氣溫度調(diào)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)的目的，更利于操作人員的身體健康。但缺點(diǎn)是投資高，用電設(shè)備功率大，運(yùn)行成本高。尤其在北方地區(qū)，為保障冬季室內(nèi)的溫度需加裝電加熱裝置，從而使得造價(jià)更加高昂。且澆鑄煙塵粘度較大，小型機(jī)容易堵塞，給清理維護(hù)造成不便。

2 項(xiàng)目概述

2.1 現(xiàn)狀生產(chǎn)工藝

澆鑄工藝主要使用行車吊運(yùn)鋼包對(duì)工件進(jìn)行澆鑄，在澆鑄過(guò)程中磨具會(huì)持續(xù) 冒煙，且產(chǎn)生的煙氣較輕，煙氣大量的積聚在車將的最上方，澆鑄工作結(jié)束后才緩慢沉降。粉塵主要為水玻璃砂產(chǎn)生煙塵及部分金屬粉塵以及少量VOCS。

2.2 治理指標(biāo)

要求車間生產(chǎn)時(shí)，廠房?jī)?nèi)4m 以下空氣中的有害粉塵濃度不大于4mg/m3。煙氣凈化后排放濃度、排放速率應(yīng)符合《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》要求。VOCS排放標(biāo)準(zhǔn)滿足《鑄造工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，設(shè)備噪聲小于85dB（A）。

3 工藝方案分析

3.1 治理難點(diǎn)分析

廠房?jī)?nèi)澆鑄區(qū)域發(fā)塵點(diǎn)多面廣，分布分散但局部集中；作業(yè)工況較為復(fù)雜，工件尺寸較大，需要天車配合作業(yè)；有時(shí)一個(gè)工件多處同時(shí)澆筑，且澆筑操作位置分布較廣；產(chǎn)品類型較多，發(fā)塵位置多變，澆鑄區(qū)域不固定，隨產(chǎn)品轉(zhuǎn)型、生產(chǎn)任務(wù)調(diào)整而變化。由于澆鑄工位大且澆鑄點(diǎn)位不固定，且所以澆鑄產(chǎn)生的煙塵難以采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的捕集方式進(jìn)行捕集。

因?yàn)闈茶T煙塵粘度較大，局部面源治理及局部面源+屋頂置換通風(fēng)的分散布置的小型機(jī)因?yàn)闄C(jī)型的原因，會(huì)有宜堵塞不易清理維護(hù)等缺點(diǎn)，不適合使用以上兩種的方式。

3.2 工藝確定

通過(guò)以上分析決定采用整體通風(fēng)換氣的策略，使用高大煙塵空間分布式環(huán)境控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)由自循環(huán)工業(yè)除塵機(jī)集群布置，以達(dá)到合理的系統(tǒng)氣流組織，從而對(duì)廠房?jī)?nèi)煙塵進(jìn)行控制。系統(tǒng)用上升氣流形式，氣流方向與澆鑄煙塵擴(kuò)散的方向一致，是經(jīng)常使用的氣流方式。除塵采用濾筒除塵，VOCS治理視VOCS治理濃度采用活性炭吸附或納米微氣泡方式。

4 組合式空調(diào)除塵工藝設(shè)計(jì)

4.1 CF 除塵機(jī)

CF 除塵機(jī)組采用了納米濾材，具備阻燃、過(guò)濾精度高的特點(diǎn)。運(yùn)行阻力更低，能保持極高的氣流量，對(duì)煙塵（0.3μm）的過(guò)濾效率達(dá)99.9%以上。設(shè)備配備自動(dòng)清灰系統(tǒng)、同時(shí)集成了火花捕集器、消聲器。該設(shè)備占地面積小、安裝方便、運(yùn)行穩(wěn)定。

4.2 高效清灰技術(shù)

采用錐筒形濾筒支架代替?zhèn)鹘y(tǒng)的三角普通支架。相比于普通支架，錐筒支架在反吹清灰時(shí)使濾筒內(nèi)壁壓力更加均勻，噴吹距離更遠(yuǎn)，效率更高，并可延長(zhǎng)濾筒使用壽命。并通過(guò)ANSYS 軟件數(shù)字模擬和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，錐筒形濾筒支架清灰效率提高21%。

根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可知，在噴吹口到濾筒口距離426mm、噴吹壓力0.6MPa、脈沖寬度82.8ms 時(shí)噴吹效果最高。

4.3 脈沖閥設(shè)計(jì)

脈沖閥是 ZM 脈沖閥。ZM 型電磁式脈沖閥是在Z 形直角電磁式脈沖閥的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良的一種外螺紋接頭鏈接結(jié)構(gòu)脈沖閥。特點(diǎn)是：靈敏度高，排氣量大，工作穩(wěn)定。同時(shí)套筒活節(jié)，安裝維修方便可靠。

4.4 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)采用后傾葉片直連型離心風(fēng)機(jī)，電機(jī)符合二級(jí)能效。防護(hù)等級(jí)IP55。絕緣等級(jí)F 級(jí)。風(fēng)機(jī)配置凈出口軟連接，軟連接采用阻燃硅膠布。配置減振臺(tái)座及金屬型減震器。蝸殼配置檢修門及排水口

5 VOCs 處理工藝設(shè)計(jì)

5.1 設(shè)計(jì)分析

澆鑄過(guò)程中VOCS產(chǎn)生的為模具中的樹脂在高溫狀態(tài)下?lián)]發(fā)，會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成污染。經(jīng)改造后，澆鑄過(guò)程中產(chǎn)生的VOCS隨煙塵（顆粒物）一同被收集處理，且隨著煙氣溫度的降低；一部分VOCS會(huì)粘附在澆鑄煙塵（顆粒物），不再是揮發(fā)態(tài)。因此建議VOCS濃度較低時(shí)采用活性炭吸附方式；濃度較高時(shí)采用微氣泡深度氧化技術(shù)。

5.2 活性炭過(guò)濾段

如VCOS濃度較低時(shí)，在除塵工藝的末端加裝筒式活性炭過(guò)濾段，可以與除塵設(shè)備形成一體機(jī)。筒式活性炭過(guò)濾器特點(diǎn)：超大的媒介裝載量保證高效率和長(zhǎng)壽命；低阻高效氣流通過(guò)柱狀通道向四周均勻擴(kuò)散，滯留時(shí)間長(zhǎng)，阻力低，效率高；外殼可循環(huán)使用；快速卡扣設(shè)計(jì)，安裝快捷、簡(jiǎn)單。

5.3 微氣泡深度氧化段

該技術(shù)屬于VOCS治理技術(shù)的復(fù)合技術(shù)，整體工藝為濕式除漆霧+微氣泡深度氧化處理工藝，微氣泡深度氧化處理工藝主要由非均相反應(yīng)技術(shù)、微氣泡技術(shù)、深度氧化技術(shù)組成，其中非均相反應(yīng)技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中氣、液傳質(zhì)及反應(yīng)條件的保障，微氣泡技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)、溶氣、系統(tǒng)理化參數(shù)平衡、部分分解的目標(biāo)，深度氧化技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)VOCS礦化分解、達(dá)標(biāo)排放的最終目標(biāo)。

基于HBDO 技術(shù)的廢氣治理設(shè)備，主要由單個(gè)或多個(gè)級(jí)聯(lián)的非均相系統(tǒng)（即塔狀設(shè)備）組成，在非均相系統(tǒng)中，由前處理工段、微氣泡工段、深度氧化工段以及均風(fēng)、除霧等配合工段和臭氧發(fā)生器系統(tǒng)、PLC 系統(tǒng)、水循環(huán)及處理系統(tǒng)等組成。

該工段主要利用液相（液體）的微氣泡及深度氧化反應(yīng)來(lái)去除氣相（氣體）廢氣中的有害成分，采用湍流塔和填料塔的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行廢氣中漆霧、粉塵、顆粒物的去除，采用填料塔的原理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高效的傳質(zhì)和反應(yīng)。

5.3.1 填料塔設(shè)計(jì)

采用不銹鋼304 作為設(shè)備主體材質(zhì)，保證強(qiáng)度和各種耐候性；根據(jù)實(shí)際情況，一般采用立式逆流填料塔設(shè)計(jì)，空塔流速根據(jù)計(jì)算確定，一般取值約在2m/s左右；多塔聯(lián)用采用串聯(lián)方式；選用高比表面積的散堆填料，高度按照修正的恩田（Onda）公式計(jì)算得出；采用氣液混合和液體分布結(jié)構(gòu)，保障傳質(zhì)的均勻性；最小潤(rùn)濕速率取值LMmin=0.08m3/(m·h），根據(jù)選用填料的總比表面積 （單位 m2/m3），利用公式Umin=LMminat計(jì)算出最小噴淋密度。

5.3.2 微氣泡發(fā)生器設(shè)計(jì)

氣泡的產(chǎn)生方式有很多，包括用在污水處理中的各種曝氣方式，但這些絕大部分產(chǎn)生的為毫氣泡（即接近毫米尺度的氣泡）。要通過(guò)氣泡發(fā)生裝置產(chǎn)生本技術(shù)中所定義的微氣泡（100nm ～100μm 粒徑），才能一方面實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)效率的提升，另一方面由于空化效應(yīng)實(shí)現(xiàn)廢氣的部分分解。而微氣泡發(fā)生器采用“自吸式+文氏管+高速剪切”的方式，所產(chǎn)生的微氣泡具有粒徑均勻，且多數(shù)在3 ～8μm 范圍的特點(diǎn)。并且經(jīng)流體動(dòng)力學(xué)仿真及反復(fù)試驗(yàn)定型，具有產(chǎn)生微氣泡粒徑小且均勻、數(shù)量多、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。采用高壓水泵輸入能力，驅(qū)動(dòng)微氣泡發(fā)生器產(chǎn)生微納米級(jí)別氣泡的方式進(jìn)行。

微納米級(jí)別的氣泡才能呈現(xiàn)出同傳統(tǒng)水處理曝氣等應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生氣泡的不同特性，具有更強(qiáng)的比表面積、溶氣效率特性，且能在微氣泡潰滅時(shí)產(chǎn)生空化效應(yīng)，產(chǎn)生大量的羥基自由基，實(shí)現(xiàn)分解廢氣有害成分的目的。

5.3.3 深度氧化設(shè)計(jì)

采用氣相（臭氧、廢氣）、液相（循環(huán)水體）非均相的反應(yīng)系統(tǒng)，一方面利用臭氧在水中的自分解和催化，實(shí)現(xiàn)氧化效率的提升；另一方面部分VOCs 及氧化后的中間產(chǎn)物在水中停留，爭(zhēng)取到更多的反應(yīng)時(shí)間。

研究得出臭氧在此條件下的反應(yīng)促進(jìn)劑和催化劑，提升臭氧反應(yīng)效率的同時(shí)，增加系統(tǒng)中自由基的產(chǎn)生，利用自由基的無(wú)選擇性和快速反應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)深度氧化、分解廢氣有害成分的目標(biāo)。

6 運(yùn)行成本分析

電能成本。裝機(jī)功率1170kW，運(yùn)動(dòng)頻率40Hz，每天運(yùn)行8h，每年運(yùn)行300d，電費(fèi)1 元/kWh，年用電成本=1170×0.8×8×300×1=2246400 元。

濾筒成本。共512 個(gè)濾筒，每1 年更換1 次，濾筒單價(jià)1200 元，年成本=512×1200=614400 元。

滑石粉成本。用量100kg/d，每年運(yùn)行300d，1元/kg，滑石粉年成本=100×300×1=30000 元。

活性炭成本。填充量約12t×4=48t，更換頻次2a，活性炭更換費(fèi)用48t×1.8萬(wàn)元/t=86.4萬(wàn)元/2a=43.2萬(wàn)元/a，飽和后的活性炭，應(yīng)做為危廢處置，宜可做為燃料，如做為危廢處置，費(fèi)用：48t×0.3萬(wàn)元/t=14.4萬(wàn)元/2a=7.2 萬(wàn)元/a。

微氣泡深度氧化成本。氧化促進(jìn)劑原液：8000 元/次×12=9.6萬(wàn)萬(wàn)元/a，污水可接入廠區(qū)污水處理廠。

7 結(jié)語(yǔ)

基于對(duì)傳統(tǒng)煙塵治理的分析，采用“組合式空調(diào)除塵+活性炭過(guò)濾/微氣泡深度氧化”組合工藝對(duì)工業(yè)煙塵進(jìn)行處理，結(jié)果表明該工藝能有效去除水玻璃砂產(chǎn)生煙塵、部分金屬粉塵以及少量VOCs，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用意義。