對砂型鑄造澆注段及型內冷卻段廢氣治理的技術探討

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（含金屬型復砂）、消失模鑄造、V 法鑄造、連續鑄造、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工序構成。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。鑄造生產主要工序大氣污染物產生情況如圖1 所示。

圖1 鑄造生產主要工序大氣污染物產生示意圖

2 澆注段及型內冷卻段污染物分析

澆注及冷卻段廢氣特點：污染源分散、成分復雜、廢氣收集風量大、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，即產生大量的高溫粉塵，同時鑄型中會產生有機物污染物。

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

（2）熔模：由于熔模在澆注使用前要經過高溫焙燒，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，這些物質在高溫條件下會形成CO、CO2、VOCs、乙烯等污染物。

2.2 型內冷卻段

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

3 現有處理工藝

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：固定式側吸收集方式和移動式收集方式，后續配置均為密閉式冷卻線[3]。

圖2 固定式側吸罩

圖3 移動式收集罩

隨著GB 39726-2020《鑄造工業大氣污染物排放標準》的頒布和執行，鑄造行業的澆注段和型內冷卻段將有更多的工程需求，現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

當含塵氣體進入除塵器時，粗粉塵因受導流板的碰撞作用和氣體速度的降低而落入灰斗中；其余細小顆粒粉塵隨氣體進入濾袋室；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，凈化后的氣體逸出袋外，經排氣管排出。

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。濾料性能和質量的好壞，直接關系到袋式除塵器的性能和使用壽命。濾料已從天然纖維發展到現在的人工合成纖維，從而使袋式除塵器的除塵性能及應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上，表面覆膜技術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，或者當氣體與噴灑的液滴相遇時，液體在塵粒質點上凝集，增大了質點的質量，而使之降落。此種方式可同時消除SO2氣態污染物，但要配備污水、污泥處理設施。

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量和穩定性，常會加入一些增強劑（樹脂、固化劑）類的有機材料，在加熱過程中散發出VOCs，現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移到吸收劑中，從而實現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作用過程。有機廢氣轉移到吸收劑中后，采用解析方法把吸收劑中有害分子去除掉，然后回收，實現吸收劑的重復使用和利用。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,即將大風量、低濃度的有機廢氣通過蜂窩狀活性炭吸附以達到凈化空氣的目的，當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，達到廢熱利用和節能的目的。整套裝置由預濾器、吸附床、催化燃燒床、阻燃器、相關的風機、閥門等組成。排放濃度：（10～60）mg/（N·m3）；處理效率：90%～99%。

4 推送串聯工藝

根據生產工藝澆注段和型內冷卻段煙塵收集設備需同時使用，澆注段因工藝需求，可采用狹縫式或百葉式側吸罩，澆注段煙塵陣發性強在煙塵產生點（冒口處）集中風量收集煙塵，故澆注收集系統特點為高負壓低風量；型內冷卻段面積較大，砂箱停留時間長，煙塵散發緩慢采用頂吸密閉結構收集，故型內冷卻段收集系統的特點為低風壓大風量；因兩套收集系統的風壓、風量特點不一致，在管路布置、風機選型無法通用，為保證收集效果均單獨設置廢氣處理系統。現根據工程實例，介紹一種推送串聯收集方式（如圖4 所示）。澆注段和冷卻段收集的煙氣污染物成分類似，但收集系統特點不一致，采用中繼推送風機，滿足澆注段高負壓低風量的煙氣收集需求；通過中繼風機后的氣流均布送風系統，將澆注收集風量由密閉式冷卻線兩側近地面均布進風口均勻推送入冷卻線，在冷卻線中頂部均布大風量吸風口排入煙塵處理系統，滿足低風壓大風量的收集需求。特點在于冷卻線排風量大于冷卻進風量及煙塵散發速率之和，保證冷卻線低負壓運行，且通過冬天與夏天環境溫度和砂箱散發熱量的冷卻匹配關系，變頻設定不同環境溫度主風機風量，確保密閉式冷卻線處于微負壓狀態，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，導致濾袋阻力持續升高，并且反吹再生效果不明顯，設置了預處理階段，對煙氣中的粘性粉塵進行吸附和包裹，確保收集煙塵中顆粒與濾袋的良好分離性，通過預處理裝置的涂覆，保證整套系統的阻力在設計范圍內，保證系統穩定運行，降低了風機能耗。

5 處理方式數據展示

（1）污染物濃度：根據現場采樣孔取樣數據，澆注后NMHC（非甲烷總烴）數據值范圍為（23～42）mg/（N·m3），粉塵值約為27mg/（N·m3），串聯主管路中NMHC 數據值范圍為（28～45）mg/（N·m3）粉塵值約為33mg/（N·m3）,滿足后續袋式除塵器和催化燃燒設備入口要求，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，冷卻線側吸罩罩口風速為（12～15）m/s，吸塵罩口負壓為500Pa，冷卻線砂箱入口風速為（1.8～2.3）m/s。澆注段設置單獨推送風機，可最大限度的滿足澆注時煙塵的收集，均布氣流可有效控制密閉式冷卻線內氣流走向，而且加大了冷卻線的換氣次數，提升鑄件冷卻效率的同時，確保罩內負壓和收集效果。

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冷卻段兩套除塵除味處理設施相比，將降低風量、設備占地以及設備投入，如表1 所示。

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

7 結論

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