鑄造熔煉加料與煙氣除塵的研究與設計

吳 劍

（江陰智銘鑄造裝備應用技術設計室，江蘇江陰 214400）

市場經濟的大環境下，對鑄造產業管理和鑄造產品的質量要求越來越高，各種鑄造工藝的應用技術不斷提升。然而，鑄造生產過程（尤其是熔煉、澆注）所產生的煙氣、廢氣、粉塵問題不可避免，容易造成嚴重的工況及環境污染，特別是中小型企業的狀況，直接影響鑄造業生態發展的前景。所以，企業必須重視鑄造熔煉工藝技術的改造，認識改造的重要性、必要性和重視綠色環保的創新發展理念。

鑄造生產的在線熔煉（電爐、沖天爐等等）需要大量的生鐵、廢鋼和輔料作為熔煉材料。在熔煉過程中，會產生大量的廢氣（主要成分是C、S、P、N的不穩定氧化物）、粉塵（石灰粉、焦油和未完全燃燒的煤渣小顆粒）和大量熱煙氣（黑色和灰黃顏色煙氣）的釋放擴散。如果不進行有效的除塵過濾處理會造成嚴重的擴散和環境（空氣）污染，形成遏制企業生產和發展的一個瓶頸。產業的要求是節能、環保、綠色鑄造，也是國家鑄造行業環境治理的首要目標。

所以，鑄造熔煉工部配套除塵系統的技術改造勢在必行。實施綠色鑄造的熔煉工藝流程、技術，有利于企業的綜合市場競爭能力，也是企業轉型發展的一個重點，是符合鑄造產業創新發展的有效措施[1]。

1 設計方案的研究

電爐熔煉過程釋放的煙氣、粉塵排出是不可避免的。但是煙氣、粉塵的排放、集塵控制是可以實現的。

結合實施技改要求的電爐生產條件、生產特性和有關技術指標，對規模型的可采用干法（集塵、物理活性炭過濾吸附）、濕法（化學水噴淋酸堿平衡）的綜合處理工藝。其工藝技術的實用性好，適用于中小型電爐熔煉（單臺或多臺形式）的除塵工藝配套。

（1）干法+濕法的綜合工藝集塵型處理過程，是利用配套的除塵設備來實現的。主要核心設備包括：第一級低阻旋風除塵器（沉降型收集排放的小顆粒物）、第二級活性碳過濾裝置（吸附型排放的異味、焦油和部分有機化合物）、第三級堿性水噴淋裝置（系統化學中和反應、噴淋污水通過污水沉淀池進行酸堿平衡處理，形成循環水回用）以及配套的移動式傾翻加料平車、離心風機、風管和上吸式風罩。整個工藝過程相對獨立。

圖1 為電爐熔煉煙氣除塵綜合處理系統圖。

（2）熔煉過程的煙氣、粉塵、熱擴散排放是重點污染源。經研究，考慮借助工業自動化、智能化傳感控制技術，進行有效的節點控制與調配，以確定系統的可靠性、安全性和工況環境的適應性。特別是產生的有害氣體、粉塵、高溫和輻射，可利用智能化自動識別系統特性，實時監控現場的工況、隱患和裝備運行情況，有效提高除塵效率[2，3]。

在實際應用中，工藝流程的布置，原則上不同現場不同方案，應進行必要的工藝試驗、調整和試運行，以達到合理有效的除塵排放要求。

2 工藝特性的研究

2.1 爐料燃燒煙氣的成因

熔煉過程配有的部分煤（焦）在燃燒過程中所生成的煙氣大致有三種成分：粉塵、碳氫化合物和硫氮氧化物，而形成有害煙氣向外擴散釋放。

（1）粉塵——含有典型的煙塵、殘碳、焦油和細微顆粒物（飛灰）。

（2）碳氫化合物——燃燒時在空氣過剩的狀態下，生成有害的碳氫化合物和一氧化碳，而二氧化碳（CO2） 在高溫燃燒時分解產生一氧化碳（CO）。

圖1 電爐熔煉煙氣除塵綜合處理系統圖

（3）硫氮氧化物——硫的氧化物燃燒初期釋放的大量一氧化硫（SO）、二氧化硫（SO2）有害氣體。氮的氧化物主要是包含氧和氮的混合氣在高溫條件下化學反應生成的一氧化氮（NO）和其他氮氧化物。

還有爐料中的鐵、廢鋼的氧化物，在熔煉過程產生的濃煙氣等。

熔煉過程中燃燒效率越高，燃燒氣流上升速度越快，燃燒釋放所擴散的煙氣粉塵越多。而且殘余顆粒物、氧化物濃度的變化亦越多。

所以，煙氣除塵處理系統的第一級采用低阻旋風除塵器，作為初級干法粉塵收集（以凈化粉塵、細顆粒）。第二級采用多層活性炭阻抗過濾、吸附（硫、氮、碳氧化物吸附）。第三級采用濕法堿性水噴淋工藝，通過化學中和反應（酸堿平衡法）消除有害氣體。其形成的三級除塵處理系統，可有效實現對熔煉過程的煙氣排放的綜合治理[4]。

2.2 酸堿中和反應

對熔煉燃燒過程的煙氣、氧化物治理，采用酸堿中和反應來實現。由于氧化物酸性成分以及濃度的不同，對其處理流程、平衡控制和綜合治理的手段要復雜的多。

工藝操作上主要控制酸堿的PH 值，氧化物的酸殘留余量會直接干擾、影響酸堿平衡的堿消耗量。所以，PH 值是控制溶液中和反應的一項重要技術指標。

（1）濕法消煙脫硫

采用濕法消煙脫硫是利用堿性溶液來吸收硫氧化物。

1）如果采用氫氧化鈉（NaOH）堿性溶液，同煙氣中和反應，接觸吸收二氧化硫（SO2）形成亞硫酸鈉（Na2SO3）。

2）如果采用氫氧化鈣[Ca（OH）2]堿性溶液，同煙氣中和反應，懸浮吸收二氧化硫（SO2）形成亞硫酸鈣（CaSO3）。

3）如果采用氨水（NH3）堿性溶液，同煙氣中和反應，接觸吸收二氧化硫（SO2）形成亞硫酸銨[（NH4）2SO3]。

（2）濕法消煙去氮

濕法消煙去氮是通過氧化吸收再利用堿性溶液來轉化去氮的過程。在燃燒過程中，所產生的氮氧化物大部分是一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2），通過水溶液直接作用水解，可獲得亞硝酸（HNO2），然后在堿性溶液作用下產生亞硝酸鹽。

（3）濕法中和配方

通常應用中和配方的堿性溶液可采用低價易用的堿性材料：熟石灰（氫氧化鈣[Ca（OH）2]）、燒堿（氫氧化鈉（NaOH））和氨水（NH3+H2O）等配置。堿性溶液可選擇任何一種堿性材料來進行配方（注意：配方是化學專業技術應重視試驗，不宜采用強堿材料），配比濃度應按粉塵、煙氣排放濃度來確定，并在工藝過程中按反應效果進行液料的調整和補充。

所以，熔煉爐（可以考慮電爐、沖天爐的熔煉類型）燃燒的煙氣除塵采用濕法消煙脫硫去氮是一種合理有效的凈化工藝方法?？砂瓷a實際條件和要求進行合理選擇應用[4]。

3 系統裝備特點

3.1 規模型熔煉工部

可以采用干法+濕法綜合處理系統，配置移動式加料平車，以提高熔煉工部的爐料精度和機械化程度。電氣控制設計值入智能化自動識別系統，爐料配比形成大數據庫和質量控制，可徹底改變熔煉工部的工況和生產環境。

電爐熔煉煙氣除塵綜合處理系統的主要設備包括：移動式傾翻加料平車、第一級低阻旋風除塵器、第二級活性碳過濾裝置、第三級堿性水噴淋裝置，以及配套的離心風機、風管和上吸式風罩（見圖示1）。

3.2 小型電爐熔煉工部

針對小型電爐熔煉設備的煙氣集塵，采用一種移動式除塵罩（開式），處理風量不是很大，目的是控制熔煉過程的上升煙氣。開式移動罩可避免電爐金屬液出料時傾轉的影響，除塵系統減少了水噴淋裝置（完全干法處理），工藝過程相對簡單。主要設備配置了布袋除塵器和旋風分離器，風機直接安裝在布袋除塵器上，減少了地面布置（可直接布置在車間副房）[5]。

圖2 為小型電爐熔煉煙氣除塵系統圖。

3.3 移動式傾翻加料平車

電爐熔煉加料采用移動式傾翻加料平車，實現定量配料，避免爐料的不確定性和在轉運過程中的粉塵污染。

移動式傾翻加料平車，由傾翻輸送槽和移動平車組成。加料時輸送槽傾翻由電動推桿推動實施，移動平車由鏈傳動系統實現行走。動力傳動由低壓電轉換控制（人工操作或智能傳感控制）。

輸送槽后底部設置有一個小型振動電機，對流動性不太好的物料進行振動輸送，保持物料的快速過渡。

采用電動推桿，是分析了電爐加料設備存在的一些問題后提出的。很早以前的熔煉加料，有一種氣動式鐵料翻斗（氣缸推動），由于受氣源的影響使用不便。有一種移動式電爐加料車（液壓推動），由于受環境溫度的影響，液壓系統壽命有限[6]。

圖3 為電爐移動式傾翻加料平車。

圖2 小型電爐熔煉煙氣除塵系統圖

圖3 電爐移動式傾翻加料平車

4 結束語

應用多樣化的鑄造工藝與技術裝備，其最終目標就是要實現金屬液的熔煉澆注，以獲得合格的、品質優良的鑄造產品，來滿足不斷發展的工程機械、化工、汽車、農機裝備和建筑裝備生產制造的工藝技術需求。

現代鑄造工藝的創新發展，跟隨著鑄造裝備和技術的創新發展，如先進的造型設備、智能3D打印設備、熔煉設備、鑄造砂處理與砂再生裝備、清理及智能后處理設備等。而配套的環保設備亦在不斷的創新發展。