鑄造工業(yè)揮發(fā)性有機化合物治理研究

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)是國民經濟發(fā)展的重要基礎工業(yè)，從環(huán)境保護角度出發(fā)，鑄造業(yè)屬于高能耗、高污染的“兩高”行業(yè)。隨著近幾年國家對大氣污染控制、治理的持續(xù)加嚴加緊，陸續(xù)出臺了大氣污染綜合治理行動攻堅計劃、藍天保衛(wèi)戰(zhàn)行動計劃、工業(yè)爐窯大氣污染治理方案、鑄造工業(yè)大氣污染物排放標準等相關的政策與標準。在常規(guī)污染物如顆粒物、二氧化硫、氮氧化物的治理方面，已經有了很大的進步和改善，以目前的污染治理技術水平，常規(guī)污染物的排放基本已經達到預期的治理效果。但是在鑄造工業(yè)中產生的揮發(fā)性有機化合物（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反應的有機化合物，或者根據規(guī)定的方法測量或核算確定的有機化合物[1]。VOCs對神經系統和消化系統等都會造成損害，且具有刺激性、毒性和致癌性等，會對人體產生急性危害[2]。近年來，VOCs已成為大氣污染物的控制重點，我國相繼出臺《重點行業(yè)揮發(fā)性有機物綜合治理方案》、《揮發(fā)性有機物無組織排放控制標準》等一系列政策、標準。鑄造工業(yè)中造型制芯、砂再生、澆注、涂裝工序都涉及VOCs的產生，針對鑄造工業(yè)全流程產生VOCs的污染因子、污染源強、治理技術的系統研究還需要進一步從實踐中探討。

通過結合企業(yè)的實地調查、現場資料收集以及多年的環(huán)境保護管理經驗，對鑄造工業(yè)涉及VOCs的產污環(huán)節(jié)分析、源強計算、污染控制技術路線、環(huán)境管理等方面進行全面總結，以期達到以下目的：為鑄造工業(yè)的VOCs污染治理提供技術支撐，引起從事環(huán)保相關工作人員的關注和重視；建議在標準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，以此實現全流程的控制；希冀鑄造、材料等學科在對造型制芯材料替代、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質的提升。

2 鑄造工藝過程中VOCs產生源

鑄造工業(yè)涵蓋的工藝很廣，這里重點分析涉及VOCs產生的原輔材料和工藝過程。目前，絕大部分鑄造企業(yè)在生產管件和鑄管時，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。由鑄造生產過程中涉及所含的有機類物質以及所采用的的工藝條件，決定了鑄造工藝過程中VOCs的產生源為造型制芯、澆注、涂裝工序。

從產生的機理分析，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，煤粉質量配比在1%～3%之間，澆注過程中煤粉發(fā)生熱解，產生的VOCs主要成分是苯系物，包括苯、甲苯、二甲苯，在實際生產中，澆注過程還會產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]；呋喃樹脂熱解產生的VOCs主要包括苯、酚、乙醛與甲苯等[5]。在冷芯盒生產中，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，漆料和稀料在儲存、調漆、噴漆、流平、烘干過程中會揮發(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

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

由于在鑄造工業(yè)中使用的涉及VOCs的原輔材料、工藝技術條件、運行工況、產品規(guī)格都存在較大差別，因此，在收集企業(yè)實際監(jiān)測數據、文獻資料以及進行理論計算的基礎上，對源強數據進行了修正，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將樹脂砂（覆膜砂）射入金屬芯盒內，芯盒內溫度控制在180～260℃，經過一定時間的加熱，取出實心砂芯。在芯盒加熱過程中，樹脂砂表面的有機覆膜在高溫下發(fā)生一定的揮發(fā)，產生非甲烷總烴，揮發(fā)量為1.1～192.8 g/t（產品）[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（產品）。

鑄件澆注過程中，由于造型材料中有機物的含量差異很大，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，產生的非甲烷總烴在93.4～272.2 g/t（產品）[2]；樹脂砂造型在澆注過程中，產生的非甲烷總烴在2.2～680 g/t（產品）[6]；消失模造型澆注過程中，產生的非甲烷總烴在36.9～868.7 g/t（產品）[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，以實際調研和理論計算為依據，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（質量分數）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（產品）。

鑄造工業(yè)各工序產生非甲烷總烴的產污系數如表1所示。

表1 鑄造工業(yè)各工序產生非甲烷總烴的產污系數

4 治理措施

根據對數十家鑄造企業(yè)的走訪調研，鑄造生產中的制芯和澆注環(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準尚未對鑄造制芯、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。

經過多年對噴漆工序中VOCs治理措施的實踐摸索，并結合企業(yè)的實測結果、處理效率，目前技術成熟并穩(wěn)定運行的VOCs處理工藝以吸附法、催化燃燒法為主。同時，還應密切關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)，但在脫附過程中會有危廢冷凝液的產生，應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，在處理有機廢氣過程中均會發(fā)生燃燒，因此，需對燃燒過程中產生的二氧化硫、氮氧化物進行有效控制。

在采用焚燒、氧化裝置處理有機廢氣時，應在設計階段就對有機廢氣量、理論燃燒或者氧化需要的空氣量進行詳細的計算。若確定需要補充空氣進行燃燒、氧化，污染物體積濃度應按照φ（O）=3%進行折算，由于實現廢氣中有機物和常規(guī)污染物達標非常困難，因此必須提高有機物的處理效率，應保證在99%以上，并且還應考慮二氧化硫和氮氧化物的協同處理措施。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廢氣，在設計、廢氣達標方面更應該提前進行穩(wěn)妥計算。

5 結語

鑄造工業(yè)排放的揮發(fā)性有機物主要來自造型、制芯、澆注、噴涂環(huán)節(jié)，目前主要針對噴涂環(huán)節(jié)采取了高效的治理措施，但對造型、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。為了推動鑄造工業(yè)向綠色鑄造發(fā)展，建議鑄造工業(yè)排放標準中對鑄造工藝環(huán)節(jié)中揮發(fā)性有機物的排放控制限值進行設定，鑄造企業(yè)應遵循源頭削減、過程控制、末端治理、環(huán)保管理的原則，對揮發(fā)性有機物系統性地采取有效治理措施。