工業煙塵治理技術現狀分析及新興技術應用案例

王諾 劉德

1 青島市生態環境監控中心 2 山東省青島生態環境監測中心

WANG Nuo LIU De

1 煙塵治理工藝分析

1.1 整體置換通風

目前，較常用的整體置換通風方式是采用吹風與吸氣相結合的方式，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。該工藝操作簡便，能有效地排除車間的煙氣。然而，這種傳統的抽氣方法有一個缺點，那就是必須不斷地進行吹風、吸氣，消耗高、維護成本高、操作成本高，從而導致成本大幅度增加。而且，由于空氣流通引起的環境氣溫變化很大，因此不適合在氣候變化大的地區使用。

1.2 局部點源治理

采用局部點源治理，可以縮小吸風的范圍，只在煙塵產生工位上方安裝吸風裝置。這種方式對于小型零部件、定點生產工位等煙塵量小的工況，凈化效果較好；這種局部點源治理有多種類型，吸氣罩可以是活動的，也可以是固定的，將生產時產生的煙霧抽走。但是，該方法存在一定的局限性，比如對風量、風速等技術指標要求較高，點源產生點的構件尺寸較大、點位不固定、跨度較大，吸塵罩伸縮臂范圍有限等，導致現場煙塵捕集凈化效果不理想；而且有些工況在運行之前必須進行人工干預，不僅會增加人力成本，而且會降低工作效率。

1.3 局部面源治理

局部面源治理一般采用小型一體機，采用多點位分散布置，固定安裝。通過多臺小型機的疏密布局和合理安裝，產生局部空氣流動，最大限度地收集煙塵，同時避免了與廠房內原有工藝設施的交叉作業。一般小型一體除塵機組，按照氣流方式，可選擇分布自循環式、吹吸式等；按煙塵捕集方式分為布袋式、濾筒式、靜電式等。效果對比見表1。

表1 除塵機組效果對比

1.4 局部面源治理+屋頂置換通風

為達到更好的除塵通風效果，一些高大空間采用局部面源治理+屋頂置換通風的方式，局部面源治理捕集和過濾煙塵，屋頂置換通風為高大空間補充新風；另一些還會加裝溫度調節和濕度調節系統，既可以保障高大空間內的煙塵治理，又可以達到空氣溫度調節和溫度調節的目的，更利于操作人員的身體健康。但缺點是投資高，用電設備功率大，運行成本高。尤其在北方地區，為保障冬季室內的溫度需加裝電加熱裝置，從而使得造價更加高昂。且澆鑄煙塵粘度較大，小型機容易堵塞，給清理維護造成不便。

2 項目概述

2.1 現狀生產工藝

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

2.2 治理指標

要求車間生產時，廠房內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、排放速率應符合《大氣污染物綜合排放標準》要求。VOCS排放標準滿足《鑄造工業大氣污染物排放標準》要求，設備噪聲小于85dB（A）。

3 工藝方案分析

3.1 治理難點分析

廠房內澆鑄區域發塵點多面廣，分布分散但局部集中；作業工況較為復雜，工件尺寸較大，需要天車配合作業；有時一個工件多處同時澆筑，且澆筑操作位置分布較廣；產品類型較多，發塵位置多變，澆鑄區域不固定，隨產品轉型、生產任務調整而變化。由于澆鑄工位大且澆鑄點位不固定，且所以澆鑄產生的煙塵難以采用點對點的捕集方式進行捕集。

因為澆鑄煙塵粘度較大，局部面源治理及局部面源+屋頂置換通風的分散布置的小型機因為機型的原因，會有宜堵塞不易清理維護等缺點，不適合使用以上兩種的方式。

3.2 工藝確定

通過以上分析決定采用整體通風換氣的策略，使用高大煙塵空間分布式環境控制系統。此系統由自循環工業除塵機集群布置，以達到合理的系統氣流組織，從而對廠房內煙塵進行控制。系統用上升氣流形式，氣流方向與澆鑄煙塵擴散的方向一致，是經常使用的氣流方式。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 組合式空調除塵工藝設計

4.1 CF 除塵機

CF 除塵機組采用了納米濾材，具備阻燃、過濾精度高的特點。運行阻力更低，能保持極高的氣流量，對煙塵（0.3μm）的過濾效率達99.9%以上。設備配備自動清灰系統、同時集成了火花捕集器、消聲器。該設備占地面積小、安裝方便、運行穩定。

4.2 高效清灰技術

采用錐筒形濾筒支架代替傳統的三角普通支架。相比于普通支架，錐筒支架在反吹清灰時使濾筒內壁壓力更加均勻，噴吹距離更遠，效率更高，并可延長濾筒使用壽命。并通過ANSYS 軟件數字模擬和實驗室實驗，錐筒形濾筒支架清灰效率提高21%。

根據模擬數據可知，在噴吹口到濾筒口距離426mm、噴吹壓力0.6MPa、脈沖寬度82.8ms 時噴吹效果最高。

4.3 脈沖閥設計

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上進行改良的一種外螺紋接頭鏈接結構脈沖閥。特點是：靈敏度高，排氣量大，工作穩定。同時套筒活節，安裝維修方便可靠。

4.4 風機設計

風機采用后傾葉片直連型離心風機，電機符合二級能效。防護等級IP55。絕緣等級F 級。風機配置凈出口軟連接，軟連接采用阻燃硅膠布。配置減振臺座及金屬型減震器。蝸殼配置檢修門及排水口

5 VOCs 處理工藝設計

5.1 設計分析

澆鑄過程中VOCS產生的為模具中的樹脂在高溫狀態下揮發，會對周邊環境造成污染。經改造后，澆鑄過程中產生的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會粘附在澆鑄煙塵（顆粒物），不再是揮發態。因此建議VOCS濃度較低時采用活性炭吸附方式；濃度較高時采用微氣泡深度氧化技術。

5.2 活性炭過濾段

如VCOS濃度較低時，在除塵工藝的末端加裝筒式活性炭過濾段，可以與除塵設備形成一體機。筒式活性炭過濾器特點：超大的媒介裝載量保證高效率和長壽命；低阻高效氣流通過柱狀通道向四周均勻擴散，滯留時間長，阻力低，效率高；外殼可循環使用；快速卡扣設計，安裝快捷、簡單。

5.3 微氣泡深度氧化段

該技術屬于VOCS治理技術的復合技術，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技術、微氣泡技術、深度氧化技術組成，其中非均相反應技術主要實現系統中氣、液傳質及反應條件的保障，微氣泡技術主要實現傳質、溶氣、系統理化參數平衡、部分分解的目標，深度氧化技術主要實現VOCS礦化分解、達標排放的最終目標。

基于HBDO 技術的廢氣治理設備，主要由單個或多個級聯的非均相系統（即塔狀設備）組成，在非均相系統中，由前處理工段、微氣泡工段、深度氧化工段以及均風、除霧等配合工段和臭氧發生器系統、PLC 系統、水循環及處理系統等組成。

該工段主要利用液相（液體）的微氣泡及深度氧化反應來去除氣相（氣體）廢氣中的有害成分，采用湍流塔和填料塔的設計原理進行廢氣中漆霧、粉塵、顆粒物的去除，采用填料塔的原理設計實現高效的傳質和反應。

5.3.1 填料塔設計

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

5.3.2 微氣泡發生器設計

氣泡的產生方式有很多，包括用在污水處理中的各種曝氣方式，但這些絕大部分產生的為毫氣泡（即接近毫米尺度的氣泡）。要通過氣泡發生裝置產生本技術中所定義的微氣泡（100nm ～100μm 粒徑），才能一方面實現傳質效率的提升，另一方面由于空化效應實現廢氣的部分分解。而微氣泡發生器采用“自吸式+文氏管+高速剪切”的方式，所產生的微氣泡具有粒徑均勻，且多數在3 ～8μm 范圍的特點。并且經流體動力學仿真及反復試驗定型，具有產生微氣泡粒徑小且均勻、數量多、能耗低等優點。采用高壓水泵輸入能力，驅動微氣泡發生器產生微納米級別氣泡的方式進行。

微納米級別的氣泡才能呈現出同傳統水處理曝氣等應用領域產生氣泡的不同特性，具有更強的比表面積、溶氣效率特性，且能在微氣泡潰滅時產生空化效應，產生大量的羥基自由基，實現分解廢氣有害成分的目的。

5.3.3 深度氧化設計

采用氣相（臭氧、廢氣）、液相（循環水體）非均相的反應系統，一方面利用臭氧在水中的自分解和催化，實現氧化效率的提升；另一方面部分VOCs 及氧化后的中間產物在水中停留，爭取到更多的反應時間。

研究得出臭氧在此條件下的反應促進劑和催化劑，提升臭氧反應效率的同時，增加系統中自由基的產生，利用自由基的無選擇性和快速反應特性，實現深度氧化、分解廢氣有害成分的目標。

6 運行成本分析

電能成本。裝機功率1170kW，運動頻率40Hz，每天運行8h，每年運行300d，電費1 元/kWh，年用電成本=1170×0.8×8×300×1=2246400 元。

濾筒成本。共512 個濾筒，每1 年更換1 次，濾筒單價1200 元，年成本=512×1200=614400 元。

滑石粉成本。用量100kg/d，每年運行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，活性炭更換費用48t×1.8萬元/t=86.4萬元/2a=43.2萬元/a，飽和后的活性炭，應做為危廢處置，宜可做為燃料，如做為危廢處置，費用：48t×0.3萬元/t=14.4萬元/2a=7.2 萬元/a。

微氣泡深度氧化成本。氧化促進劑原液：8000 元/次×12=9.6萬萬元/a，污水可接入廠區污水處理廠。

7 結語

基于對傳統煙塵治理的分析，采用“組合式空調除塵+活性炭過濾/微氣泡深度氧化”組合工藝對工業煙塵進行處理，結果表明該工藝能有效去除水玻璃砂產生煙塵、部分金屬粉塵以及少量VOCs，具有較強的實際應用意義。