推进冲天炉消烟净化环保节能技术的发展

尤丙夫，姜 南，王俊杰

（无锡市西漳环保设备有限公司，江苏无锡 214000）

1 我国铸造业发展和环境污染状况

1.1 铸造产业的发展

我国铸造业发展与资源环境约束的矛盾日益突出，环境保护面临严峻的挑战，不但与我们提出的铸造工业技术与国际接轨发展及和谐社会建设的目标不相适应，而且也为铸造行业的持续发展带来不利影响。铸件产量在市场经济的推动下，2001年我国铸件产量1489万t，2012年达到4250万t，十年以来铸件总产量增加了2.85倍，连续12年雄踞全球之首；2001年我国汽车总产量还只有233.4万辆，经过十多年的发展，我国的汽车年产量已接近2000万辆（2012年生产：1927.2万辆），加剧了铸件生产能力的快速提升和铸造业环境保护严重滞后的矛盾。产量增幅及铸件数量、比例，详见图1及图2.

图1 2000年-2012年中国铸件产量变化

1.2 铸造业的大气污染问题

图2 2011年各类行业铸件需求比例

我国现有铸造厂大约3.3万多家，除极少数单位已达到或接近国际先进水平外，大多数铸造厂规模小、生产工艺设备自动化程度低，存在高能耗、高污染、资源浪费的严重问题，是一个污染物排放、资源消耗十分严重的行业。在工业发达国家铸造厂用于环境保护的投资占整个铸造厂设备投资的20%～30%，而我国只占约5%～8%，有相当多的企业甚至不足3%。据测算，以气态污染物为例，每年排放废气约380亿m3左右，粉尘排放约190万 t。因为工艺的差别，铸造行业的生产过程的烟气成份非常复杂，除各类粉尘外，另含有二氧化碳、一氧化碳、硫化物、氮氧化物、苯胺等化学类烟尘等，总体来说，目前我国铸造行业大多数生产过程烟气排放难以稳定地达到国家规定的排放标准，污染十分严重。因此，行业除了应加大结构调整力度外，还要依靠科技、创新机制，大力发展环境科学技术，以技术创新促进环保工作的进步[2，3]。大气污染物的控制与治理，已是关乎到铸造行业发展的生死存亡的重大问题。

2 国内外环保除尘发展概述

2.1 国内外现状

为了保护环境，国家对生产企业排放烟尘、废气有严格的排放标准规定。目前，国内、外的生产企业大多采用布袋除尘器或静电除尘器等设备除尘。国内为铸造行业配套使用的主要采用脉冲类袋式除尘器，其特点与适应范围较静电除尘、旋风除尘、湿法除尘应用广泛，此产品结构简单、清灰效果好、运行阻力低，能够达到和满足现在的国家烟尘排放标准；但该类除尘器占地面积大，运行维护成本较高。实际应用表明：这些设备受使用条件的限制，对于粒径≤2.5 μm（PM2.5）的细微粉尘无法完成微过滤工作（由于布袋的过滤孔径在10 μm以上）。而集合超效除尘、超长寿命的，过滤孔径在0.03 μm～0.3 μm的除尘新技术革命的代表—塑烧板滤芯除尘器在铸造行业的开发利用基本上还处于开发和实验状态。

2.2 国内外发展趋势

近期国家出台了治理环境的一系列相关政策和法规。

1）2013 年国家工业和信息化部正式颁布《铸造行业准入条件》，在2013年的首批申报的企业中，约1/3没有通过准入的审核，不符合的主要原因集中表现在：环境监测结果不符合环保法规GB7078-1996《工业炉窑大气污染物综合排放标准》；GB1327-2001《锅炉窑大气污染物排放标准》；GB/T28001-2011《职业健康安全管理体系的要求》及GB14554-1993《恶臭污染物排放标准》等标准的要求，不符合国家产业发展政策。

2）北京“两会”期间多名委员提案在“关于提高工业污染物排放标准、加大环保管理力度和执法力度，保护大气环境的建议中强调，要加大环保科技投入，尤其要加大大气污染治理的重大装备研发力度。

3）我国《十二五规划》中已明确了节能产业、资源循环利用产业和环保产业的重点领域发展，呈现出了：替代性、创造性、低碳性、平台性和惠普性的五个特点，战略性新兴产业是经济社会发展的重要力量。这就为环保技术和装备，环保节能指明了方向。

4）国家环保深入推进实施《试点区域大气污染防治“十二五”规划》，采取综合治理PM2.5，确保2015年重点区域PM2.5深度下降5%。京、津、冀、珠三角、长三角区域深度下降6%.最近新颁布的《环境空气细颗粒物污染防治技术政策》提出了全面防治PM2.5的总政策，包括工业污染源治理、移动污染源治理、农业污染源治理、其他污染源治理，以及污染的预警和应急措施。

5）与此相应的是工信部出台了《工业和信息化部关于金属工业节能减排的指导意见》，文中指出到2015年每万元工业增加值耗电比2010年降低18%，节能标煤750万t，二氧化硫排放总量减少10%，污染物排放总量和排放浓度全面达到国家有关标准。

所以从2013年以来，环保节能已成为我国经济发展的重中之重，成为改善民生、发展经济的核心内容。作为高能耗、重污染的铸造、机械、冶金、贵金属回收、钢铁、电力、建材等行业，加快治理PM2.5成为当务之急，迫在眉睫。

我公司根据国内现状和国际技术发展趋势，多年来致力于对铸造行业通风除尘技术的研究开发，针对铸造各工部通风除尘的不同工艺特点，完成了：冲天炉消烟除尘脱硫净化系统、树脂砂造型浇注和冷却段的烟气除尘装置、中频感应电炉烟尘治理工艺及装置、铸件清理打磨隔离间通风除尘、砂处理砂温调节装置烟气加热喷粉保温技术等典型工程设计应用方案，率先在铸造生产过程中，针对袋式除尘器对于粒径≤2.5 μm（PM2.5）的细微粉尘除尘效果不够理想、占地面积大、设备复杂、结露现象严重等缺陷，特别是对于含油含水粉尘、粒径≤10 μm的细微粉尘，无法完成微过滤工作，排放进入大气，容易形成雾霾天气，对人体健康造成危害的现状，推进了铸造环保设备重大的技术突破，利用“微孔过滤技术”，研究开发了塑烧板除尘器，在保证除尘效果的前提下，重点解决铸造行业PM2.5细微粉尘治理的世界性难题。

3 铸造工业炉窑—冲天炉消烟除尘系统，烟尘净化控制治理技术方面的典型工程设计简介

铸造行业的大气污染物以冲天炉烟尘最为严重。冲天炉是目前铸铁件生产的主要熔炼设备，在熔炼过程中产生大量的高温烟气、粉尘和其它排放物，约占整个铸铁厂大气污染物排放总量的35%左右，其烟气温度高、成份复杂、浓度高，在不同的熔炼时段排尘、排烟波动极大，是机械工业炉窑中排污量最大的污染源，也是烟气治理中较难的类型之一。

3.1 烟气温度

在冲天炉熔炼过程中，烟气温度的波动幅度很大，它主要取决于炉子的容量、焦铁比、料位高低以及单位送风量等。一般情况下，料位正常，无明火时，烟气温度约100℃～200℃；在熔炼马口铁或原料中有较多氧化铁皮时，温度一般为300℃～500℃；在加料结束到停止鼓风阶段，因料位不断下降并冒出明火，烟气温度急剧上升，打炉时可到达600℃～900℃.高温的烟尘无法直接进行除尘的过滤净化（常温袋式除尘器和风机），因此，冲天炉的烟尘冷却降温并进行余热回收利用是节能减排十分必要的技术措施。

3.2 烟气起始含尘浓度及其粒径分布

表1 、表2为冲天炉烟气起始含量与粒径分布。

表1 冲天炉烟气的起始含量表

表2 冲天炉烟尘粒径质量分布百分比

把表1、2作为参考，依据大量项目的实测结果，设计时采用的起始含尘量为：5 g/m3、10 g/m3.如果炉料（焦炭/废钢/回炉料）进行必要的预清洁处理后，则起始含尘量可低于这个范围至：1.5 g/m3.

3.3 烟气成分

冲天炉烟气除含有N外，主要还有SO2、CO2、CO、NOX、HF，水蒸气及微量的 O2，冲天炉烟气中的气体有害物质的含量及来源如下：

1）冲天炉中SO2的含量一般为 80 mg/m3～500 mg/m3，主要来自焦炭中S的燃烧，其次是炉内冶金反应的产物。

2）冲天炉中的CO的含量为10000 mg/m3～120000 mg/m3，主要来自焦炭的不完全燃烧及还原反应产物。

3）冲天炉中HF的含量较少但腐蚀危害较大，主要来自熔炼过程中造渣加入的萤石（CaF2）、产生的气态氟化物。

3.4 烟尘排放标准

表3 为GB9078：1996《工业炉窑大气污染物排放标准》中有关冲天炉烟气排放的数据标准。

3.5 冲天炉烟尘净化的技术关键

1）烟气温度高。冲天炉处于正常炉况时，混入加料口野风后，烟气温度≤120℃；当加料不及时，空炉、棚料及打炉瞬间烟气温度急剧上升，可达600℃～800℃，这为气体输送及干法除尘带来困难。

表3 冲天炉烟气排放标准

表4 国际上各主要国家和地区的颗粒物排放限值

2）排风量计算：冲天炉的炉气量一般较鼓风量增加：5%～10%，敞开式加料口的入口风速一般考虑为：1.2 m/s～1.5 m/s.因此，一般情况下，冲天炉的排风量约为其鼓风量的2.5～4.0倍。

3）粉尘多，微粉比例大，而且大部分不亲水。冲天炉原始烟气（不计野风，不计高温膨胀）的含尘量为 10 g/m3～14 g/m3，可通过 140目标准筛的占36%，其中50%不亲水。由于不亲水，湿法除尘效果差。

4）冲天炉在炉膛中产生的大量高温烟气，由于冲天炉熔化的高压鼓风和高温热气流的上冲以及爬式加料机开放式的加料口设置，烟尘的捕集装置、位置以及断面风速设计极为关键，设计不当的结果，会造成烟气在将军帽和加料口处外溢。

5）烟气含酸性氧化物及氮氧化物。焦炭燃烧过程中产生的SO2、CO2和NOX都溶于水，呈酸性。若用干法除尘，可直接排空；若用湿法除尘，水呈酸性，易腐蚀设备，造成国家明令禁止的二次水污染。

6）系统设计时要一并考虑冲天炉烟气脱硫达标排放的问题。

我公司研制的冲天炉消烟除尘脱硫系统工艺流程是：冲天炉在熔炼过程中的高温烟尘从将军帽设计的吸风口捕集，使得将军帽和加料口均处于为负压状态，避免烟尘外溢。高温烟气经风管进入扰流式旋风冷却器（见图3），烟尘温度由600℃左右通过水冷却的方式降到150℃左右，然后进入多管水冷却器，烟尘再次进行冷却，使温度降到100℃左右，最后进入常温袋式除尘器净化，然后经脱硫喷淋塔脱硫后达标排放（脱硫设施依据业主方要求和当地的环保标准的要求来进行设计和配置）。

图3 冲天炉消烟除尘脱硫系统工艺流程图

冲天炉烟尘冷却方式由两级冷却器组成：第一级为扰流式旋风冷却器；第二级为多管水冷却器[4]。

第一级扰流式旋风冷却器如图4所示。

图4 扰流式旋风冷却器

由上下两部分组成，上部为多管水-烟气热交换部分。烟气在管内向上流动，水在管道外部流动。下部为切向进气口，烟尘气流切向旋转进入，在旋转过程与内置扰流式装置产生有效的撞击，它较好地将大颗粒粉尘和带火星的尘粒对选用袋式除尘装置是十分重要和有效的技术措施沉降下来，既起到旋风除尘器的作用，同时由于气流旋转扰动上升运动的作用，加强了钢管壁面气流的传热效果。另外还大大减少了大颗粒粉尘粒对冷却管内壁和扰流式旋风冷却器壳体内壁的磨损。因此，该扰流装置具有提高第一级冷却器热效率和除尘效率、降低壁面磨损等重要核心的作用[4]。

第二级多管水冷却器的作用是对烟气进行二次降温，确保进入袋式除尘器的烟气温度控制在滤袋允许的最高使用范围内（≤120℃），保护滤袋不被烧坏，使除尘系统能安全有效运行。因外界冬夏冷暖季节的变化，根据系统实际工况温度的情况，系统中设定自动测温仪监控，当第一级扰流式水冷却器出口烟气温度低于150℃时，可调节第二级冷却器的进水阀门，以控制其进水流量，减少冷却供水量，提高冷却器的热效应。在确保烟尘净化系统滤袋安全有效运行的情况下，尽可能的降低能源的消耗[4]。

图5 杭州某铸造厂8 t/h冲天炉消烟除尘系统

3.6 特点

1）加装火花捕集器（俗称：将军帽），吸排风罩和顶板微负压补风吸风形式，以及排风设计调整，使得加料口也相应处于一定的负压状态，冲天炉消烟除尘系统做到：“一个达标”，系统烟尘排放达到环保标准。“两个可靠”，烟尘过滤净化和烟气冷却两个系统可靠。“三个不冒烟”，烟尘净化系统排风管、冲天炉将军帽和冲天炉加料口烟气不外冒，确保系统净化气体达标排放，具体示例见图5.

2）可考虑增加余热利用装置设计，将两级水、气热交换来冷却烟气的方式进一步引用到热水的利用，充分利用熔炼设备流失的热能，通过水-水交换后，使的水流温度达40℃～50℃，可用作职工常年洗手、洗澡等生活用水[5-7]（山东招远某铸造企业冲天炉消烟除尘净化系统我们设计了通过热交换，职工利用热水班后洗澡，节约了大量能源）。

3）采用常温滤袋式除尘技术（滤袋耐温≤120℃），最大程度上确保和降低了冲天炉消烟除尘系统的维修和运行成本（高温滤袋较常温滤袋价格高出3～4倍）。

4）采用正压喷淋塔脱硫，并在设计中考虑了不同地区和企业不同标准要求的，SO2脱硫塔装置的配置预留，确保业主自行考虑烟气符合SO2排放达标的标准要求。

4 结束语

《工业炉窑高效袋式除尘装置技术及成套设备开发》即冲天炉消烟除尘脱硫净化系统，我公司以形成配套的系列化工程设计规范，在一汽锡柴、上柴、烟台冰轮、山东隆基、龙口海盟、山东澳帆、杭机铸、玉柴动力、安徽宁国等几十个冲天炉烟尘净化项目上实施，经各地环保部门检测，烟尘排放量已经全面满足了现行排放标准的要求，促进了机械工业铸造行业整体炉窑烟尘排放状况的好转，为冲天炉的除尘提供了有力的技术和设备的支持。

本文在编写过程中曾得到西安交通大学陆文华教授的帮助，特此致谢！

［1］中国劳动保护科学技术学会、工业防尘专业委员会.工业防尘手册［M］.北京：劳动人事出版社，1990.

［2］尤丙夫，马炳权.环境保护与冲天炉烟尘治理［J］.现代铸铁，2008，28（6）：89-92.

［3］尤丙夫，姜南，陈松林.冲天炉高温烟尘冷却装置及余热回用技术［J］.现代铸铁，2009，29（1）：69-71.

［4］尤丙夫，杨岳兴，姜南.冲天炉节能减排技术［G］//中国铸造行业第四届高层论坛论文集，2009.

［5］尤丙夫，杨岳兴，姜南.冲天炉节能减排技术［J］.金属加工（热加工），2009（19）:28-31.

［6］张明.冲天炉的尾气除尘与节能［J］.铸造设备与工艺，2010（5）:1-3.

［7］尤丙夫，杨杨.冲天炉除尘技术及实例［J］.现代铸铁，2009（6）：28-32.