绿色铸造废气处理装置设计与应用

张建雄，宋 彬，及晓阳，张志峰，戴开明

（1.浙江遂金特种铸造有限公司，浙江遂昌323300；2.北京北方恒利科技发展有限公司，北京102600；3.湖北江山重工有限责任公司，湖北襄阳441057）

随着铸造工艺的发展，铸造企业已广泛采用新一代自硬呋喃树脂砂造型,这不仅缩短了生产周期,提高了生产效率,而且也提高了铸件外观质量。在重复再生使用的树脂砂型、芯浇注时,受高温铝合金液的烘烤,会散发出带刺激、臭气味的混合气体,其中不仅有二氧化硫、二氧化氮和少量的一氧化氮、硫化氢外,还会产生极少量粘度较大的树脂挥发物，如甲醛、酚、甲醇、苯化合物等有害物质；这些物质对人体健康有害，也会严重污染环境，影响到周边居民正常的生活，由此遭到了环保投诉，引起了公司领导的高度重视。鉴于铸造行业的特殊性，暂时不能实现清洁生产，公司决定自主设计开发能同时综合处理这些带刺激、臭气味混合气体的FB09-062铸造废气处理装置。

该装置采用两种钠碱化学液体吸收法和活性炭吸附法来净化铸造废气，使有害物质变成了无害的有用物质。活性炭通过化学液体自动再生，饱和的钠碱化学液体用石灰浆进行再生后重复使用，得到的副产品是石膏，不会产生二次污染。铸造废气经过净化后，达到《大气污染物综合排放标准GB16297-1996》，由离心风机抽排到大气中。

1 主要研究内容

废气治理设备的设计一般根据废气的性质、处理量及处理的要求来确定。努力减少或防止废气污染物的排放、确保达标排放、回收有用物质、建立无害型清洁生产工艺是治理的目的。

图1 FB09-062铸造废气处理装置

设计时要努力做到优化组合，设计一个效率高、费用省、能耗低的处理工艺流程，同时兼顾设备的技术指标和经济指标。一般设备的技术指标指废气处理设备的处理气量、设备阻力、污染物去除率等；经济指标指一次投资费用、操作费用、占地面积及使用寿命等。既要做到技术上的先进性又要保证经济上的合理性。

废气治理设备的共同特点是将气体中的污染物分离出来或转化为无害物质，以达到净化气体的目的。通常采用的除尘、吸收、吸附、催化、冷凝等治理技术均属单元操作，对各单元操作的研究发现其中的共同规律及内在联系就在于三传的理论。因此动量传递、热量传递、质量传递及化学反应工程学是废气治理设备设计的基本理论。

对于管路及设备的阻力，需要利用流体力学的理论去解决、降低流速、提高流通面积、改善设备气体入口的分布状态、消除初始动能等措施均有利于降低设备阻力；设备结构要符合净化过程的要求；所有气体净化技术都涉及到异相传质问题，为保证传递速度稳定必须有足够的相接触面积，需根据质量守恒定律对设备进行物料衡算；化学反应工程学主要是以流体力学、热传递及物质传递原理及化学动力学为基础，目的在于控制生产规模的化学反应过程，并对设计提供理论依据，使之能结合具体工艺要求进行最佳反应器的设计。

铸造用新一代呋喃树脂SQG-400是由C、H、O、N等原子以不同的形式结合而形成的液态有机化合物。在树脂生产阶段，各种原材料分子在热和催化剂的作用下，初步聚合成具有两维空间的线形链状结构的初聚物分子。在铸造生产使用时，由于铸造用固化剂GC-09-G(冬)或GS-03-G(夏)、GS-05-G(春秋)的加入，促使分子间这种聚合反应继续进行并形成具有非常大的分子量的具有三维空间结构的不溶性的体形网状高分子聚合物。当三维结构聚合反应发生在砂子之间时，所形成的网状树脂结构就将砂粒彼此粘结起来，形成坚硬的骨架结构。在160～200℃烤窑烘烤时，会释放出带刺激的甲醛气体。树脂砂型、芯在差压浇注时受高温铝合金液的烘烤,会散发出低浓度带刺激、臭气味的混合气体,混合气体里不仅有二氧化硫、二氧化氮和少量的一氧化氮、硫化氢,还会产生极少量粘度较大的树脂挥发物，如甲醛、酚、甲醇、苯化合物等有害物质。

二氧化硫SO2,又称亚硫硫酸酐，是含硫大气污染物中最重要的一种。SO2为无色、有刺激性臭味的有毒气体，不可燃，易液化，气体密度2.927kg/m3,沸点-10℃，熔点-72.7℃，蒸汽压155.4kPa(1165.4mmHg,0℃),溶于水，水质溶解度为11.5g/L,一部分与水化合成亚硫酸。

二氧化氮NO2为黄色液体和棕红色气体，熔点-11.2℃，沸点21.2℃，相对密度1.4494（液体，20℃），能溶于水生成硝酸和亚硝酸，具有腐蚀性。NO2是有刺激性的气体，毒性很强，，约为NO的4～5倍。对呼吸器官有强烈的刺激作用，进入人体会引起气管炎、肺炎、甚至肺气肿。

NO为无色气体、淡蓝色液体或蓝白色固体，熔点-163.6℃，沸点-151.8℃，密度1.3402kg/m3，在空气中容易被O3和光化学作用氧化成NO2。一氧化氮是大气污染物之一，但少量的一氧化氮在人体内具有扩展血管、增强记忆的功能。通常状况下，一氧化氮密度比空气略大，极易与氧气反应，难溶于水。

硫化氢H2S是有机质腐烂后的自燃产物。液态硫化氢的沸点很低，因此我们通常看到的是气态的硫化氢,其能在液体中溶解，溶解度与温度、气压有关。硫化氢(H2S)是一种具有臭鸡蛋气味的致命毒气，它的密度比空气大，可溶于水形成氢硫酸，氢硫酸具有酸的通性。

为了改变这种状况，对大气污染物必须进行治理，以改善环境质量，保证人群健康，维护生态平衡，促进良性循环。为此本着因地制宜，从实际出发的原则，必须筛选铸造废气综合治理技术，尽可能采用最佳实用技术。

吸收法和吸附法常被应用于气态污染物的控制，吸收法是利用其气体混合物的各组分在液体中的溶解性质不同，利用吸收剂将有害气体进行吸收除去的方法。吸附法是用多孔性固体处理流体混合物，使其中所含的一种或几种组分浓集在固体表面，而与其它组分分开的方法。

1.1 吸收法

吸收法是利用有害气体的物理或化学性质，利用吸收剂将有害物质进行吸收除去的方法。其净化过程可以用传质原理来描述，气体混合物在与液体接触过程中，其中一种或多种气体组分首先溶解在液相中，物质从溶质到溶剂的转移过程就是传质，传质也是在势能或驱动力引导下的分子运动过程。其过程必须要有驱动力，在气体和溶剂之间，还要有足够的接触面积和一定的时间确保气体和溶剂有足够的机会达到化学和物理过程平衡。主要设备使用填料塔或喷淋塔，处理的气量大，但填料塔容易堵塞；喷淋塔吸收效率低。故采用最佳实用技术开发设计一套铸造废气处理装置。常用的吸收剂有水，碱溶液，酸溶液以及一些氧化剂等，使用水吸收时，耗水量大，废水难以处理，当外界条件改变（如温度，溶液p H值变动，或者搅拌，曝气）时，有害气体可能从水中逸出，使用化学吸收液时，吸收过程中伴随着化学反应，生成物不容易造成二次污染。故在此选用氢氧化钠(NaOH)和硫代硫酸钠（Na2S2O3）作为上述废气吸收液，石灰石作为处理吸收液。

氢氧化钠(NaOH)，俗称烧碱、火碱、苛性钠，常温下是一种白色晶体，具有强腐蚀性。易溶于水，其水溶液呈强碱性，能使酚酞变红。氢氧化钠是一种极常用的碱，是化学实验室的必备药品之一。氢氧化钠在空气中易吸收水蒸气，对其必须密封保存，且要用橡胶瓶塞。它的溶液可以用作洗涤液。

硫代硫酸钠，又名大苏打、海波，为单斜晶系白色结晶粉末，易溶于水。用于分析试剂等，用途非常广泛。

生石灰主要成分是CaO。生石灰与水反应生成氢氧化钙Ca(OH)2,即平常说的熟石灰。

1.2 吸附法

吸附法是一种动力消耗较小的脱臭方法，影响吸附过程的因素很多，主要有操作条件、吸附质的性质以及吸附器的设计等。采用的吸附剂，有活性碳，两性交换树脂，硅胶，活性土等。其中以活性碳对有机污染物的吸附效果最好，因为有些吸附剂对空气中的水分吸附力比对有机恶臭物质的吸附力强，而活性碳吸附剂对有机污染物有较大的平衡吸附量，而且对多种有机污染气体均有吸附能力。吸附法适用于低浓度有机污染气体的处理，一般多用于复合有机污染气体的末级净化。

1.3 常用的净化设备及其特点

吸收设备用于有害物质净化的吸收装置多数为气液相反应器，一般要求气液有效接触面积大，气液湍流程度高，设备压力损失小，易于操作和维修。按吸收表面的形成方式，吸收设备可分为表面吸收器，鼓泡式吸收器和喷洒吸收器三大类。属于表面吸收器的有水平液面吸收器、液膜吸收器、填料吸收器和机械膜式吸收器；属于鼓泡式吸收器的主要吸收设备有板式塔（如泡罩塔，筛板塔和浮阀塔等）、湍球塔（即活动填料塔）等；属于喷洒吸收器的主要设备有喷洒吸收塔、喷射吸收器和文丘里吸收器等。目前工业上常用的气液吸收设备有喷淋塔、填料吸收塔和湍球塔。在此，综合上述设备的优点，进行有针对性的优化设计。

同时采用吸收法和吸附法对气态污染物的综合控制。吸收法是利用气体污染物的物理和化学性质，利用吸收剂将有害物质吸收去除的方法，如二氧化硫通过碱溶液吸收，不容易造成二次污染；吸附法是一种动力消耗较小的脱臭方法，活性炭对有机污染物的吸附效果最好，故常被使用。

1.4 方法原理

针对二氧化硫气体，采用NaOH溶液为第一碱吸收，然后再用石灰石或石灰作为第二碱吸收，产品为石膏。再生后的NaOH溶液送回吸收系统里循环使用。

图2 FB09-062铸造废气处理装置工作原理图

1.4.1 吸收反应

2NaOH+SO2=Na2SO3+H2O

Na2SO3具有吸收SO2能力，能继续从气体中吸收SO2：

Na2SO3+SO2+H2O=2NaHSO3

NaHSO3不再具有吸收SO2能力，因此，这个反应是主要的吸收反应，而实际的吸收剂为Na2SO3。

吸收过程的主要副反应为氧化反应，生成Na2SO4：

2Na2SO3+O2=2Na2SO4

从以上反应可知，循环吸收液中的主要成分为Na2SO3、NaHSO3和少量的Na2SO4，因此吸收系统中不会生成沉淀物。

1.4.2 再生反应

用石灰浆对吸收液在再生处理盆里进行再生：

CaO+H2O=Ca(OH)2

2NaHSO3+Ca(OH)2=Na2SO3+CaSO3·1/2H2O↓+3/2H2O

Na2SO3+Ca(OH)2+1/2H2O=2NaOH+CaSO3·1/2 H2O↓

再生后的NaOH溶液送回吸收系统使用，所得的半水亚硫酸钙经氧化，可制得石膏（CaSO4·2 H2O）。

1.4.3 氧化反应

2CaSO3·1/2H2O+O2+3H2O=2CaSO4·2H2O 2NaOH+H2S=Na2S+2H2O(硫化氢少量)NaOH+H2S=NaHS+H2O(硫化氢过量)

该法以NaOH溶液作吸收剂吸收废气中的硫化氢气体，制成Na2S或NaHS。它们可作为染料和一些有机产品的助剂，还可供造纸、印染等行业使用。

硫代硫酸钠在碱性溶液中是较强的还原剂，可NO2还原为N2。主要化学反应是：

4NO2+2Na2S2O3+4NaOH=N2↑+4Na2SO4+H2O硫酸钠，无机化合物，十水合硫酸钠又名芒硝，白色、无臭、有苦味的结晶或粉末，有吸湿性。

2NaOH+NO+NO2=2NaNO2+H2O

吸收液采用NaOH溶液进行吸收反应，回收NaNO2。

对于甲醛、酚、甲醇、苯化合物等有害物质，利用NaOH溶液的洗涤作用，把它们捕获到吸收液里沉淀降解，最终清理后在环境安全法律法规允许的条件下填埋处理。

1.4.5 活性炭吸附法

（1）活性炭对低浓度NOX有很高的吸附能力，其吸附量超过分子筛和硅胶。活性炭不仅能吸附NO2，还能促进NO氧化成NO2，特定品种的活性炭还可使NOX还原成N2，即：

2NO+C=N2↑+CO2↑

2NO2+2C=N2↑+2CO2↑

活性炭定期用碱液再生处理：

2NO2+2NaOH=NaNO3+NaNO2+H2O

（2）活性炭对低浓度SO2进行吸附，既有物理吸附，也存在着化学反应。

物理吸附过程（以*表示处于吸附态分子）：

SO2→SO2* O2→O2* H2O→H2O*

化学吸附过程：

SO2*+O2*→2SO3* SO3*+H2O→H2SO4*

H2SO4*+nH2O→H2SO4*·nH2O

其吸附的总反应方程可以表示为：

SO2+H2O+1/2O2=活性炭=H2SO4

（3）活性炭在常温下具有加速H2S氧化为S的催化作用并使S被吸附。H2S与活性炭的反应快、接触时间短、处理气量大。

（4）活性炭再生

吸附SO2、NaNO3、NaNO2和S的活性炭，由于其内外表面覆盖了稀硫酸、NaNO3、NaNO2和S，使活性炭吸附能力下降，因此必须对其再生，即采用一定手段，驱走活性炭表面的物质，恢复活性炭的吸附能力。可以采用洗涤再生方法：用氢氧化钠溶液洗出活性炭微孔中的物质，再将活性炭进行干燥。从浇注到开始到排废气的时间为340秒，均属于活性炭定期用氢氧化钠溶液洗涤再生的过程，其未浇注的时间为干燥过程。活性炭可以重复使用，直至碳粒大量磨细为止。

无论是吸收法和吸附法，都是将有害物质在净化装置内进行瞬间相变转移的过程，因此，铸造废气处理装置设计要满足以下要求：1）具有足够的过气断面和停留时间；2）产生良好的气流分布，以便所有的过气断面都能得到充分利用；3）具有消音降噪、强力除臭性能，对废气处理能力大，对有害组分吸收净化效率高；4）吸收液和吸附剂能再生重复使用，能把有害物质变成有用物质，不会造成二次污染；5）结构简单，操作稳定；6）气体通过阻力小，能提高生产效率；7）运转费用低廉，便于维修。

铸造废气处理装置为了能在短时间内处理这些低浓度的有害气体，把差压机排气管内径ø32在进气管连接处内径扩大到ø52，通过进气管上成120°角的798个ø5均匀分布的孔排放到液面上，使液体翻卷叠起，再经德国先进技术的6个碟旋喷嘴喷出的每平方米30立方的碟旋液幕多层覆盖，增大了气-液相接触面积，完成物质的传递，使化学反应进行得更充分彻底，少量溢出的有害气体再经活性炭吸附净化，达到《大气污染物综合排放标准GB16297-1996》后，由离心风机抽排到大气中。

铸造废气处理装置由喷淋水箱、离心泵底座、加料斗、喷淋架、除臭箱、活性炭抽屉、排风管、再生处理盆及50FP型增强聚丙烯离心泵、11-62No2.8A-1.1-4P离心风机、管路构成。

喷淋水箱起到吸收器的作用；离心泵底座是固定50FP型增强聚丙烯离心泵的；加料斗起到加料的作用；喷淋架起到固定蝶形喷头和传送吸收液的作用；除臭箱、活性炭抽屉起到进一步净化空气的作用；11- 62No2.8A- 1.1- 4P 离心风机起到排气干净，减小阻力，提高生产效率的作用。

2 主要技术特点

（1）具有足够的过气断面和停留时间；

（2）产生良好的气流分布，以便所有的过气断面都能得到充分利用；

（3）具有消音降噪、强力除臭性能；对废气处理能力大；对有害组分吸收净化效率高；

（4）吸收液和吸附剂能再生重复使用，能把有害物质变成有用物质，不会造成二次污染；

（5）结构简单，操作稳定；

（6）离心风机抽风，能提高生产效率；

（7）运转费用低廉，便于维修（不发生沉淀物堵塞排液阀时，不需维修）。

3 与国内外同类产品的比较

与国内外同类产品的比较详见表1。

4 存在问题及改进方法

存在的问题：车间外面不臭，车间里面臭。差压釜内还留有部分铸造废气，不能处理，只能排在铸造车间里，污染车间环境；铸型浇注完后，还会排放不少的有害气体到车间里，继续污染车间环境。

表1 国内外同类产品的比较

改进方法：通过对铸造车间内各种污染物的分析，采用了臭氧技术来净化和祛除车间空气中的污染物。

5 总结

车间废气经全面机械通风系统收集，由风机进入吸收塔的底部，在吸收塔中，气体和液体的运动是逆向的，废气在上升过程中，在填料区与经喷嘴喷射的吸收液充分气液接触，含有臭氧的吸收液在较短的时间内将有机污染物全部吸收掉，净化后的空气由捕雾器除雾后由塔顶排出。含污染物的吸收液经净化后循环使用，恶臭的吸收液首先经过滤器重新再生，然后在蒸馏塔中与臭氧发生器产生的臭氧充分混合，形成新的吸收液经喷嘴喷向填料区，进一步净化废气。