铸造工业挥发性有机化合物治理研究

张 翀

（忻州市行政审批受理中心，山西 忻州 034000）

1 研究背景

铸造工业是国民经济发展的重要基础工业，从环境保护角度出发，铸造业属于高能耗、高污染的“两高”行业。随着近几年国家对大气污染控制、治理的持续加严加紧，陆续出台了大气污染综合治理行动攻坚计划、蓝天保卫战行动计划、工业炉窑大气污染治理方案、铸造工业大气污染物排放标准等相关的政策与标准。在常规污染物如颗粒物、二氧化硫、氮氧化物的治理方面，已经有了很大的进步和改善，以目前的污染治理技术水平，常规污染物的排放基本已经达到预期的治理效果。但是在铸造工业中产生的挥发性有机化合物（Volatileorganic compound，以下简称VOCs）的控制及治理尚处于不断的摸索阶段。

VOCs一般从管理角度被定义为参与大气光化学反应的有机化合物，或者根据规定的方法测量或核算确定的有机化合物[1]。VOCs对神经系统和消化系统等都会造成损害，且具有刺激性、毒性和致癌性等，会对人体产生急性危害[2]。近年来，VOCs已成为大气污染物的控制重点，我国相继出台《重点行业挥发性有机物综合治理方案》、《挥发性有机物无组织排放控制标准》等一系列政策、标准。铸造工业中造型制芯、砂再生、浇注、涂装工序都涉及VOCs的产生，针对铸造工业全流程产生VOCs的污染因子、污染源强、治理技术的系统研究还需要进一步从实践中探讨。

通过结合企业的实地调查、现场资料收集以及多年的环境保护管理经验，对铸造工业涉及VOCs的产污环节分析、源强计算、污染控制技术路线、环境管理等方面进行全面总结，以期达到以下目的：为铸造工业的VOCs污染治理提供技术支撑，引起从事环保相关工作人员的关注和重视；建议在标准的修订过程中充分考虑铸造工业各环节的VOCs排放限值，以此实现全流程的控制；希冀铸造、材料等学科在对造型制芯材料替代、浇注温度控制、工业涂装防腐漆料等源头削减的研究上有一个质的提升。

2 铸造工艺过程中VOCs产生源

铸造工业涵盖的工艺很广，这里重点分析涉及VOCs产生的原辅材料和工艺过程。目前，绝大部分铸造企业在生产管件和铸管时，以湿型黏土砂、覆膜砂（树脂砂）、发泡塑料作为造型制芯材料，铸铁浇注温度控制在1 400℃左右，涂装过程采用以防腐为主的环氧煤沥青漆和聚氨酯漆。由铸造生产过程中涉及所含的有机类物质以及所采用的的工艺条件，决定了铸造工艺过程中VOCs的产生源为造型制芯、浇注、涂装工序。

从产生的机理分析，主要原因有以下四方面：

1）造型线采用的湿型黏土砂原料包括砂、黏土（膨润土）、水和煤粉，煤粉质量配比在1%～3%之间，浇注过程中煤粉发生热解，产生的VOCs主要成分是苯系物，包括苯、甲苯、二甲苯，在实际生产中，浇注过程还会产生少量的二氧化硫和氮氧化物。

2）造型和制芯主要以酚醛树脂覆膜砂、呋喃树脂覆膜砂为原料，采用热芯盒制芯和冷芯盒制芯工艺。在热芯盒制芯过程及后期的浇注过程中，酚醛树脂热解产生的VOCs主要包括酚、苯、甲基萘与苯胺等[3-4]；呋喃树脂热解产生的VOCs主要包括苯、酚、乙醛与甲苯等[5]。在冷芯盒生产中，为了使芯盒快速硬化，需要吹入三乙胺，三乙胺的逸散同样是VOCs的产生源。

3）消失模造型工艺采用的是含聚苯乙烯的发泡材料，在浇注过程中，发泡材料在高温下全部迅速气化挥发，产生的VOCs主要为苯系物。

4）铸造中的涂装与常规的工业涂装工艺基本一致，漆料和稀料在储存、调漆、喷漆、流平、烘干过程中会挥发出VOCs，主要的污染物包括苯、甲苯、二甲苯、酯类、酮类等。

3 铸造工艺过程VOCs源强

根据以上分析，铸造工艺过程中VOCs产生源主要为制芯、浇注、涂装工序，其中以涂装工序的产生量较大。各工序VOCs废气中的成分均有所不同，为了统筹考虑各排放源中的污染物，本文以非甲烷总烃（NMHC）作为源强因子进行研究探讨。

由于在铸造工业中使用的涉及VOCs的原辅材料、工艺技术条件、运行工况、产品规格都存在较大差别，因此，在收集企业实际监测数据、文献资料以及进行理论计算的基础上，对源强数据进行了修正，给出了制芯、浇注、涂装过程的非甲烷总烃的排放水平。

在制芯过程中，热芯盒制芯用射芯机将树脂砂（覆膜砂）射入金属芯盒内，芯盒内温度控制在180～260℃，经过一定时间的加热，取出实心砂芯。在芯盒加热过程中，树脂砂表面的有机覆膜在高温下发生一定的挥发，产生非甲烷总烃，挥发量为1.1～192.8 g/t（产品）[6]；冷芯盒制芯过程中，采用高压将树脂砂射入芯盒后，将气态的三乙胺高压吹入芯盒，在催化作用下使之快速硬化，时间一般控制在10 s左右，整体过程中，三乙胺挥发量约为40.05～90 g/t（产品）。

铸件浇注过程中，由于造型材料中有机物的含量差异很大，湿型砂造型、树脂砂型造型和消失模造型在浇注过程中挥发的VOCs量存在明显的差异。湿型砂造型在浇注过程中，产生的非甲烷总烃在93.4～272.2 g/t（产品）[2]；树脂砂造型在浇注过程中，产生的非甲烷总烃在2.2～680 g/t（产品）[6]；消失模造型浇注过程中，产生的非甲烷总烃在36.9～868.7 g/t（产品）[6]。

在铸件喷涂过程中，使用的漆料、铸件的比表面积均有所不同，以球墨铸管喷涂为例，以实际调研和理论计算为依据，球墨铸管喷漆量（含稀释剂）为1.42～3.05kg/t（铸管），漆料中非甲烷总烃含量（质量分数）为230～450g/L，按照挥发分全部挥发考虑，在喷漆过程中挥发的非甲烷总烃量为570～1 220 g/t（产品）。

铸造工业各工序产生非甲烷总烃的产污系数如表1所示。

表1 铸造工业各工序产生非甲烷总烃的产污系数

4 治理措施

根据对数十家铸造企业的走访调研，铸造生产中的制芯和浇注环节基本无VOCs末端治理措施，主要由于目前污染物排放标准尚未对铸造制芯、浇注环节排放VOCs制定排放限值。在喷漆工序中普遍采用了活性炭吸附+UV光解、活性炭吸附+废气引入退火炉焚烧（部分企业采用直接引入退火炉）、吸附法、催化燃烧等工艺。

经过多年对喷漆工序中VOCs治理措施的实践摸索，并结合企业的实测结果、处理效率，目前技术成熟并稳定运行的VOCs处理工艺以吸附法、催化燃烧法为主。同时，还应密切关注吸附法和催化燃烧法工艺中的二次污染问题。

吸附法处理VOCs的优势在于吸附、脱附的交替循环，但在脱附过程中会有危废冷凝液的产生，应将危废冷凝液做好处置。催化燃烧法主要采用蓄热式的氧化器（RTO）和蓄热式的催化氧化器（RCO）这两种装置，在处理有机废气过程中均会发生燃烧，因此，需对燃烧过程中产生的二氧化硫、氮氧化物进行有效控制。

在采用焚烧、氧化装置处理有机废气时，应在设计阶段就对有机废气量、理论燃烧或者氧化需要的空气量进行详细的计算。若确定需要补充空气进行燃烧、氧化，污染物体积浓度应按照φ（O）=3%进行折算，由于实现废气中有机物和常规污染物达标非常困难，因此必须提高有机物的处理效率，应保证在99%以上，并且还应考虑二氧化硫和氮氧化物的协同处理措施。同样，如果采取活性炭吸附+废气引入退火炉焚烧或者直接引入退火炉焚烧有机废气，在设计、废气达标方面更应该提前进行稳妥计算。

5 结语

铸造工业排放的挥发性有机物主要来自造型、制芯、浇注、喷涂环节，目前主要针对喷涂环节采取了高效的治理措施，但对造型、制芯、浇注环节的污染物治理尚未引起足够的重视，且未采取有效的治理措施。为了推动铸造工业向绿色铸造发展，建议铸造工业排放标准中对铸造工艺环节中挥发性有机物的排放控制限值进行设定，铸造企业应遵循源头削减、过程控制、末端治理、环保管理的原则，对挥发性有机物系统性地采取有效治理措施。