郭江龍

（東風(fēng)設(shè)計研究院有限公司，湖北武漢 430056）

1 課題的提出

鑄造工廠是一個綜合復(fù)雜生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)，污染大，環(huán)境差，長期以來對鑄造工廠環(huán)保的治理，是作為機(jī)械制造行業(yè)的一項(xiàng)重要的任務(wù)。造成這一現(xiàn)象的原因主要因?yàn)殍T造工廠五大工部都是粉塵、有害氣體的產(chǎn)生地。熔化工部，鐵液熔煉過程中產(chǎn)生大量煙塵有害氣體；制芯工部，砂芯產(chǎn)生的粉塵及樹脂產(chǎn)生的臭氣有害氣體；澆注工部，在澆注時產(chǎn)生的煙塵、及高溫釋放產(chǎn)生的有害氣體；后處理工部，拋丸、打磨產(chǎn)生的粉塵和揮發(fā)性有害氣體；砂處理工部：型砂輸送、回用、處理過程中產(chǎn)生的粉塵和生產(chǎn)線捅箱時蒸發(fā)的有害氣體。本研制的設(shè)備主要為解決鑄造工廠粉塵、有害氣體的收集與處理。為建設(shè)綠色、環(huán)保的節(jié)能型鑄造工廠作出了示范。

2 設(shè)備系統(tǒng)組成與工作原理

2.1 整套設(shè)備系統(tǒng)組成

本設(shè)備系統(tǒng)為一種新型多功能氣體除塵凈化設(shè)備，獲得國家發(fā)明專利。其內(nèi)容包括了新型除塵系統(tǒng)、復(fù)合式專用電離等離子、新研發(fā)的光解氧化系統(tǒng)和新式旋流霧化植物液洗滌凈化吸收系統(tǒng)三個部分組成，系統(tǒng)布置如圖1所示，廢料輸送由智能氣力輸送系統(tǒng)完成。除塵、除臭氣體凈化設(shè)備采用立體布置，三層框架結(jié)構(gòu)：一層布置植物液洗滌吸收凈化設(shè)備、電器控制系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)、粉塵自動輸送系統(tǒng)；二層布置復(fù)合式電離等離子、UV光解，裂化、氧化設(shè)備；三層布置除塵、粉塵收集處理設(shè)備。

2.2 鑄造過程粉塵和廢氣處理工藝

經(jīng)集塵罩捕集車間各粉塵源、廢氣源的粉塵和廢氣，進(jìn)入除塵器設(shè)備，粉塵被截留在除塵器濾袋表面，吹灰機(jī)構(gòu)能使濾袋膨脹收縮產(chǎn)生振動，被濾袋截留的粉塵進(jìn)入灰室灰斗。有害尾廢氣則穿透濾袋經(jīng)順流器進(jìn)入電離等離子、UV光解，裂解、光氧凈化系統(tǒng)和植物洗滌噴淋反應(yīng)吸收凈化系統(tǒng)。該設(shè)計具有處理效果好，占地面積小，運(yùn)行成本低、節(jié)能環(huán)保，自動化程度高，等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 除塵設(shè)備

含塵煙氣由進(jìn)氣罩捕集進(jìn)入除塵器，經(jīng)過專用濾袋過濾后，氣流進(jìn)入凈氣室，并從下部風(fēng)室排出，粉塵則滯留在過濾袋的外表面，落入灰斗。過濾后氣體走向與過濾粉塵沉降方向一致，進(jìn)入電離等離子設(shè)備進(jìn)行催化裂解。

為了使處理后的煙氣含塵濃度達(dá)到并優(yōu)于國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)允許的廢氣排放濃度，優(yōu)化設(shè)計了比較新穎的袋式順流式除塵器。袋式順流式除塵器特點(diǎn)：

圖1 系統(tǒng)布置圖

1）進(jìn)氣：采用順流設(shè)計，頂部進(jìn)氣技術(shù)，該套系統(tǒng)設(shè)計時為了避免氣流在除塵器內(nèi)的擾動產(chǎn)生二次揚(yáng)塵，對進(jìn)入除塵器的氣體進(jìn)行了氣流組織優(yōu)化設(shè)計，使氣流在除塵器箱體產(chǎn)生順流，盡量減少氣流的擾動。徹底解決了二次混流問題，有效提高了除塵效果，減輕了濾袋的負(fù)荷。

2）粉塵、氣體捕集器：根據(jù)不同的廢氣源和粉塵源，根據(jù)氣體不同的流態(tài)及成份，設(shè)計成不同的捕集器，使廢氣、粉塵基本全部進(jìn)入捕集器，并配以專門設(shè)計的氣流均布板，使氣流分布均勻，降低氣流對濾袋的沖擊，延長了濾袋壽命。濾袋根據(jù)不同氣體成份采用新型的濾袋配置，使過濾效果達(dá)到最佳。

3）除塵灰斗：采用專用料位信號控制，灰斗儲存的粉塵到一定位置，料位傳感器發(fā)出信號，氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)入自動輸送工作狀態(tài)。

4）設(shè)備整套系統(tǒng)全部采用可編程序控制與等離子、UV光解、植物洗滌等設(shè)備聯(lián)鎖，實(shí)時監(jiān)控。

袋式順流式除塵器設(shè)計打破了一般的傳統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)不同粉塵源、廢氣源采用不同的設(shè)計方法和創(chuàng)新的設(shè)計內(nèi)容確保了除塵器處理粉塵效果。

2.4 復(fù)合式新型專用電離等離子、新型UV光解聯(lián)合設(shè)備

電離低溫等離子裂解設(shè)備，首先將來自除塵器的有害廢氣進(jìn)入等離子催化裂解設(shè)備，將復(fù)雜的大分子鏈氣體切割成小分子鏈，經(jīng)等離子裂解后的廢氣再進(jìn)入UV光解深度氧化處理，利用高能高臭氧紫外線光束照射裂解后的惡臭有害氣體，使被裂解后的有害惡臭氣體呈游離狀態(tài)的污染物小分子，與臭氧分子氧化結(jié)合成小分子化合物，生成如CO2、H2O等。

2.4.1 電離等離子工作原理

在此設(shè)計中通過計算和試驗(yàn)驗(yàn)證，成功解決了將不同成份的有害氣體，設(shè)計成不同的等離子放電裂解方式，對等離子電場和電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計打破了一般傳統(tǒng)方式。按不同有害氣體成份設(shè)計調(diào)節(jié)不同電極電壓參數(shù)和調(diào)節(jié)電場的強(qiáng)弱，滿足了對有害氣體裂解及分子鏈的切割要求。能充分將進(jìn)入電場設(shè)備的有害氣體的大分子鏈進(jìn)行裂解和切割成為小分子。完成了有害氣體分子鏈的切割和裂解處理。

2.4.2 低溫電離等離子設(shè)備介紹

電離等離子設(shè)備主要采用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生高能電子，裝置示意圖如圖2所示。

圖2 介質(zhì)阻擋放電示意圖

介質(zhì)阻擋放電等離子體技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的低溫等離子體中，電子能量高，幾乎可以和所有的惡臭氣體分子作用。

②反應(yīng)快，不受氣速限制。

③采用防腐蝕材料，電極與廢氣不直接接觸，根本上解決了設(shè)備電腐蝕問題。

④只需用電，操作極為簡單，無需派專職人員看守，基本不占用人工費(fèi)。

⑤設(shè)備啟動、停止十分迅速，隨用隨開，不受氣溫的影響。

⑥氣體阻力小，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，電極、介質(zhì)設(shè)計創(chuàng)新，使用壽命長。

2.4.3 低溫等離子放電原理

介質(zhì)阻擋放電過程中，電子從電場中獲得能量，通過碰撞將能量轉(zhuǎn)化為污染物分子的內(nèi)能或動能，這些獲得能量的分子被激發(fā)或發(fā)生電離形成活性基團(tuán)，同時空氣中的氧氣和水分在高能電子的作用下也可產(chǎn)生大量的新生態(tài)氫、臭氧和羥基氧等活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)相互碰撞后便引發(fā)了一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)。從等離子體的活性基團(tuán)組成可以看出，等離子體內(nèi)部富含極高化學(xué)活性的粒子，如電子、離子、自由基和激發(fā)態(tài)分子等。廢氣中的污染物質(zhì)與這些具有較高能量的活性基團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，從而達(dá)到裂解改變分子鏈的目的。

2.4.4 UV光解原理

圖3為UV光解原理圖。UV光解是氧化處理的重要環(huán)節(jié)，直接影響著整個系統(tǒng)的凈化效果。普通的UV光解燈管，只可以產(chǎn)生長波段、短波段兩種紫外線。長波段的紫外線的主要作用是殺菌，短波段的紫外線的主要作用是產(chǎn)生臭氧。本設(shè)備的UV光解復(fù)合系統(tǒng)采用了特殊的紫外線燈管，研制了一種在185 nm波長的情況下，產(chǎn)生高能量臭氧的UV光解燈管，提高了產(chǎn)生臭氧的發(fā)生效率，好于一般設(shè)備的臭氧化催化效果。

圖3 UV光解原理圖

設(shè)備整體結(jié)構(gòu)采用光分解+光觸媒（催化劑）+活性氧強(qiáng)氧化凈化三效合一的處理方式，三種處理方式又能相互作用提升效果，最終轉(zhuǎn)化為CO2和H2O等物質(zhì)，從而達(dá)到凈化廢氣的目的。

2.5 新型旋流式噴霧植物洗滌吸收凈化設(shè)備

經(jīng)除塵器、等離子、UV光解，過濾、裂解催化、氧化后的氣體，進(jìn)入新型旋流噴霧植物噴淋洗滌設(shè)備，噴淋時添加相應(yīng)的植物洗滌溶劑，該溶劑是利用不同的多種植物所提取，可快速改變?nèi)コ龔U氣中的殘留有機(jī)異味及惡臭殘留氣體，使微塵進(jìn)一步洗滌去除。植物液洗滌系統(tǒng)包括凈化噴淋系統(tǒng)、植物液加藥系統(tǒng)和箱體。經(jīng)催化裂解、氧化處理后的氣體再進(jìn)入植物液洗滌處理裝置，根據(jù)等離子、光氧催化后的不同氣體成分，添加相應(yīng)的植物洗滌溶劑，快速改變?nèi)コ龔U氣中殘留的有機(jī)異味及殘留惡臭氣體，達(dá)到消除PM2.5，進(jìn)一步充分吸收分解有害殘留氣體和殘留惡臭污染物。處理后氣體排放值遠(yuǎn)低于國家排放標(biāo)準(zhǔn)。

該植物祛味液安全、無毒、無刺激、不燃燒、不爆炸，安全可靠。

植物祛味液是對異味分子進(jìn)行分解而非掩蓋，這是祛味液與化學(xué)祛味劑根本不同之所在。

祛味液經(jīng)過專用高壓設(shè)備噴射，新型旋流式噴霧植物液廢氣處理設(shè)備使液體形成霧狀，在反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行充分反應(yīng)，溶液的表面不僅能有效地吸咐空氣中的異味分子，同時也能使被吸附的異味分子的立體構(gòu)型發(fā)生改變，削弱了異味分子中的化合鍵，使得異味分子的不穩(wěn)定性增加，容易與其他分子和祛味液中的酸性緩沖液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因上述兩種原因使得祛味液的反應(yīng)活性增大，改變了與有害氣體反應(yīng)的機(jī)理，從而可以在常溫下與有害氣體發(fā)生反應(yīng)，最后生成無味、無毒的物質(zhì)；能與有害氣體充分接觸，比一般噴淋提高效率30%以上。

祛味廢氣凈化技術(shù)不僅投資低、操作方便，而且適用性廣、占地少、不用改變、添加構(gòu)筑物和附加更多的設(shè)施。采用專用異味控制系統(tǒng)不需要耗用大量的電能、使用簡單、操作方便、安全。僅需要定期補(bǔ)充工作液，整個系統(tǒng)維護(hù)和營運(yùn)費(fèi)用低廉。不僅適用于鑄造工廠有害氣體，也適用于各類工業(yè)廢氣異味的深處理。

2.6 粉塵智能輸送系統(tǒng)：

2.6.1 氣力輸送裝置

氣力輸送的功能是為了防止粉塵二次污染，將除塵器過濾下來的粉塵，通過落料閥、氣力輸送沸騰式發(fā)送罐與輸送管道、球形增壓器、直管增壓器、卸料閥等組成密閉輸送系統(tǒng)，將物料粉塵輸送至指定的固廢站。設(shè)計中配備智能自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)運(yùn)行無人值守，由程序PLC自動控制。

2.6.2 氣力輸送工藝

氣力輸送流程：除塵器灰斗——螺旋給料器——星型卸料閥——物料發(fā)送罐——輸送管線——增壓器——固廢站——成型機(jī)——粉塵成型。

氣力輸送系統(tǒng)由儲氣罐、沸騰式發(fā)送罐、除塵灰斗、輸送管路、固廢站，和自動控制系統(tǒng)組成。儲氣罐提供輸送動力，保證足夠的壓縮空氣。發(fā)送罐通過控制閥與除塵器系統(tǒng)的灰室連接，將除塵器灰室的粉塵通過輸送管線發(fā)送至固廢站，成型后再利用。

車間正常生產(chǎn)，除塵器灰室里的粉塵達(dá)到料位上限時，信號反饋給控制系統(tǒng)，控制閥打開，除塵器灰室進(jìn)入卸灰工作，粉塵進(jìn)入發(fā)送罐。當(dāng)發(fā)送罐料位達(dá)到上限時，由發(fā)送罐將粉塵經(jīng)輸送管路輸送至固廢站灰斗，完成粉塵輸送。由于輸送距離較長，管路壓力損失較大，為了保證輸送壓力均勻，在管路的每一定距離設(shè)置增壓器，補(bǔ)充輸送壓力。

2.6.3 鑄造粉塵輸送的特點(diǎn)

針對鑄造粉塵的特性，設(shè)計了專用新型沸騰式發(fā)送罐設(shè)備，和智能控制系統(tǒng)，當(dāng)物料進(jìn)入發(fā)送罐體室內(nèi)，粉狀或顆粒狀物料由落料斗落下進(jìn)入罐體內(nèi)室。為了不使粉塵在罐體內(nèi)板結(jié)成塊，在粉塵進(jìn)入發(fā)送罐底部時，在罐體底部設(shè)置了反吹噴射的高壓氣流區(qū)，將落入罐底的粉塵吹松散。加之底部氣力輸送裝置的氣化作用，使物料在高壓氣流下形成懸浮沸騰狀態(tài)。此后即被高速氣流送入輸送管路，送至所要求的卸料點(diǎn)，即完成輸送物料全過程。為了確保輸送過程壓力穩(wěn)定，在阻力大的轉(zhuǎn)彎處研制了新型的球形增壓器，該增壓器能及時補(bǔ)充輸送過程動能的衰減又能減少粉塵對管道壁的摩擦。

2.6.4 智能控制原理

①按輸送工藝要求所設(shè)定的順序，各發(fā)送系統(tǒng)按順序排列，如果遇到灰斗料位計檢測到其中有一臺除塵器灰斗已達(dá)到上料位時，即此套系統(tǒng)立即發(fā)送。

②每套除塵器系統(tǒng)落灰斗，設(shè)置料位信號控制（在觸摸屏有顯示），灰粉堆積到上限料位時發(fā)出發(fā)送信號，系統(tǒng)自動檢測正常，滿足發(fā)送條件，側(cè)按程序進(jìn)入發(fā)送階段，直至將系統(tǒng)灰斗物料全部發(fā)送完畢。

③固廢站粉塵卸料斗在卸料過程中，電信號指示反饋固廢站粉塵料斗工作情況。

④如果其中多臺除塵器灰斗同時處于高料位時，此時控制系統(tǒng)智能選擇，將粉塵量大，輸送工況差的除塵器灰斗粉塵優(yōu)先輸送。

該控制系統(tǒng)整個輸送過程由顯示屏幕在線顯示，各偵測傳感器將信號輸送給PLC，PLC將偵測的所有信號進(jìn)行分析后，向優(yōu)選發(fā)送系統(tǒng)發(fā)出指令，并將發(fā)送運(yùn)行工況反饋在模擬顯示屏畫面上。

3 整體設(shè)備經(jīng)濟(jì)性分析

以80 000 m3/h風(fēng)量為例，就活性炭工藝、等離子光解復(fù)合式工藝、焚燒爐工藝三種凈化工藝進(jìn)行比較，具體對比項(xiàng)見表1.

從表1可以看出，等離子光解復(fù)合式處理工藝能耗低、無二次污染、凈化效率高、運(yùn)行可靠、投資成本較低。

表1 三種凈化處理工藝的對比

4 效果及應(yīng)用前景

本項(xiàng)除塵除臭氣體凈化技術(shù)，已成功應(yīng)用于廣東省惠州大亞灣，東風(fēng)本田汽車零部件有限公司新建鑄造工廠。顆粒物、廢氣排放濃度都低于國際、國內(nèi)環(huán)保要求。

表2 大氣污染物有組織排放顆粒物、廢氣濃度標(biāo)準(zhǔn)對比

大氣污染物有組織排放顆粒物、廢氣濃度標(biāo)準(zhǔn)對比如表2所示。

上述技術(shù)在東風(fēng)本田零部件公司的成功投入使用，使該公司環(huán)保管理由被動變?yōu)橹鲃?，?jié)省了大量的人力和運(yùn)行費(fèi)用,為鑄造工廠帶來潔凈的工作環(huán)境,為建設(shè)綠色、環(huán)保節(jié)能工廠做出了嘗試。

該空氣凈化系統(tǒng)和氣力輸送設(shè)備成功投產(chǎn)運(yùn)行，解決了鑄造工廠粉塵多、分布廣、輸送困難、有害氣體難處理、粉塵輸送二次污染的難題。對難以處理的粉塵、有害氣體開辟了新的有效處理途徑。

通過在東風(fēng)本田零部件新工廠的成功實(shí)施，不僅對汽車行業(yè)鑄造，而且對于其他行業(yè)的鑄造、爐窯、發(fā)電、鋼鐵、涂裝等等生產(chǎn)企業(yè)也有非常好的示范作用。

下一步研究將處理后的潔凈空氣反送到車間，進(jìn)行再利用，對車間進(jìn)行崗位送風(fēng)，這樣可以減少新風(fēng)的送風(fēng)裝置，節(jié)省能源，大大降低工廠能耗。

參考文獻(xiàn)：

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2018-04-23