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东风本田汽车零部件有限公司:研制型砂铸造臭气处理技术减少大气污染

文章来源:东风汽车集团有限公司  发布时间:2018-07-05

 

公司型砂铸造线于2002年导入并于当年投产,是中国唯一拥有中空凸轮轴生砂生产技术的工厂,同时实现盘类等部品一型多件化生产,在铸造生产过程中会产生恶臭气体,其治理一直是铸造行业长期研究和改善的课题。

2001年前,公司周边为工业用地,无商住楼,由于政府规划的变更,公司周边商住楼逐渐增多。而公司与最近的商住楼(和瑞大厦)的废气类卫生距离仅30m,不满足法规要求(≥400m)。因此,公司产生的臭气未来得及有效扩散就达到居民区,影响周边居民及单位的生活与工作,导致公司2012年~2014年间累计受到52起投诉,公司面临的的环境风险逐渐增大。为减少臭气对周边单位和居民的影响,确保公司正常生产经营,研制一套高效的铸造臭气处理装置成为公司研究的重点项目。

 

具体技术方案

1.设计图

2.臭气处理流程

图1  处理流程

3.技术原理

(1)铸造恶臭气体的产生及组成

公司的铸造工艺均采用粘土湿砂型,即以粘土和适量的水为型砂的主要粘结剂,制成砂型后直接在湿态下合型和浇注(以下简称型砂铸造)。型砂铸造工艺在生产过程会加入原料,主要有酚醛树脂、硬脂酸钙、乌洛托品、淀粉、膨润土以及煤粉等,这些原料在高温条件下会分解各种气体,由于温度从1500℃下降到常温这个跨度大,产生的恶臭气体成分很复杂,经检测分析,主要成分有氨气、二氧化硫、硫化氢、油脂类、醛类、酚类以及烃类。这些恶臭物除了氨气、硫化氢和二氧化硫外,大部分都为有机物。

(2)处理技术研究

紫外线(英文ultraviolet,简称UV),UV技术是一种新兴技术,属于光化学氧化法的一种。按照光化学Einstein公式,当光照射到恶臭气体分子时,光子的能量大于恶臭分子的化学键能时,便会引起光解反应,其化学键被打断,即分子被分解。

根据波长λ与能量E的关系式:E=1240/λ,可知能量与波长成反比关系,即波长越短,光子能量越大。λ<400nm为紫外光,E>300.1KJ/mol,当波长λ=184.9nm时,其光子能量E=670.6 KJ/mol,该波段的紫外线能量当级大于绝大多数恶臭气体分子的结合能,所以可被裂解呈游离态的离子。且波长在200nm以下紫外线能分解氧气O2分子,最终形成臭氧O3。臭氧对恶臭气体及其它异味气体有强氧化效果,最终达到除臭的效果。

表1是部分化学分子的结合能,可见,184.9nm的紫外光能打断含有该化学键的分子。

表1  部分化学分子的结合能

当恶臭分子量越大,UV光解效果越明显。在184.9nm能量当级的紫外线作用下,大分子恶臭分子吸收光能分解成无臭小分子,臭气浓度得到降低,去除效率约60%~75%。

通过试验研究,在确保发挥UV光解效率时,处理恶臭分子停留时间宜大于1.5s,选用150w的UV灯,单根处理能力为200m³/h,光解效率80-85%,光衰减5%-10%,则UV光解处理效率为75%,当风量为10000m³/h,臭气浓度为5000,灯光数量宜200盏。

分解反应如下:

C6HmR/RCHO/C3H5(RCOO)3/CnHm+UV→CO2+H2O+NOx+SO2+其他无味气体

NH3 + UV(能量)+ O2→NOx+H2O

H2S + UV(能量)+ O2→SO2+H2O

SO2 + 2H2O →H2SO4

图2 UV光解氧化法原理

由于UV光解并不能100%分解所有恶臭气体,除了受UV灯发射能量效率影响外,还因为铸造废气中含有80mg/m³~260mg/m³的颗粒物,这部分颗粒会阻挡UV光分解恶臭分子,且大流量的废气在某程度上制约了处理效率。颗粒物中的所含的煤粉体积小,附着力强,且带有油脂和焦糊味,UV技术无法解决此难题。而在实绩工程中发现,在UV光解之后增加一套喷淋系统可明显的解决此难题。

喷淋常用液体是水,水能将恶臭分子和颗粒物吸收、溶解,达到净化的效果。为提高效果,可添加碱性物质,吸收、取代、置换恶臭分子,改变其分子结果,使之变成无臭分子。也可添加具有微凝胶效果的药剂,国内外称这种药剂为除臭植物液。植物液包括人工合成的和天然植物提取的,药剂分子是聚合大分子,分子间空隙大,且多数分子带有分子电荷,可吸附比本身小的恶臭分子,宏观表现为药剂具有粘附性,可吸附恶臭分子,最终溶解于水中,快速、高效净化废气。喷淋优于喷雾,因为能减少药剂和水的浪费,节约成本。经UV光解之后增加喷淋装置,喷淋液采用高效吸附能力的植物液,能进一步降低臭气浓度,去除效率可达81.7%以上。

整个系统的控制采用PLC编程,与生产现场除尘风机操作连锁,实现自动启动和关闭,自动喷淋和补水,异常报警等全过程自动化,液晶实时显示系统运行状态。

4.与其他技术方案比较

铸造恶臭气体的治理相对于一般的空气污染治理来说,难度更大。目前国内比较常用的处理铸造恶臭气体的方法有:生物分解法、活性炭吸附法和等离子法、燃烧法等,结合公司已有的处理方法,对比除臭效果:

(1)生物分解法

生物除臭技术是借鉴生物污水处理技术的原理,利用微生物将臭味中的污染物生物氧化、降解为无害或低害物质的过程。使收集到的废气在适宜的条件下通过生长有微生物的填料,气味物质先被填料吸收,然后被填料上的微生物氧化分解,完成废气的净化过程。公司污水处理站运用此工艺,除臭效果60%~75%。

(2)活性炭吸附法

活性炭是一种很细小的炭粒,有很大的表面积,而且炭粒中还有更细小的孔——毛细管.这种毛细管具有很强的吸附能力,由于炭粒的表面积很大,所以能与气体(杂质)充分接触,当这些气体(杂质)碰到毛细管就被吸附,起净化作用。除臭效果50%~75%。

(3)等离子法

等离子体净化技术就是利用高频高压的电场,将空气中的氧分子和其它分子电离产生出电子、离子、自由基和中性粒子等小分子,这些等离子通过进入需分解的臭气分子内部,打开分子链,破坏臭气分子结构,从而将有害物转化为无害物的方法。除臭效果40%~60%。

以上三种方法较为常用,技术成熟,但在长期使用中也暴露不少缺点。生物分解法需要使微生物保持高的活性,为之创造一个良好的生存条件,比如:适宜的湿度、pH值、温度和营养成分等,异常将导致微生物死亡,须重新培养,运行条件苛刻;活性炭吸收法对于大流量的恶臭废气很快就会达到饱和,失去吸附活性,且高温、高湿和细小的粉尘均会快速使活性炭失去效果,频繁更换耗时、耗力、耗财;等离子法不适合用于大流量铸造废气,恶劣的环境对设备设计和质量要求高,投资大,维护保养难度大,而且存在火灾隐患。

综上所述,铸造厂产生的恶臭气体需要一种更为高效、安全,投资和运行成本较低的技术工艺,与以上三种方法相比,UV与喷淋相结合的组合式技术具有更高的稳定性和高效性。

(三)应用情况

该套除臭装置高效率、低运行成本的特点,可应用铸造行业臭气治理,尤其是工业商业混合的工厂,在满足法规要求的同时,能有效降低环境风险。该套除臭装置的综合技术已在公司的新工厂铸造3线得到推广,且效果显著。(处理后,铸造冷却工艺段有组织臭气浓度为416,黑砂后处理工艺段臭气浓度为309)

   

(四)创新点(亮点)

1.该成果将UV高能光解和多层旋流喷淋两种不同处理技术相结合,运用于铸造臭气的治理,克服了这两种技术固有的不足,相互不缺,将处理效果发挥倒较高水平。

2.该成果可由工厂自身需求或地方法规要求,通过调整UV灯管的数量、喷淋量和停留时间,进一步提高除臭效果,将臭气浓度指标稳定控制在500以下,从而满足400m卫生防护距离以外居民区空气质量(无组织臭气)标准(20以下)。

三、实施效果

(一)环境效益——臭气削减

1. 有组织(烟囱)臭气浓度削减。

该装置经调试后于2014年11月25日投入运行。2015年1月15日对处理系统进行效果检证,同时委托两家有资质的检测公司同一时间在处理前和处理后进行采样分析,分析数据如图5和图6。


图5  臭气浓度(有组织)            图6 臭气浓度(有组织)


由图4、图5可见,经过这套组合式净化系统处理后,有组织臭气浓度最高可从3090下降至416,去除效率为81.7%~89.7%,臭气浓度排放值远远低于《恶臭污染物排放标准》(GB 14554-93)中的二级标准值2000。由此可见,本项目投入使用后,环境效益显著。

2016年4月20日再次确认该除臭装置的去除效率,臭气浓度检测结果均为477以下。

2. 无组织(厂界)臭气削减

该除臭装置投入使用后,在检测有组织臭气浓度的同时,一并对公司周边敏感点的厂界臭气进行检测,结果发现臭气浓度有26.3%~36%的削减。

  

(二)社会效益——投诉削减

该除臭技术导入之后,公司铸造车间臭气排出得到大幅度削减,周边空气得到改善,从而较大程度上降低了对周边居民、单位的影响,投诉次数也明显减少,2015年全年投诉6起,较2014年下降76.9%,2016年-2017年投诉为0。

(三)运行成本分析比较

该套处理工艺与目前国内常用的生物分解法对比,在运行成本方面具有明显的优势。暂不考虑设备保养费用,单从能耗进行比较,以10000Nm³/h恶臭气体处理量计,在正常运行的过程中,生物法需要至少2台5.5kw以上的循环泵连续运行,才能将营养液(或水)循环至所有微生物的的填料上。在该项目同等的负荷下,新工厂铸造3线600000m³/h的处理量则最少需要120台5.5Kw的循环泵。

计算情况为:

生物分解法每年能耗:120台×5.5kw×246天(生产天数)×24h×0.8(开动率)≈311.7万度

若该企业工业用电价格为0.8元/度

则每年电费:311.7万度×0.8元/度≈249.4万元

采用UV+喷淋除臭工艺:(2000支×0.15kw/支+5kw)×246天×24h×0.8≈165.3万度

每年电费:165.3万度×0.8≈132.2万元

喷淋所须的水使用回用水,不计算成本。

因此,采用UV与喷淋结合处理技术每年可节约用电费117.2万元,CO2减排1345.3吨。

【责任编辑:李凡】

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