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我国铸造行业VOCs的排放及控制
中国铸造协会 作者:刘树生,曹林锋,乔世杰,宋安安,王东生,马宏儒,高巍 2019/04/26

  摘要:铸造是装备制造业的基础,我国铸件总产量已连续17年居全球首位。在铸造生产流程当中,多数工序均可能产生挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOCs)。调研表明,熔炼/熔化、造型浇注、表面涂装工部和无组织排放的VOCs平均浓度分别为3.8 mg/m3,2.1 mg/m3,12.7 mg/m3和1.2 mg/m3,且各企业间排放水平差异较大。我国铸造全行业VOCs排放量估算约为21,081吨,占工业排放总量的0.126%。目前,铸造企业的VOCs治理工作和行业性的VOCs管控工作均处于起步阶段,相关标准和政策法规即将出台。通过源头减量和末端治理相结合,可实现我国铸造行业VOCs的有效控制。

  铸造是将金属加热至液态后注入型腔以获得所需毛坯金属材料或零件的生产方法。在各类金属成形方法中,铸造在能源、材料消耗及成本上都具有极大优势,且可大量利用废、旧金属材料和再生资源,是机械制造工业毛坯和零件的主要供应者,是装备制造业的基础,在国民经济中占有极其重要的地位。我国铸造企业数量目前约有2.3万家,2017年中国各类铸件总产量4,940万吨,已连续17年居全球首位。然而,我国铸造企业发展水平参差不齐,全行业目前仍处于相对粗放发展阶段,环保工作相对滞后,有大量铸造企业刚刚开始安装除尘设备、进行颗粒物污染治理。

  挥发性有机化合物(Volatile organic compounds,VOCs)由于可以参与大气光化学反应,对人体和环境都具有较大危害,而日渐受到重视。实际测定多用非甲烷总烃(Non-methane total hydrocarbons, NMHC)表示。2017年9月原环境保护部印发了《“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》,2018年07月国务院《打赢蓝天保卫战三年行动计划》的通知中也要求了“到2020年,VOCs排放总量较2015年下降10%以上”。可见,VOCs管控将是大气污染防治工作新的重点。对我国铸造行业而言,VOCs问题也必将成为各个企业和全行业新的工作重点之一。

  1 铸造生产中VOCs的产生

  1.1 铸造生产流程及其中的VOCs来源

  铸造生产按照材质可分为黑色金属铸造(铸铁和铸钢)和有色金属铸造(铝、铜、锌、镁和钛等合金),按生产工艺主要分为砂型铸造和特种铸造两大类,又可细分多种不同铸造工艺,不同铸造工艺具体生产流程有所不同。目前,多数铸造生产仍使用砂造型,一般均包含金属原料熔炼或熔化、砂处理及造型、浇注、落砂冷却、清理等工序。

  铸造生产中的VOCs来源大致可分为三类:第一类是熔炼或熔化金属原料时使用化石燃料(例如冲天炉)产生的,原理及成分与其他行业工业炉窑类似;使用感应电炉等非直接燃烧装备进行熔炼或熔化的则不产生此类VOCs。第二类是表面涂装工序产生的,原理及成分与其他行业表面涂装工序类似;无涂装工序的则不产生此类VOCs。第三类是铸造行业特有的,包括造型时使用的有机粘结剂、在型砂中加入的有机添加剂、含有机成分的型腔涂料等转化为VOCs,作为生产原料的废弃金属中混有的机油、油漆等有机物在熔炼或熔化工序受热时产生VOCs,特定工艺产生的特殊污染(例如消失模废气),等等。铸造生产流程中可能产生VOCs的工序见图1所示,不同流程不同工艺的VOCs具体产生情况见表1所示。

注:带*为非必要流程

图1. 铸造生产工艺流程及其中VOCs产生情况

表1. 铸造生产流程中不同工艺的VOCs具体产生情况


  1.2 铸造行业VOCs成分及种类

  铸造行业特有的VOCs成分主要与使用的有机生产辅料或添加剂的具体成分有关。例如,型砂中添加的煤粉热解产生可能产生苯、甲苯与二甲苯;有机粘结剂酚醛树脂热解的主要产物为酚、苯、甲基萘与苯胺,呋喃树脂热解的主要产物为苯、酚、乙醛与甲苯等。此外,消失模铸造生产流程中需经历与铸件等体积的泡沫塑料全部由固态转化为气态的过程,这一过程的热解产物主要是苯、甲苯、乙苯、苯乙烯以及小分子气体产物(CH4、C2H4、C2H2)以及碳黑等[1][2]。

  2 我国铸造行业VOCs排放现状

  2.1 我国铸造行业VOCs排放水平现状调研

  目前我国开展了VOCs检测的铸造企业比较少,本研究调研了1315家各类铸造企业,其中仅有50家测定了VOCs相关数据。其中,部分企业测定了熔炼、造型浇注和无组织排放的VOCs浓度;另有部分企业分别测定了面涂装工部苯、甲苯和二甲苯的浓度。本次调研中铸造企业的VOCs测定数据见图2及图3所示。

  图2显示了本次调研中各企业不同工部的VOCs排放浓度,主要测定了熔炼(或熔化)、造型浇注和表面涂装三个工部的数据,以及无组织排放的数据。图3显示了本次调研中各表面涂装工序苯、甲苯、二甲苯等主要VOCs物种的浓度测定结果。图2中可见,表面涂装工部的VOCs浓度远高于其他工部,平均值为12.7 mg/m3,最高值达到了46.4 mg/m3。相对而言,熔炼/熔化、造型浇注两工部的浓度较低,平均值分别为3.8 mg/m3和 2.1 mg/m3,最高值也只有 8.53 mg/m3 和7.12 mg/m3;无组织排放浓度平均为1.2 mg/m3。可见铸造行业最主要的VOCs产污工部是表面涂装工部。此外,由图中还可看出,各工部测定结果的最大、最小值均相差较大,可见目前我国铸造企业之间,VOCs排放水平差异较大,这也反应了我国铸造企业之间工艺工况、生产条件差距较大的现状。这一现象在图3中也可看出。以二甲苯数据为例,测定中获得的最大数据为 50 mg/m3,而最低为低于检测限。此外,图3中各项数据还呈现中位数远小于平均数的规律,说明高浓度的企业数量较少,大多数企业集中在较低浓度范围。


图2. 我国铸造行业不同工部VOCs排放浓度


图3. 我国铸造行业表面涂装工序不同VOCs排放浓度

  2.2 我国铸造行业VOCs排放总量分析

  铸造生产的VOCs排放总量可以用单位铸件的VOCs排放因子来进行估算。美国一些报道中[1],砂型铸造VOCs排放因子为:无砂芯湿型砂铸造0.09~0.27 kg/t,数值砂芯的湿型砂铸造0.30~0.86 kg/t,树脂砂铸造0.67~1.86 kg/t。美国铸造协会(American Foundry Society, AFS)[3]给出的消失模铸造的排放因子为 0.46 kg/t。我国一项针对北京市铸造行业的研究认为[4],北京市铸造行业的VOCs主要为无组织排放,平均排放因子为4.42 kg/t。

  根据上述数据和我国铸造行业相关数据[5]可估算我国铸造行业VOCs排放总量。排放因子取中值计算,铸造行业湿型砂工艺VOCs排放总量约为8,049吨,树脂砂VOCs排放总量约为11,644吨,消失模和实型铸造的VOCs排放量为1,388吨,合计21,081吨。按2015年全国VOCs排放量大约在3000万吨、工业源排放量占55.5%估算[6],铸造行业占工业排放总量的0.126%。可见,铸造生产的VOCs排放在工业源排放量的占比较小,相对而言铸造行业并非全国VOCs污染的主要贡献者,VOCs也并非铸造生产的主要污染物。

  3 铸造行业VOCs治理及控制

  3.1 VOCs治理技术在我国铸造行业的应用

  (未完待续)

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