泡沫陶瓷過濾板燒成煙氣處理方法的研究

1 前言

自上世紀(jì)80年代中期開始，國內(nèi)對金屬熔體鑄造用泡沫陶瓷過濾板開始研究。葉榮茂等是國內(nèi)早研究并制得鋁合金、鑄鐵、不銹鋼過濾用泡沫陶瓷過濾器的人[1]。國內(nèi)各研究院所也對泡沫陶瓷基礎(chǔ)理論和相關(guān)制備技術(shù)進(jìn)行了研究工作，并取得了許多成果。

近年，隨著金屬鑄造行業(yè)的飛速發(fā)展，關(guān)于泡沫陶瓷過濾板的研究也得到了長足發(fā)展。各類材質(zhì)的泡沫陶瓷過濾板生產(chǎn)工藝、技術(shù)、學(xué)術(shù)論文呈現(xiàn)，國內(nèi)泡沫陶瓷生產(chǎn)廠家也從當(dāng)初十幾家，發(fā)展為現(xiàn)在近百家。除泡沫陶瓷生產(chǎn)面臨的自身技術(shù)問題外，生產(chǎn)過程中的環(huán)境保護(hù)問題變得日益重要。例如，泡沫陶瓷過濾板在燒成過程中，海綿煙氣的排放對環(huán)境是有害的。因此，隨著國家環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，做好生產(chǎn)過程中的環(huán)保處理已成為廠家重中之重。如若不能做好這點，企業(yè)將面臨遷址甚至淘汰。因此，研究如何處理泡沫陶瓷燒成過程中的煙氣，達(dá)到合格排放，甚至接近*，是國內(nèi)泡沫陶瓷生產(chǎn)廠家亟待解決的問題。

2 泡沫陶瓷過濾板煙氣處理方法

2.1 海綿及海綿燃燒產(chǎn)生的煙氣成份分析

要處理泡沫陶瓷燒成產(chǎn)生的煙氣，首先要了解泡沫陶瓷所用的聚氨酯海綿成份，然后對其燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣成份、煙氣量等進(jìn)行分析。

泡沫陶瓷所用的軟質(zhì)聚氨酯多孔網(wǎng)狀海綿，是由甲苯二異氰酸酯、聚醚多元醇、胺催化劑、二氯甲烷、硅油等化工原料發(fā)泡而成的閉孔海綿泡體，再用乙炔或氫氣將其開孔成三維貫通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[2，3]。開孔型聚氨酯海綿密度只有0.03～0.05 g/cm3。海綿經(jīng)過多種化工原料反應(yīng)制成，其化學(xué)成份復(fù)雜，關(guān)于其化學(xué)成份的報道也非常少。報道研究海綿化學(xué)成份大致為聚氨酯、聚丙二醇、二苯基甲烷二異氰酸酯、甲苯二異氰酸酯等，具有分子鏈長、分子量大等特點。

甲苯二異氰酸酯作為聚氨酯海綿發(fā)泡的重要材料，也是燃燒后污染煙氣的重要來源。甲苯二異氰酸酯（Toluene diisocyanate，簡稱TDI），分子式為C9H6N2O2，具有兩種同質(zhì)異形體，即2，-4甲苯二異氰酸酯和2，-6甲苯二異氰酸酯。分子結(jié)構(gòu)排列如圖1所示。從圖1可以看出，其苯環(huán)結(jié)構(gòu)上有兩個氰基鍵，是氣毒性主要來源。燃燒是一種復(fù)雜的過程，聚氨酯海綿經(jīng)燃燒釋放的氣體成份復(fù)雜，含有氰化物、苯化合物、碳化合物和氮化合物等有毒有害氣體，這些氣體同時包裹有一些難融顆粒粉塵和液（油）滴，對環(huán)境產(chǎn)生重大危害[5，6]。另外，對于使用磷酸二氫鋁為粘結(jié)劑的泡沫陶瓷過濾板，坯體燃燒后的氣體還含有腐蝕性酸性氫離子。對分子量小的氣體或液滴處理較簡單，而對分子量大的氣體、粉塵或油滴處理較為復(fù)雜。

2.2 煙氣處理方法

煙氣處理方法種類很多，國內(nèi)控制煙氣排放指標(biāo)主要為煙塵和二氧化硫。但由于聚氨酯海綿的燃燒成份不同，筆者認(rèn)為控制的有害成分主要為煙塵、氰基、苯化合物及一氧化碳等。針對這些有毒有害成份，可采用物理方法，如：水凈化法、活性炭吸附和靜電法。也可采用化學(xué)方法，如：焚燒法和高強(qiáng)紫外線分解法。但實際處理過程中，往往采用物理和化學(xué)兩者方法相結(jié)合。

2.2.1焚燒處理法

焚燒是將海綿煙氣通入燃燒室，然后經(jīng)過1000 ℃以上高溫充分燃燒。焚燒的目的是將大分子斷裂成小分子，將大部分有毒有機(jī)物（如：氰化物、二噁英、苯化物等）燃燒為無毒氧化物（如：CO2、N2、H2O等）。焚燒同時可以將煙氣中部分難融固體顆粒及粉塵燃燒成可揮發(fā)性氣體。

2.2.2水凈化處理法

水通過水塔噴灑出來，可對煙氣中大部分可溶性氣體、固體顆粒及粉塵等物質(zhì)進(jìn)行溶解凈化。在水中加入堿可中和煙氣內(nèi)酸性氣體，同時可以凈化其它油性有機(jī)分子。水塔內(nèi)水可重復(fù)循環(huán)使用，當(dāng)其有機(jī)物含量達(dá)到60%以上，需要更換水。

2.2.3活性炭吸附

活性炭是一種具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)和巨大比表面積的碳質(zhì)吸附材料，它具有吸附能力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好、力學(xué)強(qiáng)度高及可再生等特點。當(dāng)一個分子被活性炭內(nèi)孔捕捉進(jìn)入到活性炭內(nèi)孔隙中后，由于分子間相互吸引的作用，會導(dǎo)致更多的分子不斷被吸附，直到填滿活性炭內(nèi)孔隙為止。因此，活性炭對重金屬、有毒氣體具有很好地吸附凈化效果，但由于其良好的吸附性能，活性炭空隙很容易被填滿，不再具有吸附效果。因此，活性炭也需要經(jīng)常更換。活性炭通過堿水洗滌晾干后，可重復(fù)循環(huán)使用。

2.2.4高壓靜電除塵

高壓靜電除塵對粉塵、煙霧和氣體顆粒具有很好的處理效果。高壓靜電除塵通過靜電除塵器一系列交錯組合的電極產(chǎn)生的高壓電流，使通過除塵器的粉塵、油漬分子等帶電，由電場引力作用而被收集在金屬集塵板上[7]。由于海綿煙氣內(nèi)聚醚等原料多為石油提煉物，集塵板上吸附的基本為油性有機(jī)物。吸附到一定程度后，需對其裝置進(jìn)行沖洗。由于油性物質(zhì)附著力強(qiáng)，裝置先于堿水中浸泡后再沖洗。

2.2.5光解凈化

光解作用是通過波長范圍為170～185 nm的高能紫外線，將空氣中的氧氣裂解產(chǎn)生臭氧，同時將鍵能低的煙氣氣體化學(xué)鍵斷裂，形成游離態(tài)的原子或原子基團(tuán)。隨后臭氧參與到反應(yīng)過程中，使煙氣氣體終被裂解、氧化生成簡單穩(wěn)定的化合物（CO2、H2O、N2等）。光解作用能否達(dá)到效果，主要取決于發(fā)射的紫外線能量是否高于有毒有害氣體斷裂所需能量；其次反應(yīng)設(shè)備內(nèi)煙氣濃度不能太大，否則氧氣量不足，不能達(dá)到光解凈化效果。

2.3 不同結(jié)構(gòu)窯爐燒成泡沫陶瓷煙氣的處理

結(jié)合上述煙氣成份、煙氣處理方法，需要針對不同結(jié)構(gòu)窯爐燒成產(chǎn)生的煙氣，采用不同的煙氣處理工藝。因為窯爐結(jié)構(gòu)不同，同等產(chǎn)量的泡沫陶瓷，產(chǎn)生的煙氣成份、煙氣量都是不同的。

2.3.1 梭式窯燒成煙氣處理方法

梭式窯燒成泡沫陶瓷過濾板，具有排放集中、排放量大等特點。對于普通有效體積為2.0 m3梭式窯，燒成產(chǎn)生煙氣總量并不大。但梭式窯燒成排放時間短，一般2 m3海綿產(chǎn)生的煙氣在3 h左右會全部排放，所以其單位時間煙氣排放量是巨大的。因此，簡單的凈化、吸附設(shè)備對集中的高濃度煙氣處理效果不好，需要在梭式窯后增加一間體積較大燃燒室，采用焚燒法對煙氣進(jìn)行初步燃燒處理。燃燒室通過高速噴嘴噴射的火焰瞬間可達(dá)1000 ℃以上。煙氣經(jīng)過燃燒室焚燒后顆粒粉塵大大減少，有毒氰基、苯化物及氮化物等也大部分被高溫分解，生成分子量小的氣體。這些氣體再通過水塔吸附過濾顆粒、靜電除塵除去粉塵及煙霧和活性炭吸附異味氣體等工藝處理，排放氣體可達(dá)到環(huán)保要求。梭式窯燒成煙氣處理工藝如圖2所示。

2.3.2隧道窯燒成煙氣處理方法

隧道窯燒成泡沫陶瓷量不大，煙氣又屬于連續(xù)排放，因此其單位排放量較小，處理較為容易。通過水塔、活性炭和光解凈化器即可達(dá)到較好的處理效果，排放的煙氣達(dá)到環(huán)保要求。

由于煙氣未經(jīng)焚燒處理，活性炭裝置位置應(yīng)靠前（水塔后），從而吸附煙氣中的有毒氣體。這樣可減輕光解凈化器內(nèi)缺氧壓力，提高其光解凈化效果。但是，由于活性炭吸附量大，很容易堵塞而失去吸附效果。因此，活性炭需要經(jīng)常更換。隧道窯燃燒煙氣處理工藝如圖3所示。

2.3.3輥道窯燒成煙氣處理方法

輥道窯燒成泡沫陶瓷產(chǎn)量較大，煙氣排放也較大，但由于輥道窯屬于連續(xù)生產(chǎn)，單位時間煙氣排放相比梭式窯小。在輥道窯設(shè)計中，考慮到節(jié)能減排，煙氣往往通過助燃風(fēng)管道引入高溫區(qū)，從而提高助燃風(fēng)溫度，提升燃燒效率。海綿燃燒揮發(fā)煙氣采用助燃風(fēng)，將其引入高溫區(qū)后既可降低煤氣消耗量，又能達(dá)到煙氣焚燒的目的。經(jīng)過高溫區(qū)約1200 ℃的高溫燃燒，出來煙氣又通過水塔、靜電除塵、活性炭吸附及光解凈化等處理后，煙氣量少、顏色為淡白色、無氣味，*可達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。由于靜電除塵器位置靠前，減少了活性炭更換次數(shù)。但靜電除塵集塵板容易吸附油性物質(zhì)，應(yīng)采用可拆卸清洗的集塵板，便于重復(fù)循環(huán)使用。輥道窯燃燒煙氣處理工藝如圖4所示。

3 結(jié)語

泡沫陶瓷過濾板由于采用聚氨酯海綿為前驅(qū)體，在燒成過程會產(chǎn)生海綿煙氣。海綿煙氣成份復(fù)雜，含有有毒有害氣體、顆粒及液（油）滴。這些煙氣需要經(jīng)過焚燒、凈化、過濾等一系列處理合格后，才能排放。

（1） 對海綿煙氣處理的常用方法有：焚燒法、水凈化法、活性炭吸附法、靜電除塵法和光解凈化法。不同方法處理效果不一樣，實際煙氣處理工藝設(shè)計應(yīng)根據(jù)窯爐結(jié)構(gòu)不同，采用多種處理方法相結(jié)合，以達(dá)到煙氣排放要求。

（2） 梭式窯海綿煙氣處理工藝：煙氣焚燒→水凈化→靜電除塵→活性炭吸附。

（3）隧道窯海綿煙氣處理工藝：水凈化→活性炭吸附→光解凈化。

（4） 輥道窯海綿煙氣處理工藝：水凈化→靜電除塵→活性炭吸附→光解凈化。