為了祖國天藍水清地綠 工業廢氣凈化使命在肩

        ——中南鑄冶消失模鑄造領域創新工業廢氣凈化技術紀實

        垃圾廢棄物焚燒煙氣凈化環保監測首戰告捷——終端平均排放濃度(mg/m3):苯0.040、甲苯0.015、乙苯0.009、苯乙烯0.024、非甲烷總烴24.21、二氧化硫86、氮氧化物36,優于排放限值標準。

        “劉玉滿中鑄1號”工業廢氣凈化系統

        桂林中南鑄冶材料研究所所長劉玉滿從事鑄造專業生產與技術工作50多年,他深知廣大崗位工人受工業廢氣毒害之苦,也一直為鑄造行業產生廢氣污染環境而深感不安。針對工業廢氣排放這一嚴重現狀,2018年,劉玉滿帶領技術團隊下定決心,結合自己多年的經驗總結和摸索,跨專業、跨行業、跨領域進行自主立項,自籌資金專研工業廢氣凈化科研攻關,為祖國的環保事業貢獻力量。

        □ 丁笑天 董亞芳

        環境就是民生,天藍水清地綠是美麗,更是幸福。早在“十三五”期間,習近平總書記多次就打贏藍天保衛戰作出指示。作為我國生態環境治理的關鍵戰役,從產業結構調整到清潔能源替代,從秋冬季大氣污染防控到區域聯防聯控,藍天保衛戰全面發力。經過3年的持續攻堅,到2020年,全國空氣質量明顯改善。那么,如何保持這一成果,《“十四五”節能減排綜合工作方案》給出了具體方案,就是要大力推進石化、化工、印刷、工業涂裝等行業揮發性有機物綜合治理,實施石化、化工等重點行業揮發性有機物治理工程。因此,環保是不變的主題,工業廢氣凈化依然任重道遠。為了祖國天藍水清地綠,許多科技創新人才正在用手中的“武器”不斷向工業廢氣凈化治理發出挑戰。

        緣起:為了祖國天藍水清地綠

        2018年,重新修訂的《中華人民共和國大氣污染防治法》中明確提出:對工業生產過程中排放粉塵、硫化物和氮氧化物的,應當采用清潔生產工藝,或控制大氣污染物排放的措施。

        縱觀經濟社會的發展不能沒有工業,工業是拉動經濟發展的重要源動力,但是有工業就必有排放。據了解,工業廢氣多達300余種,主要是生態環境部2020年12月發布的GB39726-2020標性中所限制的八大類污染物,而苯,苯系物、芳烴類有機廢氣及二氧化硫首當其沖,致癌威脅不可輕視。工業廢氣對生態環境和人類健康的危害,已經到了非治不可的關鍵時期。

        作為工業生產中常見的消失模鑄造工藝(LFC)是一種用熔融金屬制造固體金屬零件的鑄造方法。使用由聚苯乙烯泡沫塑料制成的模具來產生所需的形狀,在鑄造過程中,當液態金屬氣化并替換其形狀時,聚苯乙烯泡沫就會消失,因此被稱為“消失模鑄造”。“消失模鑄造”這個名字對于公眾來說可能并不熟悉,但卻早已融入了國家基礎制造工業和人居生活環境的方方面面。

        與傳統的砂型鑄造相比較,消失模技術的鑄件尺寸形狀精確,重復性好,具有精密鑄造等特點應用范圍廣泛。然而,正是這項與國家基礎制造工業和人居生活環境息息相關的技術,帶來了便利的同時,也造成了嚴重的污染。

        據了解,消失模實型澆注每天會大量地產生出苯類致癌物和二氧化硫等污染氣體。消失模鑄造析放的苯類物主要有:苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯及多種非甲烷芳香烴類物,其中以苯和苯乙烯為最。中小件消失模實型澆注可高達8000mg/M3以上,中大件實型澆注的濃度就更高了,尤其是高密度泡沫模樣的實型澆注,排放濃度僅次于苯的是苯乙烯,常在4000mg/M3以上,再次是甲苯,多為1000mg/M3以上。

        自上世紀90年代起,國內外消失模鑄造科學界通過對消失模鑄造中小型鑄件實型澆注生產現場檢測、公布的文獻資料和綜合數據表明,中小件消失模鑄造實型澆注從真空泵排氣管中采集氣樣測出苯系芳香烴類致癌物濃度可達20,000mg/M3以上,且多在10,000mg/M3~20,000mg/M3,中小件生產條件下,每分鐘排氣量多在20M3~30M3,相當于每臺真空泵每小時排出苯類致癌物的速率可達2kg/h~3kg/h。中大型鑄件生產就更不必說了。

        而我國現有消失模鑄造工廠約3000多家,從事消失模鑄造的人員30萬以上,他們中的相當一部分仍然堅持采用早已過時的、40年前的實型澆注落后工藝。這不但直接影響了鑄造一線生產者們的健康,也為大氣污染埋下了嚴重隱患。

        中國管理科學研究院終身研究員、桂林中南鑄冶材料研究所所長劉玉滿從事鑄造專業生產與技術工作50多年,他深知廣大崗位工人受工業廢氣毒害之苦,也一直為鑄造行業產生廢氣污染環境而深感擔憂。針對工業廢氣排放這一嚴重現狀,2018年,劉玉滿帶領技術團隊下定決心,結合自己多年的經驗總結和摸索,跨專業、跨行業、跨領域進行自主立項,自籌資金專研工業廢氣凈化科研攻關,為祖國的環保事業貢獻力量。

        自那時,中南鑄冶團隊開啟了代號為“劉玉滿中鑄1號凈化技術”的攻關。歷時三年,經過大量的實驗、測試、驗證、檢測等,2020年3月他們獲得中國發明專利授權(ZL201910153442.2),于2021年7月1日正式對外發布了其獨創的苯類工業有機廢氣凈化法,成為中國鑄造技術創新和大氣環保治理歷程上的一個爆閃的亮點。

        創新:在消失模鑄造工業實踐中獲得靈感

        工業廢氣大多不是單一氣體,而是多種類的混合物,可謂百氣混為一體,即生態環境部GB39726-2020國家標準所指的八大類污染物。其中苯、苯系物、NMHC(非甲烷總烴)、TVOC(可揮發性有機物)具可燃性、燃點均為650℃以下,其中的二氧化硫、氮氧化物、鉛等金屬氧化物和顆粒物是不具備可燃性的非有機物。由于各具不同的物化特性,對其凈化難就難在八大類的多種污染物能否在同一裝置的同一流程中實現。

        常見的工業廢氣治理方法有冷凝回收法、吸收法、直接燃燒法、催化燃燒法、吸附法等。劉玉滿分析:以往常見的催化低溫燃燒法和活性炭吸附法,毫無疑問各具一定的創新性,對某些特定的氣體凈化的原理是符合科學性的,但對工業化生產應用的實用性和持久穩定性卻有幾方面的欠缺,值得討論:

        比如,任何催化劑都不可能“催化百氣”,吸附劑也不可能“吸附百氣”。工業廢氣是百氣混合物,常見的催化劑有貴金屬、復合氧化物、稀土三類。催化劑對人體來說就是興奮劑,是一種神經毒素,即使是金屬催化劑,也存在活性氧的污染和毒害。稀土催化劑之重金屬危害是令人生畏的,復合氧化物催化劑的污染和毒害就不用多言了。

        任何催化劑或吸附劑,其活性都會隨使用時間而活性減退和消失,且不便更新更換。即使是貴金屬催化劑,其貴金屬含量也僅為0.5%~20%,余下多為炭,稱鉑炭、鈀炭、鍺炭、鈣炭,高溫易出現炭結,活性消退,一時不如一時,一天不如一天,不可能保證凈化效果的穩定性。

        任何物化反應都是能量轉化過程,并需要一定的反應時間,反應時間是由氣流速度、氣流運動軌跡和反應空間的距離所決定,這些都顯示出常見的廢氣處理方法的不足。

        不但如此,一切可燃燒性有機氣體都存在接觸熱體發生閃爆的危險。苯類和芳烴類氣體各自都有特定的爆炸極限濃度,且絕大多數是0.7%~8%的濃度范圍,而消失模鑄造實型澆筑產生的廢氣濃度往往就在這個范圍之內,或接近于這個范圍,其接觸熱體、火焰、電火花等發生爆炸的危險是不可忽視的,而苯類廢氣的閃點多在-11℃~30℃之間。因此,安全可靠的防爆消爆裝置是其實用性和推廣性的首要條件。

        在歷時3年的攻關歷程中,中南鑄冶團隊不僅親歷了意外的閃爆,而且還多次特意創造閃爆條件來驗證其閃爆原理,以找出切實可靠的預防和消除閃爆的科學方法,以做到萬無一失,確保安全運行。

        關于苯類廢氣凈化問題,得先從消失模鑄造的過程說起。干砂負壓消失模鑄造在澆注金屬液的過程,型內泡沫模樣物化反應的主要形式是熱解,而EPS熱解反應有三種形式:氣化、燃燒、裂解。EPS在氧氣充足條件下燃燒的生成物是H2O+CO2,缺氧易發生裂解,裂解的生成物則是含C·H的小分子的C6H6、C1H8、C8H10、C6H5-C2H5、C8H8等苯系致癌物,這就是治理的關鍵。

        采訪中劉玉滿告訴筆者,有機物苯、苯系物、NMHC、TVOC在高溫富氧超常壓條件下充分反應生成CO2+H2O,SO2充分轉化成SO3,NO轉化為NO2,金屬氧化物及顆粒物在1000℃以上高溫條件下熔化或被水所吸收沉積,這后四種污染物可以在強力鼓風的渦噴旋流排放中,被足量的水蒸氣或水高效吸收而得以凈化排放——這就是治理多種廢氣“萬變不離其宗”的科學原理,其排放濃度能夠持續穩定地符合國家環保排放的限值標準。

        早在2008年,劉玉滿就發明了消失模負壓富氧快速燒空無碳鑄造技術(ZL200810080960.8),消失模鑄造先燒后澆關鍵之詞是一個“燒”字,供氧正常才能燒,富氧狀態才能充分燃燒,EPS在富氧氛圍中燃燒,基本上避免了裂解反應的條件,沒有裂解反應則不可能產生C6H6、C8H8.之類的苯系芳香烴類的小分子致癌有害氣體。在鑄型內EPS泡沫即使局部有裂解反應也必然是低微的現象,析放的苯類物濃度甚為微量。在正常的富氧燒空過程中,苯類物的排放濃度可以接近甚至低于環保排放限值標準。“為此,我們完全有理由、有足夠的理論依據負責任地指出:正常狀態的消失模富氧燒空澆注工藝是一種環?;南冗M工藝。”劉玉滿告訴筆者。

        當然,在工業化生產實際中,由于鑄件的結構或生產條件不同,富氧燃燒先燒后澆工藝實施也不可能做到件件、時時都能達到“正常狀態”,總會有局部的部位處于非正常燃燒狀態,況且二氧化硫的析放是不可避免的,故實施富氧燒空澆注的同時強化其廢氣凈化處理才能錦上添花。

        根據具有國家資質的環境監測法定機構(桂林金桂環境監測有限公司)歷時兩年多在中南鑄冶消失模鑄造科研示范基地生產現場反復多次檢測提供的數據表明:消失模實型澆注的鑄件單重1500kg~2000kg碳鋼件,其煙氣中,僅苯、甲苯、乙苯、苯乙烯四種有害物的總濃度在13,000mg/M3~15,000mg/M3范圍,其他非甲烷芳香烴多為10,000mg/M3以上,即苯及各類除甲烷以外的芳烴類有害物總濃度多在25,000mg/M3左右。

        實施富氧燒空澆注的同類碳鋼鑄件單重1500kg~2000kg,常規富氧燒空度95%左右,其苯、甲苯、乙苯、苯乙烯四種有害物排放總濃度降至30mg/M3~40mg/M3,相當于實型澆注排放濃度的1/500,其他非甲烷芳烴降至約350mg/M3,相當于實型澆注的4%左右。

        消失模富氧燒空澆注技術發明于2008年,至今國內推廣應用已有1000多個廠。就全國3000多家消失模鑄造廠而言,至今仍實施實型澆注的卻還有近2000家,仍占行業的多數,“歸根結底還是一句話:實型澆注嚴重污染環境危害健康,但省事省錢,這是兩種立場觀念的斗爭,是企業利潤觀與國家環保大局發生矛盾的體現。”劉玉滿設想,如全國消失模鑄造廠全面推行富氧燒空澆注,對其苯類廢氣的治理就會有利得多。

        展望:永擔使命環保攻關無止境 再接再厲向垃圾焚燒領域進軍

        有危害必消除,有污染必治理,這是科技工作者們義不容辭的使命和歷史責任。中南鑄冶科技團隊2021年的科研攻關直指遍及全國大小城鎮的垃圾焚燒煙氣凈化領域。

        桂林中南鑄冶消失模鑄造科研團隊正是堅守使命和擔當責任的楷模,他們從2018年投入消失模鑄造苯類廢氣高溫富氧超常壓凈化項目的研發,參與了世界衛生組織“2017年11月致癌物清單公告”的發布,歷經挫折,盡心盡力為國家環保事業奮斗。

        談到科研的初心,劉玉滿告訴筆者:“如果能得到國家和社會的認可并予以推廣,對于我和單位來講就是最好的精神獎勵,就是幾年付出的最高回報。但我們從事這個項目研究的初心,就是為了祖國天藍水清地綠,即使攻關失敗,這筆錢也是花得其所,即使攻關失敗,也是為國家做了一點實實在在的工作,起碼可以提供一些有用的或者可作為教訓借鑒的科學數據。”

        環保是國家的事業,其理念也需要普及和民眾的支持。劉玉滿呼吁:環保革命必須強化國家領導和各級政府的落實;首先是全國性上上下下轉變對工業廢氣的認識,認識其危害性,認識其與藍天、綠水、青山的關系,認識其凈化的科學原理和凈化治理方法,不圖表面求實在;對于效益不好的行業,比如,有鑄造史以來苦、臟、累、毒著稱于世的鑄造行業應給予必要的政策與資金扶持;把國家每年大量的環保建設資金花在實處,提高監管力度,一切企業的環保排放和一切“環保設施”都應以環保監測機構的檢測數據為評判依據,以科學,公正,嚴謹的原則對一切有污染的企業進行監測,將環保落實到實處……

        如今,劉玉滿這個名字早已與現代消失模鑄造技術和工業廢氣凈化法連在一起,成為中國鑄造技術創新和大氣環保歷程上的一個耀眼的閃光點。在領航現代消失模鑄造技術發展和獨創工業廢氣凈化法的過程中,不僅銘刻了這位新中國老一輩科研工作者潛心數十年的奮斗與堅持、創新與開拓的艱辛歷程,更讓他的個人價值得到了充分釋放,實現了經濟價值與社會價值的共贏。

        “為了祖國天藍水清地綠,工業廢氣凈化使命在肩,科學無止境,攻關無止境,為國家服務無止境,中南鑄冶團隊將一如既往去做好該做的工作。”

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        標簽: 凈化   廢氣   使命  
        來源:中國改革報
        編輯:GY653

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