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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80年代中期開始，國內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]。國內各研究院所也對泡沫陶瓷基礎理論和相關制備技術進行了研究工作，并取得了許多成果。
近年，隨著金屬鑄造行業的飛速發展，關于泡沫陶瓷過濾板的研究也得到了長足發展。各類材質的泡沫陶瓷過濾板生產工藝、技術、學術論文呈現，國內泡沫陶瓷生產廠家也從當初十幾家，發展為現在近百家。除泡沫陶瓷生產面臨的自身技術問題外，生產過程中的環境保護問題變得日益重要。例如，泡沫陶瓷過濾板在燒成過程中，海綿煙氣的排放對環境是有害的。因此，隨著國家環保要求的日益嚴格，做好生產過程中的環保處理已成為廠家重中之重。如若不能做好這點，企業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，達到合格排放，甚至接近*，是國內泡沫陶瓷生產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 海綿及海綿燃燒產生的煙氣成份分析
要處理泡沫陶瓷燒成產生的煙氣，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生的煙氣成份、煙氣量等進行分析。
泡沫陶瓷所用的軟質聚氨酯多孔網狀海綿，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狀結構[2，3]。開孔型聚氨酯海綿密度只有0.03～0.05 g/cm3。海綿經過多種化工原料反應制成，其化學成份復雜，關于其化學成份的報道也非常少。報道研究海綿化學成份大致為聚氨酯、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。分子結構排列如圖1所示。從圖1可以看出，其苯環結構上有兩個氰基鍵，是氣毒性主要來源。燃燒是一種復雜的過程，聚氨酯海綿經燃燒釋放的氣體成份復雜，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，對環境產生重大危害[5，6]。另外，對于使用磷酸二氫鋁為粘結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雜。
2.2 煙氣處理方法
煙氣處理方法種類很多，國內控制煙氣排放指標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。也可采用化學方法，如：焚燒法和高強紫外線分解法。但實際處理過程中，往往采用物理和化學兩者方法相結合。
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進行溶解凈化。在水中加入堿可中和煙氣內酸性氣體，同時可以凈化其它油性有機分子。水塔內水可重復循環使用，當其有機物含量達到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構和巨大比表面積的碳質吸附材料，它具有吸附能力強、化學穩定性好、力學強度高及可再生等特點。當一個分子被活性炭內孔捕捉進入到活性炭內孔隙中后，由于分子間相互吸引的作用，會導致更多的分子不斷被吸附，直到填滿活性炭內孔隙為止。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，活性炭也需要經常更換。活性炭通過堿水洗滌晾干后，可重復循環使用。
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物。吸附到一定程度后，需對其裝置進行沖洗。由于油性物質附著力強，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生臭氧，同時將鍵能低的煙氣氣體化學鍵斷裂，形成游離態的原子或原子基團。隨后臭氧參與到反應過程中，使煙氣氣體終被裂解、氧化生成簡單穩定的化合物（CO2、H2O、N2等）。光解作用能否達到效果，主要取決于發射的紫外線能量是否高于有毒有害氣體斷裂所需能量；其次反應設備內煙氣濃度不能太大，否則氧氣量不足，不能達到光解凈化效果。
2.3 不同結構窯爐燒成泡沫陶瓷煙氣的處理
結合上述煙氣成份、煙氣處理方法，需要針對不同結構窯爐燒成產生的煙氣，采用不同的煙氣處理工藝。因為窯爐結構不同，同等產量的泡沫陶瓷，產生的煙氣成份、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1000 ℃以上。煙氣經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，排放氣體可達到環保要求。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到較好的處理效果，排放的煙氣達到環保要求。
由于煙氣未經焚燒處理，活性炭裝置位置應靠前（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量較大，煙氣排放也較大，但由于輥道窯屬于連續生產，單位時間煙氣排放相比梭式窯小。在輥道窯設計中，考慮到節能減排，煙氣往往通過助燃風管道引入高溫區，從而提高助燃風溫度，提升燃燒效率。海綿燃燒揮發煙氣采用助燃風，將其引入高溫區后既可降低煤氣消耗量，又能達到煙氣焚燒的目的。經過高溫區約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，*可達到排放標準。由于靜電除塵器位置靠前，減少了活性炭更換次數。但靜電除塵集塵板容易吸附油性物質，應采用可拆卸清洗的集塵板，便于重復循環使用。輥道窯燃燒煙氣處理工藝如圖4所示。
3 結語
泡沫陶瓷過濾板由于采用聚氨酯海綿為前驅體，在燒成過程會產生海綿煙氣。海綿煙氣成份復雜，含有有毒有害氣體、顆粒及液（油）滴。這些煙氣需要經過焚燒、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計應根據窯爐結構不同，采用多種處理方法相結合，以達到煙氣排放要求。
（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。
