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中国辐射防护研究院 郭志明
山西省环境保护技术评估中心 李 英
1、前言
环境影响评价工程师在进行项目环境影响评价过程中，对以大气污染为主的工业企业评价过程中，不可避免得要遇到对项目污染物排放量及初始烟气量的计算，一般情况可采取类比实测数据、经验参数或理论计算来估算，但对于缺少相关参考数据却排放多种气态污染物时，对于污染物种类的确定、排放量及处理措施的选择则成为一个相对较为困难的方面。
作者根据在实际工作过程中遇到的一些问题，就采用消失模铸造生产工艺中浇注废气产生及估算等方面问题，进行了一些调研和汇总并提出参考意见，仅供环境影响评过程中进行参考。(注：文中引用资料数据均出自参考资料)
2、浇注过程中的有机废气
2.1、消失模样原料及其性质
所谓真空消失模铸造法，即把消失模铸造法(实型铸造)与真空造型铸造法(V法)结合起来的一种新的造型法，是用泡沫塑料模代替铸模进行造型，模样不取出，直接浇注金属液，金属液烧失模样而得到理想铸件的一种铸造方法。
消失模样材料质量及性能的好坏直接影响到铸件质量的优劣，对于模样材料的选取要求其密度要小、刚性要高、易于机械加工、气化浓度相对较低、高温分解生成的残留物较少、挥发物对人体无毒害作用。目前常用的是聚苯乙烯泡沫塑料(EPS)、聚甲基丙烯酸甲酯泡沫塑料(EPMMA)等。
聚苯乙烯(EPS)在75℃开始软化收缩，164℃开始熔融成液体，316℃开始氧化，高分子解聚为低分子聚合物，576℃开始裂解燃烧。
2.2、影响浇注废气的主要因素
在设计和评价过程中不仅要了解了外排废气的主要成份，还要清楚其产生量及初始产生浓度等相关参数。实验表明，EPS发气量与废气组分主要与浇注温度、浇注速度、铸件在砂箱内位置、真空度及EPS本身密度有关。
2.2.1、影响浇注废气组分的主要因素：
影响EPS废气组分的因素主要有浇注温度和浇注速度。
(1)、浇注温度：一般情况下，浇注温度直接影响到废气中组分含量的变化。铝合金的浇注温度相对较低，废气的平均温度一般低于500℃，EPS以降解作用为主，因此气化气体中主要是以苯乙烯为主的芳烃气体，几乎不含H2，不易产生积碳；以1350℃的铁液进行浇注时，废气温度约为800℃，废气主要为热解和降解的混合气体；浇注铸钢时，浇注温度达到1600℃，EPS热解达到最大程度，因此析碳情况比较严重。表2.2-1给出了EPS在不同温度下热解产生物的组成表。从表中可以看出EPS在高温裂解后的主要产物为小分子的碳氢化合物及碳黑等有机可燃物。
表2.2-1 各种温度下EPS热解产生物的组成WB%(%)
 2.2、浇注过程中外排废气的特性
(2)、浇注速度：浇注速度对EPS气化组分的影响远不如浇注温度强烈，随着浇注速度的减慢，接触时间的延长，气相中的C(以C的化合物形式出现)含量减少，铸件对C的吸收相对增多，容易导致铸件的增碳。
2.2.2、影响浇注过程发气量的因素：
影响EPS发气量的主要因素包括浇注温度、真空度、EPS自身密度及铸件的位置因素等。
(1)、浇注温度：浇注温度对发气量有明确的影响，实验结果表明气体量与浇注温度基本成正比增长。图2.2-1给出EPS发气量与温度的关系图。
(2)、浇注速度：实验表明浇注速度对EPS的发气量影响不大。用密度为0.02g/cm3的EPS以同样的浇注温度(1350℃)、不同的浇注速度浇注铸件时，EPS的发气量几乎不变，产生的气体体积约为模样体积的4倍。 (3)、真空度：真空负压对EPS热破坏存在抑制作用，真空条件下，由于严重缺氧，不出现燃烧现象，热破坏时只分解出少量气体生成物，主要是聚苯乙烯蒸气及其低分子质量的衍生物。实验表明在相同浇注温度下，重量相同的聚苯乙烯泡沫塑料在真空条件下的发气量仅为大气条件下的1/10，真空度对EPS热解气化的抑制作用大大减少了气体的生成量。 (4)、模样密度和模样在砂箱中的位置：EPS模样的密度直接影响其在浇注过程中的发气量，密度大的EPS产生气较密度小的EPS在相同的浇注条件下，其产气量必然较多；模样在砂箱中的位置对产气量的影响可参考经验公式： 确定，分解出来的气体体积V与金属液与模样相与作用的表面积A的大小成比例关系，因此在设计铸件的浇注系统时，要求一些大平面铸件应倾斜或垂直放置，以减少金属液模样相互作用面积。 2.3、废气中污染物排放量的估算
在了解了聚苯乙烯泡沫塑料在不同条件下的浇注废气的发气量和组分关系之后，可根据其废气组分和废气量以及废气温度进一步估算其有害物组分的产生量及产生浓度，以便为下一步选择治理方案提供技术依据。
2.4、浇注废气的治理
对于气态污染物的治理方法很多，常规方法包括液体吸收净化、固体吸附净化及气体燃烧净化等。吸收是利用液体处理气体中污染物的方法以，使用气体中一种或多种组分溶解于液体中，从而将气体进行净化的方法。根据吸收过程有无化学反应，一般可分为物理吸收(如水吸收氨气)和化学吸收(如碱液吸收烟气中SO2)两种。当吸收剂使用到一定程度后，需要处理再生后使用，因此吸收法要求工艺相对较为复杂，处理不好时也可能造成二次污染；固体吸附法是由于在固体表面上的分子力处于不平衡或不饱和状态，使得与其接触的气体或液体溶质分子被吸附到固体表面上的一种现象，工业上常用的吸附剂包括活性炭、分子筛、活性氧化铝、硅胶等。与吸收剂一样当固体吸附剂吸附有害物到一定程度时需要再生后使用，如处理不当也会对环境产生二次污染。
气体燃烧净化是对含有可燃性有害组分的混合气体进行氧化燃烧或高温分解，使有害组分转化为无害物的方法。其工艺简单、操作方便，多用于治理有机废气。燃烧法又分为直接燃烧、热力燃烧和催化燃烧。直接燃烧法适用于净化可燃有害组分浓度较高或燃烧热值较高的气体。
鉴于采用真空消失模铸造生产工艺的浇注过程中产生的废气量相对较少(其休积约为模样体的4倍)；废气组分相对复杂，主要为易燃的小分子碳氢化合物，其组分可燃性较好；浓度相对较高。采用单一吸收剂难于对其进行有效治理，因此采用直接燃烧法更为适宜。一般铸件生产过程中多使用混铁炉进行铁水的均一化和保温，因此可以将真空浇注过程中抽出的高温有机废气引入到混铁炉烘烤器进行燃烧，将有机废气分解为CO2、H2O和N2后排放。
3、结语
作者通过调研对采用消失模铸造工艺在浇注过程废气的产生原理及污染物排放量进行了分析和汇总，并对高浓度有机废气的处理提出一点建议，主要目的是为环评工作者提供参考意见，只作为交流和探论之用。文中数据均出自参考资料，如对文中论述及数据存在异议和疑虑请自行斟酌调查后慎用。
4、参考资料：
(1)、《铸造工业设计技术与生产质量控制实用手册》，李昂、吴密主编，金版电子出版公司，2003年5月。
(2)、《铸造手册》，中国机械工程学会铸造分会编，机械工业出版社，2003年2月。
(3)、《注册环保工程师专业考试复习教材》，全国勘察设计注册工程师环保专业管理委员会、中国环境保护产业协会编写，中国环境科学出版社，2008年5月。
(4)、《铸造防尘技术规程》(GB8959-2007)，2008年2月。
(5)、《三废处理技术工程手册》(废气卷)，刘天齐主编，化学工业出版社，1999年5月。 |
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