泡沫陶瓷过滤板烧成烟气处理方法的研究

1 前言

自上世纪80年代中期开始，国内对金属熔体铸造用泡沫陶瓷过滤板开始研究。叶荣茂等是国内早研究并制得铝合金、铸铁、不锈钢过滤用泡沫陶瓷过滤器的人[1]。国内各研究院所也对泡沫陶瓷基础理论和相关制备技术进行了研究工作，并取得了许多成果。

近年，随着金属铸造行业的飞速发展，关于泡沫陶瓷过滤板的研究也得到了长足发展。各类材质的泡沫陶瓷过滤板生产工艺、技术、学术论文呈现，国内泡沫陶瓷生产厂家也从当初十几家，发展为现在近百家。除泡沫陶瓷生产面临的自身技术问题外，生产过程中的环境保护问题变得日益重要。例如，泡沫陶瓷过滤板在烧成过程中，海绵烟气的排放对环境是有害的。因此，随着国家环保要求的日益严格，做好生产过程中的环保处理已成为厂家重中之重。如若不能做好这点，企业将面临迁址甚至淘汰。因此，研究如何处理泡沫陶瓷烧成过程中的烟气，达到合格排放，甚至接近*，是国内泡沫陶瓷生产厂家亟待解决的问题。

2 泡沫陶瓷过滤板烟气处理方法

2.1 海绵及海绵燃烧产生的烟气成份分析

要处理泡沫陶瓷烧成产生的烟气，首先要了解泡沫陶瓷所用的聚氨酯海绵成份，然后对其燃烧过程中产生的烟气成份、烟气量等进行分析。

泡沫陶瓷所用的软质聚氨酯多孔网状海绵，是由甲苯二异氰酸酯、聚醚多元醇、胺催化剂、二氯甲烷、硅油等化工原料发泡而成的闭孔海绵泡体，再用乙炔或氢气将其开孔成三维贯通网状结构[2，3]。开孔型聚氨酯海绵密度只有0.03～0.05 g/cm3。海绵经过多种化工原料反应制成，其化学成份复杂，关于其化学成份的报道也非常少。报道研究海绵化学成份大致为聚氨酯、聚丙二醇、二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯等，具有分子链长、分子量大等特点。

甲苯二异氰酸酯作为聚氨酯海绵发泡的重要材料，也是燃烧后污染烟气的重要来源。甲苯二异氰酸酯（Toluene diisocyanate，简称TDI），分子式为C9H6N2O2，具有两种同质异形体，即2，-4甲苯二异氰酸酯和2，-6甲苯二异氰酸酯。分子结构排列如图1所示。从图1可以看出，其苯环结构上有两个氰基键，是气毒性主要来源。燃烧是一种复杂的过程，聚氨酯海绵经燃烧释放的气体成份复杂，含有氰化物、苯化合物、碳化合物和氮化合物等有毒有害气体，这些气体同时包裹有一些难融颗粒粉尘和液（油）滴，对环境产生重大危害[5，6]。另外，对于使用磷酸二氢铝为粘结剂的泡沫陶瓷过滤板，坯体燃烧后的气体还含有腐蚀性酸性氢离子。对分子量小的气体或液滴处理较简单，而对分子量大的气体、粉尘或油滴处理较为复杂。

2.2 烟气处理方法

烟气处理方法种类很多，国内控制烟气排放指标主要为烟尘和二氧化硫。但由于聚氨酯海绵的燃烧成份不同，笔者认为控制的有害成分主要为烟尘、氰基、苯化合物及一氧化碳等。针对这些有毒有害成份，可采用物理方法，如：水净化法、活性炭吸附和静电法。也可采用化学方法，如：焚烧法和高强紫外线分解法。但实际处理过程中，往往采用物理和化学两者方法相结合。

2.2.1焚烧处理法

焚烧是将海绵烟气通入燃烧室，然后经过1000 ℃以上高温充分燃烧。焚烧的目的是将大分子断裂成小分子，将大部分有毒有机物（如：氰化物、二噁英、苯化物等）燃烧为无毒氧化物（如：CO2、N2、H2O等）。焚烧同时可以将烟气中部分难融固体颗粒及粉尘燃烧成可挥发性气体。

2.2.2水净化处理法

水通过水塔喷洒出来，可对烟气中大部分可溶性气体、固体颗粒及粉尘等物质进行溶解净化。在水中加入碱可中和烟气内酸性气体，同时可以净化其它油性有机分子。水塔内水可重复循环使用，当其有机物含量达到60%以上，需要更换水。

2.2.3活性炭吸附

活性炭是一种具有丰富孔隙结构和巨大比表面积的碳质吸附材料，它具有吸附能力强、化学稳定性好、力学强度高及可再生等特点。当一个分子被活性炭内孔捕捉进入到活性炭内孔隙中后，由于分子间相互吸引的作用，会导致更多的分子不断被吸附，直到填满活性炭内孔隙为止。因此，活性炭对重金属、有毒气体具有很好地吸附净化效果，但由于其良好的吸附性能，活性炭空隙很容易被填满，不再具有吸附效果。因此，活性炭也需要经常更换。活性炭通过碱水洗涤晾干后，可重复循环使用。

2.2.4高压静电除尘

高压静电除尘对粉尘、烟雾和气体颗粒具有很好的处理效果。高压静电除尘通过静电除尘器一系列交错组合的电极产生的高压电流，使通过除尘器的粉尘、油渍分子等带电，由电场引力作用而被收集在金属集尘板上[7]。由于海绵烟气内聚醚等原料多为石油提炼物，集尘板上吸附的基本为油性有机物。吸附到一定程度后，需对其装置进行冲洗。由于油性物质附着力强，装置先于碱水中浸泡后再冲洗。

2.2.5光解净化

光解作用是通过波长范围为170～185 nm的高能紫外线，将空气中的氧气裂解产生臭氧，同时将键能低的烟气气体化学键断裂，形成游离态的原子或原子基团。随后臭氧参与到反应过程中，使烟气气体终被裂解、氧化生成简单稳定的化合物（CO2、H2O、N2等）。光解作用能否达到效果，主要取决于发射的紫外线能量是否高于有毒有害气体断裂所需能量；其次反应设备内烟气浓度不能太大，否则氧气量不足，不能达到光解净化效果。

2.3 不同结构窑炉烧成泡沫陶瓷烟气的处理

结合上述烟气成份、烟气处理方法，需要针对不同结构窑炉烧成产生的烟气，采用不同的烟气处理工艺。因为窑炉结构不同，同等产量的泡沫陶瓷，产生的烟气成份、烟气量都是不同的。

2.3.1 梭式窑烧成烟气处理方法

梭式窑烧成泡沫陶瓷过滤板，具有排放集中、排放量大等特点。对于普通有效体积为2.0 m3梭式窑，烧成产生烟气总量并不大。但梭式窑烧成排放时间短，一般2 m3海绵产生的烟气在3 h左右会全部排放，所以其单位时间烟气排放量是巨大的。因此，简单的净化、吸附设备对集中的高浓度烟气处理效果不好，需要在梭式窑后增加一间体积较大燃烧室，采用焚烧法对烟气进行初步燃烧处理。燃烧室通过高速喷嘴喷射的火焰瞬间可达1000 ℃以上。烟气经过燃烧室焚烧后颗粒粉尘大大减少，有毒氰基、苯化物及氮化物等也大部分被高温分解，生成分子量小的气体。这些气体再通过水塔吸附过滤颗粒、静电除尘除去粉尘及烟雾和活性炭吸附异味气体等工艺处理，排放气体可达到环保要求。梭式窑烧成烟气处理工艺如图2所示。

2.3.2隧道窑烧成烟气处理方法

隧道窑烧成泡沫陶瓷量不大，烟气又属于连续排放，因此其单位排放量较小，处理较为容易。通过水塔、活性炭和光解净化器即可达到较好的处理效果，排放的烟气达到环保要求。

由于烟气未经焚烧处理，活性炭装置位置应靠前（水塔后），从而吸附烟气中的有毒气体。这样可减轻光解净化器内缺氧压力，提高其光解净化效果。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，活性炭需要经常更换。隧道窑燃烧烟气处理工艺如图3所示。

2.3.3辊道窑烧成烟气处理方法

辊道窑烧成泡沫陶瓷产量较大，烟气排放也较大，但由于辊道窑属于连续生产，单位时间烟气排放相比梭式窑小。在辊道窑设计中，考虑到节能减排，烟气往往通过助燃风管道引入高温区，从而提高助燃风温度，提升燃烧效率。海绵燃烧挥发烟气采用助燃风，将其引入高温区后既可降低煤气消耗量，又能达到烟气焚烧的目的。经过高温区约1200 ℃的高温燃烧，出来烟气又通过水塔、静电除尘、活性炭吸附及光解净化等处理后，烟气量少、颜色为淡白色、无气味，*可达到排放标准。由于静电除尘器位置靠前，减少了活性炭更换次数。但静电除尘集尘板容易吸附油性物质，应采用可拆卸清洗的集尘板，便于重复循环使用。辊道窑燃烧烟气处理工艺如图4所示。

3 结语

泡沫陶瓷过滤板由于采用聚氨酯海绵为前驱体，在烧成过程会产生海绵烟气。海绵烟气成份复杂，含有有毒有害气体、颗粒及液（油）滴。这些烟气需要经过焚烧、净化、过滤等一系列处理合格后，才能排放。

（1） 对海绵烟气处理的常用方法有：焚烧法、水净化法、活性炭吸附法、静电除尘法和光解净化法。不同方法处理效果不一样，实际烟气处理工艺设计应根据窑炉结构不同，采用多种处理方法相结合，以达到烟气排放要求。

（2） 梭式窑海绵烟气处理工艺：烟气焚烧→水净化→静电除尘→活性炭吸附。

（3）隧道窑海绵烟气处理工艺：水净化→活性炭吸附→光解净化。

（4） 辊道窑海绵烟气处理工艺：水净化→静电除尘→活性炭吸附→光解净化。