中南铸冶消失模铸造领域创新工业废气净化技术纪实

垃圾废弃物焚烧烟气净化环保监测首战告捷——终端平均排放浓度(mg/m3)：苯0.040、甲苯0.015、乙苯0.009、苯乙烯0.024、非甲烷总烃24.21、二氧化硫86、氮氧化物36，优于排放限值标准。

“刘玉满中铸1号”工业废气净化系统

桂林中南铸冶材料研究所所长刘玉满从事铸造专业生产与技术工作50多年，他深知广大岗位工人受工业废气毒害之苦，也一直为铸造行业产生废气污染环境而深感不安。针对工业废气排放这一严重现状，2018年，刘玉满带领技术团队下定决心，结合自己多年的经验总结和摸索，跨专业、跨行业、跨领域进行自主立项，自筹资金专研工业废气净化科研攻关，为祖国的环保事业贡献力量。

□ 丁笑天 董亚芳

环境就是民生，天蓝水清地绿是美丽，更是幸福。经过3年的持续攻坚，到2020年，全国空气质量明显改善。那么，如何保持这一成果，《“十四五”节能减排综合工作方案》给出了具体方案，就是要大力推进石化、化工、印刷、工业涂装等行业挥发性有机物综合治理，实施石化、化工等重点行业挥发性有机物治理工程。因此，环保是不变的主题，工业废气净化依然任重道远。为了祖国天蓝水清地绿，许多科技创新人才正在用手中的“武器”不断向工业废气净化治理发出挑战。

缘起：为了祖国天蓝水清地绿

2018年，重新修订的《中华人民共和国大气污染防治法》中明确提出：对工业生产过程中排放粉尘、硫化物和氮氧化物的，应当采用清洁生产工艺，或控制大气污染物排放的措施。

纵观经济社会的发展不能没有工业，工业是拉动经济发展的重要源动力，但是有工业就必有排放。据了解，工业废气多达300余种，主要是生态环境部2020年12月发布的GB39726-2020标性中所限制的八大类污染物，而苯，苯系物、芳烃类有机废气及二氧化硫首当其冲，致癌威胁不可轻视。工业废气对生态环境和人类健康的危害，已经到了非治不可的关键时期。

作为工业生产中常见的消失模铸造工艺（LFC）是一种用熔融金属制造固体金属零件的铸造方法。使用由聚苯乙烯泡沫塑料制成的模具来产生所需的形状，在铸造过程中，当液态金属气化并替换其形状时，聚苯乙烯泡沫就会消失，因此被称为“消失模铸造”。“消失模铸造”这个名字对于公众来说可能并不熟悉，但却早已融入了国家基础制造工业和人居生活环境的方方面面。

与传统的砂型铸造相比较，消失模技术的铸件尺寸形状精确，重复性好，具有精密铸造等特点应用范围广泛。然而，正是这项与国家基础制造工业和人居生活环境息息相关的技术，带来了便利的同时，也造成了严重的污染。

据了解，消失模实型浇注每天会大量地产生出苯类致癌物和二氧化硫等污染气体。消失模铸造析放的苯类物主要有：苯、甲苯、二甲苯、乙苯、苯乙烯及多种非甲烷芳香烃类物，其中以苯和苯乙烯为最。中小件消失模实型浇注可高达8000mg/M3以上，中大件实型浇注的浓度就更高了，尤其是高密度泡沫模样的实型浇注，排放浓度仅次于苯的是苯乙烯，常在4000mg/M3以上，再次是甲苯，多为1000mg/M3以上。

自上世纪90年代起，国内外消失模铸造科学界通过对消失模铸造中小型铸件实型浇注生产现场检测、公布的文献资料和综合数据表明，中小件消失模铸造实型浇注从真空泵排气管中采集气样测出苯系芳香烃类致癌物浓度可达20,000mg/M3以上，且多在10,000mg/M3～20,000mg/M3，中小件生产条件下，每分钟排气量多在20M3～30M3，相当于每台真空泵每小时排出苯类致癌物的速率可达2kg/h～3kg/h。中大型铸件生产就更不必说了。

而我国现有消失模铸造工厂约3000多家，从事消失模铸造的人员30万以上，他们中的相当一部分仍然坚持采用早已过时的、40年前的实型浇注落后工艺。这不但直接影响了铸造一线生产者们的健康，也为大气污染埋下了严重隐患。

中国管理科学研究院终身研究员、桂林中南铸冶材料研究所所长刘玉满从事铸造专业生产与技术工作50多年，他深知广大岗位工人受工业废气毒害之苦，也一直为铸造行业产生废气污染环境而深感担忧。针对工业废气排放这一严重现状，2018年，刘玉满带领技术团队下定决心，结合自己多年的经验总结和摸索，跨专业、跨行业、跨领域进行自主立项，自筹资金专研工业废气净化科研攻关，为祖国的环保事业贡献力量。

自那时，中南铸冶团队开启了代号为“刘玉满中铸1号净化技术”的攻关。历时三年，经过大量的实验、测试、验证、检测等，2020年3月他们获得中国发明专利授权（ZL201910153442.2），于2021年7月1日正式对外发布了其独创的苯类工业有机废气净化法，成为中国铸造技术创新和大气环保治理历程上的一个爆闪的亮点。

创新：在消失模铸造工业实践中获得灵感

工业废气大多不是单一气体，而是多种类的混合物，可谓百气混为一体，即生态环境部GB39726-2020国家标准所指的八大类污染物。其中苯、苯系物、NMHC（非甲烷总烃）、TVOC（可挥发性有机物）具可燃性、燃点均为650℃以下，其中的二氧化硫、氮氧化物、铅等金属氧化物和颗粒物是不具备可燃性的非有机物。由于各具不同的物化特性，对其净化难就难在八大类的多种污染物能否在同一装置的同一流程中实现。

常见的工业废气治理方法有冷凝回收法、吸收法、直接燃烧法、催化燃烧法、吸附法等。刘玉满分析：以往常见的催化低温燃烧法和活性炭吸附法，毫无疑问各具一定的创新性，对某些特定的气体净化的原理是符合科学性的，但对工业化生产应用的实用性和持久稳定性却有几方面的欠缺，值得讨论：

比如，任何催化剂都不可能“催化百气”，吸附剂也不可能“吸附百气”。工业废气是百气混合物，常见的催化剂有贵金属、复合氧化物、稀土三类。催化剂对人体来说就是兴奋剂，是一种神经毒素，即使是金属催化剂，也存在活性氧的污染和毒害。稀土催化剂之重金属危害是令人生畏的，复合氧化物催化剂的污染和毒害就不用多言了。

任何催化剂或吸附剂，其活性都会随使用时间而活性减退和消失，且不便更新更换。即使是贵金属催化剂，其贵金属含量也仅为0.5%～20%，余下多为炭，称铂炭、钯炭、锗炭、钙炭，高温易出现炭结，活性消退，一时不如一时，一天不如一天，不可能保证净化效果的稳定性。

任何物化反应都是能量转化过程，并需要一定的反应时间，反应时间是由气流速度、气流运动轨迹和反应空间的距离所决定，这些都显示出常见的废气处理方法的不足。

不但如此，一切可燃烧性有机气体都存在接触热体发生闪爆的危险。苯类和芳烃类气体各自都有特定的爆炸极限浓度，且绝大多数是0.7%～8%的浓度范围，而消失模铸造实型浇筑产生的废气浓度往往就在这个范围之内，或接近于这个范围，其接触热体、火焰、电火花等发生爆炸的危险是不可忽视的，而苯类废气的闪点多在-11℃～30℃之间。因此，安全可靠的防爆消爆装置是其实用性和推广性的首要条件。

在历时3年的攻关历程中，中南铸冶团队不仅亲历了意外的闪爆，而且还多次特意创造闪爆条件来验证其闪爆原理，以找出切实可靠的预防和消除闪爆的科学方法，以做到万无一失，确保安全运行。

关于苯类废气净化问题，得先从消失模铸造的过程说起。干砂负压消失模铸造在浇注金属液的过程，型内泡沫模样物化反应的主要形式是热解，而EPS热解反应有三种形式：气化、燃烧、裂解。EPS在氧气充足条件下燃烧的生成物是H2O+CO2，缺氧易发生裂解，裂解的生成物则是含C·H的小分子的C6H6、C1H8、C8H10、C6H5-C2H5、C8H8等苯系致癌物，这就是治理的关键。