鑄造業(yè)顆粒物污染清潔生產(chǎn)減排潛力分析與實例應(yīng)用
——以M市為例

王婷婷，張一心*，周長波，郭亞靜，楊艷，陳建華，韓桂梅*

1.內(nèi)蒙古大學生態(tài)與環(huán)境學院 2.中國環(huán)境科學研究院

中國是鑄造大國，自2000年起，我國鑄件產(chǎn)量已連續(xù)19年居全球首位，鑄造企業(yè)目前約有2.3萬家，數(shù)量呈逐年下降趨勢，規(guī)模鑄造企業(yè)產(chǎn)量集中度不斷提高[1]。但是，我國鑄造的技術(shù)水平、工藝裝備、產(chǎn)品質(zhì)量等仍落后于發(fā)達國家，而且鑄造業(yè)的大氣污染控制工作也處于起步階段[2]。在鑄造生產(chǎn)排放的污染物中，最主要、最優(yōu)先控制的應(yīng)是顆粒物。這類污染物排放量較大，包括粉塵、煙塵以及廠區(qū)揚塵等。自2013年《大氣污染防治行動計劃》[3]和2018年《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》(國發(fā)〔2018〕22號)[4]發(fā)布實施以來，鑄造業(yè)的顆粒物污染控制越來越受重視。2019年7月1日發(fā)布的《工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理方案》(環(huán)大氣〔2019〕56號)[5]明確指出嚴格控制鑄造業(yè)的顆粒物污染。另外，一些發(fā)達國家和地區(qū)，如美國、歐盟等頒布的顆粒物污染治理規(guī)范性文件中均有對鑄造業(yè)提出要求[6-8]。但我國鑄造企業(yè)的顆粒物治理工作多年來停留在衛(wèi)生健康和勞動防護的角度[9]。我國鑄造業(yè)由于長期以來的粗放型發(fā)展，導致產(chǎn)業(yè)發(fā)展缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃，顆粒物污染排放較多且管理不夠規(guī)范，雖然多數(shù)鑄造企業(yè)已經(jīng)開展對顆粒物污染防控的工作，但是其污染減排效果有待研究和評估。

基于對我國M市的鑄造業(yè)顆粒物污染排放現(xiàn)狀及污染防治技術(shù)的研究和調(diào)研，結(jié)合“自底向上” 的污染減排模型[10]和《第二次全國污染源普查產(chǎn)排污核算系數(shù)手冊(試用版)》[11]，構(gòu)建鑄造業(yè)顆粒物污染減排預測模型，并對調(diào)研企業(yè)在“十四五”期間顆粒物減排潛力進行預測，以期為我國“十四五”期間鑄造業(yè)的顆粒物減排、清潔生產(chǎn)技術(shù)推廣和政策制定提供依據(jù)。

1 鑄造業(yè)顆粒物污染排放現(xiàn)狀

1.1 鑄造生產(chǎn)中顆粒物污染的產(chǎn)生

鑄造是將液態(tài)金屬注入型腔后凝固成形獲得金屬鑄件的技術(shù)[12]，是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)。其工藝類型主要分為砂型鑄造和特種鑄造，其中砂型鑄造占我國鑄件產(chǎn)量的80%～90%[13]，其主要生產(chǎn)流程是：熔煉后的金屬原料澆注到砂型內(nèi)，經(jīng)過冷卻后落砂、清理(拋丸、打磨等)得到鑄件，部分產(chǎn)品還需要經(jīng)過熱處理和表面涂裝等后處理工序；生產(chǎn)過程產(chǎn)生的舊砂經(jīng)過砂再生后回用到砂處理工序[14]。鑄造業(yè)生產(chǎn)流程中不同工序產(chǎn)生的污染物如表1所示。

表1 鑄造生產(chǎn)不同工序產(chǎn)生的污染物Table 1 Pollutants generated in different processes of casting production

從表1可以看出，鑄造生產(chǎn)流程中多個工序都會產(chǎn)生顆粒物，不同的鑄造企業(yè)使用不同的生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)不同的產(chǎn)品時所使用的原料和生產(chǎn)流程不同，顆粒物產(chǎn)生和排放方式也會不同。但多數(shù)鑄造企業(yè)的生產(chǎn)流程都包含熔化(熔煉)、制芯、造型/澆注、落砂清理、砂處理等工序，這些工序能夠基本代表鑄造生產(chǎn)的主要流程，而且這些工序是顆粒物產(chǎn)生的主要工序，因此重點對M市鑄造企業(yè)上述工序的顆粒物污染減排技術(shù)的減排量進行預測分析。

1.2 M市鑄造業(yè)顆粒物污染排放現(xiàn)狀及標準要求

1.2.1顆粒物污染排放現(xiàn)狀

M市擁有在鑄造業(yè)規(guī)模和技術(shù)上領(lǐng)先的龍頭企業(yè)，是我國溝槽管件及汽車輪轂的主要生產(chǎn)基地。據(jù)統(tǒng)計，2019年M市工業(yè)排放的顆粒物總量為 12 510 t，其中鑄造業(yè)排放的顆粒物達 4 377 t，占工業(yè)排放總量的35%(圖1)，超過長流程聯(lián)合鋼鐵、水泥等重污染行業(yè)，位居第一。在鑄造業(yè)大氣污染物排放中，顆粒物的排放量占比高達74%，超過其他大氣污染物排放總和(圖2)。

注： 其他行業(yè)是指顆粒物排放量占比小于4%的行業(yè)。圖1 M市各行業(yè)顆粒物排放量占比Fig.1 Percentage of particulate matter emissions from various industries in M City

圖2 M市鑄造業(yè)排放的各污染物占比Fig.2 Percentage of various pollutants emitted by the foundry industry in M City

1.2.2顆粒物排放標準要求

近年來，M市發(fā)布了一系列有關(guān)推進鑄造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的政策文件，包括《打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》《加快鑄造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級推動實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的實施方案》，文件明確指出要綜合整治鑄造業(yè)，推動企業(yè)從高污染、高耗能向低排放、低耗能轉(zhuǎn)變，并規(guī)定了鑄造企業(yè)的污染物穩(wěn)定達標排放執(zhí)行《某省區(qū)域性大氣污染物綜合排放標準》，要求企業(yè)嚴格按照標準進行排放，對排放不達標的企業(yè)責令停產(chǎn)整治。表2是M市執(zhí)行標準與我國鑄造業(yè)的舊標準GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標準》[15]、GB 9078—1996《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標準》[16]和新標準GB 39726—2020《鑄造工業(yè)大氣污染物排放標準》以及行業(yè)標準T/CFA 030802.2—2020《鑄造行業(yè)大氣污染物排放限值》對顆粒物排放限值的規(guī)定。

表2 不同標準中對顆粒物排放限值的規(guī)定Table 2 Regulations on particulate matter limits in different standards mg/m3

1.3 M市鑄造業(yè)的減排潛力

近年來，隨著我國對鑄造業(yè)排放要求的提高，大多數(shù)鑄造企業(yè)都加大力度開展大氣污染物排放控制工作，目前已經(jīng)取得了較好的階段性效果，但還存在減排的空間，主要集中在以下幾個方面。

(1)企業(yè)清潔生產(chǎn)理念有待提升。清潔生產(chǎn)的核心是以源頭控制為優(yōu)先原則，通過利用清潔原材料的方法從源頭控制大氣污染物的產(chǎn)生，從而起到從根本上有效解決污染的作用。企業(yè)在鑄造砂型選擇、裝備配套上清潔生產(chǎn)意識不夠，如環(huán)保型覆膜砂選擇、大型智能自動化裝備應(yīng)用上還較少。

(2)清潔生產(chǎn)技術(shù)還未形成規(guī)?；瘧?yīng)用。清潔生產(chǎn)技術(shù)是指降低或避免污染物產(chǎn)生、提升清潔生產(chǎn)水平的技術(shù)活動，包括重點區(qū)域重點行業(yè)基于大氣污染物減量的清潔生產(chǎn)技術(shù)。企業(yè)在制芯、造型/澆注、砂處理工序應(yīng)用傳統(tǒng)技術(shù)較多，清潔生產(chǎn)技術(shù)如中頻感應(yīng)電爐熔煉、V法造型等還未得到普遍推廣應(yīng)用。

(3)清潔生產(chǎn)整體水平有待進一步提升。企業(yè)數(shù)量較多，清潔生產(chǎn)水平參差不齊，區(qū)域內(nèi)有大型先進的龍頭標桿企業(yè)，也有較多處于二級及以下水平的企業(yè)，標桿帶頭企業(yè)的作用還未深度凸顯，清潔生產(chǎn)潛力有待進一步挖掘。

(4)相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策有待進一步完善。為有效控制企業(yè)和行業(yè)污染物的排放，西方發(fā)達國家制定了有關(guān)污染物減排的政策法規(guī)[17]。如美國RBLC數(shù)據(jù)庫針對鑄造業(yè)的不同工藝環(huán)節(jié)以及不同污染物類型分別給出了最佳可行以及合理可行的控制技術(shù)，工藝環(huán)節(jié)包括熔煉、造型/澆注、制芯、熔渣處理等，多采用袋式除塵器、濕式電除塵器對顆粒物進行控制[6]。另外，還通過減免稅收的方式來促進節(jié)能減排[18-19]，企業(yè)也積極利用政策進行技術(shù)創(chuàng)新，環(huán)保行業(yè)不斷興起并發(fā)揮重要作用[20]。我國在國家及地方層面上，污染控制技術(shù)指南、規(guī)范以及激勵措施相對還不夠完善。

2 顆粒物污染減排預測模型構(gòu)建

針對M市存在的上述問題并根據(jù)鑄造生產(chǎn)工藝顆粒物產(chǎn)生特點及各工序的顆粒物污染防治技術(shù)，結(jié)合“自底向上”的污染減排模型[10]和《第二次全國污染源普查產(chǎn)排污核算系數(shù)手冊(試用版)》[11]，構(gòu)建了鑄造業(yè)顆粒物污染減排預測模型，預測鑄造企業(yè)的顆粒物污染減排能力，公式如下：

式中：F情景年，顆粒物為情景年顆粒物減排量，kg；G產(chǎn)i為i工段顆粒物的產(chǎn)生量，kg；R去i為i工段顆粒物去除量，kg；Yj,k為j技術(shù)生產(chǎn)k產(chǎn)品產(chǎn)量，t；gj,k為j技術(shù)生產(chǎn)k產(chǎn)品的顆粒物產(chǎn)污系數(shù)，kg/t(以產(chǎn)品計)；ηt為t工藝采用末端治理技術(shù)的顆粒物平均去除率，%；kt為t工藝采用末端治理設(shè)施的實際運行率，%。

3 實例應(yīng)用

3.1 企業(yè)基本情況

A公司是一家典型的砂型鑄造企業(yè)，主要從事生產(chǎn)和加工各類灰鑄鐵、球墨鑄鐵鑄件，2019年工業(yè)總產(chǎn)值為3 500萬元。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該公司現(xiàn)有年產(chǎn)4 000 t排水管件、閥門項目，采用的是黏土砂濕型砂造型工藝及先進的全自動水平造型線和靜壓線，且各工序顆粒物的有組織排放濃度符合M市執(zhí)行標準中有組織顆粒物的排放限值。A公司的生產(chǎn)工藝流程見圖3，各工序使用的技術(shù)見表3。

圖3 A公司的生產(chǎn)工藝流程Fig.3 A company’s production process flow chart

表3 A公司各工序、技術(shù)及顆粒物產(chǎn)污系數(shù)Table 3 A company’s various process technology and particulate generation coefficient

3.2 減排潛力測算

A公司鑄造生產(chǎn)中熔煉和清理工序使用顆粒物減排的清潔生產(chǎn)技術(shù)，所以不對這2個工序的技術(shù)做顆粒物減排潛力測算。對A公司的制芯、造型/澆注、砂處理工序進行清潔生產(chǎn)技術(shù)的顆粒物減排潛力測算，假設(shè)A公司年產(chǎn)量不變，3個工序改成清潔生產(chǎn)技術(shù)后的顆粒物產(chǎn)污系數(shù)見表4。

表4 清潔生產(chǎn)技術(shù)的顆粒物產(chǎn)污系數(shù)Table 4 Particulate generation coefficient of cleaner production technologies

根據(jù)表3以及式(2)和式(3)，可以計算得到基準年2019年A公司制芯、造型/澆注、砂處理工序顆粒物的排放量。

3.2.1顆粒物產(chǎn)生量

3.2.2顆粒物去除量

(1)顆粒物治理技術(shù)的平均去除率

A公司制芯、造型/澆注、砂處理工序的顆粒物治理技術(shù)為袋式除塵器，其對顆粒物的平均去除率為95%。

(2)污染物治理技術(shù)的實際運行率

根據(jù)產(chǎn)污系數(shù)組合查詢結(jié)果，該組合中顆粒物袋式除塵法對應(yīng)的污染治理設(shè)施實際運行參數(shù)分別為除塵設(shè)備耗電量、除塵設(shè)備額定功率、除塵設(shè)備運行時間，實際運行率為：

k=除塵設(shè)備耗電量/(除塵設(shè)備額定功率× 除塵設(shè)備運行時間)=0.96

則顆粒物去除量為：

R去i=G產(chǎn)i×ηt×kt=78 000×95%×0.96=71 136 kg

3.2.3顆粒物減排

基準年2019年的顆粒物排放量為6 864 kg。

根據(jù)表4以及式(2)和式(3)，假設(shè)A公司年產(chǎn)量不變，則情景年2025年A公司的顆粒物排放量為3 056.77 kg。

根據(jù)式(1)計算2025年A公司顆粒物減排量為3 807.23 kg。

3.3 顆粒物污染防治措施

通過實例分析研究，可從政策制定、清潔生產(chǎn)技術(shù)推廣、清潔生產(chǎn)專題審核方面加強鑄造業(yè)顆粒物的污染防治。

(1)健全政策體系和獎勵機制，加強監(jiān)督和引導

建議對各縣市區(qū)的鑄造企業(yè)進行摸底，詳細調(diào)查企業(yè)的環(huán)評審批、立項審批、主要生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品產(chǎn)量、污染防治措施等情況，制定鑄造業(yè)污染防治技術(shù)規(guī)范或指南，指導企業(yè)實施減排技術(shù)，減少鑄件全生命周期的顆粒物排放。建立相應(yīng)的市場評優(yōu)獎勵機制，鼓勵企業(yè)自主節(jié)能減排。如對鑄造企業(yè)進行清潔生產(chǎn)績效分級，先進企業(yè)則減免企業(yè)所得稅；對購置節(jié)能減排設(shè)備企業(yè)的增值稅、進項稅給予抵扣等。

(2)加大成熟清潔生產(chǎn)技術(shù)的推廣應(yīng)用

通過對鑄造工序關(guān)鍵環(huán)節(jié)清潔生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用的預測分析可得，應(yīng)用清潔生產(chǎn)技術(shù)的工序，顆粒物排放量大幅下降，建議在顆粒物產(chǎn)生量較大的環(huán)節(jié)，積極推廣成熟適用的清潔生產(chǎn)技術(shù)，從源頭降低顆粒物的產(chǎn)生量，推進智能化鑄造，促進鑄造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，以提高鑄造業(yè)的質(zhì)量水平和清潔化水平。如推廣環(huán)保的鑄造原砂寶珠砂、中頻感應(yīng)電爐熔煉、V法造型等清潔生產(chǎn)技術(shù)代替鑄造原砂硅砂、沖天爐熔煉、黏土砂手工造型等污染大、耗能高的落后生產(chǎn)工藝，從根本上減少顆粒物的產(chǎn)生，選擇布袋除塵器對顆粒物的有組織廢氣進行高效處理與收集。

(3)建議以鑄造業(yè)開展清潔生產(chǎn)專題審核

以鑄造業(yè)為對象，開展生產(chǎn)工藝全過程診斷，避免審核過程簡單復制形式化，以及人力、物力、財力的重復投入，梳理制約和阻礙鑄造業(yè)清潔生產(chǎn)的共性問題，形成并實施具有鑄造業(yè)特色的清潔生產(chǎn)方案，推廣適用的清潔生產(chǎn)技術(shù)，充分發(fā)揮行業(yè)清潔生產(chǎn)審核的效能，推動整個鑄造業(yè)環(huán)保水平的提升和發(fā)展。

(4)重視鑄造業(yè)顆粒物的無組織排放

重視顆粒物的無組織排放，合理規(guī)范存放鑄造原料砂和廢舊砂，使其存放在封閉的車間內(nèi)，嚴禁露天存放。另外，對于熔煉、造型、砂處理等顆粒物產(chǎn)生嚴重的工序也建議設(shè)置在封閉車間內(nèi)，減少顆粒物的無組織排放。

(5)培養(yǎng)引進人才，增強自主創(chuàng)新能力

針對目前鑄造業(yè)人才短缺的現(xiàn)狀，可制定優(yōu)惠政策吸引人才和穩(wěn)定人才，設(shè)立鑄造研究基金，鼓勵相關(guān)技術(shù)人員進行大氣污染防治技術(shù)研究，創(chuàng)新生產(chǎn)技術(shù)。開發(fā)應(yīng)用計算機、鑄造聯(lián)合技術(shù)，實現(xiàn)智能鑄造，研發(fā)靈活性、多樣性的適用于不同鑄造需求的智能鑄造系統(tǒng)，減少粉塵等污染物的排放。

4 結(jié)論

(1)顆粒物是鑄造業(yè)的主要污染物，排放總量較大。目前我國鑄造業(yè)的顆粒物減排還存在一定空間，鼓勵企業(yè)積極參與其中，科學合理推廣適用清潔生產(chǎn)技術(shù)，減少鑄造生產(chǎn)顆粒物的產(chǎn)生。

(2)通過對顆粒物清潔生產(chǎn)技術(shù)的減排潛力進行預測分析，與基準年2019年相比，預計到2025年，A公司的制芯、造型/澆注、砂處理工序排放顆粒物的總量可削減3 807.23 kg，從而使企業(yè)對清潔生產(chǎn)技術(shù)的推廣和普及所帶來的減排效果有了直觀的認識，同時也為行業(yè)工藝結(jié)構(gòu)調(diào)整指明了方向。加大清潔生產(chǎn)技術(shù)的推廣和普及，有利于實現(xiàn)行業(yè)技術(shù)結(jié)構(gòu)的進一步優(yōu)化。

(3)在鑄造業(yè)污染防治方面，提出了五方面的顆粒物污染防治措施，以期為“十四五”期間鑄造業(yè)污染減排的發(fā)展規(guī)劃提供參考。