唐榮聯(lián)，趙 錦

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

目前，我國(guó)是世界上最大的鑄件生產(chǎn)國(guó)家。2010年中國(guó)鑄件總產(chǎn)量超過(guò)3 500萬(wàn)t[1]，其中80%以上采用的是砂型鑄造，包括樹脂砂、黏土砂、潮模砂、水玻璃砂等。據(jù)統(tǒng)計(jì)：每生產(chǎn)1 t鑄件要排放1 t廢砂，并且要加入1 t新砂，我國(guó)鑄造車間（廠）的舊砂排放量占固體廢物總排放量首位，達(dá)70%多[2]。因此，對(duì)鑄造舊砂再生回用，不僅可以節(jié)約寶貴的新砂資源，減少舊砂引起的環(huán)境污染，還可節(jié)省成本，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。舊砂再生是現(xiàn)代化鑄造車間不可缺少的組成部分[3]。

熱法再生就是利用加熱焙燒的方式去除舊砂中的有機(jī)黏結(jié)劑等雜質(zhì)，再回收舊砂進(jìn)行多次利用。熱法再生砂質(zhì)量穩(wěn)定，砂粒形貌圓整，砂粒表面的樹脂膜去除干凈，且消除了砂粒相變應(yīng)力[4]。舊砂的熱法再生是目前砂再生技術(shù)的主要發(fā)展方向。

目前國(guó)內(nèi)的舊砂的熱法再生多是通過(guò)火焰與舊砂的直接接觸，燃燒去除舊砂表面有機(jī)膜。但火焰局部溫度過(guò)高，研究表明：當(dāng)溫度超過(guò)870℃，石英砂相變膨脹增加17.26%[5]，容易發(fā)生粉化；當(dāng)火焰溫度超過(guò)一定值時(shí)，SiO2會(huì)與Na+等發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，影響再生砂的質(zhì)量。有鑒于此，本文介紹了一種新型的舊砂熱法再生系統(tǒng)，采用非火焰直接接觸方式對(duì)舊砂進(jìn)行熱法再生，且已經(jīng)成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

1 熱法砂再生系統(tǒng)

1.1 熱法砂再生系統(tǒng)

新熱法再生系統(tǒng)是我公司在引進(jìn)美國(guó)EC&S公司的熱法再生技術(shù)與核心設(shè)備開發(fā)而成，舊砂處理能力為12 t/h，實(shí)際最大處理能力可達(dá)15 t/h.主要包括：焙燒爐、砂冷卻器、換熱器、旋風(fēng)除塵器、砂溫調(diào)節(jié)器等設(shè)備。除此之外，還有配套的除塵系統(tǒng)及冷卻水系統(tǒng)。圖1為舊砂熱法再生系統(tǒng)圖。

具體流程為：進(jìn)料砂倉(cāng)中的舊砂通過(guò)螺旋給料機(jī)定量進(jìn)入焙燒爐。舊砂在爐內(nèi)經(jīng)過(guò)600℃/h以上高溫焙燒后，從出砂口進(jìn)入砂冷卻器。高溫再生砂在砂冷卻器內(nèi)通過(guò)沸騰式風(fēng)冷、水冷相結(jié)合的方式冷卻至50℃以下，經(jīng)由砂溫調(diào)節(jié)器后輸送至砂庫(kù)暫存。

從焙燒爐出來(lái)的高溫?zé)煔饨?jīng)過(guò)兩級(jí)換熱器，溫度降為350℃.空氣經(jīng)換熱器被預(yù)熱到300℃以上進(jìn)入焙燒爐助燃。煙氣由旋風(fēng)除塵器進(jìn)行粗除塵后，與砂冷卻器出來(lái)的熱風(fēng)混合，再經(jīng)高效除塵過(guò)濾后排放。

旋風(fēng)除塵器回收砂的顆粒度可以調(diào)節(jié)，從回砂管流入砂冷卻器中，既可對(duì)再生砂的粒徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，又提高了再生率。

圖1 熱法砂再生系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用二層網(wǎng)絡(luò)組成，即設(shè)備層、控制層。整條線就近可以手動(dòng)操作，遠(yuǎn)程也可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作、自動(dòng)操作。中控室對(duì)設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。在操作臺(tái)上設(shè)定啟停按鈕，實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)功能。

主畫面包含熱法砂再生系統(tǒng)所有子系統(tǒng)，燃燒系統(tǒng)、加料系統(tǒng)、壓力溫度等調(diào)節(jié)系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)等。

將模糊控制運(yùn)用到再生爐溫度、壓力控制。根據(jù)系統(tǒng)的擾動(dòng)量、溫度偏差、壓力偏差、偏差變化等特征狀態(tài)，使系統(tǒng)切換到不同的控制算法，能有效實(shí)施焙燒爐及砂冷卻器溫度、壓力穩(wěn)定控制。

1.2 焙燒爐

焙燒爐采用鼓泡流態(tài)化原理，砂子在爐內(nèi)以流化方式加熱并運(yùn)動(dòng)至出砂口。舊砂在爐內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間約為60 min.焙燒爐能夠處理100%黏土砂、100%芯砂以及任意比例的混合物不同種類的鑄造舊砂。

圖2 焙燒爐結(jié)構(gòu)圖

圖2為焙燒爐原理圖，爐體由上、下兩個(gè)室體構(gòu)成，中間由耐火材料平臺(tái)分隔開，下部為專門的燃燒室，上部為舊砂焙燒室。

燃燒室設(shè)有燃燒器口和沸騰風(fēng)（又稱二次風(fēng)）入口。通過(guò)調(diào)節(jié)助燃風(fēng)和沸騰風(fēng)調(diào)節(jié)熱功率、實(shí)現(xiàn)對(duì)熱風(fēng)溫度、流化風(fēng)量的控制。根據(jù)舊砂種類不同，處理溫度控制在600℃～800℃，煙氣溫度過(guò)低不能保證將舊砂中有機(jī)物完全燃燒。沸騰風(fēng)與燃燒器在燃燒室周向合理布置，保證進(jìn)入燃燒室的熱風(fēng)混合均勻。

爐體上段與下段之間為耐高溫承重平臺(tái)，由多層不同耐火材料組成。平臺(tái)中均勻分布一定數(shù)量的通氣孔，燃燒室熱風(fēng)從這些氣孔中進(jìn)入砂焙燒室。平臺(tái)能承受爐內(nèi)舊砂的重量和運(yùn)動(dòng)荷載。平臺(tái)中通氣孔上端為特制的T形熱風(fēng)噴嘴，可防止砂通過(guò)噴嘴漏入燃燒室。

2 應(yīng)用效果

12 t/h的新型熱法砂再生系統(tǒng)已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某鑄造廠，該廠全部采用三乙胺冷芯工藝，樹脂加入量1.2%～1.5%.系統(tǒng)經(jīng)過(guò)初步運(yùn)行，再生砂質(zhì)量穩(wěn)定。

2.1 LOI值

該廠舊砂為100%樹脂砂，焙燒溫度設(shè)定為650℃.圖3為熱法砂再生系統(tǒng)運(yùn)行階段再生砂樣品LOI值。生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，每隔一小時(shí)取一次樣，按時(shí)間順序依次對(duì)再生砂樣品進(jìn)行編號(hào)。由圖3可見，再生砂LOI均低于0.2%，且隨著時(shí)間的增加，LOI值逐漸降低，最終穩(wěn)定在0.1%以下。

圖3 再生砂LOI值

2.2 再生率

冷卻后的再生砂通過(guò)氣力發(fā)送罐輸送至砂庫(kù)。通過(guò)記錄生產(chǎn)一定時(shí)間內(nèi)發(fā)送砂的罐數(shù)量確定再生砂的產(chǎn)量，再結(jié)合除塵器收集到的粉塵重量，確定再生率。

統(tǒng)計(jì)期內(nèi)，共發(fā)送再生砂量為140.6 t，從除塵器中收集的粉塵重量為3.58 t.則熱法再生系統(tǒng)的再生率為97.5%.

2.3 粒度分布與細(xì)度

再生砂粒度分布如表1，再生砂的四篩集中度為96.9%，平均細(xì)度為46.59目.設(shè)計(jì)要求40/100目再生砂的四篩集中度為90%以上，平均細(xì)度為45目～48目，可見再生砂均達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的粒度分布與細(xì)度。

表1 再生砂粒度分布與細(xì)度

2.4 天然氣消耗

記錄8 h內(nèi)天然氣總耗量2 205.1 m3/h，舊砂處理量為13 t/h，天然氣消耗量為275.6 m3/h，平均每處理1 t舊砂的天然氣消耗為21.2 m3.目前，國(guó)內(nèi)在運(yùn)行的小噸位焙燒爐的天然氣消耗可達(dá)18 m3/t.圖4為新型砂再生系統(tǒng)天然氣消耗與天然氣消耗水平對(duì)比?？梢?，新型熱法砂再生系統(tǒng)的天然氣消耗量相比于國(guó)內(nèi)火焰接觸式焙燒爐仍然偏高，還有一定的提高空間。

圖4 天然氣耗量

3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)與不足

3.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于大多火焰接觸式鑄造砂熱法再生設(shè)備，新型熱法再生系統(tǒng)主要有以下優(yōu)勢(shì)：

1）燃燒室產(chǎn)生的高溫?zé)犸L(fēng)與舊砂強(qiáng)耦合換熱，避免了火焰與舊砂的直接接觸，提高了再生質(zhì)量；

2）強(qiáng)耦合流化換熱，熱風(fēng)與舊砂快速均勻熱交換；

3）砂與熱風(fēng)，砂與砂之間相互搓擦，促進(jìn)舊砂表面的有機(jī)黏結(jié)劑等快速燃燒；

4）焙燒爐能夠處理鑄造舊砂種類多；

5）高溫?zé)犸L(fēng)將舊砂中的有機(jī)物等完全燃燒，無(wú)二惡英產(chǎn)生，確保了排煙對(duì)環(huán)境無(wú)污染；

6）舊砂處理質(zhì)量好，灼減量小于0.2%，砂再生率高；

7）對(duì)煙氣帶走的砂粒進(jìn)行有效回收，控制再生砂的粒徑分布，提高了再生率；

8）自動(dòng)化程度高，采用模糊控制原理對(duì)到整個(gè)砂再生系統(tǒng)流量、溫度和壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)，控制穩(wěn)定；

9）系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備安排緊湊，設(shè)備基礎(chǔ)小，土建投資省。

3.2 存在的不足

新熱法砂再生系統(tǒng)仍然有很多不足，需要進(jìn)一步改進(jìn)之處主要體現(xiàn)為：

1）天然氣消耗相對(duì)于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平仍然偏高，主要原因有：為保證煙氣中有機(jī)物黏結(jié)劑等完全燃燒，無(wú)二惡英，設(shè)置的焙燒溫度高；對(duì)高溫砂中余熱沒有進(jìn)行回收，這是造成能耗高的又一因素；

2）由于助燃風(fēng)機(jī)與冷卻風(fēng)機(jī)都是采用高壓風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的噪音偏高，必須對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行專門的隔音處理。

4 改進(jìn)方案分析

針對(duì)該熱法再生系統(tǒng)能耗量偏高，大量余熱未得到回收利用這一難題，提出針對(duì)10 t/h以上熱法砂再生系統(tǒng)中低溫?zé)煔庥酂峄厥占夹g(shù)。利用砂冷卻器預(yù)熱段和出換熱器的煙氣余熱進(jìn)行溴化鋰吸收式制冷代替現(xiàn)有螺桿制冷機(jī)，用于調(diào)節(jié)砂溫技術(shù)。

以12 t/h熱法砂再生系統(tǒng)為例，經(jīng)計(jì)算砂冷卻器預(yù)熱段和出換熱器的煙氣余熱資源量約為5.1 GJ/h，用于砂溫調(diào)節(jié)器溴化鋰吸收式制冷機(jī)組需要的熱量為2.5 GJ/h，完全能夠滿足制冷的需求。

對(duì)比12 t/h熱法砂再生系統(tǒng)中，余熱制冷與螺桿壓縮式制冷系統(tǒng)的主要性能參數(shù)和輔助設(shè)備參數(shù)見表2、表3.

表2 制冷機(jī)主要參數(shù)

表3 輔助設(shè)備功率（kW）

由表2、3可見，冷機(jī)組總功率仍然比螺桿壓縮制冷機(jī)少31 kW.原系統(tǒng)中除塵風(fēng)機(jī)功率為315 kW，由于該余熱回收方案未對(duì)煙氣摻新風(fēng)，除塵風(fēng)量降低40%，風(fēng)機(jī)實(shí)際用電功率又比原系統(tǒng)減少約100 kW.按每年設(shè)備運(yùn)行300 d，每天24h，電費(fèi)0.85元/kW·h，每年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用約80萬(wàn)元。

綜合考慮系統(tǒng)增加的換熱器、管路及保溫，余熱回收的雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)比螺桿壓縮制冷機(jī)成本多投入約50萬(wàn)元。

雖然在12 t/h的砂再生系統(tǒng)中，初期投資溴化鋰吸收式制冷機(jī)高于螺桿壓縮制冷機(jī)近50萬(wàn)元，但一年可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)近80萬(wàn)元。因此，熱法砂再生系統(tǒng)中低溫?zé)煔庥酂嶂评溆糜谡{(diào)節(jié)再生砂溫度方案是可行的。

當(dāng)然對(duì)于不同產(chǎn)能的舊砂熱法再生系統(tǒng)，用余熱制冷方式是否經(jīng)濟(jì)要根據(jù)實(shí)際情況而定。但余熱制冷用于調(diào)節(jié)砂溫，為舊砂再生系統(tǒng)的節(jié)能降耗提供了一個(gè)新的思路。

5 結(jié)論

新型的熱法砂再生系統(tǒng)采用非火焰直接接觸方式對(duì)舊砂進(jìn)行再生處理，該系統(tǒng)舊砂處理種類多，處理速度快并且再生砂質(zhì)量穩(wěn)定；系統(tǒng)排煙中有機(jī)廢氣完全處理干凈，對(duì)環(huán)境無(wú)污染；系統(tǒng)設(shè)備基礎(chǔ)小，土建投資省。針對(duì)該熱法再生系統(tǒng)能耗相對(duì)于國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平偏高的情況，提出利用煙氣低溫余熱制冷調(diào)節(jié)砂溫的改進(jìn)方案，分析證明該方案是可行的，并且節(jié)能效果明顯。

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