王婷婷，張一心*，周長(zhǎng)波，郭亞靜，楊艷，陳建華，韓桂梅*

1.內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

中國(guó)是鑄造大國(guó)，自2000年起，我國(guó)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(wàn)家，數(shù)量呈逐年下降趨勢(shì)，規(guī)模鑄造企業(yè)產(chǎn)量集中度不斷提高[1]。但是，我國(guó)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(dá)國(guó)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(yáng)塵等。自2013年《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》[3]和2018年《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》(國(guó)發(fā)〔2018〕22號(hào))[4]發(fā)布實(shí)施以來(lái)，鑄造業(yè)的顆粒物污染控制越來(lái)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(hào))[5]明確指出嚴(yán)格控制鑄造業(yè)的顆粒物污染。另外，一些發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，如美國(guó)、歐盟等頒布的顆粒物污染治理規(guī)范性文件中均有對(duì)鑄造業(yè)提出要求[6-8]。但我國(guó)鑄造企業(yè)的顆粒物治理工作多年來(lái)停留在衛(wèi)生健康和勞動(dòng)防護(hù)的角度[9]。我國(guó)鑄造業(yè)由于長(zhǎng)期以來(lái)的粗放型發(fā)展，導(dǎo)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(duì)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(píng)估。

基于對(duì)我國(guó)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(guó)污染源普查產(chǎn)排污核算系數(shù)手冊(cè)(試用版)》[11]，構(gòu)建鑄造業(yè)顆粒物污染減排預(yù)測(cè)模型，并對(duì)調(diào)研企業(yè)在“十四五”期間顆粒物減排潛力進(jìn)行預(yù)測(cè)，以期為我國(guó)“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(guó)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(guò)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(guò)熱處理和表面涂裝等后處理工序；生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的舊砂經(jīng)過(guò)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(gè)工序都會(huì)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(shí)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(huì)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(diǎn)對(duì)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(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

1.2 M市鑄造業(yè)顆粒物污染排放現(xiàn)狀及標(biāo)準(zhǔn)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(guó)溝槽管件及汽車輪轂的主要生產(chǎn)基地。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dá) 4 377 t，占工業(yè)排放總量的35%(圖1)，超過(guò)長(zhǎng)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(dá)74%，超過(guò)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(biāo)準(zhǔn)要求

近年來(lái)，M市發(fā)布了一系列有關(guān)推進(jìn)鑄造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的政策文件，包括《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》《加快鑄造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的實(shí)施方案》，文件明確指出要綜合整治鑄造業(yè)，推動(dòng)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(dá)標(biāo)排放執(zhí)行《某省區(qū)域性大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，要求企業(yè)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排放，對(duì)排放不達(dá)標(biāo)的企業(yè)責(zé)令停產(chǎn)整治。表2是M市執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)鑄造業(yè)的舊標(biāo)準(zhǔn)GB 16297—1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》[15]、GB 9078—1996《工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[16]和新標(biāo)準(zhǔn)GB 39726—2020《鑄造工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)T/CFA 030802.2—2020《鑄造行業(yè)大氣污染物排放限值》對(duì)顆粒物排放限值的規(guī)定。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)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(lái)，隨著我國(guó)對(duì)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(gè)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(guò)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(shí)不夠，如環(huán)保型覆膜砂選擇、大型智能自動(dòng)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(dòng)，包括重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)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(jìn)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(jìn)的龍頭標(biāo)桿企業(yè)，也有較多處于二級(jí)及以下水平的企業(yè)，標(biāo)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(jìn)一步挖掘。

(4)相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策有待進(jìn)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(dá)國(guó)家制定了有關(guān)污染物減排的政策法規(guī)[17]。如美國(guó)RBLC數(shù)據(jù)庫(kù)針對(duì)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(duì)顆粒物進(jìn)行控制[6]。另外，還通過(guò)減免稅收的方式來(lái)促進(jìn)節(jié)能減排[18-19]，企業(yè)也積極利用政策進(jìn)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(guó)在國(guó)家及地方層面上，污染控制技術(shù)指南、規(guī)范以及激勵(lì)措施相對(duì)還不夠完善。

2 顆粒物污染減排預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

針對(duì)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(diǎn)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(guó)污染源普查產(chǎn)排污核算系數(shù)手冊(cè)(試用版)》[11]，構(gòu)建了鑄造業(yè)顆粒物污染減排預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)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(jì))；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(shí)際運(yùn)行率，%。

3 實(shí)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(wàn)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(xiàng)目，采用的是黏土砂濕型砂造型工藝及先進(jìn)的全自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(duì)這2個(gè)工序的技術(shù)做顆粒物減排潛力測(cè)算。對(duì)A公司的制芯、造型/澆注、砂處理工序進(jìn)行清潔生產(chǎn)技術(shù)的顆粒物減排潛力測(cè)算，假設(shè)A公司年產(chǎn)量不變，3個(gè)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(jì)算得到基準(zhǔn)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(duì)顆粒物的平均去除率為95%。

(2)污染物治理技術(shù)的實(shí)際運(yùn)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(duì)應(yīng)的污染治理設(shè)施實(shí)際運(yùn)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(yùn)行時(shí)間，實(shí)際運(yùn)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(yùn)行時(shí)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(zhǔn)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(jì)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(guò)實(shí)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(qiáng)鑄造業(yè)顆粒物的污染防治。

(1)健全政策體系和獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，加強(qiáng)監(jiān)督和引導(dǎo)

建議對(duì)各縣市區(qū)的鑄造企業(yè)進(jìn)行摸底，詳細(xì)調(diào)查企業(yè)的環(huán)評(píng)審批、立項(xiàng)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(dǎo)企業(yè)實(shí)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(chǎng)評(píng)優(yōu)獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)企業(yè)自主節(jié)能減排。如對(duì)鑄造企業(yè)進(jìn)行清潔生產(chǎn)績(jī)效分級(jí)，先進(jìn)企業(yè)則減免企業(yè)所得稅；對(duì)購(gòu)置節(jié)能減排設(shè)備企業(yè)的增值稅、進(jìn)項(xiàng)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(guò)對(duì)鑄造工序關(guān)鍵環(huán)節(jié)清潔生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用的預(yù)測(cè)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(jìn)智能化鑄造，促進(jìn)鑄造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，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(duì)顆粒物的有組織廢氣進(jìn)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(duì)象，開展生產(chǎn)工藝全過(guò)程診斷，避免審核過(guò)程簡(jiǎn)單復(fù)制形式化，以及人力、物力、財(cái)力的重復(fù)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(shí)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(dòng)整個(gè)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(wú)組織排放

重視顆粒物的無(wú)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(yán)禁露天存放。另外，對(duì)于熔煉、造型、砂處理等顆粒物產(chǎn)生嚴(yán)重的工序也建議設(shè)置在封閉車間內(nèi)，減少顆粒物的無(wú)組織排放。

(5)培養(yǎng)引進(jìn)人才，增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力

針對(duì)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(lì)相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)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(jì)算機(jī)、鑄造聯(lián)合技術(shù)，實(shí)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(guó)鑄造業(yè)的顆粒物減排還存在一定空間，鼓勵(lì)企業(yè)積極參與其中，科學(xué)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(guò)對(duì)顆粒物清潔生產(chǎn)技術(shù)的減排潛力進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，與基準(zhǔn)年2019年相比，預(yù)計(jì)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(duì)清潔生產(chǎn)技術(shù)的推廣和普及所帶來(lái)的減排效果有了直觀的認(rèn)識(shí)，同時(shí)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(shí)現(xiàn)行業(yè)技術(shù)結(jié)構(gòu)的進(jìn)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。