CN105328115A - 铸造废砂热等离子体的再生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铸造废砂热等离子体再生的方法，其工艺步骤包括废砂预处理、热等离子体焙烧、冷却和筛分，所述的热等离子体焙烧是废砂在热等离子体炬的高温、热震、表面熔融的作用下除去其表面的树脂膜、无机膜及钠、钾等金属氧化物有害杂质，从而获得高性能的铸造再生砂。热等离子体炬平均温度2000-4500℃，废砂表面温度1000-3000℃，废砂加热时间为5-60分钟。本发明的再生回收率≥85%，再生砂性能指标好于同源新砂和其它再生方法，完全能被铸造厂循环再利用，尾气排放指标远低于中国、欧美排放标准，所产生的细粉数量大幅减少，而且经高温和离子化作用，是无污染的和对环境安全的，可直接作为再利用的建筑材料。

Description

铸造废砂热等离子体的再生方法

技术领域

本发明涉及一种铸造废砂的再生利用方法。

背景技术

随着我国铸造产业的发展，2012-2014年平均每年我国铸件产量均突破4500万吨，占全球铸件产量的40%以上，但同时每年产生铸造废砂数量也达到4500万吨以上，目前铸造废砂再生循环利用比例不足10%，大量铸造废砂以填埋或随意丢弃处理为主，这样一方面严重浪费自然资源，另一方面，众所周知，由于铸造废砂含有树脂膜、无机膜和钠、钾等金属氧化物等有害物质，以填埋或随意丢弃的方法处理会给环境造成极大隐患，所以铸造废砂再生循环利用势在必行。

近年我国铸造企业和科研单位开展了大量的铸造废砂再生工作，铸造废砂再生取得了一定技术成果，目前具有代表性的铸造废砂再生方法主要有两种，分别是热法和机械再生方法，典型的再生方法有：1.天然气（LNG）600-900℃焙烧结合干法机械再生；2.湿法擦洗结合热法烘干再生。

天然气（LNG）600-900℃焙烧结合干法机械的再生方法虽然获得接近原砂质量水平的再生砂，但由于焙烧温度低，不能破坏铸造废砂中所含的二噁英前驱体，要达到我国新环保法规下最严尾气排放标准必须增加如RTO、RCO、DBD等繁琐的尾气处理系统，这不但增加了再生投入和运行成本，而且尾气的有机气体VOCs（酚类、醛类、酯类、氰类、高沸点烃类、醇类、碳氢化合物等）排放指标也很难达到国内20mg/m3的最严标准。另外为保证再生砂的品质，后续需要增加离心、研磨等干法机械再生工艺，导致再生回收率低于70%（占废砂总量，单纯LNG热法再生可实现85%），产生25%以上的大量细粉，需要进行填埋或陶瓷化处理再利用，这对铸造废砂再生的成本和再利用是不利的。

广西玉林玉柴工业化工有限公司2013年申请了《铸造废砂再生回用方法及设备》的发明专利，申请号：201310281323.8，提出了一种铸造废砂再生回用方法，包括以下步骤：废砂的前处理：原废砂通过封闭式栅格卸料机除去废旧垃圾，然后经过悬挂式磁选机除去废铁，再经过直线振动筛除去大颗粒废砂，最后通过贯通式磁选机除去废铁屑，进入废砂储罐存放；该方法是一种湿法擦洗结合热法，烘干再生获得的再生砂产品达到或好于原砂质量水平，虽然再生回收率达到80%，不存在尾气排放问题，但湿法再生需要增加较为繁琐的水循环处理系统和污泥深度处理再利用工艺，污泥被铸造厂再利用不足1/3，剩余2/3只能被制砖厂等低价值利用或陶瓷化处理，这都增加了再生工序及成本负担。

发明内容

本发明的目的是提供一种铸造废砂的再生利用方法，涉及一种对铸造废砂资源化、无害化、高效化的热等离子体再生方法，该方法适用于铸造树脂废砂、湿型废砂、水玻璃废砂、无机树脂废砂和以上两种或多种废砂混合的铸造废砂再生。

本发明人为了达到上述目的而进行深入研究，结果发现：铸造废砂进入热等离子体炬，表面被瞬间加热至高温，废砂表面的树脂膜被裂解成气体彻底去除，废砂表面的无机膜与砂子由于膨胀系数不一样在瞬间升至高温时发生热震脱落去除，废砂表面附着的钠、钾等金属氧化物杂质会因为高温熔融挥发去除，由于这一发现从而完成了本发明的目的。

本发明的铸造废砂热等离子体的再生方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：

（1）预处理

铸造废砂经筛分、破碎、磁选和除尘工序，得到粒径≤2mm的预处理废砂，将预处理废砂贮存于废砂罐内；

（2）热等离子体焙烧

气流通入热等离子发生器内，在高电压的作用下，产生等离子，形成高温的热等离子体炬，预处理废砂通过定量给料进入热等离子燃烧室内，在高温、热震、表面熔融的作用下除去其表面粘附的树脂膜、无机膜、金属氧化物和杂质，热等离子发生器电压为500-5000V，热等离子体炬平均温度2000-4500℃，废砂表面温度1000-3000℃，废砂加热时间为5-60分钟；焙烧产生的尾气和细粉经冷却降温由排风机引出；

（3）冷却

经热等离子体焙烧的砂子，冷却至室温；

（4）筛分

经冷却后的砂子进入粒度筛分机进行筛分获得高性能的再生砂，并贮存于再生砂成品罐；

以上步骤（2）气流通入等离子发生器内的气流为空气或惰性气体，例如氮气、氩气、氦气等。

以上步骤（2）热等离子发生器的功率为10³-10⁶W。这样高的功率足够产生2000-4500℃的高温。

以上步骤（2）排风机引出的焙烧产生的尾气和细粉直接通过脉冲除尘器处理，无须做尾气浓缩二次燃烧等后处理。

以上步骤（2）的热等离子加热焙烧废砂的后段设有水冷夹套冷却。

以上步骤（3）的冷却是进入沸腾流化冷却器进行冷却。沸腾流化冷却器设有沸腾流化冷却床，沸腾流化冷却床上方有排气管通到脉冲除尘器处理达标排放。

本发明所述的铸造废砂热等离子体的再生方法，可以在处理铸造树脂废砂、湿型废砂、水玻璃废砂、无机树脂废砂和以上两种或多种废砂混合铸造废砂的再生的应用。

本发明所述的热等离子体，是由电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组合成的电中性集合体，是部分或全部电离的气体。是在高电压（500-5000伏特）的作用下将气体电离成等离子状态，温度高达2000-5000℃以上。

等离子体中的离子、电子、激发态原子、分子及自由基都是极活泼的反应性物种，使通常条件下难以进行或速度很慢的反应变得十分迅速，尤其适合于污染物的处理。

本发明所述的铸造废砂热等离子体的再生方法采用的设备包括落砂床、筛分机、粉碎机、磁选机、除尘器、废砂罐、热等离子发生器、沸腾流化冷却床以及再生砂成品罐；落砂床接筛分机、粉碎机和磁选机后连到废砂罐，细小的粉尘接除尘器，废砂罐接热等离子发生器的进料口，热等离子发生器出口接沸腾流化冷却器，然后接筛分机进入再生砂成品罐提供铸造厂重新使用；热等离子发生器入口接有空气或惰性气体输送管。

所述的热等离子发生装置包括整流器、稳压器、热等离子发生器和热等离子燃烧室；所述的热等离子发生器的进口有压缩空气或惰性气体入口、热等离子发生器的出口是热等离子燃烧室，废砂料斗安装在热等离子发生器的出口和热等离子燃烧室之间；热等离子燃烧室上出口有引风机，将细灰尘抽出处理，热等离子燃烧室下出口接筛分机；热等离子燃烧室的周围有水冷夹套。

沸腾流化冷却器由安装在箱体内部的风冷体系和水冷体系构成，风冷体系在箱体下部，包括风管、风箱和风箱隔板，鼓风机通过风管与风箱隔板连通，风箱隔板上开有若干个风眼；水冷体系安装在风冷体系的上方，包括冷却水箱、进水管、出水管和冷却水盘管，冷却水箱出口接冷却水盘管，冷却水从箱体外部的进水管进入，热水从出水管引出，热砂从箱体上部的进砂口进入，沸腾干燥后的冷干砂从箱体一侧的出砂口导出，废气从出风口排出。

热等离子体高温焚烧熔融处理技术是近十多年发展起来的一项新技术，因热等离子体弧温度极高、能量集中的特性，对污染物有很高的处理效率，尤其适合难处理的污物和有特殊要求的污染物，如低中放废物、PCBs、石棉废物等等。美国、俄罗斯、日本、韩国等国家的研究和初步应用表明等离子体高温焚烧熔融处理技术因其设备体积小，处理速度快，能够处理各种各样的废物，减容比高且熔融产物稳定，投资运行费用相对较低等优势成为低放废物处理领域最有发展前途的技术之一。

本发明优点是：

1、铸造废砂含有树脂膜、无机膜和钠、钾等金属氧化物等有害物质，废砂在热等离子体高温、热震和熔融挥发的共同作用下，无论废砂表面的有机杂质还是无机杂质都能去除较为彻底，再生砂表面更加圆整，活性更高，综合性能更为优异，回收率高达85%以上，这是目前所有再生方法所不能比的；

2、再生过程产生的气体在高温和离子化作用下，二噁英前驱体等极毒物质全部被裂解破坏，尾气排放指标远低于中国及欧美最严标准，不需要增加繁琐的尾气后处理系统，降低了投资和运行成本；

3、再生过程产生的细粉数量同比其它再生方法大幅减少，而且经高温和离子化作用，是无污染的和对环境安全的，可直接作为建筑材料的填充料等进行再利用，降低了铸造废砂资源化综合利用成本；

4、本发明的铸造废砂再生方法工序比其它再生方法更为简约，再生效率更高；

5、本发明的铸造废砂再生方法再生回收率≥85%（占废砂总量），再生砂技术指标好于同源新砂和其它再生方法，完全能被铸造厂循环再利用，尾气排放指标远低于中国和欧美等国最严排放标准，所产生的细粉数量大幅减少，而且经高温和离子化作用，是无污染的和对环境安全的，可直接作为建筑材料再利用，使得铸造废砂再生具有较高的资源化利用率。

6、本发明的铸造废砂再生方法适用于但不仅限于铸造树脂废砂、湿型废砂、水玻璃废砂、无机树脂废砂和以上两种或多种废砂混合铸造废砂的再生。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2是热等离子加热焙烧废砂过程的等离子发生装置结构图。

图3是沸腾流化冷却器的结构图。

图1、图2所示，铸造废砂热等离子体的再生方法采用的设备包括落砂床、筛分机、粉碎机、磁选机、除尘器、废砂罐、热等离子发生装置、沸腾流化冷却床以及再生砂成品罐；落砂床接筛分机、粉碎机和磁选机后连到废砂罐，细小的粉尘接除尘器，废砂罐接热等离子发生装置的进料口，热等离子发生装置出口接沸腾流化冷却床，然后接筛分机进入再生砂成品罐提供铸造厂重新使用；热等离子发生装置入口接有空气或惰性气体输送管。

220伏的市电经过整流器和稳压器得到稳定的500-5000V直流电，添加到热等离子发生器的正负极，使送入的空气或氮气变成热等离子体炬温度2000-4500℃的高温，将废砂表面的杂质瞬间燃烧。

图2所述的热等离子发生装置包括整流器、稳压器、热等离子发生器和热等离子燃烧室；所述的热等离子发生器的进口有压缩空气或惰性气体入口、热等离子发生器的出口是热等离子燃烧室，废砂料斗安装在热等离子发生器的出口和热等离子燃烧室之间；热等离子燃烧室上出口有引风机，将细灰尘抽出处理，热等离子燃烧室下出口接筛分机；热等离子燃烧室的周围有水冷夹套。

图3是铸造废砂经过热等离子加热焙烧废砂的沸腾流化冷却器，它由安装在箱体13内部的风冷体系和水冷体系构成，风冷体系在箱体下部，包括风管2、风箱3和风箱隔板4，鼓风机1通过风管2与风箱隔板4连通，风箱隔板4上开有若干个风眼5；水冷体系安装在风冷体系的上方，包括冷却水箱6、进水管7、出水管8和冷却水盘管9，冷却水箱6出口接冷却水盘管9，冷却水从箱体外部的进水管7进入，热水从出水管8引出，热砂从箱体上部的进砂口10进入，沸腾干燥后的冷干砂从箱体一侧的出砂口12导出，废气从出风口11排出。

附表说明

表1为本发明的混合型湿型废砂再生技术指标对比表。

表2为本发明的碱性酚醛树脂废砂再生技术指标对比表。

表3为本发明的覆膜砂废砂再生技术指标对比表。

表4为本发明的铸造废砂再生尾气排放指标表。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

混合型湿型废砂热等离子体的再生，包括以下工艺步骤：

（1）预处理

渗入树脂砂芯的湿型废砂（简称“混合型湿型废砂”）经筛分、破碎、磁选、除尘等预处理工序，得到粒径1.5mm的预处理废砂，预处理废砂贮存于废砂罐；

（2）热等离子体焙烧

预处理废砂通过定量给料进入热等离子发生器进行焙烧，热等离子发生器电压为800V，热等离子体炬温度2500℃，废砂表面温度1500℃，废砂加热时间为15分钟，焙烧产生的尾气和细粉经冷却降温直接通过脉冲除尘器处理即可达标排放，无须做尾气浓缩二次燃烧等后处理，具体尾气排放情况详见表4；

（3）冷却

经热等离子发生器焙烧的砂子，进入沸腾流化床冷却至33℃，沸腾流化床排气通过脉冲除尘器处理达标排放；

（4）筛分

经冷却后的砂子进入粒度筛分机进行筛分得到再生砂，再生砂贮存于再生砂成品罐；

具体再生技术指标见表1。

对比例1

混合型湿型废砂湿法再生，包括以下工艺步骤：

（1）预处理：同实施例1；

（2）湿法再生

预处理废砂通过定量给料进入湿法连续擦洗缸组进行机械擦洗，擦洗时间为40分钟，产生污水经水处理系统处理后循环使用，产生的污泥压成滤饼进行综合利用；

（3）烘干、冷却

湿砂进入天然气三回程烘干滚筒，在300℃下烘烤5分钟，然后按实施例1方法进行冷却；

（4）筛分：同实施例1；

具体再生技术指标见表1。

实施例2

碱性酚醛树脂废砂热等离子体的再生，包括以下工艺步骤：

（1）预处理：同实施例1；

（2）热等离子体焙烧

预处理废砂通过定量给料进入热等离子发生器进行焙烧，热等离子发生器电压为2000V，热等离子体炬温度3500℃，废砂表面温度1800℃，废砂加热时间为15分钟，焙烧产生的尾气和细粉经冷却降温直接通过脉冲除尘器处理即可达标排放，无须做尾气浓缩二次燃烧等后处理，具体尾气排放情况详见表4；

（3）冷却：同实施例1；

（4）筛分：同实施例1；

具体再生技术指标见表2。

对比例2

碱性酚醛树脂废砂天然气热法结合机械再生，包括以下工艺步骤：

（1）预处理：同实施例1；

（2）天然气（LNG）热法焙烧

预处理废砂通过定量给料进入天然气流化床焙烧炉进行焙烧，炉温750℃，废砂表面温度700℃，废砂加热时间为45分钟，焙烧产生的尾气经浓缩二次燃烧处理（RTO/RCO）后经冷却降温连同细粉一起再通过脉冲除尘器处理达标排放；

（3）冷却：同实施例1；

（4）干法机械再生

经冷却的砂子进入离心再生机进行机械再生，离心线速度为3000r/min；

（5）筛分：同实施例1；

具体再生技术指标见表2。

实施例3

覆膜砂废砂热等离子体的再生，包括以下工艺步骤：

（1）预处理：同实施例1；

（2）热等离子体焙烧

预处理废砂通过定量给料进入热等离子发生器进行焙烧，热等离子发生器电压为5000V，热等离子体炬温度3000℃，废砂表面温度1200℃，废砂加热时间为10分钟，焙烧产生的尾气和细粉经冷却降温直接通过脉冲除尘器处理即可达标排放，无须做尾气浓缩二次燃烧等后处理，具体尾气排放情况详见表4；

（3）冷却：同实施例1；

（4）筛分：同实施例1；

具体再生技术指标见表3。

对比例3

覆膜砂废砂天然气热法再生，包括以下工艺步骤：

（1）预处理：同实施例1；

（2）天然气（LNG）热法焙烧：同对比例2；

（3）冷却：同实施例1；

（4）筛分：同实施例1；

具体再生技术指标见表3。

Claims (9)

1.铸造废砂热等离子体的再生方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：

（1）预处理

铸造废砂经筛分、破碎、磁选和除尘工序，得到粒径≤2mm的预处理废砂，将预处理废砂贮存于废砂罐内；

（2）热等离子体焙烧

气流通入热等离子发生器内，在高电压的作用下，产生等离子，形成高温的热等离子体炬，预处理废砂通过定量给料进入热等离子燃烧室内，在高温、热震、表面熔融的作用下除去其表面粘附的树脂膜、无机膜、金属氧化物和杂质，热等离子发生器输入电压为500-5000V，热等离子体炬平均温度2000-4500℃，废砂表面温度1000-3000℃，废砂加热时间为5-60分钟；焙烧产生的尾气和细粉经冷却降温由排风机引出；

（3）冷却

经热等离子体焙烧的砂子，冷却至室温；

（4）筛分

经冷却后的砂子进入粒度筛分机进行筛分获得高性能的再生砂，并贮存于再生砂成品罐。

2.根据权利要求1所述的铸造废砂热等离子体的再生方法，其特征在于：步骤（2）排风机引出的焙烧产生的尾气和细粉直接通过脉冲除尘器处理，无须做尾气浓缩二次燃烧等后处理。

3.根据权利要求1所述的铸造废砂热等离子体的再生方法，其特征在于：步骤（2）气流通入等离子发生器内的气流为空气或惰性气体。

4.根据权利要求1所述的铸造废砂热等离子体的再生方法，其特征在于：步骤（2）的热等离子加热焙烧废砂的后段设有水冷夹套冷却。

5.根据权利要求1所述的铸造废砂热等离子体的再生方法，其特征在于：步骤（3）的冷却是进入沸腾流化冷却器，沸腾流化冷却器设有排气管通到脉冲除尘器处理达标排放。

6.权利要求1所述的铸造废砂热等离子体的再生方法，其特征在于：采用的设备包括落砂床、筛分机、粉碎机、磁选机、除尘器、废砂罐、热等离子发生装置、沸腾流化冷却器以及再生砂成品罐；落砂床接筛分机、粉碎机和磁选机后连到废砂罐，细小的粉尘接除尘器，废砂罐接热等离子发生装置的进料口，热等离子发生装置出口接沸腾流化冷却器，然后接筛分机进入再生砂成品罐提供铸造厂重新使用；热等离子发生器入口接有空气或惰性气体输送管。

7.权利要求1所述的铸造废砂热等离子体的再生方法，其特征在于：所述的热等离子发生装置包括整流器、稳压器、热等离子发生器和热等离子燃烧室；所述的热等离子发生器的进口有压缩空气或惰性气体入口、热等离子发生器的出口是热等离子燃烧室，废砂料斗安装在热等离子发生器的出口和热等离子燃烧室之间；热等离子燃烧室上出口有引风机，将细灰尘抽出处理，热等离子燃烧室下出口接筛分机；热等离子燃烧室的周围有水冷夹套。

8.如权利要求6所述的铸造废砂热等离子体的再生方法，其特征在于：沸腾流化冷却器由安装在箱体（13）内部的风冷体系和水冷体系构成，风冷体系在箱体下部，包括风管（2）、风箱（3）和风箱隔板（4），鼓风机（1）通过风管（2）与风箱隔板（4）连通，风箱隔板（4）上开有若干个风眼（5）；水冷体系安装在风冷体系的上方，包括冷却水箱（6）、进水管（7）、出水管（8）和冷却水盘管（9），冷却水箱（6）出口接冷却水盘管（9），冷却水从箱体外部的进水管（7）进入，热水从出水管（8）引出，热砂从箱体上部的进砂口（10）进入，沸腾干燥后的冷干砂从箱体一侧的出砂口（12）导出，废气从出风口（11）排出。

9.根据权利要求1所述的铸造废砂热等离子体的再生方法，其特征在于：该方法在处理铸造树脂废砂、湿型废砂、水玻璃废砂、无机树脂废砂和以上两种或多种废砂混合铸造废砂再生方面的应用。