金属热处理工艺产污系数研究

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热处理是机械制造的重要工艺，是充分发挥材料潜力、保证零件质量和寿命、提高产品档次的关键工序，所有机械零件都需要进行不同程度的热处理。从全球热处理行业发展情况来看，我国热处理装备工艺水平与先进工业国家相比差距较大，美国等发达国家对工艺过程的控制已向着自动化、智能化和柔性化发展，我国一些企业仍凭借经验、采用人工操作，生产效率低下，能耗比偏高，一些关键零部件的使用寿命和可靠性也低于国外同类成品［1］。国家和行业协会针对上述问题，坚持推进热处理行业绿色改造和节能减排，全面进行“第二次全国污染源普查”工作，对一些地方热处理企业经营中暴露的管理不力、设备陈旧、工辅材料质量不过关、能耗利用率不高、污染治理效率低等弊病大力整治。本论文基于“第二次全国污染源普查”产污系数研究技术方案，探索基于产污系数的热处理行业、企业、工艺评价技术系统，努力协助环保部门和行业职能部门进行实时监督，促进地方企业自身环保体系建设，健全中国制造业监管/监测机制，提高中国整体制造业绿色化、节能化水平。

1制造业污染情况综述

1．1行业排污量情况统计。据统计，我国热处理行业在进行气体化学热处理时，每年消耗的甲醇、丙烷、煤油、淬火油等有机化合物超过30万吨，一部分有机化合物使用后分解排放或泄露出一氧化碳、氨气等有毒有害气体污染环境。每年挥发的蒸汽量，中性盐6500吨，活性盐700吨，这些盐成分中含有毒和腐蚀性气体，盐渣和废盐如处理不当，也会造成严重的土壤水质污染［2］。根据2015年环境统计年鉴数据，以金属制品业为例，其污染情况［3］为二氧化硫、氮氧化物、烟(粉)尘排放量分别为9．9、3．6和8．8万吨，占全国重点工业企业污染物排放量的0．71%、0．33%、0．79%。工业废水、化学需氧量、氨氮、石油类、挥发酚、氰化物排放量分别为33556万吨、36172．1吨、2785．4吨、816．2吨、0．3吨、17．7吨，占全国重点工业企业排放量比例分别为1．85%、1．42%、1．42%、5．44%、0．03%、12．11%。1．2行业排污主要影响因素及考察指标。通用设备制造业中，产品制造主要由下料、焊接、机械加工、热处理、涂装、预处理、电镀、装配、检测试验等工艺组成。基于《第二次全国污染源普查方案》对工业污染源普查内容的总体要求，参照《第二次全国污染源普查工业污染源产污系数制定(不含VOCs)技术指南》中对污染物指标选择的具体规定，结合行业特点，确定主要考察污染物指标为:1)废水:化学需氧量、石油类、氰化物、总磷、总氮。2)废气:二氧化硫、氮氧化物、颗粒物、挥发性有机物、铅、氨气。研究按照《第二次全国污染源普查工业污染源挥发性有机物产污系数制定技术指南》规定，通过对企业、生产过程的分析，将工业企业的VOCs污染源归类为正常生产工况、二种排放形式(有组织、无组织排放)共12种污染排放源项。其中通用源项包括设备动静密封点、有机液体储存与调和、有机液体装卸、固体物料堆存、燃烧烟气、循环冷却水系统;非通用源项包括废水集输储存处理过程、工艺有组织、工艺无组织、有机溶剂类使用、火炬。研究结合行业特点，确定本文涉及的VOCs排放源项为有机溶剂类使用。1．3热处理工序污染物参数。根据热处理工艺实际物理化学反应机理，匹配“第二次全国污染源普查”主要考察污染物指标，将表1所计参数列为研究对象，考察对应企业实际工况下产污情况。

2热处理工序产污系数计算方案

研究依据“第二次全国污染源普查”技术路线制定产污系数计算方案，基本思路为:①识别工艺产污节点，确定污染物指标，把握污染量影响因素;②确定产污监测系数组合，规划系数计算式;③制定产污系数获取方案，进行企业实际监测采集，收集近年历史数据文件;④对采集的监测数据、历史数据进行识别检验，尽量按照地域、行业均匀权重进行使用;⑤对代表企业产污系数、产污量进行计算，进而获取对应行业产污系数;⑥根据现有系数结果确立行业产污系数体系;⑦选择未采集过数据的企业，进行系数、产污量核对验证。2．1热处理工段监测方案。依据研究考察的产污指标，根据国家标准制定相关工艺的监测方案，具体如表2所示。2．2数据处理方法。在实测及收集数据中，根据产污系数核算表达式及核算思路，研究按照以下几点原则剔除了部分数据。1)产污浓度误差较大的数据研究通过多年从业经验及收集国内外研究成果，依据机械行业主要污染源经验数据体系，对收集和实测数据进行了甄别，误差较大的数据首先剔除。2)无进口数据部分工段工序无治理措施进口(采样口)，无法得到进口数据，采用污染治理措施平均去除效率反推误差较大，故剔除该部分数据。3)无法计算产污系数在收集的数据中，用于核算产污系数的基本参数未直接表明。热处理行业一些企业仅给出生产产品的台套数，而未给出产品产量(吨)，按照热处理行业产污系数表达式无法计算，故剔除该部分数据。2．3产污系数计算方法。1)采用污染物浓度和污染物产生量核算产污系数:Ra=∑ni=1wi×GiM()i(1)式中［4］:Ra为废水/废气污染指标的个体产污系数;Gi为某一批次废水/废气样本污染指标的产生量;Mi为某一批次废水/废气样本采集时间内产品质量(或原辅材料用量);wi为不同批次样本量产污系数的权重。2)根据单位原/辅料污染物产生量核算产污系数如果工序的污染物指标(COD、石油类、总磷、总氮)的浓度为P，所用工艺溶液是按照1kg原辅材料、M(kg)的水配制成，则这些工段对污染物指标(COD、石油类、总磷、总氮)的产污系数为:Ra=M+1ρ×P(2)式中［4］:Ra为产污系数，kg/t溶剂;M为用来稀释1kg原/辅料的水量，kg;P为实测污染物指标(COD、石油类、总磷等)，mg/L;ρ为调研得到的工艺溶液的密度，kg/m3。2．4热处理工艺产污系数汇总。“二污普”课题组在实施大纲中计划完成71个影响因素组合的154个样本(此外还有140个历史数据收集仅作为数据验证使用)，共计294个样本;实际修订为68个影响因素组合。共计实测了52家企业，覆盖了除粉末冶金、下料、装配、检测试验外的所有工段的共计43个影响因素组合，实测率66．2%;应用于产污系数计算的实测企业样本20家，实测样本应用率38．5%。收集441家企业历史数据，实际应用51家，数据收集样本应用率11．56%。根据上述数据来源计算，获得热处理工艺产污系数如表3所示。

3通过产污系数评估企业排污量

根据《第二次全国污染源普查工业污染源产排污量核算技术指南》、《系数技术指南》及《VOCs技术指南》，并结合本行业实际情况，确定本行业排污量核算方法。1)水污染物排放量的核算定义Eλ为企业内部污水集中处理设施进口中某污染物的量，其等于各个工段该污染物的排放量之和，即各个工段污染物的产生量经处理(或未经处理)后的量之和:Eλ=∑ni=1Ri•Mi(1－ηi•ki)(3)该企业某污染物的排放量由式(4)计算:E排=Eλ(1－ηT•kT)(4)式中［4］:Ri为工段i某种污染物的产污系数;Mi为工段i某种污染物产污系数Ri对应的原料或辅料消耗量;E排为某企业某污染物的平均排放量;ηi为工段i末端治理设施的平均治理(去除)效率，若该工段无末端治理设施，则ηi=0;ki为工段i末端治理设施的实际运行系数，若该工段无末端治理设施，则ki=0;ηT为企业集中污水治理设施的平均治理(去除)效率;kT为企业集中污水治理设施的实际运行系数。2)大气污染物排放量的核算定义Ex为企业内某一烟囱或大气排放点某污染物的排放量，则E总表示某一工序或某几个工序的污染物经处理后的排放量，即某一工序或某几个工序污染物的产生量经处理(或未经处理)后的量之和。位于大气排口a的污染物排放量Ea由式(5)计算:Ea=［R1•M1(1－η1•k1)+R2•M2(1－η2•k2)+…+Ri•Mi(1－ηi•ki)］×(1－ηa•ka)(5)则该企业某污染物的总排放量由式(6)计算:E总=Ea+Eb+．．．+Ex(6)由于地域、工艺、原辅材料等因素存在差异，所以在基于产污系数计算企业理论产污量时，通常基于E总取值乘以允许系数L(暂取Lmin=0．4，Lmax=3．5)获取一个有效置信区间，认为在此置信区间内的产污量为合理范围，以对该地区该类企业产污量进行评估。

4结论

“第二次全国污染源普查”是基于“一污普”开展的行业产污水平评估，相对于“第一次全国污染源普查”以行业产品为考察目标进行产污系数计算，“二污普”将考察方式更加细化，以工艺产污量为考察目标，再根据工艺序列进行产品———企业级别的产污量考察，一方面细化了产污环节的工艺特征，同时也考虑到同一行业不同工艺水平/集群/地域导致的工艺方案差异，是对“一污普”工作的完善和提升，标志着中国产业绿色化的与时俱进。在“二污普”课题研究过程中，热处理工艺共实测企业15家，采用2017/2018年历史企业数据25套(家)，对5个影响因素组合进行平均覆盖，取得了较好的数据结果。针对“二污普”实测及报告撰写所测得数据，从2018年底至将来2年之内，将广泛征求行业协会、科研机构、高校、企业及其他社会各界人士的意见和反馈，以对“二污普”产污系数体系予以完善和校核。从研究和当前反馈的情况来看，主要得到以下结论:1)按照工艺制定系数、计算产污量更科学相对“一污普”，“二污普”产污系数计算方案采用模块化的工艺组合映射产污量组合，从产污机理源头出发，理论上提高了系数计算体系的科学性和颗粒度，利于同类产品不同工艺影响因素情况下产污量对比，同时适宜企业进行工艺革新和成本优化。2)产污、排污双监测更具环保意义当前环境保护部门监测方案中着重排污量的监测，“二污普”产污系数计算技术路线是对当前环保体系革新的一次有效探索，考察产污系数一方面可以与排污情况相互印证，同时也是对企业污染处理设施条件的考察，“二污普”产污系数研究对社会绿色化发展、制造业绿色化体系构建具有积极意义。3)“二污普”产污系数不能做到一票否决“二污普”的技术思想是采用工艺特征理论计算结合污染监控普查数值，其产污指数制定过程具有试验性质，其结果受数据采集企业自身的政策、时间、地域、工艺、生产水平、设备方案、环保措施/设施水平、管理方式等多方面因素影响，所得数据可以作为一种评价的参考数据，但并不能完全决定一个企业的生产绿色化水平，需要结合其他数据综合考察。综上，“二污普”制定的产污系数体系，是区别于当前排污监控的一种新的企业产污/绿色化水平评估方式，同时也间接反映了当前国内制造企业整体绿色化水平，是一种新的绿色环保评价思路，具有积极的社会意义。

作者:王伟琳 佟晓辉 吴进军 陈晓辉 赵蔷 刘云 焦炬 单位:1.中机生产力促进中心 2.中国热处理行业协会