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當前位置：主頁 >> 行業新聞 >> 焊接煙塵的凈化技術及設備的新研發動態和發展趨勢 行業新聞 /News
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| 焊接煙塵的凈化技術及設備的新研發動態和發展趨勢 | | 發布者：admin 點擊：6086 | 〔摘要〕分析了焊接煙塵對人體的危害，列舉了不同工況下的焊接煙塵凈化技術，特別是分層送風技術在整體廠房焊接煙塵治理工程中的應用。SINBRAN燒結板過濾元件的性能特點，新型除塵器的研發推廣。
隨著現代工業的發展，焊接新材料的不斷出現與應用，焊接及相關工藝過程也在同步飛速發展，促進了人類文明與進步。但在焊接、切割、打磨工序作業中，產生了大量的焊接煙塵等對人體健康有害的污染物質。以人為本，如何治理焊接煙塵中的污染物質？是一個擺在環保工作者面前亟待解決的難題，長沙凱天環保科技有限公司自1998年開始與德國、法國合作，將歐洲的空氣凈化技術與國內工程相結合，引進、吸收、開發了：整體廠房焊接煙塵治理技術，等離子及激光切割煙塵凈化成套設備，濾筒式和濾管式凈化器，打磨拋光凈化工作臺及配套粉塵捕捉元件、過濾元件、吸氣臂，在焊接煙塵治理工程中，取得了可喜的成果。產品已成功應用在鐵道、軍工、航空及汽車制造等工業領域。
一、焊接煙塵中的有害物質及對人體的危害
有害于健康的氣態和顆粒狀態物質(包含氣體、煙霧、灰塵等)統稱為有害物質。由焊接及相關工藝過程中產生的有害物質的存在形式有氣態和顆粒狀態兩種，顆粒狀態物質以微小的固體顆粒彌散在空氣中，根據尺寸大小對焊接及相關工藝過程中產生的懸浮顆粒的分類見表1。
有害物質焊接煙塵是在焊接、切割及相關工藝過程中產生的，取決于采取的焊接形式以及所用的焊接材料，是一種可吸入的空氣污染物質，懸浮在空氣中的顆粒非常小，一般其尺寸＜1mm。根據對某廠地鐵車體廠房鋁合金焊接煙塵的測定：粒徑0.1～0.28mm占到總量的79%（＜0.1mm 占11%，0.1 ～ 0.2mm占 43%，0.24 ～ 0.28mm占 25%），因此是“可呼吸的”，并稱之為焊接煙霧。
焊接及相關工藝過程產生焊接煙霧中的有害物質：有毒的氣態有害物質如一氧化碳、臭氧、氧化氮、光氣及金屬氧化物，以煙塵形式存在于空氣中的銅、鋁和鋅等；顆粒狀有害物質如鐵的氧化物、氧化鋁、氧化錳、氟化物、鋇化物、六價鉻化物、氧化鎳、氧化鎘、氧化鉻及二氧化釷等；致癌物質如鎳的氧化物、鉻氧化物等；還有放射性物質。這些有毒、有害、致癌物質對人體的作用見表2、表3。
二、整體廠房焊接煙塵治理技術
焊接過程會產生氣態和顆粒狀有害物質。有害物質總是以混合物的形式出現，是一種氣溶膠，密度比空氣小，焊接、切割還產生大量的熱量。加上太陽輻射熱和工藝設備的發熱量，一般設置機械通風和空調，鋁合金焊接還需控制相對濕度＜65%。
如何將焊接煙塵治理和通風空調相結合？分層送風技術提供了理想的解決方案。
1．焊接煙塵的過濾與排放
（1）焊接煙塵的治理 金屬焊接產生的懸浮在空氣中的顆粒非常小，是“可呼吸”的，并稱其為焊接煙霧。這種焊接煙霧中含有氣態和顆粒狀態對人體有害的污染物質。治理的目的：一是使室內有害污染物的濃度小于強制性標準和《工作場所有害因素職業接觸界限值》所規定的車間空氣中焊接煙塵衛生標準（電焊煙塵高允許濃度為6mg/m3，鋁合金焊接煙塵為4mg/m3 ）；二是排向大氣的污染物濃度達到環保要求。
由于焊煙的塵埃粒徑微小，一般的過濾材質無法過濾焊接煙塵，應采用聚四氟乙烯覆膜濾筒式過濾器，采用集中式整體煙塵處理設備，脈沖反吹清灰，確保過濾精度。其工作過程如圖1所示。
（2）高效覆膜聚酯濾筒的性能特點 聚四氟乙烯（PTFE）覆膜聚酯濾材是一種高科技產品，它的微孔結構可在特殊條件下經機械拉伸得到，而絲毫未改變其原有特性。微孔過濾覆膜孔徑可控制在0.2～0.3mm，過濾方法屬于膜表面過濾。膜表面光滑又具備的化學穩定性，能抗腐蝕，耐酸堿。不老化又憎水性。在過濾時膜表面截留的粉塵很容易剝落，其通氣量能長時期保持在同一水平上。由于覆膜濾材是用其光滑不粘的表面截留粉塵，利用這一特性即可節約脈沖清灰系統的壓縮空氣量，又可避免煙塵對薄膜基布的磨損，延長了濾筒的使用壽命。同時為設備提供低而平穩的壓降差。
由于覆膜式濾筒面積大，體積小，可降低能量損耗，加大氣流量，延長免保養時間，所以高效覆膜聚酯濾筒是焊接煙塵收集系統的佳選擇。
2. 分層送風的原理及特征
（1）分層送風的原理 分層送風是利用空氣密度差而在室內形成由下而上的通風氣流。新鮮空氣以極低的流速從空氣分布器流出，通常溫度低于室溫2~4℃，送風的密度大于室內空氣的密度。在重力作用下送風下沉到地面并蔓延到全室，地面上形成一薄薄的冷空氣層稱其為空氣湖。空氣湖中的新鮮空氣受熱源上升氣流的卷吸作用，后續新風的推動作用及排風口的抽吸作用而緩慢上升，形成類似活塞流的向上單向流動，因此室內熱濁的空氣被后續的新鮮空氣抬升到車間頂部并被設置在上部的排風口所排出。
（2）分層送風的特征 分層送風是一種垂直置換流動的特殊形式，車間內的熱源（人員、電源、焊接及切割）在置換流的上方形成向上的熱煙羽，由于熱煙羽所引起的垂直流運動要強于置換流，因此，部分空氣會形成回流。但由于該氣流已被加熱，因此不能下降到空氣湖處。由此，分層送風形成了熱力分層現象：靠近地面處為置換流區（空氣的質量近于送風），上方為混合流區。
空氣溫度場和污染物濃度場在這兩個區域有非常明顯的不同特征，下部單向流動區存在一明顯垂直溫度梯度和污染物濃度梯度，室內溫度和污染物濃度會隨著高度的增加而增加。上部紊流混合區、溫度場和濃度場則比較均勻，接近排風的溫度和污染物濃度。由于焊接、切割、人體及電器熱污染源形成的煙羽因密度低于周圍空氣而上升，煙羽沿程不斷卷吸周圍空氣并流向頂部。在穩定狀態時，室內空氣在流態上分成兩個區域，即上部紊流混合區和下部單向流動清潔區。分層送風原理見圖2，分層送風氣流如圖3所示。
3．分層送風與混合通風的比較
傳統的混合通風系統采用稀釋原理，送風口通常安裝在頂部，也可以安裝在側墻，它以極大的推動力將氣流送入室內，然后由于誘導與室內空氣混合，使得風速沿著送風路徑迅速衰減。送風與室內空氣混合得極為充分，從而了除送風口附近外其他區域溫度與污染物濃度都是一致的（混合空氣品質）。混合通風的缺點在于室內空氣品質、空氣流速無法滿足室內舒適性和人體對空氣品質的要求。
而分層送風是采用置換原理，以浮力控制為動力，充分利用氣體熱輕冷重的自然特性和污染物自身的浮力特性（焊接煙塵具有這種特性），是一種垂直置換流動的特殊形式。分層送氣的另一特點是送風口附近風速高，其他地方風速相對很低，原則上分層送風系統室內溫度和污染物濃度會隨著高度的增加而增加，因此排風口應布置在靠近屋頂處。分層送風與混合通風方式的比較見表4。
4．分層送風的突出優點
（1）創造和利用上升氣流，室內空氣溫度和污染物質濃度隨高度上升。
（2）在室內形成空氣湖，在人員停留區域送風空氣品質，排風空氣品質僅出現在頂板附近。
（3）由于送風溫差及送風速度均較低，了無吹風感。
（4）為在工作區域獲得同樣的溫度，分層送風系統所要求的送風溫度高于混合通風，這為一年中更長時間地利用自然通風冷卻提供了可能性，以達到節能的效果。在工業廠房內能以低耗能獲取所要求的停留區空氣品質，相比混合通風可節能20%～30%。
（5）可以對工作區的CO2等污染物進行直接有效的控制，它的通風效能系數大于混合通風，能有效達到改善室內空氣品質的目的。
（6）適用于熱量和污染物同時產生的車間（如焊接車間、裝配車間等）。
5．末端送風裝置——送風筒
分層送風末端送風器十分重要。根據分層送風的原理和特性，工業建筑送風風速v＜0.5m/s，可避免送風速度過大對CO2氣體保護焊接工藝的影響，和對人體造成吹風感。目前選用進口電動送風筒，該送風裝置具備冬夏季節送風方向角度變換的功能，充分利用冷熱空氣密度的不同，有利于氣流組織。在夏季送冷風時，通過內部調節板，使冷空氣向上方送，由于冷空氣的比重大于車間熱空氣的比重，冷空氣落向地面，避免低溫低含濕量（高相對濕度）的送風直接干擾工作區濕度。冬季送熱風時，通過內部調節板使熱空氣向下送，克服因熱空氣比重小而產生浮力的作用，不能送到工作區，并將臟空氣擠向車間上方，真正達到分層送風的目的。電動送風筒送風場景圖和不同季節送風如圖4所示。
6．組合式通風除塵空調機組
組合式除塵空調機組是在組合式空調機組中增加PTFE高效濾筒過濾除塵功能段，回風經高效濾筒過濾段，有效率達99%，再與新風混合后，經冷卻（加熱）處理送入室內。除塵空調機組功能段組合見圖5。
高效濾筒式過濾除塵段，采用脈沖反吹自動清灰方法。無油無水壓縮空氣工作壓力P=0.6MPa。多路電磁閥按設定程序自動對濾筒定期輪流有序進行清灰，以濾筒過濾效率，煙塵經集塵斗落入灰桶內定期傾倒。
由于采用了PTFE高效濾筒式除塵段，所以在確保新風量的前提下，可充分利用回風，在過渡季節，可全新風運行，達到節能的目的。
7．整體廠房焊接煙塵凈化示意圖
（1） 除塵空調送、回風管系統 除塵空調送、回風管系統如圖6所示。
（2） 除塵空調送、回風管剖面 除塵空調送、回風管剖面如圖7所示。
8．整體廠房焊接煙塵治理工程分類
我國幅員遼闊，按照各城市的建筑氣候分區，整體廠房焊接煙塵治理可分以下幾類：
（1）夏熱冬冷地區（南京、上海、株洲、重慶、武漢等地） 該地區夏季供冷冬季供暖，除塵和空調相結合。鋁合金焊接廠房，應以濕度優先，控制相對濕度≤65%。除濕方法以冷凍除濕為主。冬、夏季新風控制在≤20%，過渡季節全新風運行。
（2）夏熱冬暖地區（福州、廈門、廣州、南寧、海口等地） 該地區僅夏季供冷，除塵與空調相結合。冬季全新風運行，鋁合金焊接需除濕。
（3）嚴寒和寒冷地區（哈爾濱、長春、沈陽、北京、西安等地） 該地區僅冬季供暖可采用蒸汽、熱水空氣加熱器，或電加熱。除塵與供暖相結合，夏季全新風運行。鋁合金焊接根據該區域不同氣象條件決定除濕工況。
三、局部焊接煙塵凈化技術
直接針對焊接煙塵生產點進行捕捉、收集、凈化，投資少，凈化效果好。局部焊接煙塵凈化技術主要包括移動式焊接煙塵凈化器，集中式焊接煙塵凈化系統。
1．移動式焊接煙塵凈化器
適用于單雙工位，采用德國進口元件組裝。風量大、噪聲低，吸煙效果好。過濾效率達99.99%，可室內排放。PLC微電腦，自動控制清灰。使用維護方便，可任意移動（如圖8所示），處理風量1200～2400m3/h。
2. 集中式多工位焊接煙塵凈化系統
適用于焊接工位多且相對固定。系統由集中式焊煙凈化器、煙塵輸送管道及伸縮式吸氣臂組成，多工位集凈化設備有濾筒式（見圖10）和濾管式凈化器，前者采用聚酯基料表面覆（PTFE）膜濾筒過濾器；后者采用高效濾管過濾器，凈化效率達99.99%，滿足室內排放標準，微電腦控制脈沖自動清灰。主機處理風量：濾筒式除塵器3000～5000m3/h，濾管式除塵器2000～8000m3/h。
四、新研發動態及發展趨勢
在黨的“以人為本、全面、健康”科學發展觀的指導下，有力地促進了新的環保技術的不斷發展。過濾式除塵設備核心是過濾單元，SINBRAN燒結板是目前的過濾單元。
1．SINBRAN過濾元件
SINBRAN以燒結多孔的聚乙烯材料為基料，并在其表面碾壓PTFE膜的結合物，同時具有膜過濾和剛性機體過濾的特點。堅固的剛性過濾體能承受較高的工作壓力，不需任何骨架支撐，并能受一定的機械沖擊力，反吹時濾板不變形。安裝和更換濾板極為方便。
SINBRAN過濾元件性能特點如下：
（1）粉塵捕集效率高 燒結板過濾元件的捕集效率是由其本身特有的結構和涂層來實現的，通常對0.2mm以上超細粉塵的捕集效率可達99.99%。
（2）壓力損失穩定 由于波浪式燒結板是通過表面的PTFE涂層對粉塵進行捕捉的，其光滑的表面使粉塵很難透過與停留，過濾板母體層中不會發生堵塞現象，阻力損失僅與過濾風速有關，而不會隨時間上升。
（3）清灰效果好 濾片的剛性結構，使得脈沖反吹氣流向空隙噴出時，濾片無變形，表層被氣流托付的粉塵，在瞬間即可被消去。
（4）適用于極細和特殊粉塵 燒結板除塵器對于0.2mm以上細粉塵的捕集效率可達99.99%以上，由于焊接煙塵大部分<1mm，因此，特別適合金屬焊接煙塵的凈化過濾。
（5）使用壽命長 燒結板的剛性結構，消除了纖維織物濾袋因骨架磨損引起的壽命問題，濾片的無故障運行時間長，不需要經常的維護與保養，使用壽命一般在10年以上。
（6）兼容性強 過濾器的結構設計了它們與已有的過濾系統的兼容，適用于現有的過濾系統。
2．KTLG系列濾管式凈化器
（1）工作原理 如圖11所示污濁的空氣通過凈化器吸入口，進入凈化器。首先由導流板改變氣流方向，使氣流向上流動，進入凈化器室體內經過濾管過濾分離（見圖12）。過濾后的干凈空氣通過風機消聲段排出凈化器室體外，完成過濾分離全過程。被分離的粉塵顆粒通過自動清灰裝置吹掃，落入粉塵收集器內。
（2）特點 采用高效濾管過濾；凈化效率達99.99%，滿足室內排放標準；濾管耐破性好，使用壽命長；粉塵不易板結易清理；風阻小，透氣性好，運行成本低；適應于各種干式粉塵及煙塵凈化。
3. 大力推廣燒結板除塵器的應用
燒結板除塵器因其極高的凈化效率，優越的不粘粉塵的表面過濾性能，以及超長的使用壽命，在特定的除塵領域產生了其他布袋、靜電、濕法除塵設備無法替代的作用，它可廣泛用于工業各種超細、微粘性、油性的工業粉塵凈化除塵；超凈空氣凈化系統。電子、醫療、食品、制藥等高潔凈空調送風系統。我公司正進一步加強同國外的合作，降低除塵過濾元件成本，開發大風量濾管式凈化器，滿足不同凈化除塵領域的需求。使這種捕集微塵效率高，體積小，維護保養方便，使用壽命長的除塵設備，在改善勞動條件和環境保護中，發揮有益的作用。
（20060718）
表2 有毒的氣態有害物質作用 有害物質作 用有毒
物質HCN阻礙了血的載氧能力
中毒
呼吸停頓CO阻礙了血的載氧能力
頭痛
中毒
呼吸停頓
后失去知覺COCL2
NO2對粘膜的刺激
刺激性氣體中毒
遲發性肺水腫（危及生命）TDI對呼吸道有強烈的刺激作用（支氣管氣喘病）CH2O對粘膜具有強烈的刺激作用
引起呼吸道的發炎并可引起癌變O3對粘膜的刺激
急性刺激氣體中毒
肺水腫
有致癌的可能致癌
表3 顆粒狀有害物質的作用有害物質作用
對肺壓迫氧化鋁 灰塵在肺中沉積，鋁土病
鐵的氧化物 灰塵在肺中沉積，鐵質沉積病
氧化鉀 灰塵在肺中沉積
氧化鈉 灰塵在肺中沉積
二氧化鈦 灰塵在肺中沉積
鋇化物
（可溶性） 惡心，人體組織缺鉀
氧化鉛 惡心，消化不良，對神經和腎臟的損害
氟化物 刺激性粘膜，損害神經系統
錳的氧化物 刺激性粘膜，損害神經系統
五氧化釩 對眼睛和呼吸道有刺激作用，損害肺功能
氧化銅、
氧化鋅 金屬煙霧中毒性“發熱”
氧化鈹 金屬煙霧中毒性“發熱慢性肺炎”
氧化鎘 對粘膜有強烈的刺激，肺水腫
六價鉻化物 對粘膜有強烈的刺激，對呼吸系統致癌
氧化鈷 損害呼吸系統
氧化鎳 對呼吸道有致癌作用
二氧化釷 放射性物質，對支氣管和肺的輻射會導
致癌癥
有毒物質致癌物質
放射性
表4 分層送風與混合通風方式的比較
項目 混合通風 分層送風
目標 全室溫濕度均勻 工作區舒適性
動力 流體動力控制 浮力控制
機理 氣流強烈參混 氣流擴散浮力提升
措施1 大溫差、高風速 小溫差、低風速
措施2 上送下回 下側送上回
措施3 風口紊流系數大 送風紊流小
措施4 風口參混性好 風口擴散性好
流態 回流區為紊流區 送風區為層流區
分布 上下均勻 溫度、濃度分層
效果1 消除全室負荷 消除工作區負荷
效果2 空氣品質接近于回風 空氣品質接近于送風
徐文漢，男，1945年12月生，總工程師，暖通工程師。
葉明強，男，1966年 1 月生，總經理，焊接碩士研究生。
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