焊接烟尘的污染及净化设备分析

2020-06-08代志刚颜晓飞

环境保护与循环经济 2020年4期

代志刚颜晓飞

（1. 中车长江运输设备集团有限公司，湖北武汉 430212；2. 中车常州车辆有限公司，江苏常州 213011）

1 引言

早期的焊接车间采用全室通风和局部通风来稀释焊接烟尘浓度，对改善操作工人的工作环境具有一定积极作用，但是没有对焊接烟尘采取净化措施，这种焊接烟尘无组织排放对大气环境造成严重污染，显然不符合当前的生态环境保护的要求。针对这一环境热点问题，近年来市面上陆续开发研制出多种类型的焊接烟尘净化设备，为焊接烟尘的治理提供解决方案。

2 焊接烟尘的特点及危害

2.1 焊接烟尘的产生特点

焊接烟尘形成机制是一个过热—蒸发—氧化—凝聚的过程。在5 000 ℃高温电弧的作用下，焊接材料（焊丝、焊条、焊剂等）端部和被焊接材料熔化，形成高温高压蒸汽。蒸汽中混合着液态金属、熔渣、粉尘颗粒。当蒸汽进入四周的空气时，被冷却并氧化，部分凝结成固体微粒，这种由气体和固体微粒组成的混合物就是焊接烟尘。焊接烟尘颗粒由0.1 μm 左右的球状颗粒集聚而成，而且这些球状颗粒物在空气中浮游，常会集聚成互相连锁的树枝状微粒［1］。焊接烟尘具有粒子小、黏性大、温度高和发尘量大的特点［2］。

2.2 焊接烟尘的污染危害

焊接烟尘的化学成分非常复杂，多达20 余种，常见的有Fe，Ca，Mn，Ni，Cu，Cr，F，CO，CO2，NOX，O3，HF，工作现场还存在高频电磁场、射线、电离辐射、噪声等污染因素［3］。焊接工序作业中，无组织排放焊接烟尘不仅污染大气环境，造成PM2.5超标，还对人体的健康产生严重危害。焊接作业人员长期吸入这些有毒、有害的烟尘，极易患上尘肺、锰中毒、电光性眼炎、气管炎、咽炎等职业病。

3 焊接烟尘净化设备

3.1 移动式焊接烟尘净化设备

移动式焊接烟尘净化设备是针对小型工件的焊接和中型工件的局部焊接、切割烟尘处理的一种节能、环保、经济型焊烟净化设备。其采用带刹车的万向脚轮，在不同的工作地点移动更方便、灵活。配有3 m 长、360 °万向旋转悬停吸气臂，可旋转到任意方向对焊接烟尘进行捕捉收集。净化器内部采取3 道防护措施，核心过滤筒的材质为PTFE 覆膜阻燃滤芯，单个滤筒的过滤面积为8～15 m2。当移动净化器使用一段时间后，可采用手动、脉冲式自动清灰。滤芯使用寿命4 000 h，当烟尘处理效率不佳时，要及时更换滤筒。

移动式焊接烟尘净化设备可根据工况需要，设置单臂焊接烟尘净化器、双臂焊接烟尘净化器。单臂的过滤风量为1 000～2 000 m3/h，双臂的过滤风量为2 000～3 000 m3/h，功率为0.75～3 kW。

3.2 固定式焊接烟尘净化设备

固定式焊接烟尘净化设备是针对有固定点的中小型工位的焊接，分为挂壁焊烟净化器、吊顶式焊烟净化器。可采用壁式、立杆、吊顶安装，配有1 个或2个吸气臂，在处理焊接烟尘时，能有效节约占地面积。固定式焊接烟尘净化设备的净化原理、风量、功率与移动式焊接烟尘净化设备类似，仅仅是外观及安装方式不同。

3.3 中央式焊接烟尘净化设备

中央式焊接烟尘净化设备也称集成式焊接烟尘净化设备，是一套通用焊接烟尘收集净化系统，适用于工位固定，工位多、布置集中的情况。在每个工位上安装一个吸气臂或吸气罩，并设置一个风阀。风机安装在中央式除尘器后面，在风机高负压的作用下，焊接烟尘从吸气臂或吸气罩进入中央式除尘器净化主机中，经过三至四级的过滤净化，净化后的空气通过15～20 m 的烟囱排至大气环境中。中央式焊接烟尘净化系统的风机与除尘主机既可设置在室内也可设置在室外。中央式焊接烟尘净化设备的风机功率较大，运行起来有较大噪音，可通过配置消音器降低噪音。

中央式焊接烟尘净化设备的净化工艺流程见图1。

图1 中央式焊接烟尘净化设备的工艺流程

中央式焊接烟尘净化设备的总风量根据工位数量来确定，单个工位风量可参考1 500～3 000 m3/h，系统总风量通常为6 000～95 000 m3/h，电机功率为10～85 kW，滤筒数量为8～96 个。中央式焊接烟尘净化设备可根据实际需要在厂房车间的上部空间架设吸气臂（罩），再通过上部送风主管送至除尘器主机中进行净化处理。采用模块化设计，可配置多台主机进行拼装使用，不占用厂房车间内的使用空间，整体布局美观。

3.4 自循环焊接烟尘净化设备

焊接区域属于有热源的区域，焊接烟尘上升后一般会悬浮在车间3.5~5.0 m 的高度，自循环焊接烟尘净化设备即利用这一原理而设计开发。该设备的进风口设计在设备顶部，高3.5~5.0 m，有利于吸入焊接烟尘、粉尘废气。废气进入设备后，先经过预处理系统，该系统可分离废气中的大颗粒粉尘，对于粒径≥50 μm 的粉尘颗粒的分离效率可达到80%，另外也起到隔绝火星的作用。废气通过预处理系统后进入净化室，净化室内配置高效过滤滤筒。过滤后的洁净低速气流通过侧面出风口送入车间再循环，过滤后的粉尘颗粒通过自动反吹系统落入设备底部的集灰箱内。

自循环焊接烟尘净化设备适用于大型、重型和异型工件的焊接。无吸风臂（罩），无送回风管道，安装方便，只需连入电源和压缩空气管，可以摆放在厂房内任意区域。净化后的风采用360 °低速送风，焊接区域不会产生空气干扰。

3.5 机器人焊接净化设备

机器人焊接净化设备根据具体需要配置不同类型的焊枪吸口，它将焊接与净化结合，实现不同条件的工位焊接作业，节省人力，降低工作量。在环缝焊、直缝焊方面具有良好的应用。

机器人焊接净化设备由焊接装置和烟尘收集管、净化主机组成。小型机器人焊烟净化主机具有两级过滤器：一级为大颗粒火星过滤，二级为细小粉尘的过滤（微孔覆膜聚酯阻燃型滤筒），烟尘的过滤效率可达99%，在源头阻断焊烟的扩散，净化空气。

3.6 焊烟除尘除湿空调组合净化设备

焊接工艺对环境湿度有一定要求，如铝合金焊接相对湿度应小于70%，再加上焊接车间温度较高，因此将除尘与空调设备结合起来，既能净化焊烟又能改善工作场所的环境温度和湿度，是较为理想的解决方案。该净化系统每小时处理风量从几万到几十万立方米，根据焊接使用空间进行组合设计。

整体厂房除尘空调工程主要由冷（热）源、组合式除尘空调机组、送回风管道系统（包括电动送风筒）、电气动力和自动控制系统组成。其中最为核心的工段——组合式除尘空调机组是在组合式空调机组中增加PTFE 高效滤筒过滤除尘功能段。回风经高效滤筒过滤段，有效率达90%，再与新风混合后，经冷却（加热）处理送入室内。末端送风装置采用电动送风筒，冬夏季节送风方向角度可自动调节，实现分层送风，避免送风速度过大对CO2气体保护焊接工艺产生不良影响，操作环境更加舒适。该项净化技术已发展10 多年，在多家铝合金焊接厂房得到应用。