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当前位置：主页 >> 行业新闻 >> 焊接烟尘的净化技术及设备的新研发动态和发展趋势 行业新闻 /News
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| 焊接烟尘的净化技术及设备的新研发动态和发展趋势 | | 发布者：admin 点击：5573 | 〔摘要〕分析了焊接烟尘对人体的危害，列举了不同工况下的焊接烟尘净化技术，特别是分层送风技术在整体厂房焊接烟尘治理工程中的应用。SINBRAN烧结板过滤元件的性能特点，新型除尘器的研发推广。
随着现代工业的发展，焊接新材料的不断出现与应用，焊接及相关工艺过程也在同步飞速发展，促进了人类文明与进步。但在焊接、切割、打磨工序作业中，产生了大量的焊接烟尘等对人体健康有害的污染物质。以人为本，如何治理焊接烟尘中的污染物质？是一个摆在环保工作者面前亟待解决的难题，长沙凯天环保科技有限公司自1998年开始与德国、法国合作，将欧洲的空气净化技术与国内工程相结合，引进、吸收、开发了：整体厂房焊接烟尘治理技术，等离子及激光切割烟尘净化成套设备，滤筒式和滤管式净化器，打磨抛光净化工作台及配套粉尘捕捉元件、过滤元件、吸气臂，在焊接烟尘治理工程中，取得了可喜的成果。产品已成功应用在铁道、军工、航空及汽车制造等工业领域。
一、焊接烟尘中的有害物质及对人体的危害
有害于健康的气态和颗粒状态物质(包含气体、烟雾、灰尘等)统称为有害物质。由焊接及相关工艺过程中产生的有害物质的存在形式有气态和颗粒状态两种，颗粒状态物质以微小的固体颗粒弥散在空气中，根据尺寸大小对焊接及相关工艺过程中产生的悬浮颗粒的分类见表1。
有害物质焊接烟尘是在焊接、切割及相关工艺过程中产生的，取决于采取的焊接形式以及所用的焊接材料，是一种可吸入的空气污染物质，悬浮在空气中的颗粒非常小，一般其尺寸＜1mm。根据对某厂地铁车体厂房铝合金焊接烟尘的测定：粒径0.1～0.28mm占到总量的79%（＜0.1mm 占11%，0.1 ～ 0.2mm占 43%，0.24 ～ 0.28mm占 25%），因此是“可呼吸的”，并称之为焊接烟雾。
焊接及相关工艺过程产生焊接烟雾中的有害物质：有毒的气态有害物质如一氧化碳、臭氧、氧化氮、光气及金属氧化物，以烟尘形式存在于空气中的铜、铝和锌等；颗粒状有害物质如铁的氧化物、氧化铝、氧化锰、氟化物、钡化物、六价铬化物、氧化镍、氧化镉、氧化铬及二氧化钍等；致癌物质如镍的氧化物、铬氧化物等；还有放射性物质。这些有毒、有害、致癌物质对人体的作用见表2、表3。
二、整体厂房焊接烟尘治理技术
焊接过程会产生气态和颗粒状有害物质。有害物质总是以混合物的形式出现，是一种气溶胶，密度比空气小，焊接、切割还产生大量的热量。加上太阳辐射热和工艺设备的发热量，一般设置机械通风和空调，铝合金焊接还需控制相对湿度＜65%。
如何将焊接烟尘治理和通风空调相结合？分层送风技术提供了理想的解决方案。
1．焊接烟尘的过滤与排放
（1）焊接烟尘的治理 金属焊接产生的悬浮在空气中的颗粒非常小，是“可呼吸”的，并称其为焊接烟雾。这种焊接烟雾中含有气态和颗粒状态对人体有害的污染物质。治理的目的：一是使室内有害污染物的浓度小于强制性标准和《工作场所有害因素职业接触界限值》所规定的车间空气中焊接烟尘卫生标准（电焊烟尘高允许浓度为6mg/m3，铝合金焊接烟尘为4mg/m3 ）；二是排向大气的污染物浓度达到环保要求。
由于焊烟的尘埃粒径微小，一般的过滤材质无法过滤焊接烟尘，应采用聚四氟乙烯覆膜滤筒式过滤器，采用集中式整体烟尘处理设备，脉冲反吹清灰，确保过滤精度。其工作过程如图1所示。
（2）高效覆膜聚酯滤筒的性能特点 聚四氟乙烯（PTFE）覆膜聚酯滤材是一种高科技产品，它的微孔结构可在特殊条件下经机械拉伸得到，而丝毫未改变其原有特性。微孔过滤覆膜孔径可控制在0.2～0.3mm，过滤方法属于膜表面过滤。膜表面光滑又具备的化学稳定性，能抗腐蚀，耐酸碱。不老化又憎水性。在过滤时膜表面截留的粉尘很容易剥落，其通气量能长时期保持在同一水平上。由于覆膜滤材是用其光滑不粘的表面截留粉尘，利用这一特性即可节约脉冲清灰系统的压缩空气量，又可避免烟尘对薄膜基布的磨损，延长了滤筒的使用寿命。同时为设备提供低而平稳的压降差。
由于覆膜式滤筒面积大，体积小，可降低能量损耗，加大气流量，延长免保养时间，所以高效覆膜聚酯滤筒是焊接烟尘收集系统的佳选择。
2. 分层送风的原理及特征
（1）分层送风的原理 分层送风是利用空气密度差而在室内形成由下而上的通风气流。新鲜空气以极低的流速从空气分布器流出，通常温度低于室温2~4℃，送风的密度大于室内空气的密度。在重力作用下送风下沉到地面并蔓延到全室，地面上形成一薄薄的冷空气层称其为空气湖。空气湖中的新鲜空气受热源上升气流的卷吸作用，后续新风的推动作用及排风口的抽吸作用而缓慢上升，形成类似活塞流的向上单向流动，因此室内热浊的空气被后续的新鲜空气抬升到车间顶部并被设置在上部的排风口所排出。
（2）分层送风的特征 分层送风是一种垂直置换流动的特殊形式，车间内的热源（人员、电源、焊接及切割）在置换流的上方形成向上的热烟羽，由于热烟羽所引起的垂直流运动要强于置换流，因此，部分空气会形成回流。但由于该气流已被加热，因此不能下降到空气湖处。由此，分层送风形成了热力分层现象：靠近地面处为置换流区（空气的质量近于送风），上方为混合流区。
空气温度场和污染物浓度场在这两个区域有非常明显的不同特征，下部单向流动区存在一明显垂直温度梯度和污染物浓度梯度，室内温度和污染物浓度会随着高度的增加而增加。上部紊流混合区、温度场和浓度场则比较均匀，接近排风的温度和污染物浓度。由于焊接、切割、人体及电器热污染源形成的烟羽因密度低于周围空气而上升，烟羽沿程不断卷吸周围空气并流向顶部。在稳定状态时，室内空气在流态上分成两个区域，即上部紊流混合区和下部单向流动清洁区。分层送风原理见图2，分层送风气流如图3所示。
3．分层送风与混合通风的比较
传统的混合通风系统采用稀释原理，送风口通常安装在顶部，也可以安装在侧墙，它以极大的推动力将气流送入室内，然后由于诱导与室内空气混合，使得风速沿着送风路径迅速衰减。送风与室内空气混合得极为充分，从而了除送风口附近外其他区域温度与污染物浓度都是一致的（混合空气品质）。混合通风的缺点在于室内空气品质、空气流速无法满足室内舒适性和人体对空气品质的要求。
而分层送风是采用置换原理，以浮力控制为动力，充分利用气体热轻冷重的自然特性和污染物自身的浮力特性（焊接烟尘具有这种特性），是一种垂直置换流动的特殊形式。分层送气的另一特点是送风口附近风速高，其他地方风速相对很低，原则上分层送风系统室内温度和污染物浓度会随着高度的增加而增加，因此排风口应布置在靠近屋顶处。分层送风与混合通风方式的比较见表4。
4．分层送风的突出优点
（1）创造和利用上升气流，室内空气温度和污染物质浓度随高度上升。
（2）在室内形成空气湖，在人员停留区域送风空气品质，排风空气品质仅出现在顶板附近。
（3）由于送风温差及送风速度均较低，了无吹风感。
（4）为在工作区域获得同样的温度，分层送风系统所要求的送风温度高于混合通风，这为一年中更长时间地利用自然通风冷却提供了可能性，以达到节能的效果。在工业厂房内能以低耗能获取所要求的停留区空气品质，相比混合通风可节能20%～30%。
（5）可以对工作区的CO2等污染物进行直接有效的控制，它的通风效能系数大于混合通风，能有效达到改善室内空气品质的目的。
（6）适用于热量和污染物同时产生的车间（如焊接车间、装配车间等）。
5．末端送风装置——送风筒
分层送风末端送风器十分重要。根据分层送风的原理和特性，工业建筑送风风速v＜0.5m/s，可避免送风速度过大对CO2气体保护焊接工艺的影响，和对人体造成吹风感。目前选用进口电动送风筒，该送风装置具备冬夏季节送风方向角度变换的功能，充分利用冷热空气密度的不同，有利于气流组织。在夏季送冷风时，通过内部调节板，使冷空气向上方送，由于冷空气的比重大于车间热空气的比重，冷空气落向地面，避免低温低含湿量（高相对湿度）的送风直接干扰工作区湿度。冬季送热风时，通过内部调节板使热空气向下送，克服因热空气比重小而产生浮力的作用，不能送到工作区，并将脏空气挤向车间上方，真正达到分层送风的目的。电动送风筒送风场景图和不同季节送风如图4所示。
6．组合式通风除尘空调机组
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99%，再与新风混合后，经冷却（加热）处理送入室内。除尘空调机组功能段组合见图5。
高效滤筒式过滤除尘段，采用脉冲反吹自动清灰方法。无油无水压缩空气工作压力P=0.6MPa。多路电磁阀按设定程序自动对滤筒定期轮流有序进行清灰，以滤筒过滤效率，烟尘经集尘斗落入灰桶内定期倾倒。
由于采用了PTFE高效滤筒式除尘段，所以在确保新风量的前提下，可充分利用回风，在过渡季节，可全新风运行，达到节能的目的。
7．整体厂房焊接烟尘净化示意图
（1） 除尘空调送、回风管系统 除尘空调送、回风管系统如图6所示。
（2） 除尘空调送、回风管剖面 除尘空调送、回风管剖面如图7所示。
8．整体厂房焊接烟尘治理工程分类
我国幅员辽阔，按照各城市的建筑气候分区，整体厂房焊接烟尘治理可分以下几类：
（1）夏热冬冷地区（南京、上海、株洲、重庆、武汉等地） 该地区夏季供冷冬季供暖，除尘和空调相结合。铝合金焊接厂房，应以湿度优先，控制相对湿度≤65%。除湿方法以冷冻除湿为主。冬、夏季新风控制在≤20%，过渡季节全新风运行。
（2）夏热冬暖地区（福州、厦门、广州、南宁、海口等地） 该地区仅夏季供冷，除尘与空调相结合。冬季全新风运行，铝合金焊接需除湿。
（3）严寒和寒冷地区（哈尔滨、长春、沈阳、北京、西安等地） 该地区仅冬季供暖可采用蒸汽、热水空气加热器，或电加热。除尘与供暖相结合，夏季全新风运行。铝合金焊接根据该区域不同气象条件决定除湿工况。
三、局部焊接烟尘净化技术
直接针对焊接烟尘生产点进行捕捉、收集、净化，投资少，净化效果好。局部焊接烟尘净化技术主要包括移动式焊接烟尘净化器，集中式焊接烟尘净化系统。
1．移动式焊接烟尘净化器
适用于单双工位，采用德国进口元件组装。风量大、噪声低，吸烟效果好。过滤效率达99.99%，可室内排放。PLC微电脑，自动控制清灰。使用维护方便，可任意移动（如图8所示），处理风量1200～2400m3/h。
2. 集中式多工位焊接烟尘净化系统
适用于焊接工位多且相对固定。系统由集中式焊烟净化器、烟尘输送管道及伸缩式吸气臂组成，多工位集净化设备有滤筒式（见图10）和滤管式净化器，前者采用聚酯基料表面覆（PTFE）膜滤筒过滤器；后者采用高效滤管过滤器，净化效率达99.99%，满足室内排放标准，微电脑控制脉冲自动清灰。主机处理风量：滤筒式除尘器3000～5000m3/h，滤管式除尘器2000～8000m3/h。
四、新研发动态及发展趋势
在党的“以人为本、全面、健康”科学发展观的指导下，有力地促进了新的环保技术的不断发展。过滤式除尘设备核心是过滤单元，SINBRAN烧结板是目前的过滤单元。
1．SINBRAN过滤元件
SINBRAN以烧结多孔的聚乙烯材料为基料，并在其表面碾压PTFE膜的结合物，同时具有膜过滤和刚性机体过滤的特点。坚固的刚性过滤体能承受较高的工作压力，不需任何骨架支撑，并能受一定的机械冲击力，反吹时滤板不变形。安装和更换滤板极为方便。
SINBRAN过滤元件性能特点如下：
（1）粉尘捕集效率高 烧结板过滤元件的捕集效率是由其本身特有的结构和涂层来实现的，通常对0.2mm以上超细粉尘的捕集效率可达99.99%。
（2）压力损失稳定 由于波浪式烧结板是通过表面的PTFE涂层对粉尘进行捕捉的，其光滑的表面使粉尘很难透过与停留，过滤板母体层中不会发生堵塞现象，阻力损失仅与过滤风速有关，而不会随时间上升。
（3）清灰效果好 滤片的刚性结构，使得脉冲反吹气流向空隙喷出时，滤片无变形，表层被气流托付的粉尘，在瞬间即可被消去。
（4）适用于极细和特殊粉尘 烧结板除尘器对于0.2mm以上细粉尘的捕集效率可达99.99%以上，由于焊接烟尘大部分<1mm，因此，特别适合金属焊接烟尘的净化过滤。
（5）使用寿命长 烧结板的刚性结构，消除了纤维织物滤袋因骨架磨损引起的寿命问题，滤片的无故障运行时间长，不需要经常的维护与保养，使用寿命一般在10年以上。
（6）兼容性强 过滤器的结构设计了它们与已有的过滤系统的兼容，适用于现有的过滤系统。
2．KTLG系列滤管式净化器
（1）工作原理 如图11所示污浊的空气通过净化器吸入口，进入净化器。首先由导流板改变气流方向，使气流向上流动，进入净化器室体内经过滤管过滤分离（见图12）。过滤后的干净空气通过风机消声段排出净化器室体外，完成过滤分离全过程。被分离的粉尘颗粒通过自动清灰装置吹扫，落入粉尘收集器内。
（2）特点 采用高效滤管过滤；净化效率达99.99%，满足室内排放标准；滤管耐破性好，使用寿命长；粉尘不易板结易清理；风阻小，透气性好，运行成本低；适应于各种干式粉尘及烟尘净化。
3. 大力推广烧结板除尘器的应用
烧结板除尘器因其极高的净化效率，优越的不粘粉尘的表面过滤性能，以及超长的使用寿命，在特定的除尘领域产生了其他布袋、静电、湿法除尘设备无法替代的作用，它可广泛用于工业各种超细、微粘性、油性的工业粉尘净化除尘；超净空气净化系统。电子、医疗、食品、制药等高洁净空调送风系统。我公司正进一步加强同国外的合作，降低除尘过滤元件成本，开发大风量滤管式净化器，满足不同净化除尘领域的需求。使这种捕集微尘效率高，体积小，维护保养方便，使用寿命长的除尘设备，在改善劳动条件和环境保护中，发挥有益的作用。
（20060718）
表2 有毒的气态有害物质作用 有害物质作 用有毒
物质HCN阻碍了血的载氧能力
中毒
呼吸停顿CO阻碍了血的载氧能力
头痛
中毒
呼吸停顿
后失去知觉COCL2
NO2对粘膜的刺激
刺激性气体中毒
迟发性肺水肿（危及生命）TDI对呼吸道有强烈的刺激作用（支气管气喘病）CH2O对粘膜具有强烈的刺激作用
引起呼吸道的发炎并可引起癌变O3对粘膜的刺激
急性刺激气体中毒
肺水肿
有致癌的可能致癌
表3 颗粒状有害物质的作用有害物质作用
对肺压迫氧化铝 灰尘在肺中沉积，铝土病
铁的氧化物 灰尘在肺中沉积，铁质沉积病
氧化钾 灰尘在肺中沉积
氧化钠 灰尘在肺中沉积
二氧化钛 灰尘在肺中沉积
钡化物
（可溶性） 恶心，人体组织缺钾
氧化铅 恶心，消化不良，对神经和肾脏的损害
氟化物 刺激性粘膜，损害神经系统
锰的氧化物 刺激性粘膜，损害神经系统
五氧化钒 对眼睛和呼吸道有刺激作用，损害肺功能
氧化铜、
氧化锌 金属烟雾中毒性“发热”
氧化铍 金属烟雾中毒性“发热慢性肺炎”
氧化镉 对粘膜有强烈的刺激，肺水肿
六价铬化物 对粘膜有强烈的刺激，对呼吸系统致癌
氧化钴 损害呼吸系统
氧化镍 对呼吸道有致癌作用
二氧化钍 放射性物质，对支气管和肺的辐射会导
致癌症
有毒物质致癌物质
放射性
表4 分层送风与混合通风方式的比较
项目 混合通风 分层送风
目标 全室温湿度均匀 工作区舒适性
动力 流体动力控制 浮力控制
机理 气流强烈参混 气流扩散浮力提升
措施1 大温差、高风速 小温差、低风速
措施2 上送下回 下侧送上回
措施3 风口紊流系数大 送风紊流小
措施4 风口参混性好 风口扩散性好
流态 回流区为紊流区 送风区为层流区
分布 上下均匀 温度、浓度分层
效果1 消除全室负荷 消除工作区负荷
效果2 空气品质接近于回风 空气品质接近于送风
徐文汉，男，1945年12月生，总工程师，暖通工程师。
叶明强，男，1966年 1 月生，总经理，焊接硕士研究生。
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