3种焊接废气治理技术

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焊接废气治理新技术

1. 焊接烟尘的危害

焊接烟尘中的主要有害物质为Fe2O3、SiO2、MnO及HF等，其中含量最多的是Fe2O3，一般占烟尘总量的35.56%，其次是SiO2占10%～20%，MnO占5%～20%。焊接烟气中有毒有害气体的成分主要为CO、CO2、O3、NOX及CH4等，其中以CO所占的比例最大。

焊接产生的烟尘中，有很多金属和非金属微粒会对呼吸道产生刺激，使呼吸的人感到不适，严重的时候会产生焊烟中毒。重金属微粒吸入肺中，会有微量沉淀，时间久了积累到了一定的量，易得矽肺病。

2. 常规焊接烟尘治理方法

（1）厂房整体通风抽排法

侧面吹风、上方抽风把含尘空气吹到厂房顶端，用风机把含尘空气抽排出去，如图1所示。

采用这种方法可以降低车间内的烟尘浓度，对排烟有一定效果。

特点：

①投资较大，运行成本高。

②造成不必要的气流及紊流影响工作质量。

③部分改善操作者附近的环境却让周围环境更差。

④对厂房空调系统影响很大，冬天车间会特别冷。

⑤含尘空气悬浮在空气中的高度随季节变化比较大。

⑥适用于大多数工厂及气候变化不大的地区。

（2）工位上方吸风罩在焊接工位的上方加上抽吸罩，可以做成移动的或者固定的两种方式。

在没有侧风的影响下，可控并能捕捉到烟尘，如图2所示。

特点：

①能起到通风换气的作用。

②由于每个罩子下方需要形成一定的风速，所以需要的风量较大。

③风量大需要的过滤器也大，成本高且不便安装，管道也比较粗。

④烟尘在上升过程中仍经过操作者的呼吸区。

⑤适用场合：可以适用于工件比较小且工位相对固定的焊接区域，如焊接工件较大则要做成移动的。

3. 焊接烟尘源头治理新理念应用

通过对现有焊接烟尘治理方法的对比，从前期投资、运行成本、除尘效果等方面进行了综合分析。最终这种新的环保焊枪源头除尘方法被应用到车间的焊接作业中。

（1）使用方法焊接时把原有的普通焊枪换成环保焊枪（吸烟焊枪），如图3所示。另外用软管和镀锌钢管连接到高负压的主机上面即可，如图4所示。

（2）功能分析

①除尘系统与焊枪一体，吸烟口在焊枪前端，永远跟随着焊烟源移动。

②发烟点及时抽排，减少了对人体的危害。

③抽吸效果不受温度、湿度的影响，受侧风影响也非常小。

④低空气流量，降低了总体能耗，冬天减少了换气量，节约了补充热空气的成本。

⑤方便灵活，易于安装和移动。

⑥主机过滤器对焊烟中的粉尘具有过滤作用，减少对空气的污染。

⑦需要购置专门的环保吸烟焊枪，焊枪与原有焊枪有一些区别，需要工人及相关人员对之有适应过程。

⑧适用场合：各种气体保护焊焊接领域。

（3）工作原理系统由真空

主机（含过滤器及控制系统）及管道、真空阀门、软管及焊枪五个主要部分组成，当有任一台焊机开始工作时，真空阀门通过其固定在焊机上的感应装置感应到信号，启动高真空阀门，阀门上的感应开关同时传信号给主机，实现远程启动；

在主机负压的作用下焊接产生的烟尘被极高的风速带到焊枪的风管内，然后通过软管阀门管道，通过可以防火花的旋风分离器对大的焊渣、火花进行预分离，然后到达主机，主机过滤器的一级预分离功能再次对含尘空气中的火花及大型颗粒进行一次预分离，然后细微的粉尘附着到过滤器上。

当过滤器上的灰尘过多，需要清理时，主机的控制系统实现对过滤器的全自动清灰，把灰尘吹落到灰尘袋中，当袋中的灰尘过多时，主机报警，然后人工停掉主机，倒掉灰尘即可。

主机在运行过程中，若某台焊机停止工作，相对应的阀门也随之延时10s关闭，达到节能的效果，当所有工人停止工作时，主机接收不到焊机的信号，主机就处于待机状态，一直到有焊机重新启动时，主机重新开始工作。

（4）主机功能系统主机具有过载保护，手动或者自动（远程）启动功能。风量过小时，补偿阀补偿空气功能，满足主机最小运行风量要求200m3/h。全自动定时清灰功能：灰桶内具有压力平衡器，保持灰袋两端压力平衡。

满灰报警功能：当灰桶内的灰尘超过设定值时，过滤器会发出警报，提示灰桶满灰了。变频器+PLC控制软启动，保护电动机不受损害，延长电动机寿命，能耗随使用点多少变化而变化。

压差报警功能：出厂设定好滤芯需要更换时的压差，当滤芯两端的压差超过设定值时，系统会报警，提示该更换滤筒了。

温控报警功能：温控及报警器安装在滤筒的上方，当过滤器内超过一定温度时，报警器会发出警报，并且自动停机。主机为变频器控制恒压运行，工作压力可以调节，使用的工作点越少，主机功率越低，使用点越多，主机功率越大。

（5）节能效果吸烟焊枪除

尘系统的主机运行功率是随着工作焊枪的数量减少而降低的。例如主机型号为：MK－V30的最大功率为30kW，可以满足40个焊点同时工作，但当同时工作的焊点数量减少时，主机的功率也随着降低，最低时可以降到8~10kW。

焊点数量的多少可以通过焊枪开关处的感应系统来控制，当一个焊枪焊接结束时，松开焊枪开关后，进行10s的延时吸烟后，通过感应系统，就可以停止此焊枪的烟尘抽排，来降低主机的运行功率，从而降低耗电量。

4. 结语

环保焊枪除尘系统已经运行一年多的时间，除尘效果得到焊接操作者的认可。不仅有效排除了车间的焊接烟尘，保护操作者身心健康，而且节能效果显著，与常规除尘方式相比可节能约20%。

    高大厂房焊接烟尘的治理一直是一个技术难题，通过分层送风技术可以有效地解决焊接烟尘的污染问题。

焊接烟尘的治理是一项国际性技术难题，其困难主要表现在以下几个方面：

1.焊接烟尘粒径小，其粒径在0.01~5μm，滤除困难；

2.焊接工位的多变性，使得焊接烟尘捕捉困难；

3.焊接烟尘热气流滞留特性，普通通风技术除尘困难；

4.焊烟除尘设备投资大，运行费用高，投入困难。

     欧洲自20世纪20年代开始对焊接烟尘的危害进行研究，并立法对焊接烟尘进行治理。国内近10年来，已有越来越多的企业应用了焊烟治理设备，生产环境正得到逐步改善。但依然有很多焊接车间未采取任何治理措施，图1为某焊接车间的状况，污染十分严重，极大危害了员工的身体健康。

图1

     目前，对于焊接烟尘的治理普遍采用劳动保护方法和局部治理方法。

     劳动保护方案是通过配备吸尘面罩的形式来保护劳动者健康，该方法保护对象局限于焊接工人，整个车间环境无法改善。

     局部除尘方案是直接针对焊接烟尘高浓度排放区域进行治理。局部除尘设备由两部分组成：烟尘捕捉部分与烟尘过滤部分。局部除尘方法可以有效阻止无组织气流在空间内带动污染物扩散，并且消耗的空气量较少。对于焊接车间，有固定工作台的手工焊接，局部排风罩能将焊接烟尘基本上抽走，采用局部通风方式能够取得较好的治理效果。投资少、效果显著。但受现场布局、操作者习惯和设备运动空间限制大。

     整体厂房焊接烟尘治理始于20世纪90年代的北欧，并在欧美国家得到快速推广，是焊接烟尘治理最有效的手段。

高大焊接厂房特征

高大焊接厂房具有以下共同特征：

1.跨距大，厂房高。跨距通常有18m、24m，甚至达30m，厂房高度通常高于10m，甚至达30m。

2.焊接工位多，焊接工件大，条形焊缝、环形焊缝多且长， 焊接烟尘量大。

3.辅助设备占用空间大，各种管线布满车间。

4.厂房内安装有天车，也有厂房装有双层天车，用于搬运物件。

5.春秋和夏季通常通过开门、开窗方式来排除焊接烟尘。北方地区车间送暖气，车间相对封闭。

高大厂房焊接烟尘治理要解决的主要问题

1.室内烟尘浓度过高对人体健康带来的危害

焊接烟气中的烟尘是一种十分复杂的物质，已在烟尘中发现的元素多达20种以上。

碳钢CO2/MAG焊过程中的有害烟尘主要有Fe2O3、SiO2、MnO等，铝合金MIG焊接过程中的主要烟尘成分为Al2O3颗粒，焊接过程中还会产生一些有害气体，如臭氧、氮氧化物、一氧化碳、氟化物及氯化物等。

工人长期在焊接烟尘环境下作业，如果没有适当的保护措施，将导致各种职业病，如尘肺、骨软化症、贫血症等。有害气体也会造成肺水肿、支气管炎、急性哮喘症、神经衰弱症及慢性呼吸道炎症等。

为此，国家对作业环境下污染物的浓度标准有一个严格的限制，在标准GBZ2-2002中规定了车间能综合粉尘浓度≤6mg/m3。

2.直接外排造成二次污染的问题

把焊接烟尘排至室外也许是焊接烟尘最简单的处理方法。但这种方法只是把污染物从室内转移到室外，并没有对烟尘进行治理，其结果是对环境造成二次污染。GB16297-1996《大气污染物综合排放标准》中，规定了各种污染物排放浓度的标准。

3.直接排放造成的室内温度上升/下降、能量损失的问题

在有空调或供热的车间，如果采用直排方式，在冬季势必将室内的热量连同污染物一起排至室外，其结果是室内热能的大量损失。

4.焊接工艺要求

传统的混合送风的方式来排除焊接烟尘，其风量大、和风速高，对于CO2气体保护焊来说，当保护气体周围风速超过1m/s时，会吹走保护气体，从而影响焊接质量。

5.提高生产效率。

采用局部除尘时，操作工人经常需要移动吸气臂，以达到最有效的烟尘捕着效果，这样势必大大影响焊接工作效率。

高大厂房焊接烟尘治理方案

1.分层送风原理

与传统的混合送风治理焊接烟尘不同，本方案采用分层送风技术对焊接烟尘进行治理。

图2  分层送风原理图

其原理如图2所示。

在有热源的车间，由于在高度上具有稳定的温度梯度，如果以较低的风速（v＜0.2~0.5m/s），较大的风量，将送风温差较小（Δt=2~4℃）的新鲜空气直接送入室内工作区，低温的新风在重力作用下先是下沉，随后慢慢扩散，在地面上形成一层薄薄的空气层。而室内热源产生的热气流，由于浮力作用而上升，并不断卷吸周围空气。这样，由于热气流上升时的卷吸作用，后续新风的推动作用和抽风口的抽吸作用，地板上方的新鲜空气缓缓向上移动，形成类似于向上的均匀流的流动，于是工作区的污浊空气被后续的新风所取代。当达到稳定时，室内空气在温度、浓度上便形成两个区域：上部混合区和下部单向流动的清洁区。

2.分层送风除尘系统组成

分层送风除尘系统主要由3大部分组成，即空气处理机组（含高效率筒除尘），送回风管系统、送风末端装置——送风筒以及控制系统（如图3）。

图3

根据焊接工艺特征和除尘要求，除尘系统的空气处理部分有以下几种形式可供选择：

（1）对铝合金焊接厂房，对车间内湿度有严格要求，可以配备制冷机组，通过冷冻除湿使室内湿度满足要求。

（2）对一般碳钢焊接厂房，可以在空气处理机组内安装直接喷淋式制冷装置来减低车间温度，该方法投资少，效果显著。

（3）对北方冬季气温较低、车间有供暖设施的地区，在空气处理机组内设置新风加热器，使送入车间的新风不至于因温度太低而影响车间温度。

3.分层送风除尘系统的运行流程

车间内污染空气经回风机吸入到空气处理机组，经过滤筒式高效过滤器，将焊接烟尘滤除，再送入车间内（如图4）。为了保证车间内空气品质，需要补充一定量的新风进入车间，空气处理机组上设有新风调节阀，用于调节新风量。

图4 空气处理机组

在冬季，控制20%新风量，新风与来自车间的80%的回风（20%的回风通过排风阀排至车间外）混合，再经过新风加热器后送至车间内，这样，避免污染物直接排放造成车间内的热能损失。

在春秋过渡季节，新风量取100%，利用全新风来带走车间内热负荷，污染空气100%排至车间外，既保证了舒适的温度，也保证了良好的空气品质。

4.关键部件

（1）送风筒

送风筒是实现分层送风的关键部件，它送风量大，送风速度低，送风距离远。较低的送风速度确保不会吹散气体保护焊的保护气体，从而保证了焊接质量。送风筒内装有调节阀，可根据车间内外温度、车间要求的温湿度及污染物的分布来调节送风方向，使之满足在任何送风温度下，均能实现推动焊接烟尘向车间移动。

（2） 滤筒

采用高效过滤筒作为过滤元件，该过滤筒选用的滤材不同于一般传统的滤材，其表面附有一层聚四氟乙烯薄膜。其极小的筛孔可阻挡大部分亚微米尘粒；亚微米尘粒在滤材的表面聚集并形成可渗透的挡尘饼，大部分尘粒被阻挡在滤材外表面而不能进入滤材内部，在压缩空气的吹扫下能及时有效地被清除。该滤材具有相当高的过滤效率，较传统滤材至少提高3~5倍以上；且使用寿命较传统滤材提高2倍以上。

（3）控制软件

为达到良好的分层送风除尘效果，系统内配有专有的控制软件，结合当地全年气象参数，实时采集处理车间内温湿度，控制送风筒的送风方向、新风量、制冷量、加热量，使系统保持在最佳节能运行状态。

分层送风治理焊接烟尘的优势

与局部焊接烟尘除尘设备相比，与传统的混合送风除尘系统相比，采用分层送风技术治理焊接烟尘有以下几大优势：

1.因为烟尘的收集不是直接针对产烟部位，所以除尘系统不受焊接工件大小的影响、不受焊接工位变化的影响；

2.采用高效过滤器，过滤精度完全达到室内排放标准，有效改善工作区域环境；

3.彻底解决烟尘净化问题，不会对大气造成二次污染；

4.所需风量只是传统混合送风形式的一半，运行能耗大幅度降低；

5.因烟尘进行过滤后能达到室内排放标准，室内空气可以循环，避免直排造成室内冷量/热量能源的浪费；

6.除尘系统不受操作者使用习惯的影响，操作者在工作的过程中没有受到除尘系统的任何干扰，能极大地提高生产效率。

来源：焊接设备

车间大环境治理：水平环状旋流气涡法

焊烟刚产生时温度在80度左右，在热空气和重力的均衡作用下，烟尘一般上升并悬浮在 4～8 米的厂房上空。我们利用这一特性，将净化设备安装于烟尘悬浮层，形成水平环状旋流气涡流层，保证焊烟浓度最高的空气层不断被扰动循环，以持续进入净化设备内进行收集处理。

工艺流程图

将净化设备安装于厂房两侧现有的支柱上，做到不影响工件摆放，不影响保护气体对焊接过程的保护，不影响工件及其它设备的移动，不影响管线布置，不影响现有的作业习惯。

车间大环境治理：吹吸式水平流治理法

在厂房一侧墙面布置轴流风机，将焊烟吹向另一侧墙面的负压收集口。当厂房跨度较大时，也可在中间跨布置接力诱导风机。产生焊烟的源头应尽量布置在下风侧。

在上升热气流与横向气流共同作用下，焊烟按一定倾角做上升运动，负压收集口的布置区域应在合适高度的基础上稍作扩展，通常为离地3.5-8.5m的空间，以确保上升中及被吹送至收集口的焊烟被尽可能得捕集。

经捕集和处理后的洁净空气可通过布风管路直排在室内，为焊烟气流上升提供外部动力，形成完美的气流组织。

工艺流程图

局部治理：半开放式工作站

根据焊机集中布置的特点，将两至四台焊机构建成一个独立的半封闭工作间，利用焊烟悬浮特点，将焊接烟尘收集至净化设备中，净化后的气体通过送风管路排至工作间，形成组织气流，既节省空间，又达到高效净化效率。

工艺流程图

局部治理：双模式治理法

为了保证净化效果，我们设计了双模式治理法。

在焊烟产生源头设有外接吸风口，产生的焊烟会迅速通过高负压吸入净化设备内进行处理；在净化设备的一端配有捕风屏，将残余的焊烟吸入净化设备中，达到双重净化的目的，净化后气体直接排放到车间内，减少热损失。

备注：可迪尔生产的捕风屏，经研发设计，可高效捕捉逸散的焊烟。

局部治理：排风管收集治理法

将可迪尔净化设备安装于现有排风管道的后端，焊烟通过风道进入净化设备，净化后气体直接排放厂房内。

备注：未安装排风管道的，可迪尔可设计安装。

工艺流程图

自动清洗

为了便于清洗净化设备，我们设计了自动清洗系统，多台净化设备共用一台清洗车，通过自动控制系统实现自动定时清洗功能。清洗时，无需连接复杂管路，无需打开净化设备主体，只需在自控器上设定清洗时间，启动水泵开关即可。利用净化设备自带风机进行风干，更加节能。

工艺流程图

验收情况

经第三方检测，安装可迪尔焊烟净化设备后，工作区域内焊烟浓度均低于国家GBZ 2.1 2007 《工作场所有害因素职业接触限值》中4mg/ｍ３的标准值。

来源：废气工程师cadair百度文库等

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