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金属热切割中的烟雾控制

作者:广州新瑞环保     来源:www.xinruiep.com     发布时间:2018-04-24 13:07:52

过去十年来,制造商在自动化切割解决方案方面进行了大量投资,因为制造商一直致力于提高产品质量,提高产量并提供灵活性以满足市场需求。许多公司已经投资数控金属切割设备,包括热切割台,以满足这些需求。随着这些机器的技术开发和切割速度的提高,对有效的空气污染控制系统的需求也越来越强烈,这些系统能够捕捉相关的烟雾和烟雾。本文重点介绍为今天的热切割机提供有效和安全的排烟系统的关键要素。

金属热切割

金属热切割是一个已经存在了几十年的行业,但随着技术进步和行业要求、推动公司更快更经济地运营,金属热切割经历了显着的扩张。存在几种常见的热切割工艺,包括氧气切割、等离子切割和激光切割,大多数现代机器采用等离子或激光技术。市场条件和客户需求推动了行业吞吐量的增加,而创新和设备改进增加了功能,提高了可靠性,并扩大了可热切割的材料类型。这些变化提高了性能预期,并称为烟气控制系统的挑战。

金属热切割工艺

设计合适的空气污染控制解决方案首先要对工艺进行彻底的了解。

热切割中使用的三种主要工艺是氧气切割(氧乙炔)、等离子切割和激光切割。氧气燃料切割是金属切割中最古老也是最常见的技术,但它正逐渐被等离子体和激光技术所取代,这些技术提供了更高的性能。

等离子切割利用由电弧和惰性气体流形成的高速等离子气体射流产生极高温度(高达50,000°F),从而熔化目标材料。气体射流也迫使熔融金属从融化的金属表面移走。激光切割利用高强度光束来熔化或汽化材料,并可能引入气体喷射,从而吹走熔化的材料。 (见图1)

激光切割作业

图1:激光金属切割工艺的一个例子。激光和等离子技术提供更高的性能,但仍会产生烟雾。

在切割点产生烟气,以及切割产生的熔融金属渣。在某些情况下,一个三至六英寸的箱子坐落在切割过程的正下方,以捕获并立即熄灭熔融材料并减少产生的烟雾和烟气。

烟气特性

热金属切割的烟气产生率随工艺参数(如切割速率,总切割时间和材料厚度)而变化。烟气主要由切割贱金属产生的金属氧化物组成。此外,切割消耗品、表面涂层、以及在大气中存在的任何其他污染物也将是烟雾成分的一部分。这些污染物很多都是危险的,并且具有职业安全与健康管理局(OSHA)1规定的允许暴露限值(PEL)1。在切割诸如不锈钢、镀锌钢、铝或高锰含量金属的材料时产生的烟雾特别危险。 (见图2)

常见的热切割污染物与OSHA允许的暴露极限(PELs)

图2:常见的热切割污染物与OSHA允许的暴露极限(PELs)

热切割产生的烟气具有大的粒度分布,但大部分是亚微米(小于1μm),多达60%小于0.4μm。在这个尺寸范围内的颗粒物对人类是可吸入的,并且对暴露者的健康构成重大风险。小粒径分布也使得这些烟雾对于有效收集构成了挑战。

切割前清洁基体金属上的任何油脂、灰尘或污垢可减少烟气产生率。若金属表面有油热切割时就会被雾化,产生碳氢化合物,这会抑制除尘器的性能,导致额外的设备和运行成本。镀锌、镀铅或镀镉的镀层金属也会导致较高的有毒烟雾产生率。

捕捉烟雾

从源头捕获热生成的烟雾是控制和收集它们的最佳方法。然而,由于交叉气流或其他工厂气流,高切削温度引起的烟气热升高或切割台的不同设计,对捕捉烟雾都具有挑战性。在某些装置上,刀具是静止的,金属是移动的,而在其他装置上,刀具是移动的,材料是静止的。基础材料的大小以及切割器移动的速度使源捕获进一步复杂化。所有这些因素使得在大多数应用中切割工作台的源头捕获是都变得不太理想。

由于在等离子和激光切割中使用的气体射流将熔渣和大部分产生的烟气推向被切割材料的下面,因此将材料下面直接封闭对于控制和捕获这些烟雾是必不可少的。一旦封闭了这个空间,抽取点就会根据需要进行定位,并在可能的位置沿着切割工作台的最长边进行定位。

计算所需的空气量以捕获特定切割工作台的烟雾需要知道工作台的开放区域的典型数量和目标速度。在许多情况下,金属材料尺寸将小于工作表面,这会留下烟雾逸出的空间。克服这个问题需要在典型的开放区域内平均每分钟150-200英尺的速度。

等离子和激光切割都会导致非常高的温度,这会使抽取的气流温度过高。这种热量可能是安全威胁,需要在除尘设备中使用合成过滤介质,如纺粘聚酯或Nomex®。处理高温气流的更经济的解决方案是使用环境空气来稀释从切割台中抽取的热空气。混合空气以保持气流温度低于180°F将避免任何潜在的问题。

确定合适的除尘器和过滤介质

用于捕集热切割产生的烟雾的除尘系统必须能够有效地收集亚微米颗粒(小于1μm),因此过滤介质必须正确选型。 ASHRAE最低效率报告值(MERV)可用于确定过滤器效率和在给定尺寸范围内收集颗粒物的能力。图3显示了各种常见污染物(包括等离子体和激光切割烟雾)的粒度范围,以及用于确定MERV等级的粒度范围的平均去除效率。如图表所示,为了有效去除等离子和激光切割颗粒所需的更高效率,需要具有更高MERV等级的过滤器。

过滤器捕获常见污染物的效率等级

图3:过滤器捕获常见污染物的效率等级

选择具有表面负载特性的过滤介质对于热应用也很重要。小颗粒通常会滞留在过滤器的孔隙中,而较厚且效率较低的深度加载介质会阻塞,导致压力下降并增加维持气流所需的能量(风机的能耗增加)。表面加载技术,如纳米纤维(图4),可在过滤介质基材表面提供细纤维屏障,以收集颗粒并限制颗粒在基材内的滞留。使用具有这种表面负载能力的纳米纤维过滤器不仅可以降低操作压降并增加容尘量,而且还可以提高大多数除尘系统中使用的反向喷射脉冲清洁系统的有效性。高效率和表面负荷的结合导致更长久的过滤器寿命、更低的排放和更低的能耗,从而降低运营成本。

放大600倍的ProTura®专有纳米纤维表面负载技术

图4:放大600倍的ProTura®专有纳米纤维表面负载技术

根据基于吸尘罩设计的总气流要求和任何其他的空气来源(例如渗入)来适当地确定除尘器的尺寸。目标过滤速度或用于热切割应用的气流量与过滤面积的比率范围在每分钟1至3英尺之间。工艺因素(如基材、切割速度、装载条件和工作周期)也会影响最终选择。

使用除尘器在金属切割过程中具有一些固有的安全风险(如火灾),这些风险需要通过系统的设计和配置来解决。由于在切割过程中产生的火花和熔融金属,易收集到易燃灰尘,因此所有燃烧必需成分:氧气、可燃物和点火源都存在。

适当的管道系统设计提供了重要的第一个安全步骤,允许捕获的颗粒具有足够的运输速度。这确保了速度不会太高以免熔融金属或大颗粒也被传输。集成火花捕集器可以帮助在火星进入除尘器之前分离或熄灭火花。大多数火花捕集器利用火花质量的动量将其与气流分开。一些更常见的装置是落料箱、离心分离器、旋风分离器和淬灭器。

某些预防措施可以帮助减少与除尘器起火有关的损害。除尘器可以配备洒水喷头或灭火系统。请咨询消防专家,确保灭火剂与收集的粉尘相匹配。除尘器也可以配备阻燃过滤介质的过滤器。虽然这种介质不会阻止火灾发生,但它的设计旨在通过减缓火灾蔓延来阻止燃烧。

除了具有燃烧风险外,热切割过程中产生的烟雾和粉尘也可能带来爆炸风险。风险是否存在或其严重程度取决于基础材料和应用特性。美国国家消防协会(NFPA)的法规就如何在发生爆炸时安全设计和维护粉尘收集系统提供指导。最初的步骤是分析收集到的粉尘并确定是否需要防爆。如果是这样,最好的做法是在室外安装除尘器,最大限度地减少与爆炸相关的风险。该装置应配备防爆面板或化学抑制系统。 此外,应根据需要隔离进口和出口管道,以降低传播和二次爆炸的风险。

总结

为了有效地收集热金属切割设备产生的烟雾,需要空气污染控制系统达到最佳性能。评估该系统以确保捕获、运输和收集颗粒物的安全和正确性将使灰尘收集设备达到最佳性能,并为工人提供更安全的环境。请咨询我们的粉尘收集专家来审查和了解这些系统的要求,并规定一个安全,高效,成功的解决方案。




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