集中油霧收集處理系統在機械加工車間的應用

蔣林艷，覃紅林，張秀萍，曾桂蓮

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

集中油霧收集處理系統在機械加工車間的應用

蔣林艷，覃紅林，張秀萍，曾桂蓮

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

為改善某發動機工廠機械加工車間員工的作業環境，提高車間內空氣質量，預防其對員工造成的職業傷害，通過對生產現場實際情況的合理布局與設備管道的安裝，采用集中油霧收集處理系統對機械加工車間里的油霧進行凈化與控制，有效地控制與減少了車間內的油霧濃度。實際應用效果檢驗表明：采用集中油霧收集處理系統對工作場所的空氣進行收集、凈化后，整個機械加工車間內的空氣質量在滿足NIOSH提出的金屬加工切削液油霧濃度控制限值0.5 mg/m3的前提下，PM2.5濃度同比上年同期平均降低了13.3%，TSP濃度最高下降幅度達24%；特別地，實際經過改造的兩個局部區域空氣質量得到較大改善，其中TSP濃度降低30%以上，而PM2.5濃度在兩個局部區域的平均降幅均超過60%。

油霧；集中油霧收集處理系統；PM2.5；TSP

在金屬機械加工過程中，為了有效地潤滑、冷卻和清洗刀具及加工件，需使用切削液，但由于切削液在使用中需要經歷泵循環、噴霧、射流與高速旋轉的刀具激烈撞擊和高溫蒸發等過程，因此會在空氣中形成大量油霧[1-3]。由于油霧產生的方式不同，其顆粒直徑范圍也有較大區別。一般情況下，機械激烈撞擊過程產生的油霧主要以液滴形態存在，且液滴直徑范圍較寬，通常為2～10 μm；而受熱高溫蒸發產生的油霧會在冷凝過程中形成直徑更為細小的冷凝懸浮體，粒徑通常在2 μm以下。研究表明，機械加工車間里工作環境空氣中油霧粒徑的最大分布區為1 μm，對磨削加工機床周圍油霧粒徑的測試結果表明95%的液滴直徑小于3 μm[4-6]。

切削液大量受熱蒸發使機械加工車間空氣中的總烴含量比油霧測試值大得多，但是醫學研究證明，油蒸汽和大顆粒液滴對人體肺部的危害相對較小，以油蒸汽形態存在的油霧被吸入肺部又被呼出，它們并不會被肺泡捕獲，粒徑10 μm以上的顆粒油滴無法通過鼻腔和支氣管進入肺部；而只有以液滴形式存在且直徑小于5 μm的油霧顆粒才能順利到達肺泡，并在肺部沉淀，可導致良性的呼吸系統疾病(包括哮喘、肺炎等)，從而對人體造成危害[7-9]。事實上，直徑小于或等于2.5 μm的顆粒物即PM2.5，已被科學證實對人體健康和環境質量都會產生巨大危害。隨著我國PM2.5污染問題日益凸顯以及公眾環境意識的增強，人們對PM2.5的關注也越來越多。為此，我國新修訂的《環境空氣質量標準》已將PM2.5納入強制性污染物監測范圍，并將在2016年1月1日起在全國實施。然而，機械加工車間內油霧成分復雜，難以用某種單一指標衡量，且目前國內尚無相關法規對其濃度做出明確要求[10-11]。機械加工車間里存在的油霧除了會危害工人的身心健康外，還可能導致火災事故。在油霧控制不佳的車間內，其墻壁、屋架及設備表面等均覆蓋著一層油漬，形成表面的可燃材料，一旦遇到火源，極易引發火災；而且，生產工人在有油霧的地面上滑倒的可能性亦會增加；此外，車間油霧還會影響設備設施的正常運行，如果油漬附著在設備和電子元件的表面，會導致設備設施故障增多，降低其使用壽命，也給保潔工作帶來沉重的負擔[12-14]。因此，控制車間里空氣中的油霧濃度，具有十分重要的意義。

過去，通常是通過安裝排風扇、在機床周圍設置防護罩等方法來控制車間里空氣中的油霧濃度；目前，大多在金屬切削加工機床、清洗機等設備上設置過濾裝置來去除油霧，如靜電式過濾和多層合成纖維過濾。前者單純采用排風扇及防護罩，雖然措施簡單，但大量油霧會從室內移至室外，對環境造成危害，加之如果使用不具抗霧特性的金屬切削液，車間的油霧量仍然難以達到美國國家職業安全與健康協會(National Institute of Occupational Safety and Health,NIOSH)提出的金屬加工切削液油霧濃度控制限值0.5 mg/m3的標準；與前者相比，后者處理效果較好，不足之處是靜電式過濾裝置故障率較高，清理難度大，且多層合成纖維過濾的濾材消耗量較大，成本較高[15-17]。為此，本文以某發動機工廠為例，在控制機械加工車間油霧濃度滿足NIOSH標準的基礎上，類比我國新的《環境空氣質量標準》要求，參考PM2.5監測標準，經對廠房結構及管道布局的分析與研究，采用集中油霧收集處理系統對機械加工車間里的油霧進行凈化與控制，以有效預防車間內由油霧引起的職業危害。

1 集中油霧收集處理技術方案

1.1 某發動機工廠概況

某發動機工廠占地面積40 000 m2，一期產能設計規劃為發動機年產35萬臺，隨著市場需求的持續增長，工廠進行了二、三期產能提升改造。二、三期產能改造是在未新建主廠房的情況下，對車間主廠房進行工藝布局調整，實現了89萬臺/年的產能提升。隨著設備密度的增大，車間廠房里的油霧濃度也隨之上升。為了防止工廠機械加工車間內油霧濃度超出年度計劃0.4 mg/m3的指標，保證員工的職業健康安全，工廠結合二、三期發動機缸體/缸蓋加工中心100臺數控機床(Computer Numerical Control，CNC)的布局調整，進行了集中油霧收集處理的改造，即從不同加工工位或加工中心抽出來的污染空氣，統一通過一套管道集中收集，并輸送到主機一并處理，再將處理達標后的干凈空氣排回車間內。

1.2 集中油霧收集處理系統的主要設備

1.2.1 凈化設備及其過濾原理

針對生產現場實際情況，考慮到乳濁液的煙霧中含有液滴，有一定的重量，要求吸力較大，加之存在著一定的煙霧和油霧，且煙霧都是在微米級以下，很容易造成煙霧嵌入濾芯，致使濾芯堵塞，因此在設計中根據污染物的性質選擇專用乳濁液凈化設備即過濾器進行處理。過濾器采用室內安裝形式，特別適用于機械加工中心的乳濁液/油霧分離凈化。另外，由于機械加工車間需常年恒溫，因此采用將凈化后的切削液油霧直接向車間內排放的方案，這樣可避免將大量冷暖氣因排出室外而造成的電力損失。過濾器采用三級過濾，具體過濾原理見圖1。其中，第一級與第二級過濾由油霧/乳濁液過濾器處理，通過兩級過濾濾芯，可以將各機械加工中心和試驗過程使用的乳濁液、礦物油、生物油或者合成油產生的不溶于水的油霧通過機械途徑進行高效率分離，排放濃度可達到0.5 mg/m3以下。其過濾過程為：當含乳濁液氣流到達凈化設備主機時，經過油霧入口處設置的導流風道，含乳濁液氣體流向得以控制，又由于重力慣性，大的液滴在此被分離；含乳化液的氣流由進氣管道導入后，上升先后經過兩層金屬絲網織物過濾，霧沫與絲網細絲相碰撞并附著在細絲表面上，細絲表面上霧沫的擴散與重力沉降，使霧沫形成較大的液滴沿著細絲流至兩根絲的交接點，而細絲的可潤濕性、液體的表面張力以及細絲的毛細管作用，使得液滴越來越大，直到聚集的液滴增大到其自身產生的重力超過氣體的上升力與液體表面張力的合力時，液滴就從細絲上分離下落，即通過濾板的表面阻力、溶液/液滴分子的相融性和擴散性共同的作用，加上濾芯的特殊結構，乳狀液滴被有效地分離，乳濁液過濾器濾芯的過濾機理見表1。經以上兩級過濾后，第三級過濾則采用F9的聚酯材料的濾芯，可達到亞高效的過濾等級，最終達到直接向車間內排放的目的。

如上所述，三級過濾網攔截的顆粒物均吸附在其上面，不影響各級處理的效果，為了防止因吸附的顆粒物過多而造成的過濾網堵塞，工廠將定期對三級過濾網進行更換或清洗。其中，第一級和第二級過濾網每半年由工廠保潔人員進行一次清洗，3～5 a進行更換，更換所需費用約1萬元；第三級過濾網根據目前使用情況，規定每半年更換一次，費用約3 000元。

表1 浮濁液過濾器濾芯的過濾機理

注：dp為空氣動力學直徑。

1.2.2 控制與輔助設備

(1)集中式控制系統。所有系統的除塵風機采用變頻控制，每臺風機對應1臺變頻器。即用1臺可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)通過工廠以太網采集機床的工作狀態，根據機床工作狀態及壓差的變化來實現風機的無級變頻，以達到節約能耗的效果。

(2)風機。為了減小油霧集中收集設備維修維護過程中的備件風險，風機種類不宜多于2種。本次所選用的四級離心風機帶有防倒運轉功能，風機選型時預留10%～15%的余量，風機葉片帶保護功能，而風量則在機器設備除塵凈化吸氣量理論計算基礎上，結合生產實際使用情況以及豐富的經驗加以確定。在生產過程中，主要考慮加工倉門開口大小與時間長短，來適當增加或減少吸氣量。原因是：加工倉門敞口面積較大時，加工倉內難以形成負壓條件，就會導致加工倉門處風速低、油霧溢出等現象，從而造成油霧濃度高。為了防止此種情況的發生，按照過去的成功經驗，需在理論計算的基礎上適當增加吸氣量；反之，若加工倉內負壓較大，則需適當將吸氣量調小，防止大量的切屑液被帶出加工倉，從而避免加工成本的增加。

(3)回液裝置。每臺乳化液分離器配1套回液裝置，乳化液分離器的濾芯利用工廠的乳濁液或自來水清洗，清洗下來的乳濁液回流至工廠的集中過濾處理系統。

1.3 集中油霧收集處理系統的設計方案與實施

本次針對某發動機工廠二、三期發動機缸體/缸蓋加工中心100臺數控機床進行集中油霧處理改造，集中油霧收集處理系統的設置主要根據現場布局情況采取就近原則。其中，缸體加工中心共4臺設備的工藝采用干濕切削混合，比例約1∶1，產生的油霧夾帶較多鐵屑，處理比較困難，為此單獨設立了兩個小單機；其他加工中心機床分東西兩面設置，相應設置了9套集中油霧收集處理子系統。單臺機床油霧收集管道具體安裝方式如圖2所示。

所有的凈化系統是集中式系統，即1臺除塵凈化設備帶著多臺機床設備(見圖3)。其中每臺機床連接到主管道的連接方式皆如圖2所示，即從機床1到機床N都按照圖2的方式與主管道連接。

經過對廠房承重的核算以及整個施工涉及的工期、成本、電控和預防管道堵塞等措施的討論，確定了各個子項目的工程現場實施計劃。其中，集中油霧收集處理系統管道布局采取在廠房現有的縱橫支撐桁架上安裝U型吊架，以完成系統主管道的支撐安裝；結合廠房結構，系統主管道穿過墻面，與統一放置在輔房的主機連接，而凈化設備作為整個系統的核心部件，安裝在主機內；所有油霧收集系統的排風口設置在輔房的屋面，回風管直接穿過墻面進入廠房，在出風口處設計百葉窗，經處理的潔凈回風可以直接回排到車間內。已完成安裝的集中油霧收集處理系統，見圖4。

2 集中油霧收集處理系統在機械加工車間的應用效果檢驗

2.1 環境油霧濃度的檢測設備與方法

該發動機工廠機械加工車間每月都開展一次油霧濃度現場取樣。取樣儀器為美國進口的一款手持式顆粒物監測儀Met One 531，實物如圖5所示。該儀器是一款先進的空氣粒子監測儀器，同時具備測量微粒個數、粒徑和質量的功能，測試數據儲存在儀器的內存中，可通過配套軟件輸出到電腦進行分析，也可以通過精確取樣頭探測，在儀器的LCD顯示屏上直接讀取并記錄數據。

Met One 531空氣粒子監測儀在粒子計數器模式下，可以測量大于或等于0.5～5.0 μm的粒子數量(單位：個/ft3);開啟粉塵儀模式時，操作環境溫度在0～50℃范圍內，利用其精確取樣探頭即可測試PM2.5和TSP(Total Suspended Particulate，總懸浮顆粒物)的濃度，其測試范圍為0～1 mg/m3，取樣時間為2 min。

該發動機工廠機械加工車間里的監測范圍覆蓋缸體、缸蓋、曲軸及裝配線的每個工作場所，在設備和人員分布密集區域，本次共選取54個采樣點，采樣點近似平均分布(見圖6)，每月定期對這些樣點進行數據采集與檢測。

2.2 集中油霧收集處理前后的油霧濃度對比

該發動機工廠集中油霧收集處理改造于2013年初啟動至年底完成，2014年1月全面投入運行。現場可測試到PM2.5和TSP濃度，以TSP作為衡量機械加工車間油霧濃度大小的關鍵指標，同時對能夠直接進入肺泡呼吸系統的PM2.5也進行了測試。工廠車間里每個月的油霧濃度取自當月54個測試點油霧濃度的平均值。其中，油霧濃度最大區域分布在使用金屬切屑液較多的粗加工區域，TSP和PM2.5濃度最大時分別達到0.410 mg/m3和0.232 mg/m3；相應地，最小TSP和PM2.5濃度分別為0.117 mg/m3和0.056 mg/m3，主要分布在金屬切屑液使用較少的精加工區域。此外，選取工廠至今為止在集中油霧收集處理改造前、后同期TSP和PM2.5濃度數據進行對比，即選取2013年1月份至7月份與2014年1月份至7月份的數據進行對比，其TSP和PM2.5濃度變化趨勢見圖7和圖8。

由圖7可知，自2014年1月集中油霧收集處理系統全面投入運行后，機械加工車間里的油霧濃度相比2013年同期逐漸降低，尤其是7月份TSP濃度降幅顯著，車間內油霧濃度在0.15～0.30 mg/m3范圍內，達到NIOSH提出的金屬加工切削液油霧控制限值0.5 mg/m3的標準。另一方面，按照PM2.5監測網最新標準，由圖8可知，雖然集中油霧收集處理后車間內PM2.5多數時間仍處于輕度污染，但其濃度明顯下降，且趨于更加良好。

另外，本次單獨對機械加工車間內經過改造的缸體M3(CBM3)和缸蓋M4(CHM4)兩個加工中心區域集中油霧收集處理前、后TSP和PM2.5濃度的檢測數據進行了對比，兩個局部區域處理前后TSP和PM2.57個月的油霧濃度平均值見表2。

表2 局部區域集中油霧收集處理前后7個月的油霧濃度平均值對比

由表2可以看出：在CBM3區域，PM2.5濃度的最低值為0.074 mg/m3，車間內空氣質量達到良好水平，且降低幅度高達65.09%，而TSP濃度最低值也達到0.144 mg/m3，降低幅度達到59.20%；在CHM4區域，PM2.5和TSP的濃度也都得到降低。可見，對機械加工車間內的CNC進行集中油霧收集處理改造后，不僅能使車間內空氣質量整體提升，而且在實際改造的局部區域空氣質量也得到改善，特別是PM2.5濃度的平均降低幅度超過60%。由此可以推斷，若對整個車間的所有CNC進行集中油霧收集處理改造，其效果將會更加明顯。

集中油霧收集處理系統運行后，工廠向進廠2年以上的1 204名員工，針對車間內空氣質量進行了問卷調查，其調查結果見圖9。

由圖9可知，98%的員工表示集中油霧收集處理系統運行后，車間里的環境空氣質量達到優良，只有2%的員工感覺廠內環境不佳。可見，廠內絕大部分員工認可此次改善的效果，表明集中油霧收集處理系統已使車間空氣質量符合絕大多數員工的要求。

3 結論與展望

通過安裝集中油霧收集處理系統對工作場所的空氣凈化后，機械加工車間內的空氣質量在滿足NIOSH提出的金屬加工切削液油霧濃度控制限值0.5 mg/m3的前提下，PM2.5和TSP濃度也得到改善：PM2.5濃度同比上年同期逐漸下降，平均降低13.3%;TSP濃度與PM2.5一致，同比上年同期亦穩定下降，最高下降幅度達24%。此外，員工作業環境的舒適度得到了很大改善，對員工的職業危害相對減少。特別地，單獨以車間內實際經過改造的局部區域空氣質量來進行對比，TSP和PM2.5濃度較改善前同期相比都得到大幅度降低，尤其是PM2.5濃度在兩個局部區域的平均降幅均超過60%。由此可見，集中油霧收集處理系統的應用是一種降低車間油霧濃度的有效方法。

該公司借鑒此發動機工廠的空氣凈化經驗，在建設新工廠時，從建設項目設計階段就確定其作為職業衛生工程的“三同時”要求，成為之后新建工廠環保健康的重要內容。然而從安全系統角度看，消除或替換危害物質是本質安全的根本途徑，選擇少產生或不產生油霧的切削液，則能從源頭上遏制大量油霧的產生。通過類比外界環境對員工的影響，對工廠內PM2.5濃度進行監測顯示，雖改善了員工作業環境，但距離良好的空氣質量還有差距，因此制定關于生產場所油霧控制的職業衛生標準或法規是非常必要的。

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Application of Oil Mist Collection and Treatment System in the Machining Shop

JIANG Linyan,QIN Honglin,ZHANG Xiuping,ZENG Guilian

(SAIC-GM-WulingAutomobileCo.,Ltd.,Liuzhou545007China)

This paper applies the method of centralized oil mist collection and treatment system to improving the air quality of work environment and keeping employees free of the occupational injuries in the machining shop of an engine plant.The study controls and reduces the oil mist volatilized from actual situation in the workshop through rational distribution and installation of equipments and pipes.The test results show that oil mist concentrations and occupational hazards have significantly decreased and the oil mist collection and treatment has greatly improved the workplace for employees after the collection and purification of oil mist.Firstly,the air quality in the workshop is controlled under the premise of 0.5 mg/m3which meets the standard of National Institute of Occupational Safety and Health (NIOSH) for metalworking cutting fluid mist control limits.Secondly,PM2.5concentration decreases by nearly 13.3% than that of the same period of last year,and the peak decrease of TSP concentration reaches 24%.In particular,the air quality in two transformed modules has been greatly improved,that is,TSP concentration decreases by more than 30%,and the average reduction of PM2.5is over 60%.Key words:oil mist；centralized oil mist collection and treatment system；PM2.5;TSP

1671-1556(2015)04-0088-06

2014-11-06

2014-12-17

蔣林艷(1985—)，女，碩士，工程師，主要從事職業健康安全與環保工作。E-mail:linyan.jiang@sgmw.com.cn

X701;X76

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.015