機加工大氣污染防治有效途徑的探索和實踐

文_呂澤瑜 蔣彬 呂竹明 北京市科學技術研究院資源環境研究所

機加工過程的大氣污染物主要包括金屬粉塵、油霧顆粒和揮發性有機物（VOCs）?，F有企業機加工以濕式加工為主，主要污染物為油霧顆粒。我國尚無國家或行業層面針對油霧顆粒的排放濃度限值要求。在一些地方標準中，如上海市發布的《大氣污染綜合排放標準》（DB31/933—2015）、山東省發布的《鋼鐵工業大氣污染物排放標準》（DB37/990—2019）、河南省發布的《鋼鐵工業大氣污染物排放標準》（DB41-1954-2020）等，均提出了針對油霧顆粒排放的限值要求。以上標準中，針對企業的類型不同，排放限值要求差異也較大，分別為5mg/m3、20mg/m3和20mg/m3。目前，企業對油霧顆粒進行監測時，以測定顆粒物或非甲烷總烴等污染指標來進行表征。

1 機加工大氣污染帶來的環境和健康問題

機加工大氣污染物被認為與多種職業病有關。包括了導致呼吸系統疾病，如哮喘、肺炎、過敏性皮膚病和惡性腫瘤等。Costellos S等跟蹤隨訪了1941-2015年美國暴露在金屬加工液使用環境中的汽車生產工人的癌癥死亡率，結果表明金屬加工液的使用會增加皮膚癌、女性乳腺癌、胃癌等的患病風險。劉明等通過研究了變速箱生產企業不同類型金屬加工液的使用情景，結果顯示，礦物油霧的有害影響最大。由此可見，對機加工廢氣進行有效的管控和處理，非常必要。

2 機加工大氣污染減量可行技術

排污許可管理、行業污染防治技術指南等相關要求中，主要針對金屬粉塵、VOCs提出污染防治要求，對油霧污染關注少。在實際生產，各種污染物協同治理，是最為有效合理的做法。

2.1 金屬加工液的性能改良

從源頭上減少油霧的產生，可添加抗霧添加劑，降低油霧顆粒產生的可能性，抗霧劑種類包括聚甲基丙烯酸酯、聚異丁烯等。

近年來，低油霧金屬切削液、防銹油等產品，在我國的使用量逐漸增加，原料廠家對產品性能進行改進，市場上出現了多種低油霧型金屬加工液。

添加劑或者改良劑的添加，金屬加工液的加工性能可有效改變，但是對這些物質的有毒有害、化學穩定性、生物可降解性等，也需進行考量，做到性能改良的同時，不增加環境和健康風險，不增加加工液分解反應的可能。

2.2 綠色金屬加工液的研發

按照生產過程，國內一般分為油基金屬加工液和水性金屬加工液，油基金屬加工液以100%的礦物油為基礎，水性切削液則以礦物油或動植物油為基礎油，加入其它添加劑配置而成。基礎油含量不同，金屬加工液所呈現出來的狀態也不同，大致可分為乳化金屬加工液和半合成金屬加工液，另外還可以完全不使用基礎油直接由各種添加劑合成金屬加工液。水基的環保型金屬加工液的研究是當前綠色金屬加工液研究的重點，其中又以生物基金屬加工液為主。

由于良好的生物可降解性，生物基金屬加工液是機加工行業可持續發展的有效藥方。許多研究表明，以生物油為基礎的金屬加工液可以作為一種清潔原料，結合微量潤滑技術，可以滿足機加工生產可持續發展的要求。生物基金屬加工液的潤滑和冷卻性能，可通過添加劑類別和投加比例調整進行改善，進而合成適用于不同工件和刀具設備的加工液。生物基礎油的種類可一般包括菜籽油、橄欖油、玉米油、南瓜籽油、棕櫚油、大豆油等。

2.3 金屬加工工藝優化

金屬加工技術可以分為干式、半干式和濕式切削加工技術，其中的干式切削技術可完全避免金屬加工液的使用，從源頭上杜絕油霧顆粒的形成，然而干式切削技術會帶來切削道具的較大磨損，另外也會導致切削溫度的居高不下，不適用于中等速度或高速運轉情況下難加工金屬的切削，適用范圍受限。濕法加工技術即使用金屬加工液作為潤滑劑，從而減少加工器具和待加工工件間的摩擦和熱力性能，獲得加工精度符合生產要求的工件的加工過程。

為了在切削液的減量的同時保證切削潤滑效果，可使用的先進加工工藝包括微量潤滑技術、霧化冷卻技術、低溫冷風冷卻技術、液氮冷卻技術、氣體射流技術等，但每種技術都有各自的優缺點，廣泛使用還任重道遠詳見表1。這些技術多從提高機加工的冷卻潤滑效率方面考慮，有些技術如MQL何霧化冷卻等技術從某種程度上還增加了油霧的產生可能，在使用時需要同時考慮金屬加工液投加準確度、場所密閉性等因素的影響。

表1 新型綠色切削技術對比

為提高金屬綠色加工技術適用性，許多學者進行了深入研究。例如，設計開發了靜電微量潤滑試驗裝置，并用這個裝置進行難加工材料的加工，結果表明靜電微量潤滑技術，可改善切削界面的潤滑和冷卻效果，降低切削過程的摩擦力和切削熱，改善工件加工性能；進行MQL冷卻介質精準噴淋系統的研制及噴射系統的優化，實現MQL潤滑過程中的冷卻區域自動精準定位，使微量潤滑技術有效優化；研究低溫冷卻技術切削鋁鎂合金，對液氮低溫冷卻技術在鋁鎂合金加工上的應用進行實驗分析，探索其影響規律。

2.4 機加工廢氣末端治理可行技術

機加工廢氣的末端處理技術主要包括提高工位的密閉性、收集效率、及油霧處理器進行油霧的回收利用等。濕法或半干法加工廢氣污染物以油霧顆粒為主，其中的金屬粉塵可經金屬過濾網等預處理后再進行油霧顆粒和VOCs的去除，也可將粉塵、VOCs在油霧分離過程中協同去除。

油霧凈化器可分為過濾、催化劑凈化、吸附劑吸附、利用慣性進行分離、靜電沉積等多種類型。目前使用較多的類型主要為靜電式油霧處理器和過濾式油霧處理器，也有通過上述方法中的改進方法或幾種處理工藝進行組合處理的工藝，選用時需根據機加工油霧的具體類型、生產工藝等選擇最適用的處理方式。例如，通過三級過濾裝置進行車間油霧的處理，處理后機加工車間的空氣質量得到了較大改善，TSP監測濃度值下降了30%。

3 油霧顆粒治理方案實例

3.1 某機加工企業油污顆粒產生現狀

某企業機加工過程中使用了包括切削液、珩磨油等多種金屬加工液，機加工車間現有油霧處理方式為簡單介質吸附后排放。收集效率較低，無組織排放量較大，造成地面、墻壁和生產設備表面均覆蓋油漬，生產環境較差。

如圖1所示，機加工過程的典型工藝可分為粗加工、精加工和后續的清洗工序，在加工過程中根據工件加工需要會加入切削液（精加工段稱為磨削液）、珩磨油，后續水洗過程中加入脫脂劑和防銹劑。本文所述企業的機加工清洗過程為高溫清洗，水溫為60～70℃。在工件粗加工切削、精加工磨削過程中均會產生油霧顆粒，清洗工序的脫脂、防銹、烘干過程也都有油霧逸出，且由于案例中清洗溫度較高，油霧顆粒排放大。

圖1 企業機加工工藝流程圖

3.2 企業油污顆粒治理方案的選擇

3.2.1 原料替代

案例企業對其金屬切削液進行水性替代，替代后的產品加工性能滿足生產需求。切削液替代前后使用量變化不大，但水性切削液不再屬于有毒有害物質，環境和健康風險大大降低。

3.2.2 生產過程工藝改進和控制優化

為了從源頭上減少切削液或珩磨油的使用，安裝切削液或珩磨油噴淋措施，通過PID控制設計，噴淋投加裝置與磨削機床電機聯動，保證金屬加工液的精確適量添加。

企業原流程分為粗磨、半精磨、精磨過程，調整優化后實現半精磨工藝的整體取消，減少金屬加工液使用。

經統計，如表2對比所示，工藝改進后減少切削液使用量約17.24%、珩磨油使用量約9.89%，則最終減少了油霧顆粒產生量合計5631.47kg。

表2 案例企業原料替代前后油霧產生量對比

3.2.3 廢氣收集和末端治理設施優化

半封閉集氣罩改為工位基本全密封，只保留送料和檢修口，并且與抽氣風機相連接，抽氣風機與加工起床設置PID自動控制聯動裝置，工件進入加工區域后，對應工位抽氣風機開啟，將密閉空間內產生的廢氣收集送入后續治理設施。由于加工過程與抽氣過程同步，在保證產生的廢氣被及時收集處理的同時，也避免了集氣系統空轉帶來的能量損失。與此同時，為保證車間的生產環境，新風送風系統在生產時間段連續開啟，進一步加強車間內新鮮空氣和污染空氣的交換過程。

后續的末端治理設施，增加慣性式和過濾式相結合的油霧分離器，即德國的Filtermist離心式油霧處理器。每年每臺油霧處理器可收集乳化液約790kg，年收集2.76t左右，油霧收集率約為99%。

4 結論和建議

4.1 結論

通過改造，企業可以提升清潔生產水平，減少了大氣污染物排放，說明采用的技術在本行業具有比較好的適用性和推廣價值。

4.2 建議

4.2.1 完善標準

包括排放標準、監測標準、清潔生產標準、技術指南、排污許可等方面；機加工行業油霧顆粒排放的大氣污染重視不夠。《金屬切削機床油霧濃度測量方法》（GB/T23574-2009），規定了油霧濃度的測定方法。但行業的大氣污染物排放標準中并未對油霧顆粒濃度限值作出規定，實際生產中企業多以顆粒物濃度和非甲烷總烴等檢測指標來表征油霧顆粒濃度大小，存在一定偏差。

4.2.2 加強監測

一個是加強外排口的監測，另一個是加強室內職業健康監測（特別是針對有毒有害成分）。生態環境部2020年發布《固定污染源廢氣 油煙和油霧的測定 紅外分光光度法》（HJ 1077-2019）為外排口油霧濃度測定提供了統一的測定方法，這為機加工外排口油霧濃度的跟蹤監測提供了保障。

4.2.3 促進綠色技術推廣

機加工過程油霧顆?？梢酝ㄟ^原料替換、生產過程控制、末端等多種方式進行防治。不同的生產企業，需要對自身實際情況進行深入分析，尋求適用的污染防治技術方案。多數企業對的油霧處理屬于被動末端治理，油霧收集的過程也并未嚴格區分油霧類別，而是統一收集后將獲得的乳化液體作為危險廢棄物進行處理。油霧實現分類收集，分類回用，將是機加工綠色制造的一個重要研究方向。