文_呂澤瑜 蔣彬 呂竹明 北京市科學(xué)技術(shù)研究院資源環(huán)境研究所

機(jī)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(fā)性有機(jī)物（VOCs）?，F(xiàn)有企業(yè)機(jī)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(yè)層面針對油霧顆粒的排放濃度限值要求。在一些地方標(biāo)準(zhǔn)中，如上海市發(fā)布的《大氣污染綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB31/933—2015）、山東省發(fā)布的《鋼鐵工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB37/990—2019）、河南省發(fā)布的《鋼鐵工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB41-1954-2020）等，均提出了針對油霧顆粒排放的限值要求。以上標(biāo)準(zhǔn)中，針對企業(yè)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(yè)對油霧顆粒進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，以測定顆粒物或非甲烷總烴等污染指標(biāo)來進(jìn)行表征。

1 機(jī)加工大氣污染帶來的環(huán)境和健康問題

機(jī)加工大氣污染物被認(rèn)為與多種職業(yè)病有關(guān)。包括了導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)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(huán)境中的汽車生產(chǎn)工人的癌癥死亡率，結(jié)果表明金屬加工液的使用會(huì)增加皮膚癌、女性乳腺癌、胃癌等的患病風(fēng)險(xiǎn)。劉明等通過研究了變速箱生產(chǎn)企業(yè)不同類型金屬加工液的使用情景，結(jié)果顯示，礦物油霧的有害影響最大。由此可見，對機(jī)加工廢氣進(jìn)行有效的管控和處理，非常必要。

2 機(jī)加工大氣污染減量可行技術(shù)

排污許可管理、行業(yè)污染防治技術(shù)指南等相關(guān)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(guān)注少。在實(shí)際生產(chǎn)，各種污染物協(xié)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(chǎn)生，可添加抗霧添加劑，降低油霧顆粒產(chǎn)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(chǎn)品，在我國的使用量逐漸增加，原料廠家對產(chǎn)品性能進(jìn)行改進(jìn)，市場上出現(xiàn)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(zhì)的有毒有害、化學(xué)穩(wěn)定性、生物可降解性等，也需進(jìn)行考量，做到性能改良的同時(shí)，不增加環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)，不增加加工液分解反應(yīng)的可能。

2.2 綠色金屬加工液的研發(fā)

按照生產(chǎn)過程，國內(nèi)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(chǔ)，水性切削液則以礦物油或動(dòng)植物油為基礎(chǔ)油，加入其它添加劑配置而成?；A(chǔ)油含量不同，金屬加工液所呈現(xiàn)出來的狀態(tài)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(chǔ)油直接由各種添加劑合成金屬加工液。水基的環(huán)保型金屬加工液的研究是當(dāng)前綠色金屬加工液研究的重點(diǎn)，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(jī)加工行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的有效藥方。許多研究表明，以生物油為基礎(chǔ)的金屬加工液可以作為一種清潔原料，結(jié)合微量潤滑技術(shù)，可以滿足機(jī)加工生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)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(diào)整進(jìn)行改善，進(jìn)而合成適用于不同工件和刀具設(shè)備的加工液。生物基礎(chǔ)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(yōu)化

金屬加工技術(shù)可以分為干式、半干式和濕式切削加工技術(shù)，其中的干式切削技術(shù)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(shù)會(huì)帶來切削道具的較大磨損，另外也會(huì)導(dǎo)致切削溫度的居高不下，不適用于中等速度或高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下難加工金屬的切削，適用范圍受限。濕法加工技術(shù)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(chǎn)要求的工件的加工過程。

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

表1 新型綠色切削技術(shù)對比

為提高金屬綠色加工技術(shù)適用性，許多學(xué)者進(jìn)行了深入研究。例如，設(shè)計(jì)開發(fā)了靜電微量潤滑試驗(yàn)裝置，并用這個(gè)裝置進(jìn)行難加工材料的加工，結(jié)果表明靜電微量潤滑技術(shù)，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(jìn)行MQL冷卻介質(zhì)精準(zhǔn)噴淋系統(tǒng)的研制及噴射系統(tǒng)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)MQL潤滑過程中的冷卻區(qū)域自動(dòng)精準(zhǔn)定位，使微量潤滑技術(shù)有效優(yōu)化；研究低溫冷卻技術(shù)切削鋁鎂合金，對液氮低溫冷卻技術(shù)在鋁鎂合金加工上的應(yīng)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，探索其影響規(guī)律。

2.4 機(jī)加工廢氣末端治理可行技術(shù)

機(jī)加工廢氣的末端處理技術(shù)主要包括提高工位的密閉性、收集效率、及油霧處理器進(jìn)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(jīng)金屬過濾網(wǎng)等預(yù)處理后再進(jìn)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(xié)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(jìn)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(jìn)方法或幾種處理工藝進(jìn)行組合處理的工藝，選用時(shí)需根據(jù)機(jī)加工油霧的具體類型、生產(chǎn)工藝等選擇最適用的處理方式。例如，通過三級過濾裝置進(jìn)行車間油霧的處理，處理后機(jī)加工車間的空氣質(zhì)量得到了較大改善，TSP監(jiān)測濃度值下降了30%。

3 油霧顆粒治理方案實(shí)例

3.1 某機(jī)加工企業(yè)油污顆粒產(chǎn)生現(xiàn)狀

某企業(yè)機(jī)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(jī)加工車間現(xiàn)有油霧處理方式為簡單介質(zhì)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(chǎn)設(shè)備表面均覆蓋油漬，生產(chǎn)環(huán)境較差。

如圖1所示，機(jī)加工過程的典型工藝可分為粗加工、精加工和后續(xù)的清洗工序，在加工過程中根據(jù)工件加工需要會(huì)加入切削液（精加工段稱為磨削液）、珩磨油，后續(xù)水洗過程中加入脫脂劑和防銹劑。本文所述企業(yè)的機(jī)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(huì)產(chǎn)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(yè)機(jī)加工工藝流程圖

3.2 企業(yè)油污顆粒治理方案的選擇

3.2.1 原料替代

案例企業(yè)對其金屬切削液進(jìn)行水性替代，替代后的產(chǎn)品加工性能滿足生產(chǎn)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(zhì)，環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

3.2.2 生產(chǎn)過程工藝改進(jìn)和控制優(yōu)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(shè)計(jì)，噴淋投加裝置與磨削機(jī)床電機(jī)聯(lián)動(dòng)，保證金屬加工液的精確適量添加。

企業(yè)原流程分為粗磨、半精磨、精磨過程，調(diào)整優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)半精磨工藝的整體取消，減少金屬加工液使用。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，如表2對比所示，工藝改進(jìn)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(chǎn)生量合計(jì)5631.47kg。

表2 案例企業(yè)原料替代前后油霧產(chǎn)生量對比

3.2.3 廢氣收集和末端治理設(shè)施優(yōu)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(fēng)機(jī)相連接，抽氣風(fēng)機(jī)與加工起床設(shè)置PID自動(dòng)控制聯(lián)動(dòng)裝置，工件進(jìn)入加工區(qū)域后，對應(yīng)工位抽氣風(fēng)機(jī)開啟，將密閉空間內(nèi)產(chǎn)生的廢氣收集送入后續(xù)治理設(shè)施。由于加工過程與抽氣過程同步，在保證產(chǎn)生的廢氣被及時(shí)收集處理的同時(shí)，也避免了集氣系統(tǒng)空轉(zhuǎn)帶來的能量損失。與此同時(shí)，為保證車間的生產(chǎn)環(huán)境，新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)在生產(chǎn)時(shí)間段連續(xù)開啟，進(jìn)一步加強(qiáng)車間內(nèi)新鮮空氣和污染空氣的交換過程。

后續(xù)的末端治理設(shè)施，增加慣性式和過濾式相結(jié)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(jié)論和建議

4.1 結(jié)論

通過改造，企業(yè)可以提升清潔生產(chǎn)水平，減少了大氣污染物排放，說明采用的技術(shù)在本行業(yè)具有比較好的適用性和推廣價(jià)值。

4.2 建議

4.2.1 完善標(biāo)準(zhǔn)

包括排放標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)、清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)指南、排污許可等方面；機(jī)加工行業(yè)油霧顆粒排放的大氣污染重視不夠?！督饘偾邢鳈C(jī)床油霧濃度測量方法》（GB/T23574-2009），規(guī)定了油霧濃度的測定方法。但行業(yè)的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中并未對油霧顆粒濃度限值作出規(guī)定，實(shí)際生產(chǎn)中企業(yè)多以顆粒物濃度和非甲烷總烴等檢測指標(biāo)來表征油霧顆粒濃度大小，存在一定偏差。

4.2.2 加強(qiáng)監(jiān)測

一個(gè)是加強(qiáng)外排口的監(jiān)測，另一個(gè)是加強(qiáng)室內(nèi)職業(yè)健康監(jiān)測（特別是針對有毒有害成分）。生態(tài)環(huán)境部2020年發(fā)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(tǒng)一的測定方法，這為機(jī)加工外排口油霧濃度的跟蹤監(jiān)測提供了保障。

4.2.3 促進(jìn)綠色技術(shù)推廣

機(jī)加工過程油霧顆粒可以通過原料替換、生產(chǎn)過程控制、末端等多種方式進(jìn)行防治。不同的生產(chǎn)企業(yè)，需要對自身實(shí)際情況進(jìn)行深入分析，尋求適用的污染防治技術(shù)方案。多數(shù)企業(yè)對的油霧處理屬于被動(dòng)末端治理，油霧收集的過程也并未嚴(yán)格區(qū)分油霧類別，而是統(tǒng)一收集后將獲得的乳化液體作為危險(xiǎn)廢棄物進(jìn)行處理。油霧實(shí)現(xiàn)分類收集，分類回用，將是機(jī)加工綠色制造的一個(gè)重要研究方向。