Obróbka na mokro: Kontrola jakości powietrza poprzez skuteczne odprowadzanie dymu

Nick Welter, menedżer okręgowy Donaldson Torit

Usuwanie mgły jest kluczowym środkiem zapewniania jakości powietrza w przemyśle metalowym. Procesy obróbki na mokro mogą powodować powstawanie kropelek mgły lub ciekłego dymu, który należy usuwać ze względu na ochronę środowiska, zdrowia i bezpieczeństwa. Ciekły dym jest najtrudniejszym do wychwycenia produktem ubocznym obróbki na mokro. W tym artykule omówiony zostanie dym i sposoby jego usuwania.

Definicja dymu

Dym jest zwykle uważany za ciemną chmurę unoszącą się nad ogniskiem, zapalonym papierosem lub stopionym metalem. Rodzaj dymu podczas obróbki na mokro zazwyczaj poważnie się różni. Na potrzeby tego artykułu dym definiuje się jako kropelkę cieczy skraplającą się ze stanu pary do stanu ciekłego, zwykle o wielkości od 0,7 do 1,0 mikrona; mgłę generowaną termicznie lub oleisty dym.

Ten ciekły dym jest generowany przez procesy, które ogrzewają i/lub sprężają ciecze pod wysokim ciśnieniem i które mogą następnie wytwarzać parę, która może skraplać się ponownie w formę w chmury. Ciekły dym zwykle występuje podczas obróbki metali, takiej jak: spęczanie na zimno, obróbka stopów metali twardych z użyciem czystych chłodziw olejowych, zbiorniki oleju smarnego w dużych generatorach, obróbka cieplna i/lub obróbka plastyczna.   

Wychwytywanie dymu

Aby prawidłowo wychwytywać ciekły dym, należy zrozumieć podstawową różnicę między dymem a mgłą. Mgły składają się z kropelek cieczy o wielkości do 20 mikronów (dla porównania średnica ludzkiego włosa wynosi około 40 mikronów). Mgły powstają z olejowych i rozpuszczalnych w wodzie środków smarnych lub chłodziw, a im więcej ciepła i/lub ciśnienia przekazanego do tych chłodziw z głowicy doprowadzającej lub z procesu obróbki, tym generowane krople mgły są mniejsze. Jeżeli do chłodziwa zostanie przekazana wystarczająca ilość ciepła lub ciśnienia, krople będą tak małe, że może powstać ciekły dym. Przy wielkości 0,7 mikrona cząstki ciekłego dymu są prawie 30 razy mniejsze niż średnie kropelki mgły. Jak można sobie wyobrazić, wychwycenie takiej wyjątkowo małej kropli wymaga bardzo wydajnego kolektora mgły.

Chociaż ciekły dym można łatwo wychwycić, ogólnie lepiej rozpocząć od ograniczania ilości dymu wytwarzanego w procesie. Pierwszym sposobem ograniczania ilości dymu w procesie jest chłodzenie procesu. Jak wspomniano wcześniej, ciekły dym jest często wytwarzany przez ciepło, a zatem jeżeli proces zostanie schłodzony przed kolektorem mgły, dym ma szansę skroplić się z powrotem w ciecz. Można to osiągnąć, doprowadzając do strumienia powietrza procesowego powietrze chłodniejsze. Zaleca się schłodzenie powietrza do temperatury poniżej 105°F w odległości co najmniej piętnastu stóp przed kolektorem. Dzięki temu dym nie skrapla się za kolektorem mgły, co mogłoby sprawiać wrażenie niskiej wydajności.

Pełniejsze skraplanie się dymu przed kolektorami można również wywołać poprzez obniżenie prędkości powietrza w układzie kanałów do prędkości rzędu 2500 stóp na minutę, często zapewniając wystarczającą ilość czasu na pełniejsze skroplenie. Obniżenie prędkości w kanałach może być trudne, ponieważ nadmierne obniżenie prędkości może pozwolić na gromadzenie się mgieł w kanałach i zalewanie ich. Ogólną praktyką jest zapewnianie niewielkiego stałego spadku kanałów, tak aby minimalizować „zalewanie” przewodów mgłą.

Jeżeli nawet po wprowadzeniu powyższych modyfikacji dym nadal wydostaje się z kolektora, najlepszym rozwiązaniem może być skoncentrowanie wysiłków na filtracji końcowej. Aby określić strategię, należy rozważyć całkowitą ilość emitowanego dymu. Jeżeli ilość wytwarzanego dymu jest znaczna, najlepszym rozwiązaniem może być wielostopniowy kolektor mgły. Jednak w przypadku mniejszych ilości dymu typową strategią jest po prostu zapewnienie filtra końcowego po filtrze pierwotnym.

Filtry końcowe

Podczas obróbki na mokro powszechnie stosowane są dwa rodzaje filtrów końcowych: Filtry HEPA lub filtry o 95% DOP. Dla materiałów o wielkości 0,3 mikrona filtry HEPA z definicji zapewniają skuteczność na poziomie 99,97%. Wadą stosowania filtra HEPA jest ograniczona zdolność utrzymywania filtracji. Filtr o 95% DOP może osiągnąć pięciokrotnie większą żywotność niż filtr HEPA, zapewnia jednak jedynie 95% skuteczności dla materiałów o wielkości 0,3 mikrona. Z doświadczenia wynika, że filtry o 95% DOP są często dopuszczalne, ponieważ większość oleistych dymów zawiera cząstki o średniej wielkości 0,7 mikrona. Przy wielkości cząstek wynoszących 0,7 mikrona filtr o 95% DOP może mieć skuteczność od 98% do 99%. Ten poziom skuteczności może pozwalać na osiąganie jakości powietrza z kolektora mgły spełniającej normy krajowe i lokalne. Na koniec koszt filtra o 95% DOP jest zazwyczaj zbliżony do kosztu filtra HEPA, chociaż zazwyczaj ma większą żywotność. Atrybuty te wyraźnie wyjaśniają zalety filtrów o 95% DOP i przyczyny, dla których zyskały one przychylność w ciągu ostatnich kilku lat.

Jeżeli proces obróbki na mokro wytwarza znaczną ilość dymu, najlepszym sposobem ekonomicznej eksploatacji staje się skuteczne wychwytywanie i usuwanie dymu przed filtrami końcowymi. Aby wychwytywać dym przed filtrem końcowym, należy zrozumieć wydajność urządzeń do usuwania mgły powszechnie stosowanych w przemyśle.

Kolektory mgły

Bardzo popularną wersją urządzenia do usuwania mgły jest odśrodkowy kolektor mgły. Odśrodkowe kolektory mgły są na ogół małe, stosunkowo niedrogie i często wymagają minimalnej liczby wymian filtra. Wiele odśrodkowych kolektorów mgły można nawet wyposażyć w filtr końcowy. Typowy kolektor odśrodkowy może zapewniać skuteczność wynoszącą około 98% dla materiałów o wielkości 1 mikrona. Skuteczność ta maleje wraz ze spadkiem wielkości materiałów. Ponieważ średni rozmiar cząstek dymu oleistego wynosi 0,7 mikrona, skuteczność kolektora odśrodkowego może nie spełniać standardów i należałoby rozważyć zastosowanie filtra końcowego. Dodatkową wadą kolektorów odśrodkowych jest ich ograniczona wydajność w zakresie przepływu powietrza. Typowy kolektor odśrodkowy jest ograniczony do przepływu powietrza 500 CFM lub mniejszej.

Inną popularną formą filtracji mgły są filtry barierowe (rysunek 1). Kolektory z filtrem barierowym zwykle składają się z ekranów z aluminiowej siatki dla dużych ciężkich mgieł, za którymi znajduje się szereg paneli lub wkładów na bazie poliestru. Gdy proces generuje znaczną ilość dymu, filtr barierowy może zapewnić wyższy poziom filtracji i większe przepływy powietrza niż kolektory odśrodkowe. Na przykład filtr z włókien o przepływie krzyżowym umożliwia przepływ zanieczyszczonego powietrza poziomo przez ścianki filtra i spływanie zebranej mgły do filtra. Ta opcja może zapewnić skuteczność filtracji wynoszącą 99,3% przy materiale o wielkości 1,2 mikrona dla przepływów powietrza do 1000 cfm przy 4” zewnętrznego ciśnienia statycznego. Osiągnięcie tych poziomów skuteczności w przypadku kolektorów odśrodkowych jest trudne i kosztowne. Taka konstrukcja kolektora zwiększa żywotność filtra i ogranicza koszty konserwacji.

Podsumowując, wychwytywanie ciekłego dymu może być bardzo trudne. Jednak po zrozumieniu procesu generowania dymu, rozwiązanie w zakresie filtracji będzie na ogół osiągalne. Utrzymywanie prawidłowych prędkości w kanałach, spadków kanałów i obniżanie temperatur w kanale pomaga w uproszczeniu zagadnienia filtrowania płynnego dymu. Na koniec, w przypadku tego trudnego materiału należy zazwyczaj uwzględnić filtr końcowy.  

Wybór odpowiedniego urządzenia filtracyjnego do procesu obróbki na mokro powinien zapewniać niskie koszty operacyjne systemu, pomagając jednocześnie usunąć stanowiący problem materiał ze strumienia powietrza.