焊煙特性及危害

隨著我國汽車工業(yè)高速發(fā)展，汽車工廠焊接煙塵對工作環(huán)境造成的污染日趨嚴(yán)重。焊接煙塵的主要化學(xué)成分為Ｆｅ２Ｏ３，ＳｉＯ３，ＭｎＯ，ＣａＯ以及組成油煙的高分子化合物如烷烴、醛、酮、雜環(huán)化合物等，具有分散度大、沉積慢、易飄浮在空氣中等特點，不僅危害工作者的身心健康，還會進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，造成設(shè)備損壞，影響正常生產(chǎn)。

2 整體通風(fēng)除塵系統(tǒng)

2.1原理

引入置換通風(fēng)技術(shù)將新風(fēng)直接送入工作區(qū)，在室內(nèi)熱源引起的豎直溫度梯度作用下，新風(fēng)隨對流氣流形成向上流動的主導(dǎo)氣流。因新風(fēng)送風(fēng)動量很小，對室內(nèi)主導(dǎo)氣流影響極其微弱。隨著新風(fēng)的向下擴(kuò)散，工作區(qū)得到較好的空氣品質(zhì)、舒適性及較高的通風(fēng)效率。

汽車工廠焊接車間在高度方向上具有穩(wěn)定的溫度梯度，可以將新風(fēng)以較低的風(fēng)速和溫差直接送入工作區(qū)。低溫的新風(fēng)在重力作用下下沉到地面后慢慢擴(kuò)散，在地面上形成一層清潔空氣層。室內(nèi)污染源所產(chǎn)生的熱氣流受浮力的作用上升，并不斷地卷吸周圍空氣，通過熱氣流上升的卷吸作用、后續(xù)新風(fēng)的推動作用，以及設(shè)置在車間上部的排風(fēng)口的抽吸作用，使得地面上方的潔凈空氣緩緩向上移動，形成向上的均勻氣流，工作區(qū)的污濁空氣逐漸被新風(fēng)或潔凈空氣置換。整體通風(fēng)除塵原理見。

焊接過程中產(chǎn)生的大量熱量使周圍空氣溫度升高、密度減小，熱空氣卷吸周圍的空氣，形成主導(dǎo)氣流流向車間上部。焊接煙塵由于粒徑極小，會跟隨煙羽運動。焊接剛開始進(jìn)行時，煙羽相當(dāng)微弱，很容易受到周圍氣流的干擾，煙羽的半徑較大。當(dāng)煙羽上升到一定高度后，其溫度降低至周圍空氣的溫度，無法繼續(xù)上升，而向四周水平散開并形成分層。在這兩個區(qū)域，空氣溫度場和濃度場有非常明顯的不同特性，下部單向流動區(qū)存在豎直溫度梯度和濃度梯度，而上部湍流混合區(qū)溫度場和濃度場則比較均勻，分別接近排風(fēng)的溫度和污染物濃度。

整體通風(fēng)除塵系統(tǒng)的原理就是利用較低風(fēng)速將潔凈空氣直接送入工作區(qū)下部，保證工作人員始終處在清潔的環(huán)境中，上部污濁空氣通過聚四氟乙烯覆膜過濾處理后逐漸被排出，焊接煙霧中９９．９７％粒徑大于０．１μｍ的微粒被過濾掉。因煙塵經(jīng)過濾處理后能達(dá)到室內(nèi)排放標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)空氣可以循環(huán)使用，避免直接排放造成室內(nèi)冷量／熱量的浪費。該方式僅針對工作區(qū)域而非整個廠房，為利用低品位冷（熱）源以及節(jié)省空調(diào)運行費用提供了可能，不僅解決了煙塵凈化及大氣污染問題，同時回收了排風(fēng)攜帶的能量。

２．２設(shè)計方案

氣流組織設(shè)計在整體通風(fēng)除塵系統(tǒng)設(shè)計中至關(guān)重要。應(yīng)根據(jù)焊接廠房生產(chǎn)線的內(nèi)部條件、功能，供冷和供暖系統(tǒng)方案，可供選擇的風(fēng)口形式等綜合確定氣流組織形式。廠房宜采用下部送風(fēng)，上部排風(fēng)（回風(fēng)）的置換通風(fēng)方式，在每跨兩側(cè)柱子２．０～２．５ｍ高處（特殊情況除外）設(shè)置送風(fēng)口，出風(fēng)風(fēng)速控制在０．５ｍ／ｓ以內(nèi)；在車間上部兩側(cè)送風(fēng)口中間設(shè)置排（回）風(fēng)口，排（回）風(fēng)口盡可能布置在室內(nèi)熱力分層或煙氣穩(wěn)定層高度位置。

新回風(fēng)比例：當(dāng)干球溫度在０℃以下時，新風(fēng)補(bǔ)充量為２０％（排除車間焊煙異味），８０％為回風(fēng)，以節(jié)約能源（熱量）；當(dāng)干球溫度在０～１５℃之間時，可采用４０％的新風(fēng)、６０％的回風(fēng)，以減少能源用量；當(dāng)干球溫度為１５～３０℃時，采用１００％的新風(fēng)，關(guān)閉冷熱源供應(yīng)，節(jié)省能源；當(dāng)干球溫度超過３０℃時，新風(fēng)補(bǔ)充量為２０％（排除車間焊煙異味），８０％為回風(fēng)，以節(jié)約能源（冷量）。

３   計算機(jī)模擬驗證與優(yōu)化

３．１   計算機(jī)模擬流程（見圖２）

３．２焊煙形成與治理模擬分析

對不同通風(fēng)方式下焊接車間的速度場、溫度場及污染物濃度場分別進(jìn)行了夏季、冬季、過渡季工況的數(shù)值模擬研究。基于有限體積法求解Ｎ－Ｓ方程，計算速度、溫度、壓力、濃度、流向分布；計算自然擴(kuò)散和強(qiáng)制排風(fēng)狀態(tài)下的有害煙塵（粉塵）及氣體流向和濃度分布，進(jìn)而對焊煙狀態(tài)進(jìn)行模擬和分析。對不同形狀自然或者擾動工況下的氣流狀態(tài)進(jìn)行分析，得到仿真氣流中污染氣體、污染粉塵的擴(kuò)散、分布規(guī)律，從而給出排煙技術(shù)的驗證、優(yōu)化方案。

根據(jù)不同的焊裝工藝、輸送工藝建立相應(yīng)的模型，對不同工況狀態(tài)下的自然氣流狀態(tài)，進(jìn)行焊煙治理后的氣流組織狀態(tài)，在機(jī)械化輸送、工件裝配、人員操作、公用設(shè)備對氣流組織有干擾情況下的氣流狀態(tài)進(jìn)行計算機(jī)流體擴(kuò)散狀態(tài)、空氣溫度場、空氣動力場等的仿真模擬。圖３給出了焊裝車間的空氣溫度場。

基于焊裝廠房焊煙分析系統(tǒng)建立以下模塊：

１）廠房模塊。構(gòu)造廠房、鋼結(jié)構(gòu)、吊軌等建筑結(jié)構(gòu)外形信息和數(shù)學(xué)模塊。

２）焊機(jī)模塊。構(gòu)造不同型號的焊機(jī)外形尺寸或三維數(shù)學(xué)模塊、焊煙參數(shù)（包括保護(hù)氣、有害氣體排放量）模塊、焊機(jī)外殼工作溫度等參數(shù)模塊。

３）焊機(jī)排風(fēng)模塊。ＣＦＤ－ＡＣＥ＋（美國某公司開發(fā)的ＣＦＤ及多物理場求解器）系統(tǒng)內(nèi)置多種排風(fēng)口、風(fēng)罩和風(fēng)機(jī)模塊，該模塊放置在廠房模塊中，可任意調(diào)用。

４）環(huán)境模塊。系統(tǒng)內(nèi)置多種環(huán)境模塊，包括地域（風(fēng)向、溫度、濕度差異）、季節(jié)（溫度、濕度差異）、人工干預(yù)（供暖、制冷）幾個部分。

５）優(yōu)化模塊。在模塊的任意排列組合條件下，對有害氣體含量上限、溫度上限，排風(fēng)口數(shù)量、位置，風(fēng)機(jī)數(shù)量、位置、排風(fēng)量等進(jìn)行優(yōu)化，在內(nèi)置的多種優(yōu)化算法指導(dǎo)下得出符合要求的廠房設(shè)計參數(shù)。

通過對焊接工藝煙塵和煙羽特點的分析，結(jié)合焊接車間的特點，利用ＣＦＤ－ＡＣＥ＋模擬了不同室內(nèi)空氣狀況，不同空氣溫度場、空氣動力場和具有不同“影響源”（各種工藝設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備）的封閉式焊接車間，對整體通風(fēng)除塵與常規(guī)通風(fēng)方式進(jìn)行了優(yōu)劣驗證。結(jié)果如圖４，５所示，由圖可見，常規(guī)通整體通風(fēng)除塵方式焊煙隨上升氣流迅速擴(kuò)散排出。在常規(guī)通風(fēng)模式下，車間內(nèi)焊接煙塵大部分都

能排出，但煙塵濃度超標(biāo)區(qū)域較大，半徑超過３ｍ，超標(biāo)區(qū)域集中在ＣＯ２焊機(jī)處，如圖６所示，圖中黃色區(qū)域為煙塵濃度超標(biāo)區(qū)域。

在整體通風(fēng)除塵狀態(tài)下 ，車間內(nèi)焊接煙塵處理 效果較好，煙 塵 濃 度 超 標(biāo) 區(qū) 域 較 小，半 徑 不 超 過 ２ ｍ，超標(biāo)區(qū)域集中在 ＣＯ２ 焊機(jī)處，如圖７所示，濃度 超標(biāo)區(qū)域（黃色區(qū)域）明顯減小。

４   實際應(yīng)用效果

廣州某合 資汽車公司焊接 廠 房項目 采用整體 通風(fēng)除塵空調(diào)系統(tǒng) ，系統(tǒng)流程如圖８所示。該焊接 廠房建 筑 面 積 １１０００ ｍ２，柱 頂 標(biāo) 高 ９．８ ｍ。 該 車 間主要用于 車 身 焊 接 加 工 ，有 ＣＯ２ 焊 機(jī) 及 電 阻 焊 機(jī)約１５０臺，不均勻地分布在車間內(nèi)。

圖7：設(shè)計方案：夏季室溫≤２９ ℃；３ｍ 以下工作區(qū)粉 塵質(zhì)量濃度≤４ｍｇ／ｍ３；引入適量新風(fēng)排除室內(nèi)異味； 對于產(chǎn)煙量較大的 ＣＯ２   焊機(jī)工位設(shè)置局部除塵系統(tǒng)。

以此焊裝車間 為 例，分 析 對 比 整 體 通 風(fēng) 除 塵 空 調(diào) 系 統(tǒng)與常規(guī)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的投資與能耗，結(jié)果見表２。

兩年的實際運行表明*達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)值 ，創(chuàng)造了良好的室內(nèi)衛(wèi)生環(huán)境 。 與 此 同 時 實 現(xiàn) 了 冷 熱源的循環(huán)利用，解決了將焊煙直接排至大氣造成 的污染問題，節(jié)能減排效果明顯 。

焊裝廠房通風(fēng)空調(diào)參數(shù)的設(shè)定與能源消耗密切 相關(guān)，夏季車間溫度每降低 １ ℃，就需多耗冷量約 １０％，冬季車間溫度每提高１  ℃，需多耗熱量約５％～７％。整體通風(fēng)除塵空調(diào)系統(tǒng)能根據(jù)不同季節(jié)的氣候 特點和車間溫濕度要求，合理控制回風(fēng)量和新風(fēng)量；

在過渡季節(jié)，充分利用室外新風(fēng)的調(diào)節(jié)能力，大幅度地降低能源消耗，實現(xiàn)節(jié)能２０％以上的目標(biāo)。