汽車工廠焊接車間焊煙凈化器的治理與節(jié)能
1 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(duì)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Fez O.j , SiO.j , MnO, Ca()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(diǎn)，不僅危害工作者的身心健康，還會(huì)進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，造成設(shè)備損壞，影響正常生產(chǎn)。
據(jù)歐洲權(quán)威環(huán)保部門德國社會(huì)意外保險(xiǎn)職業(yè)安全與健康研究所的檢測(cè)結(jié)果，焊接產(chǎn)生的煙塵顆粒的直徑在0.1^-1 }m之間，能通過人體上呼吸道進(jìn)入肺泡，沉積在肺部(沉積率達(dá)50%以上)，引起呼吸道疾病甚至肺癌等。其中，0. 1^-0. 4 }m直徑的顆粒占總煙塵的98.900。焊接煙塵顆粒檢測(cè)結(jié)果見表1
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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(duì)流氣流形成向上流動(dòng)的主導(dǎo)氣流。因新風(fēng)送風(fēng)動(dòng)量很小，對(duì)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(dòng)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(dòng)，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)除塵原理見圖１。
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(huì)跟隨煙羽運(yùn)動(dòng)。焊接剛開始進(jìn)行時(shí)，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(gè)區(qū)域，空氣溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)有非常明顯的不同特性，下部單向流動(dòng)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(chǎng)和濃度場(chǎng)則比較均勻，分別接近排風(fēng)的溫度和污染物濃度。
集中式焊煙凈化器凈化系統(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，上部污濁空氣通過高效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(fèi)。該方式僅針對(duì)工作區(qū)域而非整個(gè)廠房，為利用低品位冷（熱）源以及節(jié)省空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用提供了可能，不僅解決了煙塵凈化及大氣污染問題，同時(shí)回收了排風(fēng)攜帶的能量。
２。２ 設(shè)計(jì)方案
氣流組織設(shè)計(jì)在集中式焊煙凈化器凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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）。
?。场∮?jì)算機(jī)模擬驗(yàn)證與優(yōu)化
３。１ 計(jì)算機(jī)模擬流程（見圖２）
?。?。２ 焊煙形成與治理模擬分析
對(duì)不同通風(fēng)方式下焊接車間的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及污染物濃度場(chǎng)分別進(jìn)行了夏季、冬季、過渡季工況的數(shù)值模擬研究?；谟邢摅w積法求解Ｎ－Ｓ方程，計(jì)算速度、溫度、壓力、濃度、流向分布；計(jì)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(duì)焊煙狀態(tài)進(jìn)行模擬和分析。對(duì)不同形狀自然或者擾動(dòng)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(yàn)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(duì)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(duì)氣流組織有干擾情況下的氣流狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算機(jī)流體擴(kuò)散狀態(tài)、空氣溫度場(chǎng)、空氣
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。
?。玻┖笝C(jī)模塊。構(gòu)造不同型號(hào)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(chǎng)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。
?。矗┉h(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(gè)部分。
?。担﹥?yōu)化模塊。在模塊的任意排列組合條件下，對(duì)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(jì)參數(shù)。
通過對(duì)焊接工藝煙塵和煙羽特點(diǎn)的分析，結(jié)合焊接車間的特點(diǎn)，利用ＣＦＤ－ＡＣＥ＋模擬了不同室內(nèi)空氣狀況，不同空氣溫度場(chǎng)、空氣動(dòng)力場(chǎng)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(duì)整體通風(fēng)除塵與常規(guī)通風(fēng)方式進(jìn)行了優(yōu)劣驗(yàn)證。結(jié)果如圖４，５所示，由圖可見，常規(guī)通風(fēng)方式局部渦旋嚴(yán)重，導(dǎo)致焊煙聚集，難以排出；而整體通風(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ＣＯ
?。埠笝C(jī)處，如圖６所示，圖中黃色區(qū)域?yàn)闊焿m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２ｍ，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。
?。础?shí)際應(yīng)用效果
廣州某合資汽車公司焊接廠房項(xiàng)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１１?。埃埃埃恚玻敇?biāo)高９。８ｍ。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(tái)，不均勻地分布在車間內(nèi)。
設(shè)計(jì)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(duì)于產(chǎn)煙量較大的ＣＯ２焊機(jī)工位設(shè)置局部除塵系統(tǒng)。
兩年的實(shí)際運(yùn)行表明完全達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)值，創(chuàng)造了良好的室內(nèi)衛(wèi)生環(huán)境。與此同時(shí)實(shí)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)節(jié)能
?。玻埃ヒ陨系哪繕?biāo)。
?。怠〗Y(jié)語
采用整體通風(fēng)除塵空調(diào)系統(tǒng)及合理的氣流組織設(shè)計(jì)，能夠有效地控制焊裝廠房的焊煙擴(kuò)散，使焊接煙塵在送風(fēng)推動(dòng)和排風(fēng)口抽吸作用下緩慢上升，形成向上的單向流動(dòng)，既排除了廠房內(nèi)的焊接以此焊裝車間為例，分析對(duì)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。煙塵，滿足工作區(qū)的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，又實(shí)現(xiàn)了冷熱源的循環(huán)利用，節(jié)約了能源，解決了焊煙直接排至大氣的二次污染問題。整體通風(fēng)除塵空調(diào)系統(tǒng)是汽車焊接煙塵治理及節(jié)能的重要技術(shù)措施，是通風(fēng)除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新嘗試，將對(duì)我國汽車工廠焊接廠房通風(fēng)除塵設(shè)計(jì)產(chǎn)生積極的影響，有著廣闊的應(yīng)用前景、可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。
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