汽車(chē)焊裝車(chē)間煙塵的治理與除塵系統(tǒng)優(yōu)化

茍維杰，王麗紅

(北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100026)

0 前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們對(duì)自身健康的關(guān)注，工作環(huán)境的安全和健康問(wèn)題成為關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái)我國(guó)汽車(chē)制造業(yè)高速發(fā)展，汽車(chē)工廠焊接煙塵對(duì)工作環(huán)境和大氣環(huán)境造成的污染日趨嚴(yán)重。汽車(chē)焊裝車(chē)間主要采用點(diǎn)焊和CO2焊，其煙塵污染源來(lái)自焊接和白車(chē)身生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的可吸入顆粒物——焊接煙塵和白車(chē)身打磨時(shí)產(chǎn)生的粉塵，焊機(jī)周?chē)碾姶泡椵椛洹⒒」夂驮肼暫蜔彷椛淙遮厙?yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這些可吸入煙塵顆粒直徑0.1～0.4 μm占總煙塵的98.9%，并能通過(guò)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疾病[1-3]。因此，過(guò)濾焊接場(chǎng)所空氣有助于改善從業(yè)者的工作環(huán)境和保障從業(yè)者的身體健康。

1 研究對(duì)象概況

研究與測(cè)試的對(duì)象是北京地區(qū)某品牌轎車(chē)白車(chē)身焊裝車(chē)間除塵系統(tǒng)。該車(chē)間高約11 m，面積約27 000 m2，車(chē)間中采用整體除塵——混合送風(fēng)技術(shù)，使用了8套85 000 m3/h和6套120 000 m3/h除塵系統(tǒng)溫控設(shè)備。近年來(lái)隨著汽車(chē)產(chǎn)能的提高，生產(chǎn)線(xiàn)拍節(jié)奏的加快，焊接線(xiàn)和裝配線(xiàn)工位的增加，焊接煙塵的濃度呈上升趨勢(shì)。除塵系統(tǒng)在較低送風(fēng)量工作狀態(tài)下，對(duì)污染較嚴(yán)重的焊接工位的抽煙檢測(cè)中，焊接煙塵濃度超出職業(yè)安全限值（0.4 mg/m3）[4]，焊接場(chǎng)所煙塵直接危害到從業(yè)者的健康。

本研究任務(wù)是在不影響正常生產(chǎn)的條件下，保留原有溫控系統(tǒng)和吸送風(fēng)機(jī)，通過(guò)比較分析混合送風(fēng)和分層送風(fēng)除塵原理，從改變送風(fēng)方式、改變送風(fēng)口高度位置和送風(fēng)口風(fēng)向角度對(duì)系統(tǒng)改造升級(jí)，降低工作區(qū)域內(nèi)煙塵濃度，提升整個(gè)焊接場(chǎng)所空氣清潔度。在除塵系統(tǒng)改造過(guò)程中保留了原有的通風(fēng)管道和出風(fēng)口，在保障正常生產(chǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)新舊除塵系統(tǒng)之間切換工作。

2 汽車(chē)焊裝車(chē)間煙塵特性和除塵原理

焊接除塵首先要保證較大限度地提升污染區(qū)的空氣清潔度，其次是控制空氣的流動(dòng)速度，保證空氣的流速不影響焊接工藝，以及保證空氣溫度對(duì)焊接質(zhì)量和工作區(qū)的熱舒適性。室內(nèi)氣流速度不但與送風(fēng)口的氣流特性有關(guān)，同時(shí)也受送風(fēng)口安裝位置高低、送風(fēng)量大小的影響。整體除塵系統(tǒng)是將渾濁的空氣抽至室外凈化，同時(shí)引入新空氣或過(guò)濾凈化的空氣置換、稀釋室內(nèi)空氣，使室內(nèi)煙塵濃度達(dá)到衛(wèi)生要求。汽車(chē)裝焊車(chē)間整體除塵系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1[4]。

2.1 混合送風(fēng)車(chē)間煙塵特性和除塵

混合送風(fēng)技術(shù)是新風(fēng)以較低的風(fēng)速和溫差送入工作區(qū)中上部。由于汽車(chē)工廠焊接車(chē)間在高度方向上具有穩(wěn)定的溫度梯度，過(guò)濾后的回風(fēng)和補(bǔ)充的新風(fēng)送入車(chē)間后因溫度較低會(huì)產(chǎn)生自然下沉的趨勢(shì)，當(dāng)冷熱空氣相遇后將混合稀釋原有的渾濁空氣，當(dāng)送入的低溫空氣溫度低于原有的室內(nèi)空氣時(shí)，將保持繼續(xù)下降，從而不斷稀釋渾濁的空氣，直至下降到車(chē)間底部形成較清潔的空氣層。渾濁空氣在不斷稀釋的過(guò)程中，在焊接熱量的帶動(dòng)下向車(chē)間頂部上升，并形成向上的空氣流。在車(chē)間頂部排風(fēng)口的抽吸作用和焊接熱形成的上升氣流對(duì)周?chē)諝獾木砦饔孟拢瑴啙峥諝鈱⒉粩嗟乇慌诺绞彝猓^(guò)濾后的熱風(fēng)和補(bǔ)充的新風(fēng)將不斷地送到車(chē)間內(nèi)部，完成混合稀釋的循環(huán)過(guò)程。

混合送風(fēng)整體除塵著重于把整個(gè)車(chē)間的煙塵濃度降低到職業(yè)限制以下。除塵原理是用清潔的空氣來(lái)稀釋渾濁的空氣，由于對(duì)整個(gè)車(chē)間渾濁空氣的稀釋?zhuān)谟行﹨^(qū)域內(nèi)下沉氣流與上升氣流形成區(qū)域疊加，阻礙了氣流的上升，無(wú)法徹底解決工作區(qū)粉塵的滯留問(wèn)題。

2.2 分層送風(fēng)車(chē)間煙塵特性和除塵

分層送風(fēng)不同于混合送風(fēng)。分層送風(fēng)系統(tǒng)是直接將清潔的空氣以較低的速度從廠房中下部送入到操作者工作區(qū)域，在工作區(qū)域流動(dòng)的空氣是清潔的空氣，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的渾濁煙塵在新風(fēng)的推送作用和焊接中熱氣流向上運(yùn)動(dòng)的卷吸作用下有向上運(yùn)動(dòng)的作用，同時(shí)安裝在車(chē)間頂部的回風(fēng)口抽吸作用使得車(chē)間內(nèi)部混合了煙塵的空氣能夠被排到室外，同時(shí)又有新的空氣不斷補(bǔ)給，保證渾濁空氣被清潔空氣及時(shí)置換。

分層送風(fēng)技術(shù)因置換原理和氣流特性使得焊接煙塵濃度和空氣溫度在廠房高度方向產(chǎn)生梯度，這種梯度的產(chǎn)生使得溫度較低的工作區(qū)有清潔空氣，溫度較高的渾濁空氣上升到工作區(qū)上方。同時(shí)整個(gè)車(chē)間的氣流流態(tài)分為上下兩個(gè)區(qū)域，由于分層送風(fēng)出風(fēng)口橫向流動(dòng)氣流的帶動(dòng)及工作區(qū)環(huán)境的影響，在下部工區(qū)內(nèi)為單向的流動(dòng)的清潔空氣，上部為紊流混合區(qū)，在新風(fēng)推送、溫度梯度帶動(dòng)和回風(fēng)口的抽吸下，混濁空氣向上流動(dòng)形成單向。分層送風(fēng)原理如圖2所示。

圖2 分層送風(fēng)原理

2.3 分層送風(fēng)位置和送風(fēng)口氣流特性

分層送風(fēng)口的分布安裝在廠房每跨兩側(cè)柱子2.0～2.5 m高處（特殊情況除外），控制焊接區(qū)域風(fēng)速在0.5 m/s以?xún)?nèi)；在車(chē)間上部?jī)蓚?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，一般在有利于煙羽上升和煙塵排出的位置。

除塵系統(tǒng)中影響空氣流動(dòng)性和下沉速度的主要因素有空氣溫度和送風(fēng)口的風(fēng)向，因此，送風(fēng)口根據(jù)季節(jié)（新空氣溫度）的不同，由溫控系統(tǒng)控制新風(fēng)的送入量，保證系統(tǒng)的熱能損失補(bǔ)償和操作者對(duì)室內(nèi)溫度的舒適感，同時(shí)采用不同的送風(fēng)口出風(fēng)角度能夠增強(qiáng)出風(fēng)口的推動(dòng)力及有效的送風(fēng)距離。在夏季采用冷風(fēng)，春秋季節(jié)采用全新風(fēng)，冬季采用暖風(fēng)，并在不同的季節(jié)采用不同的出風(fēng)口形式。不同季節(jié)出風(fēng)口形式如圖3所示[6]。

圖3 不同季節(jié)出風(fēng)口形式

3 焊接煙塵檢測(cè)

3.1 檢測(cè)點(diǎn)分布和檢測(cè)方法[7-8]

根據(jù)從業(yè)人員工作場(chǎng)所和工作地點(diǎn)煙塵產(chǎn)生及擴(kuò)散的特點(diǎn)，選擇焊接操作區(qū)作為試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)，共選擇12個(gè)有代表性的檢測(cè)點(diǎn)，離地高度1.60 m（適合于一般從業(yè)者呼吸部位），1#～8#分布在焊接集中區(qū)，9#～12#分布在白車(chē)身裝配區(qū)。使用P-5L2C型便攜式微電腦粉塵儀，測(cè)試時(shí)間為5min/次，依據(jù)車(chē)身焊接車(chē)間的工藝特點(diǎn)，設(shè)定濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K為0.45，每個(gè)取樣點(diǎn)測(cè)試三次取平均值。

測(cè)定時(shí)，室外平均氣溫1℃～12℃，室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)溫度設(shè)定為22℃，送風(fēng)量30%為室外空氣，70%為室內(nèi)過(guò)濾后的回風(fēng)，時(shí)間在早上9點(diǎn)～下午4點(diǎn)。正常生產(chǎn)的條件下，忽略管道風(fēng)阻系數(shù)對(duì)送風(fēng)的影響，分別在系統(tǒng)機(jī)組處理風(fēng)量為設(shè)計(jì)風(fēng)量的70%（工況1）和90%（工況2）時(shí)，對(duì)混合送風(fēng)系統(tǒng)和分層送風(fēng)系統(tǒng)煙塵濃度及風(fēng)速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

3.2 不同工況下檢測(cè)數(shù)據(jù)及處理

（1）工況1模式下，混合送風(fēng)系統(tǒng)和分層送風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

（2）在工況2模式下對(duì)混合送風(fēng)系統(tǒng)和分層送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定，數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

4 數(shù)據(jù)分析

檢測(cè)點(diǎn)的煙塵濃度與檢測(cè)點(diǎn)能送達(dá)的新風(fēng)量、檢測(cè)點(diǎn)的空氣流動(dòng)速度（風(fēng)速）、檢測(cè)點(diǎn)煙羽的形成及焊接中產(chǎn)生的煙塵數(shù)量有關(guān)。在焊接條件不變的前提下，影響測(cè)試點(diǎn)煙塵濃度的主要因素為清潔風(fēng)的送達(dá)量和測(cè)試點(diǎn)的風(fēng)速。成品件和坯料的擺放、檢測(cè)點(diǎn)距送風(fēng)口的距離會(huì)都影響風(fēng)速和風(fēng)向，最終影響煙塵濃度。如9#～12#測(cè)試點(diǎn)為白車(chē)身裝配工位，距離車(chē)間門(mén)口較近，受外界風(fēng)力的影響使監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速相對(duì)偏高，檢測(cè)點(diǎn)的粉塵濃度較高，風(fēng)速對(duì)此區(qū)域的煙塵濃度的降低作用并不明顯。

表1 工況1混合送風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定數(shù)據(jù)

表2 工況1分層送風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定數(shù)據(jù)

不同工況、不同送風(fēng)方式下的風(fēng)速及煙塵濃度對(duì)比如圖4、圖5所示。工況相同時(shí)，同一檢測(cè)點(diǎn)分層送風(fēng)時(shí)的風(fēng)速高于混合送風(fēng)時(shí)的風(fēng)速，相應(yīng)的高風(fēng)速點(diǎn)的煙塵濃度比較低。因此，在送風(fēng)量相同的情況下，分層送風(fēng)的除塵效果優(yōu)于混合送風(fēng)方式的除塵效果。圖4中4#“奇異”的出現(xiàn)，車(chē)間內(nèi)設(shè)備及其他物品的堆放會(huì)影響氣流的方向、降低風(fēng)速、影響除塵效果。由圖5可知，在不同工況下分層送風(fēng)能有效降低車(chē)間內(nèi)煙塵濃度，即使在送風(fēng)量較小的工況1模式下的除塵效果也優(yōu)于混合送風(fēng)除塵方式。

分層送風(fēng)方式能在較低送風(fēng)量（設(shè)計(jì)風(fēng)量的70%）時(shí)滿(mǎn)足焊接煙塵衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，而混合送風(fēng)方式在較低送風(fēng)量有部分點(diǎn)煙塵濃度超標(biāo)。當(dāng)送風(fēng)量由設(shè)計(jì)風(fēng)量的70%提升到90%時(shí)，混合送風(fēng)方式的平均煙塵濃度降低11.6%，分層送風(fēng)方式平均煙塵濃度降低21.5%。當(dāng)送風(fēng)量為設(shè)計(jì)風(fēng)量的90%，分層送風(fēng)方式除塵效果較為明顯，平均煙塵濃度為混合送風(fēng)煙塵濃度的64.9%。

表3 工況2混合送風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定數(shù)據(jù)

表4 工況2分層送風(fēng)系統(tǒng)測(cè)定數(shù)據(jù)

圖4 不同工況下不同送風(fēng)方式檢驗(yàn)點(diǎn)風(fēng)速對(duì)比

圖5 不同工況下不同送風(fēng)方式測(cè)試點(diǎn)煙塵濃度對(duì)比

5 結(jié)論

整體除塵系統(tǒng)采用分層送風(fēng)方式，利用置換通風(fēng)原理，合理的組織分層氣流，能夠有效地控制焊裝車(chē)間焊接煙塵的擴(kuò)散。焊接場(chǎng)所含有煙塵的混合空氣，隨著系統(tǒng)送入的清潔空氣推送和溫度梯度的作用向上運(yùn)動(dòng)，形成向上的單向流動(dòng)，由回風(fēng)口排出，除塵效果明顯，使焊接工作場(chǎng)所煙塵濃度滿(mǎn)足衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，并獲得較高質(zhì)量的清潔空氣。

在整體除塵分層送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，合理的設(shè)計(jì)送風(fēng)口高度和出風(fēng)口氣流角度，在廠房下方采用置換通風(fēng)，在廠房上部采用混合稀釋煙塵原理，能使焊接工作區(qū)獲得較高的空氣品質(zhì)和熱舒適性，并具有較高的通風(fēng)除塵效率。能在風(fēng)機(jī)較低送風(fēng)量時(shí)有效降低焊接車(chē)間的煙塵濃度，起到節(jié)能減排的作用。

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