焊接作業(yè)廠房治理模式的發(fā)展及分布式整體治理的應(yīng)用

蔡德宏，王延斌，胡光明，葉含青，丁沛文，周 杰，梁晶晶

航天凱天環(huán)保科技股份有限公司，湖南 長沙 410129

0 前言

我國焊接作業(yè)場所的治理模式已相對穩(wěn)定，但不同模式之間的適用性、可行性、經(jīng)濟(jì)性尚未得到協(xié)調(diào)統(tǒng)一。在焊接作業(yè)場所污染治理方案確定前，有必要針對自身特定需求，選擇合適的治理工藝路線。比如：北方地區(qū)需要綜合考慮排放帶來的熱能損失問題；南方地區(qū)特定作業(yè)廠房需要考慮降溫、除濕；多點(diǎn)位的局部治理需要和整體治理進(jìn)行投資成本、運(yùn)行費(fèi)用、治理效果等的分析判斷。

1 焊接煙塵的產(chǎn)生及危害

1.1 焊煙的產(chǎn)生

焊煙是在電焊過程中焊條或焊絲與工件接觸時(shí)，焊接位置在高溫作用下金屬熔化，與不同藥劑產(chǎn)生高溫燃燒反應(yīng)而產(chǎn)生的煙塵。焊接煙塵一般伴隨有大量的熱能釋放，因此焊接煙塵的擴(kuò)散路徑可一定程度上遵循熱煙羽的過程。

焊接煙塵產(chǎn)生的污染物種類較為復(fù)雜，不僅存在固態(tài)金屬顆粒物，且伴隨有一定量氣態(tài)污染物的產(chǎn)生，煙塵中含有二氧化錳、氮氧化物、氟化物、內(nèi)臭氧等，如車間空氣中焊塵濃度為0.50～18.33 mg/m3，則游離SiO2含量為2.92%～4.28%，錳（MnO2）含量為 0.035～0.280 mg/m3［1］。

呼吸帶焊接廢氣及焊接煙塵濃度如圖1、圖2所示。由圖可知，呼吸帶CO、氮氧化物、粉塵隨焊接電流變化均存在一定規(guī)律，并不是電流越大污染物產(chǎn)生量越大。計(jì)算污染物產(chǎn)生時(shí)應(yīng)結(jié)合工作強(qiáng)度綜合考慮污染物散發(fā)量。由圖還可知，煙塵顆粒物產(chǎn)生的同時(shí)，伴隨有一定量的氣體污染物存在。對于有保溫作業(yè)要求的空氣處理廠房，氣體污染物除少量吸附于顆粒物表面被除去外，很大一部分停留在作業(yè)場所不斷富集。作業(yè)廠房有外窗或外門的，尚可通過門窗漏風(fēng)形式補(bǔ)充新風(fēng)對氣體污染物予以稀釋；當(dāng)廠房空間較大、焊接作業(yè)量集中時(shí)，氣體污染物得不到有效稀釋而不斷富集，量變引起質(zhì)變，也將變成對作業(yè)人員身心健康產(chǎn)生損害的重要因素。

圖1 作業(yè)人員呼吸帶廢氣濃度隨焊接電流變化關(guān)系［2］Fig.1 Relationship between the concentration of exhaust gas in the re‐spiratory zone of the operator and the variation of welding current［2］

圖2 作業(yè)人員呼吸帶廢氣及粉塵濃度隨焊接電流變化關(guān)系［2］Fig.2 Relationships between exhaust gas and dust concentration in the respiratory zone of the operator and the variation of welding current［2］

1.2 焊煙的危害

電焊煙塵產(chǎn)生后，隨熱煙羽浮升到一定高度，被冷卻后一部分輕質(zhì)部分會(huì)動(dòng)態(tài)懸浮于呼吸帶，逐漸被作業(yè)人員呼吸入肺部，對作業(yè)人員身心健康造成損害。焊煙污染物類型及其危害如表1所示。

表1 焊煙危害分析［3］Table 1 Hazard analysis of welding smoke［3］

2 焊接作業(yè)廠房的治理模式

目前，焊接作業(yè)廠房煙塵治理模式大體分為三類：個(gè)體防護(hù)、局部治理、整體治理。

2.1 個(gè)體防護(hù)

相對而言，個(gè)體防護(hù)投資及運(yùn)行成本最低，但也是效果最差的一類模式。尤其是工藝過程對作業(yè)環(huán)境有要求時(shí)，個(gè)體防護(hù)基本不起作用，且影響作業(yè)效率。

市面上常見的個(gè)體防護(hù)產(chǎn)品如圖3所示，采用的是呼吸面罩形式。這類產(chǎn)品適用于作業(yè)強(qiáng)度不大的場所，作業(yè)人員長期負(fù)載會(huì)大幅消耗體力。

圖3 個(gè)體防護(hù)產(chǎn)品及其作業(yè)過程Fig.3 Personal protective products and their operation process

2.2 局部治理

為了用較少的成本取得較好的效果，局部治理一般從煙塵源頭進(jìn)行收集，可以以小風(fēng)量的投入收集高濃度的粉塵。由于局部治理有諸多優(yōu)勢，在行業(yè)內(nèi)得到了大規(guī)模推廣。為了保證收集效果，對局部治理也有一些限制性條件，諸如煙塵產(chǎn)生的位置應(yīng)相對固定、焊接作業(yè)點(diǎn)相對集中、吊裝方式不會(huì)干涉吸風(fēng)口等。同時(shí)，局部治理一般不能改善整個(gè)作業(yè)空間的環(huán)境，尤其是溫濕度環(huán)境。如鋁合金焊接等工藝，除要求煙塵濃度外，對濕度也一般要求在65%以下。

局部治理的吸氣臂模式如圖4所示，其最大的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)，對固定焊接點(diǎn)位捕捉效果好。同時(shí)，要求吸風(fēng)罩距離焊接點(diǎn)位較近，且位置要布置在煙塵熱擴(kuò)散的大體路徑上。這對焊接作業(yè)過程的干涉較大，對焊接作業(yè)者的效率也由影響。

圖4 吸氣臂產(chǎn)品及其作業(yè)過程Fig.4 Suction arm product and its operation process

側(cè)吸或底吸的局部工作臺如圖5所示，一般是針對小型工件，既可應(yīng)用于焊接，又可應(yīng)用于切割、打磨等作業(yè)，對作業(yè)過程影響相對小［3］。這類方式不適用于復(fù)雜的、大體積的工件作業(yè)。

圖5 側(cè)吸及底吸的局部治理模式Fig.5 Local treatment mode of side suction and bottom suction

圖6是最常用的頂吸式治理方式，設(shè)計(jì)有一定截面流速的頂吸罩，通常四周配合透明軟簾一起應(yīng)用。由于罩體較大，適用于流水線工藝或其他固定點(diǎn)作業(yè)工藝過程，若需要行車等上下料吊裝，則需要進(jìn)一步改進(jìn)頂吸罩形式。

圖6 固定頂吸罩局部治理模式Fig.6 Local treatment mode of fixed ceiling hood

圖7為旋轉(zhuǎn)頂吸罩模式，圖8為一種跟隨式上下移動(dòng)頂吸罩模式。此類頂吸罩克服了固定頂吸罩上下料的問題，但其較大的空間體積對作業(yè)過程仍會(huì)產(chǎn)生影響。且大多數(shù)情況下，作業(yè)場所很難做到每個(gè)煙塵產(chǎn)生點(diǎn)位均布置有大體積的頂吸罩。

圖7 旋轉(zhuǎn)頂吸罩局部治理模式Fig.7 Local treatment mode of rotary top suction hood

圖8 一種上下移動(dòng)式頂吸罩的局部治理模式Fig.8 A local treatment mode of up-down mobile top suction hood

其他局部治理模式，如全封閉工作間、伸縮工作間等（見圖9），均采用小風(fēng)量封閉、半封閉結(jié)構(gòu)，確保工作間外部作業(yè)場所的清潔，但作業(yè)場所內(nèi)存在一定的污染風(fēng)險(xiǎn)，多應(yīng)用于機(jī)器人作業(yè)場所，且其內(nèi)部的氣流組織模式也需要通過計(jì)算或模擬確定。圖10為超高大伸縮工作間的仿真流場圖和流線圖。由圖可知，雖然確保了工作間外無污染物外溢的可能，但工作間內(nèi)部渦流使其內(nèi)部污染物存在一定富集，從而惡化工作間內(nèi)部作業(yè)環(huán)境。

圖9 全封閉工作間及伸縮工作間的局部治理模式Fig.9 Local treatment mode of fully enclosed workshop and tele‐scopic workshop

2.3 整體治理

為了適應(yīng)大工件、高標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)環(huán)境要求，整體治理應(yīng)運(yùn)而生。文中重點(diǎn)分析吹吸式模式和整體廠房分層送風(fēng)模式。

早期的整體治理沿用的是前蘇聯(lián)的治理理念，對職業(yè)健康污染物的關(guān)注較少，主要以通風(fēng)或空氣調(diào)節(jié)為治理目的，通過側(cè)吹側(cè)吸的吹吸方式達(dá)到一定的環(huán)境治理效果［6］。如圖11所示，可以看出其仍然沿用的是空調(diào)送風(fēng)風(fēng)幕的理念，試圖通過氣幕隔絕污染物的擴(kuò)散路徑［4］。

圖11 吹吸式的整體治理模式Fig.11 Blowing and sucking overall treatment mode

隨著職業(yè)健康要求的不斷嚴(yán)苛，需要同時(shí)滿足溫濕度環(huán)境以及煙塵、廢氣的治理。通過引入整體廠房分層送風(fēng)治理理念，利用如焊接類的熱加工過程煙塵熱煙羽作用，以小風(fēng)量驅(qū)動(dòng)大空間氣流組織，達(dá)到作業(yè)環(huán)境的清潔治理。諸多實(shí)踐項(xiàng)目效果表明，同樣作業(yè)環(huán)境治理效果前提下，整體廠房分層送風(fēng)方式風(fēng)量約為傳統(tǒng)側(cè)吹側(cè)吸方式風(fēng)量的50%。

整體廠房分層送風(fēng)除塵原理及控制原理如圖12所示。在整體廠房分層送風(fēng)系統(tǒng)中，是以低速在廠房的下部分層送風(fēng)，清潔空氣直接送入工作區(qū)，先經(jīng)過人體，這樣就可以保證人體處于一個(gè)相對清潔的空氣環(huán)境中，從而有效地提高工作區(qū)域的空氣品質(zhì)。這種方式對空氣狀況的要求只是針對工作區(qū)域（工人活動(dòng)范圍及時(shí)段內(nèi)）而不是整個(gè)廠房的空氣輸導(dǎo)。如同在除塵原理中所敘述，要滿足工作區(qū)的相對溫度，同時(shí)排除焊接煙塵，就要保證焊接煙塵在送風(fēng)口推動(dòng)和回風(fēng)口抽吸的作用下緩慢上升，形成向上的單向流動(dòng)。清潔送風(fēng)使室內(nèi)濁熱焊接煙氣逐漸抬升而非混合，可保證工作區(qū)的溫度及含塵要求［5］。

圖12 整體廠房分層送風(fēng)除塵原理及控制原理Fig.12 Principle and control principle of stratified air supply and dust removal in the whole plant

整體廠房分層送風(fēng)系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于：風(fēng)量小且作用直接，對工作區(qū)域沒有任何影響，基本規(guī)避了局部治理帶來的工藝影響。

整體治理面向整個(gè)作業(yè)車間環(huán)境的改善，一般采用大型綜合治理設(shè)備，配套有除塵、新風(fēng)、加熱、降溫、除濕、加濕、異味凈化等功能，基本可以同步滿足整個(gè)車間的空氣調(diào)節(jié)。如圖13所示，為涵蓋除塵+供暖+異味凈化+余熱回收+恒溫恒濕等功能的機(jī)組結(jié)構(gòu)圖。

圖13 整體治理設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig.13 Overall treatment equipment structure

整體治理帶來高便利性的同時(shí)，相應(yīng)也增加了環(huán)境治理的投資及運(yùn)維成本。雖然一定程度上通過計(jì)算合理的氣流組織可以最小代價(jià)得到最優(yōu)效果，但其配置風(fēng)量仍相對局部點(diǎn)位治理高。因此，在考慮整體治理前應(yīng)做好充分的調(diào)研分析及投資運(yùn)維對比，確定整體治理的合理性、必要性及可行性，再借助經(jīng)驗(yàn)計(jì)算和數(shù)值計(jì)算仿真等方法確定設(shè)計(jì)風(fēng)量及空間風(fēng)量匹配情況，以達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 整體廠房分層送風(fēng)治理模式的發(fā)展

隨著整體廠房分層送風(fēng)治理模式的不斷推廣應(yīng)用，根據(jù)實(shí)際需求產(chǎn)生了一系列新的思路和方法。

（1）局部+整體的綜合治理模式。

對于作業(yè)相對固定的場所，且場所空間較大時(shí)，為減少污染物的擴(kuò)散，并保證作業(yè)區(qū)域人員的空氣治理，可采用局部+整體的綜合治理模式。該模式沿用整體廠房分層送風(fēng)氣流組織，同時(shí)在焊接或其他熱作業(yè)點(diǎn)上方布置局部吸風(fēng)罩，配合整個(gè)車間的頂部回風(fēng)，將車間形成一個(gè)工作區(qū)域送風(fēng)、局部排風(fēng)、車間頂部回風(fēng)的有機(jī)整體。

具體結(jié)構(gòu)如圖14所示，實(shí)物如圖15所示，為北方某大型汽車制造企業(yè)車間治理模式，在解決了供暖、余熱回收的同時(shí)，極大改善了作業(yè)環(huán)境。

圖14 某北方汽車制造企業(yè)局部+整體治理示意Fig.14 Schematic diagram of local+overall treatment of a northern automobile manufacturing enterprise

圖15 某北方汽車制造企業(yè)局部+整體治理實(shí)物Fig.15 local+overall treatment of a northern automobile manufac‐turing enterprise

北方某客車廠車間治理模式如圖16所示，為局部流水線封閉+整體治理模式，在解決夏季空調(diào)、冬季供暖的同時(shí)，極大改善了作業(yè)環(huán)境。

圖16 北方某客車廠局部+整體治理示意Fig.16 Schematic diagram of local+overall treatment of a northern bus factory

（2）分布式整體治理模式。

分布式整體治理模式是在整體廠房分層送風(fēng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，沿用的是分層送風(fēng)、下送上回的氣流組織形式［7］。

整體廠房分層送風(fēng)模式有其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和實(shí)用價(jià)值，但在一些特定場合，雖然需要整體治理的氣流組織，對一些功能性的需求并不強(qiáng)烈。比如，靠外墻的北方鋼結(jié)構(gòu)焊接廠房，局部治理無法滿足要求，車間門窗又存在一定的新風(fēng)漏風(fēng)率，冬季又需要回風(fēng)循環(huán)以防止供熱損失。此時(shí)的整體廠房分層送風(fēng)系統(tǒng)就可犧牲供暖、新風(fēng)、空調(diào)、異味凈化等功能，以除塵為治理目的。由此，可以采用分布式整體治理模式，通過眾多小區(qū)塊的分層送風(fēng)氣流組織相組合，形成整個(gè)車間的空氣循環(huán)。

如圖17、圖18所示，分布式整體治理模式主機(jī)采用一體化治理機(jī)組，結(jié)構(gòu)小巧、布置靈活，可模塊化生產(chǎn)。眾多的一體化治理機(jī)組，通過中控系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，組合成整個(gè)車間的分層送風(fēng)氣流組織［7］。

圖17 分布式整體治理結(jié)構(gòu)示意Fig.17 Schematic diagram of distributed overall treatment structure

圖18 分布式整體治理模式管道布局Fig.18 Pipeline layout of distributed overall treatment mode

實(shí)踐結(jié)果表明，分布式整體治理模式雖犧牲了一些功能性需求，但在改善煙塵環(huán)境方面效果顯著，投資成本也得到較大幅度的節(jié)省，且更容易實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)的分區(qū)節(jié)能控制。

3 分布式整體治理模式的實(shí)踐應(yīng)用

項(xiàng)目坐落于山西某廠結(jié)構(gòu)焊接廠房，治理范圍涉及6#和87#兩個(gè)作業(yè)廠房，共計(jì)5個(gè)生產(chǎn)區(qū)，治理面積共11 628 m2，廠房高度最大達(dá)18 m，跨距最大達(dá)32 m。

根據(jù)各個(gè)區(qū)域的治理面積及同時(shí)焊接作業(yè)數(shù)量，6#廠房設(shè)計(jì)采用14套分布式整體治理系統(tǒng)，87#廠房設(shè)計(jì)采用8套分布式整體治理系統(tǒng)。6#廠房和87#廠房共用一套中央控制系統(tǒng)，達(dá)到整體治理+分區(qū)聯(lián)控的治理效果。治理區(qū)域工況統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 治理區(qū)域工況Table 2 Working conditions in the treatment areas

圖19為分布式整體治理系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)圖。可以看出，單個(gè)分布式系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)，可替換性強(qiáng)，極大降低了裝備的制造、運(yùn)輸、安裝、維護(hù)成本。

圖19 山西某6#&87#廠房分布式整體治理系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)圖Fig.19 Three dimensional design drawing of distributed overall man‐agement system of 6#&87#workshop in Shanxi

系統(tǒng)安裝完成后的實(shí)物如圖20所示，部分設(shè)備安裝于室外，以減少對車間空間的占用。

圖20 山西某6#&87#廠房分布式整體治理系統(tǒng)安裝實(shí)物Fig.20 Physical installation of distributed overall management sys‐tem in 6#&87#workshops in Shanxi

為了更為直觀地判別分布式整體治理系統(tǒng)效果，對設(shè)備開機(jī)前后車間內(nèi)煙塵情況進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和直觀觀察。數(shù)據(jù)采集結(jié)果及直觀觀察分別如表3、圖21所示，在不考慮新風(fēng)、供暖、制冷、異味凈化等功能條件下，分布式整體治理模式可以獲得與整體廠房分層送風(fēng)相當(dāng)?shù)臒焿m收集治理效果。

圖21 分布式整體治理系統(tǒng)在6#廠房開機(jī)前后效果對比Fig.21 Effect comparison of distributed overall management system before and after 6#workshop startup

表3 開機(jī)前后測點(diǎn)粉塵濃度Table3 Dust concentration of measuring points before and after startup

4 焊接作業(yè)廠房治理模式的選擇

綜合作業(yè)廠房內(nèi)影響治理工藝選擇因素，如表4所示，作為治理模式選擇的初步依據(jù)，按“☆”推薦，“☆”越多則可行性越好。

表4未能全面囊括所有的工藝類型，僅對可能存在的幾種工況進(jìn)行了評判分析。在今后的項(xiàng)目實(shí)踐中，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況不斷豐富選型內(nèi)容，不斷細(xì)化各個(gè)工藝分支，以期為廠房治理提供更好的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。

表4 焊接作業(yè)廠房治理模式選型Table 4 Selection of management mode of welding workshop

5 結(jié)論

在傳統(tǒng)整體廠房分層送風(fēng)的基礎(chǔ)上，針對特定工況開發(fā)的分布式整體治理模式，在犧牲了新風(fēng)、制冷、供暖、除異味等功能的情況下，可低成本的廣泛應(yīng)用于大型鋼結(jié)構(gòu)焊接、鋼結(jié)構(gòu)焊割等作業(yè)環(huán)境。尤其是在北方地區(qū)，除塵的同時(shí)可有效降低熱能損失。同時(shí)，在中控系統(tǒng)的整合下，眾多的分布式一體化機(jī)組能更好地實(shí)現(xiàn)分區(qū)治理模式。每套系統(tǒng)控制區(qū)域即為一個(gè)治理分區(qū)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分區(qū)送風(fēng)提供了新思路和新方法。實(shí)踐應(yīng)用表明，在除塵效果和節(jié)能運(yùn)行方面，分布式整體治理可獲得與傳統(tǒng)整體廠房分層送風(fēng)相當(dāng)?shù)闹卫硇Ч?，且投資成本更低，更適合于中小型企業(yè)焊接作業(yè)廠房治理的推廣應(yīng)用。

焊接作業(yè)廠房可根據(jù)自身針對性需求選擇合適的治理工藝，達(dá)到最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益。