汽車焊裝車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

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們對自身健康的關(guān)注，工作環(huán)境的安全和健康問題成為關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來我國汽車制造業(yè)高速發(fā)展，汽車工廠焊接煙塵對工作環(huán)境和大氣環(huán)境造成的污染日趨嚴(yán)重。汽車焊裝車間主要采用點(diǎn)焊和CO2焊，其煙塵污染源來自焊接和白車身生產(chǎn)時產(chǎn)生的可吸入顆粒物——焊接煙塵和白車身打磨時產(chǎn)生的粉塵，焊機(jī)周圍的電磁輻輻射、弧光和噪聲和熱輻射日趨嚴(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，過濾焊接場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 研究對象概況

研究與測試的對象是北京地區(qū)某品牌轎車白車身焊裝車間除塵系統(tǒng)。該車間高約11 m，面積約27 000 m2，車間中采用整體除塵——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。近年來隨著汽車產(chǎn)能的提高，生產(chǎn)線拍節(jié)奏的加快，焊接線和裝配線工位的增加，焊接煙塵的濃度呈上升趨勢。除塵系統(tǒng)在較低送風(fēng)量工作狀態(tài)下，對污染較嚴(yán)重的焊接工位的抽煙檢測中，焊接煙塵濃度超出職業(yè)安全限值（0.4 mg/m3）[4]，焊接場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)向角度對系統(tǒng)改造升級，降低工作區(qū)域內(nèi)煙塵濃度，提升整個焊接場所空氣清潔度。在除塵系統(tǒng)改造過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，實(shí)現(xiàn)新舊除塵系統(tǒng)之間切換工作。

2 汽車焊裝車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，同時引入新空氣或過濾凈化的空氣置換、稀釋室內(nèi)空氣，使室內(nèi)煙塵濃度達(dá)到衛(wèi)生要求。汽車裝焊車間整體除塵系統(tǒng)原理見圖1[4]。

2.1 混合送風(fēng)車間煙塵特性和除塵

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。由于汽車工廠焊接車間在高度方向上具有穩(wěn)定的溫度梯度，過濾后的回風(fēng)和補(bǔ)充的新風(fēng)送入車間后因溫度較低會產(chǎn)生自然下沉的趨勢，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，將保持繼續(xù)下降，從而不斷稀釋渾濁的空氣，直至下降到車間底部形成較清潔的空氣層。渾濁空氣在不斷稀釋的過程中，在焊接熱量的帶動下向車間頂部上升，并形成向上的空氣流。在車間頂部排風(fēng)口的抽吸作用和焊接熱形成的上升氣流對周圍空氣的卷吸作用下，渾濁空氣將不斷地被排到室外，過濾后的熱風(fēng)和補(bǔ)充的新風(fēng)將不斷地送到車間內(nèi)部，完成混合稀釋的循環(huán)過程。

混合送風(fēng)整體除塵著重于把整個車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稀釋渾濁的空氣，由于對整個車間渾濁空氣的稀釋，在有些區(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，無法徹底解決工作區(qū)粉塵的滯留問題。

2.2 分層送風(fēng)車間煙塵特性和除塵

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)域流動的空氣是清潔的空氣，焊接過程中產(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)動的卷吸作用下有向上運(yùn)動的作用，同時安裝在車間頂部的回風(fēng)口抽吸作用使得車間內(nèi)部混合了煙塵的空氣能夠被排到室外，同時又有新的空氣不斷補(bǔ)給，保證渾濁空氣被清潔空氣及時置換。

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。同時整個車間的氣流流態(tài)分為上下兩個區(qū)域，由于分層送風(fēng)出風(fēng)口橫向流動氣流的帶動及工作區(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、溫度梯度帶動和回風(fēng)口的抽吸下，混濁空氣向上流動形成單向。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，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)償和操作者對室內(nèi)溫度的舒適感，同時采用不同的送風(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

3.1 檢測點(diǎn)分布和檢測方法[7-8]

根據(jù)從業(yè)人員工作場所和工作地點(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)測試點(diǎn)，共選擇12個有代表性的檢測點(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#分布在白車身裝配區(qū)。使用P-5L2C型便攜式微電腦粉塵儀，測試時間為5min/次，依據(jù)車身焊接車間的工藝特點(diǎn)，設(shè)定濃度轉(zhuǎn)換系數(shù)K為0.45，每個取樣點(diǎn)測試三次取平均值。

測定時，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)過濾后的回風(fēng)，時間在早上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，對混合送風(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)測定。

3.2 不同工況下檢測數(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)測定，數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

4 數(shù)據(jù)分析

檢測點(diǎn)的煙塵濃度與檢測點(diǎn)能送達(dá)的新風(fēng)量、檢測點(diǎn)的空氣流動速度（風(fēng)速）、檢測點(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，影響測試點(diǎn)煙塵濃度的主要因素為清潔風(fēng)的送達(dá)量和測試點(diǎn)的風(fēng)速。成品件和坯料的擺放、檢測點(diǎn)距送風(fēng)口的距離會都影響風(fēng)速和風(fēng)向，最終影響煙塵濃度。如9#～12#測試點(diǎn)為白車身裝配工位，距離車間門口較近，受外界風(fēng)力的影響使監(jiān)測點(diǎn)的風(fēng)速相對偏高，檢測點(diǎn)的粉塵濃度較高，風(fēng)速對此區(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)測定數(shù)據(jù)

表2 工況1分層送風(fēng)系統(tǒng)測定數(shù)據(jù)

不同工況、不同送風(fēng)方式下的風(fēng)速及煙塵濃度對比如圖4、圖5所示。工況相同時，同一檢測點(diǎn)分層送風(fēng)時的風(fēng)速高于混合送風(fēng)時的風(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)，車間內(nèi)設(shè)備及其他物品的堆放會影響氣流的方向、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%）時滿足焊接煙塵衛(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，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)測定數(shù)據(jù)

表4 工況2分層送風(fēng)系統(tǒng)測定數(shù)據(jù)

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

圖5 不同工況下不同送風(fēng)方式測試點(diǎn)煙塵濃度對比

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間焊接煙塵的擴(kuò)散。焊接場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，形成向上的單向流動，由回風(fēng)口排出，除塵效果明顯，使焊接工作場所煙塵濃度滿足衛(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)量時有效降低焊接車間的煙塵濃度，起到節(jié)能減排的作用。

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