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    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

    2022-06-01 10:41:10蔡德宏王延斌胡光明葉含青丁沛文梁晶晶
    電焊機(jī) 2022年5期
    關(guān)鍵詞:煙塵廠房車(chē)間

    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)??萍脊煞萦邢薰?,湖南 長(zhǎng)沙 410129

    0 前言

    我國(guó)焊接作業(yè)場(chǎng)所的治理模式已相對(duì)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(chǎng)所污染治理方案確定前,有必要針對(duì)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(lái)的熱能損失問(wèn)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(guò)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(guò)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(chē)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(duì)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(chǎng)所不斷富集。作業(yè)廠房有外窗或外門(mén)的,尚可通過(guò)門(mén)窗漏風(fēng)形式補(bǔ)充新風(fēng)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(guò)程對(duì)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(jiàn)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(chǎng)所,作業(yè)人員長(zhǎng)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(guò)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(shì),在行業(yè)內(nèi)得到了大規(guī)模推廣。為了保證收集效果,對(duì)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(duì)固定、焊接作業(yè)點(diǎn)相對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)焊接作業(yè)過(guò)程的干涉較大,對(duì)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(guò)程Fig.4 Suction arm product and its operation process

    側(cè)吸或底吸的局部工作臺(tái)如圖5所示,一般是針對(duì)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(duì)作業(yè)過(guò)程影響相對(duì)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(guò)程,若需要行車(chē)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(wèn)題,但其較大的空間體積對(duì)作業(yè)過(guò)程仍會(huì)產(chǎn)生影響。且大多數(shù)情況下,作業(yè)場(chǎng)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(jiàn)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(chǎng)所的清潔,但作業(yè)場(chǎng)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(chǎng)所,且其內(nèi)部的氣流組織模式也需要通過(guò)計(jì)算或模擬確定。圖10為超高大伸縮工作間的仿真流場(chǎng)圖和流線圖。由圖可知,雖然確保了工作間外無(wú)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(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)人體,這樣就可以保證人體處于一個(gè)相對(duì)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(duì)空氣狀況的要求只是針對(duì)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(duì)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(duì)工作區(qū)域沒(méi)有任何影響,基本規(guī)避了局部治理帶來(lái)的工藝影響。

    整體治理面向整個(gè)作業(yè)車(chē)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(chē)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(lái)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)于作業(yè)相對(duì)固定的場(chǎng)所,且場(chǎng)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(chē)間的頂部回風(fēng),將車(chē)間形成一個(gè)工作區(qū)域送風(fēng)、局部排風(fēng)、車(chē)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(chē)制造企業(yè)車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)廠車(chē)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(chē)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(lái),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(chǎng)合,雖然需要整體治理的氣流組織,對(duì)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(wú)法滿足要求,車(chē)間門(mén)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(guò)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(chē)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(guò)中控系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制,組合成整個(gè)車(chē)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(chē)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??梢钥闯?,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(duì)車(chē)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(duì)設(shè)備開(kāi)機(jī)前后車(chē)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(kāi)機(jī)前后效果對(duì)比Fig.21 Effect comparison of distributed overall management system before and after 6#workshop startup

    表3 開(kāi)機(jī)前后測(cè)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?jī)?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(duì)可能存在的幾種工況進(jìn)行了評(píng)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(duì)特定工況開(kāi)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(duì)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。

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