超大部件喷漆工位通风及废气净化系统设计

引言

几十年来,中国航空工业规划设计研究院在航空超大部件(一般指平面投影面积在150㎡以上的部件)喷漆工位通风系统的设计、研究和测试方面做了大量的工作,通过对已投入使用的部分代表性工程的测试、分析,基本形成了全空气覆盖控制漆雾漫延的设计理念,大量工程的实践证实,按此理念设计的通风系统效果良好。特别是近年笔者与清华大学合作,在设计阶段运用CFD数值模拟对通风系统的气流组织进行分析,以达到优化设计的目的。同时,通过现场测试,发现问题及时解决,并总结工程经验,为以后的设计提供参考。由于航空喷漆工艺的特殊性,对喷漆工位的环境提出了较高的要求,既要求工作区风速和气流均匀性较好,又要求截面风速不能过大也不能太小。风速过大,影响喷涂附着力且被喷涂表面会起气泡,严重影响喷漆质量;风速过小,气流不能及时带走漆雾,造成漆雾在室内四处弥漫,不能满足室内防爆安全和劳动卫生条件的要求。

由于喷漆工位在喷漆工况时均为直流系统,风量较大且有温湿度的要求,因此加热量、耗冷量、耗电量都很大。随着人们环保意识的提高和国家对各行业废气排放监管力度的加强,对喷漆废气净化处理的要求也在不断提高,以往常采用的漆雾及有机物废气排放前的净化方式多为湿式(药剂水喷淋,主要净化漆雾),有时另加干式(活性炭吸附,主要净化有机废气),但由于湿式带水,影响活性炭吸附效率,故湿式加活性炭吸附方式采用的并不多。干式漆雾过滤是20世纪90年代以后欧美国家替代水洗式漆雾过滤的一种方法。如何有效地提高喷漆质量,保证室内卫生环境、减少对大气的污染,并且最大限度地降低能耗,是通风系统设计需解决的主要课题。为此,笔者重点从改善气流组织以解决能耗过大的问题以及从废气净化方式上解决环保问题两方面进行了通风系统的设计研究。

一、气流组织

排除有害物最有效的方法是局部排风,由于航空超大部件多为不规则体,又有移动式工作平台或悬挂式工作坞,无法实现局部排风,故采用全面送、排风方式,采用上送下排的气流组织,全空气覆盖控制漆雾漫延是航空超大部件喷漆工位比较成功的通风方式。按照污染物就地产生、就地排除的原则,污染物通过的途径要尽可能短,在排至室外的过程中,尽可能少经过人员操作区和其他无关设备。因此,在合适的气流速度下,全空气覆盖可以将喷漆产生的漆雾和有机废气就近排走,不至于过多地影响操作人员、未喷漆部位和其他无关设备。由上至下的送排风系统使送出的空气在大部件的外围没有受到阻挡,顺利地形成了明显的空气幕,空气幕内部的气流对污染物的有效排出起到了关键作用。由于周边送风不受部件水平面的阻挡,有可能在减少周边风量的条件下空气幕仍然能够形成,通过这种办法可以达到节能的目的。而空气幕内部的气流在垂直方向的流动则受到大部件水平面的阻挡,这种阻挡作用使得空气沿大部件水平面横向流动,然后从其边沿下方的排风口排出,这对于及时排出漆雾非常有利。但当空气幕在垂直方向流动时受到最高工作平台的阻挡,工作平台下喷漆产生的漆雾就不能得到有效的控制,要想解决此问题,就必须改变送风方式。如:沿超大部件外轮廓设计独立空气幕系统,空气幕内部采用全空气覆盖的方式,使喷漆漆雾限制在一定的范围,不致四处扩散。这种空气幕的实现,与风口的类型和布置、工作区的范围大小、气流的速度等有紧密关系。

1.送风口

要充分实现全空气覆盖的气流组织方式,最好是靠近工作区上方满布风口,且送风风速较小,形成垂直单向气流。由于工作区的高度随超大部件的部位不同而不同,要想在不同高度的工作区得到相近的气流流速,就必须要求各处送风口的类型、送风量、射程或出口风速均不同,这一点很难做到。尤其对于大空间的工作区,由于移动工作平台或悬挂工作坞的存在,为了不影响吊车或悬挂工作坞的运行,风口势必布置在屋架下弦之上,故很难将送风气流(特别是热气流)以低速垂直单向流的方式送至操作区。在干燥工况下,室内温度梯度增大,能量损失也随之增大。因此在超大型部件喷漆工位通风设计中,不宜采取满布风口的方案。若有条件采用可升降式风口则另当别论。鉴于此,笔者认为一般应根据厂房的高度采用轴向型风口或扩散型风口。对于单个风口,无论采用何种类型,空气经风口射流,由于湍动掺混和卷吸作用,都会使射流边界上的空气与周围空气产生动量交换,周围静止的空气不断被卷入射流,使射流的范围和流量随着射程的增加而增加,风速随着射程的增加而减小,不同射程每个断面上每一点的风速各不相同。如果风口为扩散型,射流边界上的空气与周围空气更容易产生动量交换,不同射程每个断面上每一点的风速将比较接近,但射程短。因此对于屋架下弦较低的厂房选择合适的扩散型送风口,能在工作区上方风速较小的情况下形成很好的搭接,使工作区各点的风速差值尽量小。对于屋架下弦较高的厂房,轴向型风口才能满足要求,它具有射程远,诱导室内空气的作用小,空气温度、速度衰减慢的特点,但在工作区上方气流搭接断面的风速差值大,波动也大。若采用阻尼型送风口可以形成自上而下的垂直流型,较好地实现全空气覆盖的气流组织。但在实际工程中,由于各种条件的限制,很难实现。

2.气流控制范围和截面风速

按照通风理论,只要在工作人员面前形成空气幕,将有害气体与工作人员隔离即可。这样,工作区的最小范围应是所需喷漆工件定位平面投影面积加工作人员与工件的最小间距而形成的面积。若不论工件大小,以其定位的平面投影面积加相同操作距离为工作区,超大型部件平面投影面积占总工作区面积的比例大于小部件,若此条件下工作区具有相同截面风速时,超大型部件侧面风速大于小部件侧面风速。因此,在满足工作区形成空气幕的条件下尽可能减小截面风速,减少总送风量,一般可根据喷漆部件尺寸适当调整气流控制范围,小型部件取下限,大部件取上限。

国家标准《喷漆室安全技术规程》(GB14444—93)中规定,大型喷漆室手动喷漆工作区通风系统控制风速的范围为0.38～0.67m/s,其目的是控制喷漆时的漆雾反弹,避免漆雾进入操作人员的呼吸带,这个控制风速是指操作人员在无任何防护措施情况下的规定。若超大型喷漆部件工作区通风系统采用这个控制风速,通风量要100万m3/h以上,投资和运行及维护费巨大。而航空喷漆工位的操作人员大都带有防护装置,因此控制漆雾的气流速度可不受此限制。若以工作区截面风速计算的风量作为设计送风量,当采用射流风口时,根据风口射流理论,实际操作区的风量应大于设计风量。由于轴向型和扩散型风口的特性不同,诱导室内空气量的大小也完全不同。根据测试结果,通过对风口的选型和布置确定合理的气流控制范围和截面风速可以满足喷漆工艺和室内环境的需要。设计难点在于如何解决多层工作平台对通风气流的影响。在保证控制漆雾和有机废气自上而下的流向的前提下,还应考虑喷漆厂房的换气次数,因为换气次数的大小影响到排出漆雾和有机废气时间的长短。一般高大厂房的换气次数小,小厂房的换气次数大。

二、废气净化方式

综观各行业(如船舶和汽车行业)喷漆厂房排风过滤的方式,废气净化一般都采用干式或湿式两种方式。

1.废气的干式净化法

喷漆厂房废气的干式净化法是将含有漆雾的空气经三级过滤,一、二级为专门用于过滤漆雾的玻璃纤维过滤器,该过滤器是由玻璃纤维丝经特殊处理后在电脑程序控制下粘合成型,成型时每层密度有一定的梯度,以消除漆雾在材料表面堵塞,漆雾在各层纤维空隙内均匀累积,使整个材料空间得到充分利用。使含漆雾颗粒物的废气通过漆雾过滤材料时,因材料纤维与漆雾颗粒的快速惯性碰撞,漆雾颗粒相对于气流产生了方向的变化,经过与过滤材料纤维的反复碰撞,使漆雾颗粒从气体中分离出来。目前采用的美国进口专用干式漆雾过滤材料的漆雾容尘量一般为7～9kg/m2,厚60mm,设备设计指标一般定在8kg/m2以内,断面风速范围为0.7～1.2m/s,终阻力≤350Pa,一、二级漆雾净化效率一般在85%以上。清理漆雾过滤材料的间隔时间可根据实际运行情况和所测定负荷阻力来确定。过滤材料的更换也是根据清理后的过滤材料被阻塞和损坏的程度来确定。第三级为蜂窝状活性炭过滤器或成形的活性炭纤维过滤器,主要负担苯系物的吸附。活性炭是一种新型高效吸附材料,过滤风速要求小于1m/s。它具有很大的比表面积、丰富的微孔和一定的孔径分布;吸附量大,对有机气体和无机气体均有较强的吸附能力,有机气体浓度越高,吸附量也越高;活性炭内表面积越大,吸附量越高;吸附量随温度上升而下降。

2.废气的湿式净化法

喷漆厂房废气的湿式净化法是将含有漆雾和苯系物的空气经无泵水幕漆雾过滤器和活性炭过滤器排至室外。无泵水幕漆雾过滤器是采用空气诱导提升水形成水幕,含有漆雾的空气在与水幕撞击后,穿过水帘进入气水通道,与借自身高速而诱导的水产生强烈的混合。在水箱中加入添加剂,破坏了漆尘的黏附力,使其在水中形成松散的沉淀物,清理较为方便。这种设备在国内大量采用,漆雾净化效率大于90%,但对苯系物等有机溶剂的净化效率一般不足30%。虽然经过无泵水幕漆雾过滤器的苯系物排放浓度在增大排风量的情况下一般能达到国家排放标准,但该设备对苯系物净化效率低,排放速率并不理想,若按排放总量控制,一般很难达标。为使苯系物排放速率达到国家标准,喷漆废气仍需经过活性炭过滤器才能排至室外。

3.废气净化方式的选择

航空各类部件各型号规格喷漆需用的漆量和稀料基本是固定的,决定排放速率是否达标的关键是时间,也就是在消耗相同漆量和稀料的情况下,工作时间长的比工作时间短的排放速率低,容易达标。但排放浓度决定于风量大小,浓度达标,排放速率不一定达标。综合各方面因素和调研比较,对于生产任务饱满、连续喷漆且风量较小、废气浓度较高的系统(如汽车制造行业),多采用湿式过滤方式;对于非连续性生产、大风量、低浓度的系统(如飞机、船舶制造行业),多采用干式过滤方式。经多项工程的经济比较,结论如下:干式吸附法初投资小,运行维护费用高;而湿式吸收法初投资大,运行维护费用低(不含二次废水处理费)。

根据一些项目的废气排放检测报告,由于航空喷漆的通风量较大,有机废气的浓度都较低,排放浓度远低于国家标准,有的甚至低于最低检出浓度,排放速率也低于国家标准。而有机废气的排放速率与喷漆量、喷漆时间及过滤效率有关,排放速率是在测试排放浓度的基础上乘以风量确定的。

在确定航空超大型部件喷漆工位废气净化方式时,首先应根据工艺条件和漆雾成分(含苯漆/无苯漆)计算出机库内有机废气各成分的浓度,再根据不同过滤方式、不同的过滤效率计算出排放浓度和排放速率、机房面积和层高、生产饱满程度、是否有污水处理站和投资情况,计算增加的一次投资和节省的运行费用以及回收年限等,分析比较后确定。当喷漆机库喷漆量较少,生产周期相对较长时,采用无泵水幕漆雾过滤器或干式漆雾过滤器有机废气浓度和排放速率已满足国家环保标准,就可以不采用活性炭过滤器。尤其是近年来航空喷漆常采用无苯水性环保漆,而且将来会越来越多地采用此类环保漆,这样就无须采用活性炭过滤器了。有条件的项目建议采用热量回收装置,这对于干式净化法较容易实现,湿式净化法应采用挡水装置。

综上所述,超大型航空部件喷漆工位的通风及废气净化系统设计主要取决于喷漆操作工艺及漆料成分,原则是将污染物控制在一定的范围,及时排走。自上而下垂直送风,尽量减少通风量。从火灾危险性考虑,送风量宜比排风量小5%。废气净化方式根据国家和地方的排放标准及生产具体情况经技术经济比较后确定。当工艺采用水性环保漆后,如何将废气净化手段进一步提高,使净化后的空气满足国家和卫生部门关于工作场所空气中有害物质允许浓度的要求,喷漆工位的通风系统将可采用部分循环风的方式,可大大减少能耗,这将是笔者进一步研究的课题。

作者：中国航空工业规划设计研究院 叶 鸣  张景林