宜昌某焊接车间通风除尘与空调设计浅析

分析了造船厂焊接车间生产工艺特点及焊接烟尘产生机理，结合厂房特点、地域和使用要求，从置换通风原理、气流组织、风系统、节能运行等方面介绍了该工程置换通风除尘及空调设计。经组合式控温除尘机组净化后可达标循环使用，过渡季可全新风运行，也可进行温度调节，节能减排效果明显。通过计算机三维数字化对送风口及温度场等模拟仿真，表明整体通风除尘空调系统的除尘效果和温度分布可满足要求值，为同类焊接车间 通风除尘设计提供借鉴。    1、引言

    中国造船业发展智能化制造是建设造船强国的必然选择，对我国造船业提高生产效率、保证产品质量、降低生产成本、促进转型升级、提升国际竞争力具有重要战略意义[1]。随着船舶行业的不断发展，各配套企业生产规模不断扩大，焊接件大小相差较大及焊接场所不固定等特点，造成焊接烟尘对工作环境的污染日趋严重，为保障车间内环境满足卫生和规范要求，需要采取通风除尘措施。《工业场所有害因素职业接触限值 第1部分：化学有害因素》GBZ2.1-2007中规定：作业环境中电焊烟尘PC-TWA(总尘)≤4mg/m3。除满足工艺设备所需求的温湿度要求外，为了提高生产效率，改善生产工人工作环境，在厂房内安装空调设备已越来越多。

    2、 焊接烟尘性质及危害

    2.1 焊接烟尘性质

    焊接烟尘的主要化学成分为Fe2O3、SiO3、MnO、CaO以及组成油烟的高分子化合物如烷烃、醛、酮、杂环化合物等，具有分散度大、沉积慢、易漂浮在空气中等特点，危害工人的身心健康。焊接烟尘有害物是在焊接、切割及相关工艺过程中产生的，取决于采取的焊接形式以及所用的焊接材料，是一种可吸入的空气污染物质，悬浮在空气中的颗粒非常小，一般其尺寸小于1µm，根据对某厂厂房焊接烟尘的测定：粒径0.1µm~0.28µm占到总量的79%(<0.1µm11%，0.1µm~0.2µm43%，0.24µm~0.28µm25%)，因此是“可呼吸的”，并称之为焊接烟雾。

    2.2 焊接烟尘对人体的危害

    2.2.1 对肺产生压迫的物质

    (1)铁的氧化物(FeO、Fe2O3、Fe3O4)长期高浓度地吸入，会导致烟尘在肺中的沉积，引发铁质沉积性肺尘病。但如果停止接触，肺内的铁质沉积会逐渐消散。(2)K2O、Na2O、TiO2三种氧化物都会导致烟尘在肺中的沉积。

    2.2.2 有毒物质

    (1)锰的氧化物(MnO2、Mn2O3、Mn3O4、MnO)。质量浓度高时，对呼吸道有刺激作用并导致肺炎，长期接触能损害神经系统从而导致麻痹症。(2)氟化物(CaF2、KF、NaF、其他)。质量浓度高时，对胃粘膜和呼吸道粘膜产生刺激，长期吸入且多量时，可导致对骨的慢性损害。(3)钡化物(BaCO3、BaF2)。在烟尘中主要以水溶性形式存在，吸入后对人体有危害;当可溶性钡超过MAK值时，会有少量钡的积累，在某些情况下导致人体组织缺钾。(4)氧化铅。可能导致血和神经的中毒。(5)氧化铜、氧化锌。吸入它们的烟尘可引起中毒性“发热”。(6)五氧化钒。有毒并对眼睛和呼吸道有刺激作用。当质量浓度高于MAK值时，会导致肺功能的损害。

    2.2.3 致癌物质

    (1)六价铬化物。铬酸盐形式的六价铬化物和CrO3对人体有致癌作用，尤其对呼吸器官致癌较敏感，六价铬化物对粘膜也有刺激和腐蚀作用。(2)氧化镍(NiO、NiO2、Ni2O3)。对呼吸道有致癌作用。(3)氧化镉(CdO)。它有强烈的刺激作用，类似于亚硝酸气体，可导致严重的肺水肿。(4)氧化铍(BeO)。通常有强毒性，含有Be的烟尘对上呼吸道有严重的刺激作用，出现急性金属烟尘中毒性发热，可导致慢性呼吸道发炎。(5)氧化钴(CoO)。当质量浓度较高时，对呼吸系统有危害。

    3、工程概况

    本项目车间位于宜昌市，跨距33m，长度207m，治理面积6831m2，吊车轨道顶标高18.0m，车间内主要为焊接操作，产生碳钢焊接烟尘，建筑平面图见图1。为达到《工业场所有害因素职业接触限值第1部分：化学有害因素》GBZ2.1-2007的规定：工作场所作业环境中电焊烟尘PC-TWA(总尘)≤4mg/m3。同时根据工艺要求，在焊接区风速≤0.5m/s，以免影响二氧化碳焊接。

    图1 建筑平面图

    4、置换通风除尘

    4.1 置换通风除尘原理

    运动的尘粒在空气沉降过程中，主要受力为重力mg、浮力Fv、气流对尘粒的阻力Fd。当三者达到平衡时，尘粒在空气中悬浮[2]。运动的粉尘(尘粒)引起周围介质(气体)的扰动，这种扰动要消耗能量，这也就表现为气体对尘粒运动的阻力，无论是尘粒静止气体流动，还是气体静止尘粒流动，或者两者都流动，其结果都是一样的，只要两者之间具有一定的相对速度，气体都对尘粒均有阻力。

    根据以上理论计算，当粉尘在重力作用下自由降落时，其最大沉降速度为0.0024m/s，与一般车间具有的空气流动速度(0.2m/s～0.3m/s)相比是很小的，这说明尘粒的运动主要受室内气流的支配。当尘粒受机械力作用以初速度u0作水平运动时，由于空气的阻力，尘粒呈减速运动，可以用下面公式表达尘粒运动的规律：

    做水平运动，经过0.001s后，尘粒的速度迅速降到1.8×10-8m/s，很快失去动能。尘粒传播的最大距离为0.0005m。这表明，即使在机械力的作用下，尘粒也不能单独在车间内传播。

    置换通风通过下侧送上回的气流组织形式，在有热源的车间，室内空气与热源形成以自然对流为主的热交换，形成上升的热浮力，并不断吸卷周围空气，同时在后续新风的推动作用下和顶部抽风口的抽吸作用下，形成向上的均匀气流，粉尘能及时通过排风口排出。

    4.2 气流组织

    焊接车间由于在高度上具有稳定的温度梯度，如果以较低的风速，将温度较低的新鲜空气直接送入室内工作区，低温的新风在重力作用下先是下沉，随后慢慢扩散，在地面上形成一层薄薄的新鲜空气层。而室内热源产生的热气流由于浮力作用而上升，并不断吸卷周围空气。在后续新风的推动作用下和顶部抽风口的抽吸作用下，地面上方的新鲜空气缓缓上升，形成向上的均匀气流类，于是工作区的含烟含尘空气为后续的新风所取代。当达到稳定后，在室内由于浓度差而形成两个区域。上部为混合区，下部为向上流动的清洁区。

    图2 气流组织示意图

    4.3 设计方案

    根据焊接车间生产线的内部布置、焊接焊机种类及布置、供冷和供暖系统方案、选择的风口形式等确定气流组织形式。车间采用下部送风，上部回风(排风)的置换通风方式。在两侧钢立柱2.0m高处设置送风筒，出风风速控制小于0.5m/s。在车间吊车上部设置两排回(排)风口。冬夏季运行时，控制20%新风与来自车间的80%回风(20%的回风通过排风阀排至车间外)混合后送入车间内，避免污染物直接排放造成车间内的热(冷)量损失。过渡季采用全新风运行，利用全新风带走车间内热负荷，污染空气100%排至室外，既保证了舒适的温度，也保证了良好的空气品质。

    对车间空气进行处理的主要设备为组合式除尘控温机组，具有回风段、高效过滤段、回风机段、排风段、中间段、新回风混合段、初效过滤段、表冷段、加热段、送风机段、均流段、消声段、送风段，主要功能段示意图见图3。本项目选用4台处理风量为140000m3/h机组。

    图3 组合式除尘空调机组主要功能段示意图

    焊接烟尘非常微小，一般在1µm以下，是可“呼吸的”焊接烟雾，这种焊接烟中气态和颗粒状态对人体是有害的污染物质，采用专门过滤微小烟尘的高效过滤器，对于0.1µm~2.0µm的过滤效率可达99%以上。附着在滤筒上的烟尘由压缩空气自动对滤筒定期轮流进行清灰，灰尘落在灰斗内，灰桶是在常压系统中，在滤筒清灰时，不影响设备和系统的正常进行。烟尘经集尘斗落到灰桶，定期清倒，不会造成二次污染。

    5、计算机模拟

    单体高大空间具有气流和温度变化较大的分布特点，特别是竖直方向上由于空气密度差产生温度梯度高，要实现高大空间建筑室内良好的热环境，关键在于合理的气流组织。随着流体力学(CFD)的发展，在大空间建筑的室内环境设计中已逐步采用CFD模拟来解决室内气流组织、冷热环境等问题[3]。数值模拟具有速度快、成本低、资料完备且能够模拟真实条件等优点，可方便、高效的指导设计或分析设计中的问题。

    柱形置换送风筒具有送风量大，送风速度低及可任意调节送风方向的特点，安装在厂房立柱2m高度，送风气流可到达工作区。送风筒速度模拟见图4。

    图4 送风筒模拟速度矢量图

    图5为X=10.0m温度场分布图，从图中可以看出，每侧送风均可到达厂房中心线，整个厂房工作区无死角。

    图5 截面X=10.0温度场示意图

    6、节能措施

    为确保消除室内污染物并节能运行，组合式除尘控温机组采用定风量、变新风比控制。根据全年多工况特性，在焓湿图上将空调工况分为五个分区，见图6。图中O为送风点，N为室内设计点。

    I区：通过新回风比将混风至t0温度线上，湿度控制在加湿能力线内，在等温加湿到送风状态点O，此区域控制执行器为新回风阀、加湿阀。

    II区：通过新回风比混风，小比例开制冷阀将空气冷却至t0温度线上，再等温加湿到送风状态O，其小比例开启水阀保证表冷温度大于露点温度，此区域控制执行器为新回风阀、制冷阀、加湿阀。

    III区：采用最小新风，满足车间卫生要求，经制冷、加湿至送风状态点O，此区域控制执行器为新回风阀、制冷阀、加湿阀。

    IV区：高温高湿工况，采用最小新风，制冷与除湿同时进行，将表冷器温度降至露点温度，此区域控制执行器为新回风阀、制冷阀。

    图6 全年多工况运行图

    V区：低温高湿工况，采用全新风，此时需大量除湿，将空气冷却至露点温度，由于温度低于送风温度，故需开启加热阀辅

    助加热，此区域控制执行器为新回风阀、制冷阀、加热阀。

    7、结语

    采用整体置换通风除尘空调系统及合理的气流组织，可以有效的控制焊接车间的焊接烟尘扩散，在底部送风及室内热源形成的上升气流、高点排风共同作用下，形成整体向上的气流，即有补充新风满足工作区卫生要求，又净化了车间内的焊接烟尘，达到环保要求解决环境污染。随着船厂焊接车间要求的不断提高，整体置换通风除尘空调系统是船厂相关焊接处理车间的重要技术措施，对我国船厂焊接处理车间产生的环境改善和产品质量提高有着广阔的应用前景和良好的社会效益。