Comparing the Ventilation Methods of Controlling Welding Fume in Large Workshop
Abstract The traditional ventilation method of controlling welding fume in large workshop is the combination of partial ventilation and general ventilation . Because the space is very large ,the traditional ventilation method has some demerits , such as the large ventilation volume and high running cost . In this article , taking an welding workshop as an example , the author use two ventilation methods of general ventilation and push-pull ventilation to control welding fume , and study the merits of push-pull ventilation in controlling welding fume of large workshop .
Keywords large workshop welding fume general ventilation push-pull ventilation
0 引言
焊接技術(shù)是近代先進(jìn)制造方法之一，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有舉足輕重的地位。焊接過程中，電弧區(qū)的最高溫度可達(dá)5000℃左右，任何金屬及其氧化物均可被熔化、蒸發(fā)，該過程將產(chǎn)生大量的粉塵、氣體和蒸汽。粉塵主要來源于焊條的藥皮，小量來自焊芯和母材，其化學(xué)成分多達(dá)二十余種，常見的有Fe、Ca、Mn、Si、Ni、Cu、Cr等。焊接過程產(chǎn)生的有害氣體主要為：CO、CO2、NOX、O3等。焊接過程中產(chǎn)生的污染物種類多、危害大，能導(dǎo)致多種職業(yè)?。ㄈ绾腹す璺?、錳中毒、電光性眼炎等）的發(fā)生，已成為一大環(huán)境公害。目前，國內(nèi)外對焊接的處理，主要采用全面通風(fēng)和局部通風(fēng)兩種傳統(tǒng)的通風(fēng)方式。本文以某一焊接車間為例，比較控制焊煙的傳統(tǒng)通風(fēng)方式和吹吸式通風(fēng)兩種方案，分析其初投資及年運行費用，探討在高大工業(yè)廠房應(yīng)用吹吸式通風(fēng)方式控制焊煙的可行性。
1 傳統(tǒng)通風(fēng)方式
控制焊接的傳統(tǒng)方法主要有局部通風(fēng)和全面通風(fēng)兩種。局部通風(fēng)可以有效阻止無組織氣流在空間內(nèi)帶動污染物擴(kuò)散，并且消耗的空氣量較少。對于焊接車間，有固定工作臺的手工焊接，局部排風(fēng)罩能將焊接基本上抽走，采用局部通風(fēng)方式能夠取得較好的治理效果，是比較經(jīng)濟(jì)的治理措施。但是在很多情況下，由于生產(chǎn)過程、工藝布置及操作等條件限制，不能設(shè)置局部排風(fēng)，或者采用了局部排風(fēng)，仍然有部分有害物質(zhì)擴(kuò)散在室內(nèi)，在有害物質(zhì)的濃度有可能超過國家標(biāo)準(zhǔn)時，則應(yīng)輔以自然的或機(jī)械的全面排風(fēng)，或僅采用自然的或機(jī)械的全面排風(fēng)。
《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范（GB50019-2003）》中規(guī)定：同時放散熱、蒸汽和有害氣體或僅放散密度比空氣小的有害氣體的生產(chǎn)廠房，除設(shè)局部排風(fēng)外，宜在上部地帶進(jìn)行自然或機(jī)械的全面排風(fēng)，其排風(fēng)量不宜小于每小時1次換氣，房間高度大于6米時，排風(fēng)量可按每平方米地面面積6m3/h計算[1]。在焊接車間內(nèi)，當(dāng)工作地點不固定時，則電焊難以用局部方法排除。因此，必須輔以或另行設(shè)置全面排風(fēng)來排除這部分。
一般焊接車間的特點是廠房比較高大、焊接件大小不定、焊接地點不固定、焊接方式較多。為了不影響焊接加工,通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計時,往往考慮的是全面通風(fēng)方式。通常，全面通風(fēng)以廠房的換氣量或換氣次數(shù)為基礎(chǔ)。因此，對于高大工業(yè)廠房，全面通風(fēng)勢必存在通風(fēng)量大、消耗電能多、運行費用高的缺點，冬季運行因需要供暖，耗電量更大。
2 吹吸式通風(fēng)
吹吸式通風(fēng)是利用射流作為動力，把有害物輸送到排風(fēng)口再由其排除，或者利用射流來阻擋、控制有害物的擴(kuò)散。從通風(fēng)工程空氣流動理論中我們知道，吹出氣流的速度衰減較為緩慢，例如，在其軸線上2倍口徑處仍是100%，在20倍口徑處還保持22%左右，可見它的捕捉能力，特別是輸送能力是優(yōu)越的[2]。吸入氣流的速度衰減較快，因此把吹出氣流和吸入氣流組合在一起協(xié)同作業(yè)，就可以彌補(bǔ)吸入氣流控制能力弱的缺點，從而有效地控制污染物的擴(kuò)散。吹吸式通風(fēng)原理圖如圖1所示。
圖1 吹吸式通風(fēng)原理圖
吹吸氣流不但可以控制單個設(shè)備散發(fā)的有害物，而且可以對整個車間的有害物進(jìn)行有效的控制。在廠房某一高度并排布置多個噴口，將具有一定能量的空氣射入大空間，形成前進(jìn)方向一致的多股平行射流。到一定距離后，每股射流將受到相鄰射流的影響，出現(xiàn)流線重合現(xiàn)象，如圖2所示。匯合以后，射流只能在縱向發(fā)展，當(dāng)P/d0=5～15時，射流在10d0～25d0處匯合，射流到達(dá)30d0～50d0以后各點的運動方向平行與x-y平面，沿垂直于該平面的直線上的速度分布趨向均一，因此射流在這個區(qū)域內(nèi)的運動近似于平面運動，形成水平的空氣屏障[3]。由于廠房空間大，并排布置的風(fēng)口個數(shù)多，射流匯合一段距離后，在大空間中形成寬度比變化中的厚度大得多的扁平氣流。
圖2 股平行氣流射流結(jié)構(gòu)圖
P——噴口間距 (m) d0——噴口直徑 (m) x——射流射程 (m)
采用吹吸式通風(fēng)方式控制高大工業(yè)廠房中的焊煙，就是利用在建筑物側(cè)墻一定高度吹出的噴射氣流形成空間隔斷，以送風(fēng)口中心為分層面，將高大工業(yè)廠房在高度上分為上下兩個區(qū)域，把工作區(qū)散發(fā)的焊煙最大程度的控制在一定的高度范圍內(nèi)，即廠房的下部區(qū)域為控制區(qū)，并借助于射流引起的氣流流動將污染物帶到排風(fēng)口將其排除。分層面以上的區(qū)域為非控制區(qū)。從理論和各種現(xiàn)場狀況分析，吹吸式通風(fēng)利用射流形成空氣隔斷，能對焊接車間有害物進(jìn)行有效的控制，而且工程投資和運行費用相對較少并且不會影響現(xiàn)場工人操作和設(shè)備維修。
3 通風(fēng)方案比較
本文以某一焊接車間為例，廠房的建筑尺寸為長120m，寬36m，高12m。
3．1 全面通風(fēng)方案
該焊接車間的特點是廠房高大、焊接地點不固定、焊接方式較多。為了不影響焊接加工,進(jìn)行傳統(tǒng)的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計時,采用的是全面通風(fēng)方式。由于焊接設(shè)備產(chǎn)塵量未知，全面通風(fēng)以廠房的換氣量或換氣次數(shù)為基礎(chǔ)，據(jù)經(jīng)驗值一般大型焊接車間應(yīng)每小時排風(fēng)10～15次[4]。本工程采用每小時排風(fēng)10次，排風(fēng)量為518400 m3/h，為保持室內(nèi)負(fù)壓送風(fēng)量小于排風(fēng)量為516000 m3/h。本工程采用全面通風(fēng)方案時，送排風(fēng)管道采用1mm厚的鍍鋅鋼板，共計2640 m2；排風(fēng)口(800mm×800mm)48個；送風(fēng)口(1000mm×800mm)40個；送風(fēng)機(jī)8臺（風(fēng)量66541 m3/h，功率22kw）；排煙風(fēng)機(jī)4臺（風(fēng)量145020 m3/h，功率160kw）。
3．2 吹吸式通風(fēng)方案
3．2．1 送風(fēng)射程
據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范（GB50019-2003）》，側(cè)送多股平行射流，采用單側(cè)送風(fēng)時，射流末端上邊界與對方墻面在工作區(qū)以上相交；雙側(cè)對送時，射流末端上邊界應(yīng)該在工作區(qū)以上搭接，以避免污染氣流逃逸。示意圖如圖3所示。
圖3 在高大廠房應(yīng)用吹吸式通風(fēng)示意圖
射流的射程等于射流的作用距離減去末端擴(kuò)散范圍[5]：
X=S-R
X—射流的射程(m)；
S—射流的作用距離(m)；
R—射流末端擴(kuò)散范圍(m)，根據(jù)實驗結(jié)果一般可取R=0.075 X。
本工程采用吹吸式通風(fēng)方案時，采用雙側(cè)對送。焊接車間寬度為36m，考慮到梁柱和風(fēng)管的影響，射流的作用距離取S=
×34=17m，射流的射程X = S-0.075X =15.81m。
3．2．2 送風(fēng)口高度
送風(fēng)口高度用下式確定[6]：h1=h＋Y＋ha
h——工作區(qū)高度(m)；
Y——射流的垂直落差(m)；
ha——安全高度，一般不作考慮，對有恒溫要求的場合取0.3 m。
根據(jù)實驗，推薦Y值范圍如下[7]：Y=(
)X,射程較大時可取
X，射程較小時可取到
X。本工程中，工作區(qū)高度取h=2m，射流的垂直落差Y=X =3.95m?？紤]到廠房結(jié)構(gòu)，送風(fēng)口高度定為5.5m。
3．2．3 送風(fēng)速度
據(jù)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范（GB50019-2003）》，采用噴口送風(fēng)時，送風(fēng)速度一般為4～10m/s，射流軸心末端速度一般為0.5～1.2m/s，噴口直徑可采用0.2～0.8m。本工程送風(fēng)口高度為5.5m，確定送風(fēng)量為237600 m3/h，取吸風(fēng)口的排風(fēng)量為射流流量的1.1倍。送風(fēng)速度取6 m/s，射流軸心末端速度取0.8 m/s。經(jīng)計算確定送風(fēng)管路上噴口直徑為0.3m，噴口個數(shù)為40個。排風(fēng)管道上設(shè)置3m×0.5m的側(cè)吸風(fēng)口24個。送排風(fēng)管道采用1mm厚的鍍鋅鋼板，共計1980m2。送風(fēng)機(jī)4臺（風(fēng)量61321 m3/h，功率24kw），排煙風(fēng)機(jī)4臺（風(fēng)量65429 m3/h，功率22kw）。
3．3 方案比較
全面通風(fēng)和吹吸式通風(fēng)兩種方案初投資費用和年運行費用見表1。本工程中鍍鋅鋼板風(fēng)道單價為120元/ m2，送風(fēng)口（1000mm×800mm）單價120元/個，排風(fēng)口（800mm×800mm）單價為100元/個，噴口（直徑為0.3m）單價為150元/個，工業(yè)用電0.8元/度。每日耗電按八小時計算。
| 方案通風(fēng)比較方案 |
初投資 |
運行費用（萬元/年） | ||
|
風(fēng)機(jī)設(shè)備（萬元） |
管材 （萬元） |
合計（萬元） | ||
|
全面通風(fēng)方式 |
18．86 |
31．68 |
50．54 |
190．6 |
|
吹吸式通風(fēng)方式 |
8．4 |
23．76 |
32．16 |
53．72 |
4 結(jié)論
通過以上數(shù)據(jù)可以看出，采用吹吸式通風(fēng)控制高大廠房的焊煙，將高大空間進(jìn)行空間隔斷，只對下部區(qū)域進(jìn)行控制。與全面通風(fēng)相比減少了需要治理的污染空間，從而大大減少了送排風(fēng)量，節(jié)約了能源，降低了設(shè)備初投資及年運行費用。
參考文獻(xiàn)
[1] 《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范（GB50019-2003）》[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.
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