大型船体装焊车间焊接烟尘扩散模式理论探讨.doc

大型船体装焊车间焊接烟尘扩散模式理论探讨第29卷第2期2003年4月东华大学(自然科学版)JOURNAIOFDONGHUAIiIVERSnYVo1.29,No.2Apr.2003大型船体装焊车间焊接烟尘扩散模式理论探讨蔡治平,徐宗古,施介宽2(1.中国船舶T业第九设计研究院.上海,200063;2.东华大学环境科学与工程学院.上海.200051)摘要目前国内外时焊接烟尘主要集中在发生机理,性质和治理等方面的研究,但对其在室内的扩散方式,运动轨迹等方面几乎没有具体的探讨.这里利用成熟的室外大气污染物扩散理论一梯度输送理论和箱模式理论,提出焊接烟尘在室内的扩散模式和浓度分布的理论计算方法.关键词:装焊车间.焊接烟尘,大气污染,梯度输送理论,箱模式中图法分类号:X169随着我国造船工业技术的发展,船体装焊车间日趋大型化,车间建筑尺寸已从单跨,数千平方米发展到多跨,数万平方米,随之而来的是焊接烟尘造成室内作业卫生条件下降的问题日趋严重.目前国内外对焊接烟尘主要集中在对其发生机理,性质和治理等方面的研究,但对其在室内的扩散方式,运动轨迹等方面几乎没有具体的探讨.为了给船体装焊车间的设计提供更有效可行的控制技术措施,这里从理论上探讨了大型船体装焊车间内烟尘的扩散模式,浓度分布和主要参数的确定方法.1焊接烟尘的一般物理性质根据国内外电弧物理和化学冶金等方面对电弧焊发尘机理的深入研究表明L1J,焊接烟尘直接源于焊接烟尘的高温蒸气,而高温蒸气主要来源于在焊接过程中焊条或焊丝端部的液态金属及熔渣.焊接过程中,液态金属和非金属物质蒸发出的高温蒸气,被迅速氧化和冷凝后形成的烟尘粒子称一次粒子,基本形态呈球状,直径0.010.4/an范围,其中以0.1脚为最多.一次粒子带有静电和磁性,在其作用下,多个一次性粒子迅速聚集,形成二次粒子.用电子显微镜观察,从焊工呼吸带位置采集到的电焊烟尘,绝大多数已聚集成二次粒子,且粒径主要集中在7tan以下(质量分数超过95%).收稿日期:200203202焊接烟尘扩散模式研究根据室外大气污染物扩散理论,大气污染物的扩散主要取决于分子扩散,湍流运动和气流的平流输送等3种方式22,焊接烟尘排放人车间后,其扩散也取决于这3方面的因素:其中分子扩散是由分子的随机运动引起的质点分散现象,车间在自然通风情况下,焊接烟尘的扩散基本符合Fick第一定律.大型装焊车间内气流组织的湍流是一种不规则运动,其特征是时空的随机变量,存在机械湍流和热力学湍流两种形式.气态污染物的平流输送主要取决于风速,车间内在自然通风条件下,污染物随风速平流输送的量相对较小,但在强制通风条件下,焊接烟尘的扩散主要考虑气流组织的平流输送.2.1梯度输送理论2.1.1基本模式的推导焊接烟尘在室内的扩散类似于分子态污染物的扩散,则由扩散引起的污染物输送通量也和浓度梯度成正比,即:=一K0C(1)式中,焊接烟尘在方向的输送通量,moVm2.s;K扩散系数,m2/s;式中负号表示扩散向浓度减少的方向进行;c焊接烟尘的浓度,东华大学(自然科学版)第29卷mot/ms;与扩散截面垂直的空间坐标,m.式(1)表示污染物在方向的输送通量,对于空间某个边长分别为,的微元,单位时间污染物在,Y,z方向上的增量分别为:=(+篑)一:Fy:d矗z:d矗4z单位时间微元中污染物总变化量为:d根据质量守恒定理知:a矗z:F+F+Fz:篑+当湍流扩散系数K为空间位置的函数,且污染物介质在,Y,z方向以u,速度运动时,可得到污染物在介质扩散中的一般方程3:瓦ac=【u?ac一(?)】+【?ac一av,K?)】+?瓦ac一_aK:?)】(22.1.2自然通风条件下模式的求解方程(2)为一复杂的偏微分方程,对于大型船体装焊车间在自然通风条件下可做如下假设:(1)焊接烟尘在空气中的扩散系数为常数,且各向同性,即=;(2),近似为零(在强制通风条件下不能忽略z向风速).在上述假设条件下,并利用统计学原理中方差的定义,方程(2)的解为:cyexp一(+_2yZ:+)】装焊车间在自然通风条件下,室内风速小于1.0m/s.由于在微风或准静风条件下,污染物的扩散参数不同于有风(风速1.5m/s)条件下的扩散参数.对焊接烟尘的扩散参数作如下处理:扩散参数为时间的函数,而且水平逐渐增大.对于单个点源连续释放的烟团经时间T后,污染物空间浓度分布为:c(,),t)=T()(Q)唧【一(南+上2ny2(T)+南)】上式中扩散参数为时间的函数,为了计算方便,根据自然通风车间气流组织特点,采用室外微风或准静风扩散参数的经验形式4:=at,=式中,口,y扩散系数,由实验确定.对于大型船体装焊车间还需做以下处理:(I)由于施焊过程中热辐射现象明显,局部加热的空气以对流形式转移到作业环境,因此需考虑焊接烟尘热力学湍流所引起的热力学抬升;(2)焊接车间四周均有墙壁,因此需考虑反射.由于焊接烟尘粒径很小(绝大多数小于10m),根据大气环境影响评价技术导则HJ/T2.293中的规定,对室外粒径小于15l的尘粒子作全反射考虑,由焊接烟尘粒径的分布特点,对大型装焊车间内焊接烟尘的反射可假设为全反射.综合上述因素,在自然通风条件下,大型装焊车间焊接烟尘的扩散模式如下(单个污染源):c(,),z,t)J.乞exp一】,妻唧一】.妻exp(zh.一2日)1(z+h.一2日)11【一J+exp【一式中,2L,2W,日分别表示车间的长,宽,高;i,.,后分别表示焊接烟尘在,Y,z方向上的反射次数;he焊接烟尘的热力学抬升高度.上式为单个污染源对(戈,Y,z)点的贡献浓度值,对于大型装焊车间,其中一般有多个焊接点,多源叠加后的扩散模式为:c=耋妻唧一】塞唧一】.exp一】+唧一】)式中:r-_坤接点的个数,其他参数同上.2期蔡治平等:大型船体装焊车间焊接烟尘扩散模式理论探讨292.2箱模式采用梯度输送理论推导大型装焊车间焊接烟尘扩散模式的基础是假设车间内的通风方式是自然通风.但由于焊接烟尘的粒径很小(10tan),绝大部分属于可直接进入肺泡的可吸人颗粒物(PM10),如果工人长期在通风不良的环境下进行焊接工作,可能会引起严重的职业病.因此装焊车间内一般采用强制通风和自然通风相结合的方法,以降低工人呼吸带空气中烟尘的浓度.当采用强制通风时,可将装焊车间的空间看成一个箱体,然后研究其中焊接烟尘的平均浓度随时间的变化.装焊车间箱模式的推导过程建立于两个主要假设:一是车间内污染物质量守恒,二是车间内污染物混合均匀.车间内焊接烟尘浓度主要由以下4种因素决定:(1)车间内焊接烟尘排放量;(2)车间送风口焊接烟尘进入量;(3)车间排风口焊接烟尘排出量;(4)车间内焊接烟尘沉积量.根据第一个假设,箱模式理论方程为:詈+詈c一詈c一等式中:日车间高度,m;车间长度,m;Q单位面积单位时间焊接烟尘排放量,kg/m2?s;车间送,排风口处的平均风速,m/s;Cb进入车间内空气中焊接烟尘的本底浓度,ks/ms;QD厂单位面积单位时间焊接烟尘在车间内的沉积量,kg/m2?s;上式表征单位时间车间内污染物的平均浓度变化.根据车间内实际情况可假设Cb=0,QDD=0,则上式转化为:=詈一c(4)在平衡情况下,dC=O,则式(4)简化为:c:ot:/(?):?QPLtr:式中,P装焊车间内通风量,mS/s;Q焊接烟尘的平均发生量,kg/s;一车间宽度,m.上式表示装焊车间内焊接烟尘浓度在平衡情况下的平均浓度值.J,在不平衡隋况下,即烟尘浓度随时间变化0,则式(4)为一次线性偏微分方程,其初始条件为:一0,C一,在上述初始条件下,方程(4)的解为:c=_【I.O日一exp(一/.t)】=/(?日)一/exp()等一exD(一Ppt一娃一丽等一p()式中:To装焊车间内的换气周期,s.式(5)表示焊接车间内焊接烟尘浓度在不平衡的情况下其浓度值随时间的变化.3焊接烟尘理论扩散模式主要计算参数对大型船体装焊车间内的焊接烟尘,文中介绍了两种扩散模式,在计算过程中,可将两种方法结合处理:在焊接初期,烟尘的扩散采用梯度输送理论(其中扩散所需时间由扩散模式计算确定);焊接烟尘理论上扩散均匀后,采用箱模式研究其平均浓度变化.3.1焊接烟尘源强焊接烟尘源强确定有两种方法:(1)正算法:根据焊接车间每天焊丝的消耗量和单位质量焊丝焊接烟尘的排放量,计算出焊接烟尘的排放量;(2)反算法:现场监测焊接烟尘的浓度(多个点),然后根据焊接烟尘多源扩散模式反算源强,即焊接烟尘的排放量.其中第二种方法是在验证扩散模式能比较准确地反映烟尘扩散浓度分布的基础上进行.3.2焊接烟尘热力学抬升高度的确定根据资料表明,焊接车间内烟尘有一最大浓度带1(其高度称为合适高度),此高度与焊接过程中的电流强度和焊丝直径有密切关系.一般而言,电流越强,焊丝直径越大,合适高度越高.分析原因,主要与焊接烟尘的物理性质(如粒径,真密度,荷电性等)和焊接过程中较强烈的热辐射导致空气热力学湍流加强等因素有直接的关系.焊接烟尘的抬升根据流体力学的基本定律(质量守恒,浮力守恒和动量守恒)和焊接车间内温度层结的特点来计算烟尘的热力学抬升高度.由于篇幅限制,本论文不作详细理论推导.对于中性层结准静风条件下,热力学抬升高度理论计算公式如下J:【詈(】30东华大学(自然科学版)第29卷式中:卜浮力通量,F=3.710_.QH;QH焊接过程中的热释放率,J/s;口卷夹常数,常4模拟计算取0.08;t热力学抬升时间.根据资料经验数据,焊接烟尘热力学抬升高度约为417m.3.3扩散系数对于室外大气的扩散参数有多种实验测定方法【5J5,如光学轮廓法,等容平衡气球法,示踪剂扩散法和风向标准差法等.由于影响室内空气扩散的因素与室外大气基本相同,但运动的复杂程度室内比室外要简单得多,因此可利用室外研究大气扩散参数的方法来研究室内空气的扩散参数.这里建议采用大气稳定度来确定污染物扩散参数的方法,即通过考虑焊接车间内温度的垂直分布情况来确定烟尘的扩散参数.利用上述扩散模式,对某高跨轴线尺寸为144mX60mX26.3m的船体装焊车问内焊接烟尘的扩散进行模拟计算.为了计算方便,作如下处理:(1)将该车间划分成54个等面积的长方块(16mX10m);(2)由于受实验条件的限制,扩散参数采用室外微风条件下的气象数据;(3)车间内分布有18个焊接点,坐标分别为(8+16i,10),(8+16i,50)(i=0,8),每个焊接点的源强均为200Ins;(4)扩散时间取3600S.在上述条件下,在焊工呼吸带(0.8m),焊接烟尘扩散热力学抬升高度处(8m)和车间内20m高度处的浓度分布见表13:表1焊工呼吸带(O.8m)焊接烟尘的浓度分布表2焊接烟尘热力学抬升高度(8m)处浓度分布r,m3表320m高度处焊接烟尘的浓度分布rag/m注:表中z,Y的单位为m,表示坐标2期蔡治平等:大型船体装焊车间焊接烟尘扩散模式理论探讨31从上述3表数据可以看出:(1)在1h的扩散时间内,焊接烟尘在各层面的扩散基本均匀;(2)相对于各层面而言,焊接烟尘热力学抬升高度处的浓度最高.事实上,根据多源扩散模式(3)理论上分析,在各扩散层面,焊接烟尘热力学抬升高度处的浓度分布也应是最高的.5结论(1)在自然通风条件下,采用梯度输送理论推导大型船体装焊车间内焊接烟尘的扩散模式为:)=上(27r)3/2(at)27t妻exp一妻唧一】.妻exp一三二+exp一三】)(2)在强制通风条件下,采用箱模式理论推导大型船体装焊车间内焊接烟尘的扩散模式为:c=一exp()(3)通过理论分析和模拟计算,焊接烟尘在热力学抬升高度处的浓度分布最高.参考文献1中国机械工程学会焊接学会等编着.焊接卫生与安全.北京:机械工业出版社,1987:2225,2542572蒋维楣.空气污染气象学.北京:气象出版社,1993.25263彭定一,林少宁.大气污染及其控制.北京:中国环境科学出版社.1991:674俎铁林,周苏雁,朱蓉.1lJ/V2.293,大气环境影响评价技术导则.北京:中国环境科学出版社,1994:475童志权.大气环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