基于綠色節(jié)能理念的三相融合射流設(shè)備工藝改進(jìn)

邊夢琦， 王鳳聚， 李海俠， 白 健， 黃羽童

（北京航天長征飛行器研究所， 北京 100076）

1 射流清洗工藝背景及意義

清洗作業(yè)一直是工業(yè)及民用領(lǐng)域中的重要環(huán)節(jié)。常見的清洗方法可分為兩大類，分別為物理清洗和化學(xué)清洗。物理清洗是利用力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)等外力，依靠外部能量的作用除去物體表面污塘的方法；化學(xué)清洗是依靠化學(xué)試劑、化學(xué)藥品或其他溶劑清除物體表面污塘的方法。

射流清洗技術(shù)屬于物理清洗，是一項(xiàng)主要利用水力作業(yè)的清洗技術(shù)，近年來發(fā)展十分迅速。相較化學(xué)清洗，該項(xiàng)技術(shù)自提出以來就因其成本低、無污染、速度快等特點(diǎn)深受青睞，迅速被各大領(lǐng)域研究和應(yīng)用。經(jīng)過多年實(shí)踐和探索，射流清洗技術(shù)已在船舶、航空、水利等領(lǐng)域得到了一定范圍的應(yīng)用[1-5]。

1.1 應(yīng)用概況

射流清洗技術(shù)，是以流體為主要介質(zhì)，通過高壓發(fā)生設(shè)備，加壓至數(shù)十倍，甚至數(shù)百倍。然后將加壓后的介質(zhì)經(jīng)管道，從特殊設(shè)計(jì)的噴嘴噴出。作業(yè)時(shí)，以能量高度集中的高速射流沖擊工件表面，使諸如灰塵、油污、涂層等表面黏附物脫離工件表面，達(dá)到清洗的效果。

該技術(shù)清洗速度較快、不產(chǎn)生有害污染物，且可通過改變噴嘴結(jié)構(gòu)來清洗形狀和結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的零部件，具有較強(qiáng)的可塑性。射流清洗技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，便得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，在物理清洗方法的實(shí)際應(yīng)用中占很高比例。

1.2 國內(nèi)應(yīng)用情況

射流清洗技術(shù)在我國起步較晚，發(fā)展至今仍與國外先進(jìn)技術(shù)存在一定的差距，其核心設(shè)備在很大程度上依賴國外進(jìn)口。在相當(dāng)長的時(shí)間中，工業(yè)生產(chǎn)中仍大范圍使用化學(xué)清洗方法，因此我國清洗行業(yè)一直處于較落后的狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國工業(yè)清洗50%以上為化學(xué)方法。

由于傳統(tǒng)化學(xué)清洗操作簡單，只能完成基本的清洗工作，并且存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、清洗率低、清洗成本高等問題，不能滿足當(dāng)前清洗需求。同時(shí)，隨著工業(yè)對于設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率和環(huán)境保護(hù)的要求不斷提高，化學(xué)清洗的方法受到了很大限制，急需一種更環(huán)保、更便利的清洗方式。

1.3 現(xiàn)有問題

射流清洗技術(shù)自20 世紀(jì)80 年代傳入我國后，便得到迅速普及。隨著“綠水青山就是金山銀山”的觀念深入人心，降低能耗、減少污染的綠色經(jīng)濟(jì)也逐漸成為共識(shí)。在綠色環(huán)保的理念下，對于清洗行業(yè)也就提出了更高的“綠色”要求。

一方面，在清洗過程中應(yīng)盡可能地減少外來物，如化學(xué)藥劑的引入，減少甚至避免排放物對環(huán)境的污染。另一方面，清洗過程應(yīng)避免粉塵等有害排放物對操作者的身體健康造成不利影響。在這樣的新要求下，傳統(tǒng)的化學(xué)清洗、噴砂清洗等方法已不能滿足要求。

同時(shí)，從市場規(guī)范角度來講，射流清洗技術(shù)的應(yīng)用缺少專業(yè)化、規(guī)模化和市場化，難以達(dá)到清洗作業(yè)行業(yè)要求的高效、低耗和安全的目的。

2 射流設(shè)備概述

目前我國較常用的射流清洗介質(zhì)為水或沙。高壓水射流清洗設(shè)備是將水通過增壓器一類的裝置升壓至30～400 MPa，經(jīng)控制系統(tǒng)和噴嘴噴出，達(dá)到清洗的目的。但高壓水射流清洗設(shè)備因其需要高壓發(fā)生源且所需功率較大，會(huì)產(chǎn)生較高的能源消耗。另一種常用的射流介質(zhì)為砂子，即噴砂式。噴砂式清洗設(shè)備在作業(yè)時(shí)易產(chǎn)生極大粉塵，對操作者及環(huán)境均會(huì)造成破壞。綜上，以上兩種清洗方式均存在一定缺點(diǎn)。

射流設(shè)備可根據(jù)射流輸送方式分為液體射流、磨料射流及氣壓輸送磨料三種，或根據(jù)噴射形式分為連續(xù)射流、脈沖射流及空化射流三種。其中，連續(xù)射流為我國射流清洗設(shè)備常見的方式，這種方式不僅簡單易實(shí)現(xiàn)，也符合經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的原則。

典型射流設(shè)備和應(yīng)用情況如表1 所示。

表1 典型射流設(shè)備和應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，磨料射流清洗的功率消耗僅為純水射流清洗的1/10～1/8，作業(yè)效率卻是純水射流清洗的10～15 倍，因此磨料射流是一種環(huán)保節(jié)能的清洗方法。但因其受限于無法連續(xù)供磨料仍需人工加料，以及自動(dòng)化作業(yè)程度低等問題，使用范圍受到影響。

3 工藝改進(jìn)及應(yīng)用

現(xiàn)有清洗設(shè)備雖然能夠?qū)崿F(xiàn)清洗目的，但是介質(zhì)射出后無法回收，不能多次循環(huán)使用，無法實(shí)現(xiàn)真正意義上的“綠色環(huán)保”。另外，現(xiàn)有設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，仍需人工現(xiàn)場操作，占用過多人力資源，導(dǎo)致用工成本較高，無法實(shí)現(xiàn)“降本增效”的目的。

為了達(dá)到“降本增效”的目的，使射流設(shè)備更加符合實(shí)際需要，對磨料射流清洗設(shè)備進(jìn)行工藝改進(jìn)。改進(jìn)主要針對減少環(huán)境污染和降低能耗、提高自動(dòng)化作業(yè)程度以及磨料可回收等三方面進(jìn)行，進(jìn)一步提升射流設(shè)備的環(huán)保屬性。

3.1 工藝改進(jìn)方案

3.1.1 減少污染和降低能耗

在減少污染方面，充分考慮高壓水射流清洗設(shè)備和噴砂式清洗設(shè)備對環(huán)境影響的優(yōu)缺點(diǎn)，以及結(jié)合實(shí)際清洗環(huán)境需要，采用磨料射流，以適當(dāng)比例混合水和磨料形成的混合物充當(dāng)射流介質(zhì)。該狀態(tài)下的介質(zhì)在噴出時(shí)不會(huì)產(chǎn)生粉塵等，不會(huì)導(dǎo)致污染環(huán)境、危害操作者健康的情況出現(xiàn)。

在降低能耗方面，以壓縮空氣為動(dòng)力，不像高壓水射流清洗設(shè)備一樣需要較高的輸入壓力，該設(shè)備僅需壓力0～1 MPa，推薦工作壓力為0.6～0.9 MPa，可大大降低設(shè)備所需功率和降低能源消耗。純氣動(dòng)射流清洗效果如圖1—圖4 所示。

圖1 罐體壓強(qiáng)分布

圖2 流出通道

圖3 混合物狀態(tài)

圖4 局部流線

3.1.2 自動(dòng)化作業(yè)

為提高自動(dòng)化作業(yè)水平、降低用人成本，對設(shè)備啟停、放氣、壓力值等重要功能及參數(shù)實(shí)施操控和監(jiān)控，通過安裝遠(yuǎn)程控制模塊及傳感器來實(shí)現(xiàn)接口的自動(dòng)控制，以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的功能。

3.1.3 磨料可回收和連續(xù)上料

造成磨料不可回收的主要問題是，使用后的磨料與待清洗物表面掉落的雜質(zhì)混合在一起。使用后的磨料不再符合使用標(biāo)準(zhǔn)，無法多次重復(fù)利用。通過過濾的方式使磨料再次達(dá)到符合的使用標(biāo)準(zhǔn)，在回收管路中放置過濾器，濾除雜質(zhì)，并送至上料管道再次使用。

3.2 工藝方法

3.2.1 實(shí)現(xiàn)目的

改進(jìn)后的設(shè)備采用前端混合方式，采用純氣動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用空氣動(dòng)力將氣（空氣）、固（石英砂或其他材質(zhì)砂粒）、液（水）進(jìn)行充分混合，使混合物經(jīng)流場一體化設(shè)計(jì)的腔體、管道和噴槍內(nèi)部，最后在空氣動(dòng)力的帶動(dòng)下，以一定的速度噴射至待清洗物體表面。

利用混合物中砂粒棱角的切割、摩擦以及水的浸潤、氣體的沖刷等綜合作用力，對橡膠表面進(jìn)行粗糙化處理，或?qū)ξ矬w表面進(jìn)行漆、銹、油垢、油污、水垢、泥沙沉渣等強(qiáng)力附著物的綠色環(huán)保清洗工作。并通過安裝遠(yuǎn)程控制模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)采集、啟停控制、充壓放氣等操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。

3.2.2 設(shè)備介紹

三相融合射流設(shè)備示意圖如圖5 所示。設(shè)備交付產(chǎn)品和交付現(xiàn)場如圖6、圖7 所示。

圖6 交付產(chǎn)品

圖7 交付現(xiàn)場

3.2.3 工作流程

設(shè)備工作流程如下：

1）通過中央控制系統(tǒng)控制空壓機(jī)及制冷干機(jī)的啟停，以及控制空壓機(jī)的輸氣量和輸氣壓力。

2）空壓機(jī)將高壓空氣輸送至冷干機(jī)。

3）冷干機(jī)將高壓氣體中的冷凝水和雜質(zhì)進(jìn)行過濾，并將高壓氣體送至氣罐。

4）氣罐存儲(chǔ)高壓氣體，同時(shí)起到緩沖氣源壓力跳動(dòng)的作用，將氣源穩(wěn)定并輸送至三相融合射流設(shè)備中。

5）通過三相融合射流設(shè)備將氣（空氣）、固（石英砂或其他材質(zhì)砂粒）、液（水）充分混合，并噴出射流。

6）在清洗對象下方放置回收槽，回收槽與抽液裝置入口連接，通過抽液裝置，將水、砂混合物抽出回收槽。

7）將抽液裝置的出口與回收管路一端連接，回收管路的另一端排出過濾后的磨料，添加至清洗設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)磨料回收的功能。

3.3 應(yīng)用效果

在綠色環(huán)保方面，該設(shè)備在清洗作業(yè)時(shí)無灰塵產(chǎn)生、無化學(xué)污染、高效、節(jié)水、節(jié)能。無塵作業(yè)效果，極大程度降低了企業(yè)塵肺職業(yè)病風(fēng)險(xiǎn)。

在建設(shè)成本方面，是傳統(tǒng)噴砂式等清洗方式的1/3，可以節(jié)省除塵、人員作業(yè)防護(hù)、干燥等三大系統(tǒng)的建設(shè)工作，同時(shí)極大降低了廠房密閉性要求，工作使用環(huán)境更加廣泛。

在使用成本方面，三相融合射流清洗的單位清洗成本低，僅相當(dāng)于高壓水清洗的1/2、空氣噴砂清洗的2/3。由抽液裝置、回收槽及回收管路組成的回收系統(tǒng)，對水、砂均可實(shí)現(xiàn)回收，石英砂回收率高達(dá)75%。通過過濾、回收等處理可降低物料損耗，物料成本降低約1/2。同時(shí)，僅需常規(guī)工業(yè)壓縮氣體驅(qū)動(dòng)，清洗效率、效果優(yōu)于500 kg 高壓水射流。

在設(shè)備操作方面，通過設(shè)置遠(yuǎn)程模塊、傳感器等裝置提高清洗作業(yè)的自動(dòng)化水平，連接計(jì)算機(jī)端或手機(jī)端后可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)化運(yùn)行。同時(shí)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、合理，通過系統(tǒng)集成，提高上料效率和設(shè)備使用效率，減輕人工負(fù)擔(dān)實(shí)現(xiàn)多工況、全時(shí)段作業(yè)，大幅提高系統(tǒng)的適用性。

4 工藝的創(chuàng)新點(diǎn)

三相融合射流設(shè)備克服現(xiàn)有技術(shù)不足，通過工藝改進(jìn)實(shí)現(xiàn)降本增效的目的。可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制清洗，并對磨料進(jìn)行回收。該設(shè)備可對表面漆、銹、油垢、油污、水垢、泥沙沉渣等強(qiáng)力附著物進(jìn)行清理。

4.1 三相流體介質(zhì)混合技術(shù)

三相融合射流設(shè)備是物理清洗的一種新式技術(shù)，屬于綠色清洗技術(shù)。將氣、固、液三相以前端混合的方式噴出，噴出原理主要是基于空氣動(dòng)力學(xué)理論，通過腔體、管道、噴槍內(nèi)部流場一體化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。最后在空氣動(dòng)力的帶動(dòng)下，以一定的速度噴射至待清洗物體表面，利用砂粒棱角的切割、摩擦以及水的浸潤、氣體的沖刷等綜合作用，對物體表面的漆、銹、油垢、油污、水垢、泥沙沉渣等強(qiáng)力附著物進(jìn)行清理，實(shí)現(xiàn)無塵、無化學(xué)污染、高效、節(jié)水、節(jié)能、綠色環(huán)保的清洗作業(yè)。

4.2 自動(dòng)化作業(yè)技術(shù)

通過在空壓機(jī)、冷干機(jī)上安裝控制開關(guān)，控制開關(guān)連接遠(yuǎn)程模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制空壓機(jī)與冷干機(jī)的開、斷狀態(tài)。遠(yuǎn)程操控可減輕人工負(fù)擔(dān)、提高上料效率和設(shè)備使用效率。另外，在氣罐內(nèi)安裝壓力傳感器，壓力傳感器實(shí)時(shí)采集氣罐內(nèi)的壓力，將采集數(shù)據(jù)傳回中央控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對氣罐內(nèi)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄，以此實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)距離自動(dòng)化監(jiān)測、系統(tǒng)開啟和關(guān)閉，提高使用的便捷性。

4.3 磨料回收技術(shù)

磨料由清洗設(shè)備噴出后，作用至待清洗物表面，實(shí)現(xiàn)清洗作用。清洗后的水、砂粒等磨料落到待清洗物下方的回收槽中，通過抽液裝置，將水、砂混合物抽出回收槽，抽液裝置的出口連接回收管路的一端，回收管路中設(shè)有過濾器，濾除雜質(zhì)保留三相融合射流設(shè)備所需的物料。回收管路的另一端與上料管道連接，實(shí)現(xiàn)物料的循環(huán)利用。由回收槽、抽液裝置和上料管道組成的磨料回收系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)磨料的重復(fù)利用，降低損耗，此舉可使成本降低約1/2。

5 未來展望

隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的發(fā)展，以及社會(huì)對環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，射流技術(shù)因其滿足低污染排放、環(huán)境友好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。同時(shí)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展也必將是工業(yè)領(lǐng)域的必由之路。后續(xù)將積極完善和優(yōu)化三相融合射流設(shè)備，促進(jìn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，創(chuàng)造更多的綠色經(jīng)濟(jì)，達(dá)到降本增效的目的。