基于綠色節能理念的三相融合射流設備工藝改進

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

清洗作業一直是工業及民用領域中的重要環節。常見的清洗方法可分為兩大類，分別為物理清洗和化學清洗。物理清洗是利用力學、熱學、聲學等外力，依靠外部能量的作用除去物體表面污塘的方法；化學清洗是依靠化學試劑、化學藥品或其他溶劑清除物體表面污塘的方法。

射流清洗技術屬于物理清洗，是一項主要利用水力作業的清洗技術，近年來發展十分迅速。相較化學清洗，該項技術自提出以來就因其成本低、無污染、速度快等特點深受青睞，迅速被各大領域研究和應用。經過多年實踐和探索，射流清洗技術已在船舶、航空、水利等領域得到了一定范圍的應用[1-5]。

1.1 應用概況

射流清洗技術，是以流體為主要介質，通過高壓發生設備，加壓至數十倍，甚至數百倍。然后將加壓后的介質經管道，從特殊設計的噴嘴噴出。作業時，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，達到清洗的效果。

該技術清洗速度較快、不產生有害污染物，且可通過改變噴嘴結構來清洗形狀和結構較復雜的零部件，具有較強的可塑性。射流清洗技術一經出現，便得到了快速的發展和廣泛的應用，在物理清洗方法的實際應用中占很高比例。

1.2 國內應用情況

射流清洗技術在我國起步較晚，發展至今仍與國外先進技術存在一定的差距，其核心設備在很大程度上依賴國外進口。在相當長的時間中，工業生產中仍大范圍使用化學清洗方法，因此我國清洗行業一直處于較落后的狀態。據統計，目前我國工業清洗50%以上為化學方法。

由于傳統化學清洗操作簡單，只能完成基本的清洗工作，并且存在勞動強度大、效率低、清洗率低、清洗成本高等問題，不能滿足當前清洗需求。同時，隨著工業對于設備運轉效率和環境保護的要求不斷提高，化學清洗的方法受到了很大限制，急需一種更環保、更便利的清洗方式。

1.3 現有問題

射流清洗技術自20 世紀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、減少污染的綠色經濟也逐漸成為共識。在綠色環保的理念下，對于清洗行業也就提出了更高的“綠色”要求。

一方面，在清洗過程中應盡可能地減少外來物，如化學藥劑的引入，減少甚至避免排放物對環境的污染。另一方面，清洗過程應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，傳統的化學清洗、噴砂清洗等方法已不能滿足要求。

同時，從市場規范角度來講，射流清洗技術的應用缺少專業化、規模化和市場化，難以達到清洗作業行業要求的高效、低耗和安全的目的。

2 射流設備概述

目前我國較常用的射流清洗介質為水或沙。高壓水射流清洗設備是將水通過增壓器一類的裝置升壓至30～400 MPa，經控制系統和噴嘴噴出，達到清洗的目的。但高壓水射流清洗設備因其需要高壓發生源且所需功率較大，會產生較高的能源消耗。另一種常用的射流介質為砂子，即噴砂式。噴砂式清洗設備在作業時易產生極大粉塵，對操作者及環境均會造成破壞。綜上，以上兩種清洗方式均存在一定缺點。

射流設備可根據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，或根據噴射形式分為連續射流、脈沖射流及空化射流三種。其中，連續射流為我國射流清洗設備常見的方式，這種方式不僅簡單易實現，也符合經濟效益最優的原則。

典型射流設備和應用情況如表1 所示。

表1 典型射流設備和應用

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

3 工藝改進及應用

現有清洗設備雖然能夠實現清洗目的，但是介質射出后無法回收，不能多次循環使用，無法實現真正意義上的“綠色環保”。另外，現有設備無法實現自動化作業，仍需人工現場操作，占用過多人力資源，導致用工成本較高，無法實現“降本增效”的目的。

為了達到“降本增效”的目的，使射流設備更加符合實際需要，對磨料射流清洗設備進行工藝改進。改進主要針對減少環境污染和降低能耗、提高自動化作業程度以及磨料可回收等三方面進行，進一步提升射流設備的環保屬性。

3.1 工藝改進方案

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備和噴砂式清洗設備對環境影響的優缺點，以及結合實際清洗環境需要，采用磨料射流，以適當比例混合水和磨料形成的混合物充當射流介質。該狀態下的介質在噴出時不會產生粉塵等，不會導致污染環境、危害操作者健康的情況出現。

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

圖1 罐體壓強分布

圖2 流出通道

圖3 混合物狀態

圖4 局部流線

3.1.2 自動化作業

為提高自動化作業水平、降低用人成本，對設備啟停、放氣、壓力值等重要功能及參數實施操控和監控，通過安裝遠程控制模塊及傳感器來實現接口的自動控制，以此實現自動化的功能。

3.1.3 磨料可回收和連續上料

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混合在一起。使用后的磨料不再符合使用標準，無法多次重復利用。通過過濾的方式使磨料再次達到符合的使用標準，在回收管路中放置過濾器，濾除雜質，并送至上料管道再次使用。

3.2 工藝方法

3.2.1 實現目的

改進后的設備采用前端混合方式，采用純氣動結構設計，利用空氣動力將氣（空氣）、固（石英砂或其他材質砂粒）、液（水）進行充分混合，使混合物經流場一體化設計的腔體、管道和噴槍內部，最后在空氣動力的帶動下，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，對橡膠表面進行粗糙化處理，或對物體表面進行漆、銹、油垢、油污、水垢、泥沙沉渣等強力附著物的綠色環保清洗工作。并通過安裝遠程控制模塊實現設備運行的參數采集、啟停控制、充壓放氣等操作，實現自動化運行。

3.2.2 設備介紹

三相融合射流設備示意圖如圖5 所示。設備交付產品和交付現場如圖6、圖7 所示。

圖6 交付產品

圖7 交付現場

3.2.3 工作流程

設備工作流程如下：

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

2）空壓機將高壓空氣輸送至冷干機。

3）冷干機將高壓氣體中的冷凝水和雜質進行過濾，并將高壓氣體送至氣罐。

4）氣罐存儲高壓氣體，同時起到緩沖氣源壓力跳動的作用，將氣源穩定并輸送至三相融合射流設備中。

5）通過三相融合射流設備將氣（空氣）、固（石英砂或其他材質砂粒）、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，添加至清洗設備中，實現磨料回收的功能。

3.3 應用效果

在綠色環保方面，該設備在清洗作業時無灰塵產生、無化學污染、高效、節水、節能。無塵作業效果，極大程度降低了企業塵肺職業病風險。

在建設成本方面，是傳統噴砂式等清洗方式的1/3，可以節省除塵、人員作業防護、干燥等三大系統的建設工作，同時極大降低了廠房密閉性要求，工作使用環境更加廣泛。

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，對水、砂均可實現回收，石英砂回收率高達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，僅需常規工業壓縮氣體驅動，清洗效率、效果優于500 kg 高壓水射流。

在設備操作方面，通過設置遠程模塊、傳感器等裝置提高清洗作業的自動化水平，連接計算機端或手機端后可進行遠程操作，實現系統的實時監測和自動化運行。同時設備結構緊湊、合理，通過系統集成，提高上料效率和設備使用效率，減輕人工負擔實現多工況、全時段作業，大幅提高系統的適用性。

4 工藝的創新點

三相融合射流設備克服現有技術不足，通過工藝改進實現降本增效的目的。可實現自動化遠程控制清洗，并對磨料進行回收。該設備可對表面漆、銹、油垢、油污、水垢、泥沙沉渣等強力附著物進行清理。

4.1 三相流體介質混合技術

三相融合射流設備是物理清洗的一種新式技術，屬于綠色清洗技術。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力學理論，通過腔體、管道、噴槍內部流場一體化設計實現。最后在空氣動力的帶動下，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、泥沙沉渣等強力附著物進行清理，實現無塵、無化學污染、高效、節水、節能、綠色環保的清洗作業。

4.2 自動化作業技術

通過在空壓機、冷干機上安裝控制開關，控制開關連接遠程模塊，實現遠程控制空壓機與冷干機的開、斷狀態。遠程操控可減輕人工負擔、提高上料效率和設備使用效率。另外，在氣罐內安裝壓力傳感器，壓力傳感器實時采集氣罐內的壓力，將采集數據傳回中央控制系統，實現對氣罐內壓力的實時監測和記錄，以此實現對設備的遠距離自動化監測、系統開啟和關閉，提高使用的便捷性。

4.3 磨料回收技術

磨料由清洗設備噴出后，作用至待清洗物表面，實現清洗作用。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，回收管路中設有過濾器，濾除雜質保留三相融合射流設備所需的物料。回收管路的另一端與上料管道連接，實現物料的循環利用。由回收槽、抽液裝置和上料管道組成的磨料回收系統可以實現磨料的重復利用，降低損耗，此舉可使成本降低約1/2。

5 未來展望

隨著經濟和工業的發展，以及社會對環境保護要求的不斷提高，射流技術因其滿足低污染排放、環境友好、節能環保等優點，其應用領域也越來越廣泛。同時發展低碳經濟和實現綠色發展也必將是工業領域的必由之路。后續將積極完善和優化三相融合射流設備，促進環境可持續發展，創造更多的綠色經濟，達到降本增效的目的。