基于绿色节能理念的三相融合射流设备工艺改进

边梦琦， 王凤聚， 李海侠， 白 健， 黄羽童

（北京航天长征飞行器研究所， 北京 100076）

1 射流清洗工艺背景及意义

清洗作业一直是工业及民用领域中的重要环节。常见的清洗方法可分为两大类，分别为物理清洗和化学清洗。物理清洗是利用力学、热学、声学等外力，依靠外部能量的作用除去物体表面污塘的方法；化学清洗是依靠化学试剂、化学药品或其他溶剂清除物体表面污塘的方法。

射流清洗技术属于物理清洗，是一项主要利用水力作业的清洗技术，近年来发展十分迅速。相较化学清洗，该项技术自提出以来就因其成本低、无污染、速度快等特点深受青睐，迅速被各大领域研究和应用。经过多年实践和探索，射流清洗技术已在船舶、航空、水利等领域得到了一定范围的应用[1-5]。

1.1 应用概况

射流清洗技术，是以流体为主要介质，通过高压发生设备，加压至数十倍，甚至数百倍。然后将加压后的介质经管道，从特殊设计的喷嘴喷出。作业时，以能量高度集中的高速射流冲击工件表面，使诸如灰尘、油污、涂层等表面黏附物脱离工件表面，达到清洗的效果。

该技术清洗速度较快、不产生有害污染物，且可通过改变喷嘴结构来清洗形状和结构较复杂的零部件，具有较强的可塑性。射流清洗技术一经出现，便得到了快速的发展和广泛的应用，在物理清洗方法的实际应用中占很高比例。

1.2 国内应用情况

射流清洗技术在我国起步较晚，发展至今仍与国外先进技术存在一定的差距，其核心设备在很大程度上依赖国外进口。在相当长的时间中，工业生产中仍大范围使用化学清洗方法，因此我国清洗行业一直处于较落后的状态。据统计，目前我国工业清洗50%以上为化学方法。

由于传统化学清洗操作简单，只能完成基本的清洗工作，并且存在劳动强度大、效率低、清洗率低、清洗成本高等问题，不能满足当前清洗需求。同时，随着工业对于设备运转效率和环境保护的要求不断提高，化学清洗的方法受到了很大限制，急需一种更环保、更便利的清洗方式。

1.3 现有问题

射流清洗技术自20 世纪80 年代传入我国后，便得到迅速普及。随着“绿水青山就是金山银山”的观念深入人心，降低能耗、减少污染的绿色经济也逐渐成为共识。在绿色环保的理念下，对于清洗行业也就提出了更高的“绿色”要求。

一方面，在清洗过程中应尽可能地减少外来物，如化学药剂的引入，减少甚至避免排放物对环境的污染。另一方面，清洗过程应避免粉尘等有害排放物对操作者的身体健康造成不利影响。在这样的新要求下，传统的化学清洗、喷砂清洗等方法已不能满足要求。

同时，从市场规范角度来讲，射流清洗技术的应用缺少专业化、规模化和市场化，难以达到清洗作业行业要求的高效、低耗和安全的目的。

2 射流设备概述

目前我国较常用的射流清洗介质为水或沙。高压水射流清洗设备是将水通过增压器一类的装置升压至30～400 MPa，经控制系统和喷嘴喷出，达到清洗的目的。但高压水射流清洗设备因其需要高压发生源且所需功率较大，会产生较高的能源消耗。另一种常用的射流介质为砂子，即喷砂式。喷砂式清洗设备在作业时易产生极大粉尘，对操作者及环境均会造成破坏。综上，以上两种清洗方式均存在一定缺点。

射流设备可根据射流输送方式分为液体射流、磨料射流及气压输送磨料三种，或根据喷射形式分为连续射流、脉冲射流及空化射流三种。其中，连续射流为我国射流清洗设备常见的方式，这种方式不仅简单易实现，也符合经济效益最优的原则。

典型射流设备和应用情况如表1 所示。

表1 典型射流设备和应用

在实际应用中，磨料射流清洗的功率消耗仅为纯水射流清洗的1/10～1/8，作业效率却是纯水射流清洗的10～15 倍，因此磨料射流是一种环保节能的清洗方法。但因其受限于无法连续供磨料仍需人工加料，以及自动化作业程度低等问题，使用范围受到影响。

3 工艺改进及应用

现有清洗设备虽然能够实现清洗目的，但是介质射出后无法回收，不能多次循环使用，无法实现真正意义上的“绿色环保”。另外，现有设备无法实现自动化作业，仍需人工现场操作，占用过多人力资源，导致用工成本较高，无法实现“降本增效”的目的。

为了达到“降本增效”的目的，使射流设备更加符合实际需要，对磨料射流清洗设备进行工艺改进。改进主要针对减少环境污染和降低能耗、提高自动化作业程度以及磨料可回收等三方面进行，进一步提升射流设备的环保属性。

3.1 工艺改进方案

3.1.1 减少污染和降低能耗

在减少污染方面，充分考虑高压水射流清洗设备和喷砂式清洗设备对环境影响的优缺点，以及结合实际清洗环境需要，采用磨料射流，以适当比例混合水和磨料形成的混合物充当射流介质。该状态下的介质在喷出时不会产生粉尘等，不会导致污染环境、危害操作者健康的情况出现。

在降低能耗方面，以压缩空气为动力，不像高压水射流清洗设备一样需要较高的输入压力，该设备仅需压力0～1 MPa，推荐工作压力为0.6～0.9 MPa，可大大降低设备所需功率和降低能源消耗。纯气动射流清洗效果如图1—图4 所示。

图1 罐体压强分布

图2 流出通道

图3 混合物状态

图4 局部流线

3.1.2 自动化作业

为提高自动化作业水平、降低用人成本，对设备启停、放气、压力值等重要功能及参数实施操控和监控，通过安装远程控制模块及传感器来实现接口的自动控制，以此实现自动化的功能。

3.1.3 磨料可回收和连续上料

造成磨料不可回收的主要问题是，使用后的磨料与待清洗物表面掉落的杂质混合在一起。使用后的磨料不再符合使用标准，无法多次重复利用。通过过滤的方式使磨料再次达到符合的使用标准，在回收管路中放置过滤器，滤除杂质，并送至上料管道再次使用。

3.2 工艺方法

3.2.1 实现目的

改进后的设备采用前端混合方式，采用纯气动结构设计，利用空气动力将气（空气）、固（石英砂或其他材质砂粒）、液（水）进行充分混合，使混合物经流场一体化设计的腔体、管道和喷枪内部，最后在空气动力的带动下，以一定的速度喷射至待清洗物体表面。

利用混合物中砂粒棱角的切割、摩擦以及水的浸润、气体的冲刷等综合作用力，对橡胶表面进行粗糙化处理，或对物体表面进行漆、锈、油垢、油污、水垢、泥沙沉渣等强力附着物的绿色环保清洗工作。并通过安装远程控制模块实现设备运行的参数采集、启停控制、充压放气等操作，实现自动化运行。

3.2.2 设备介绍

三相融合射流设备示意图如图5 所示。设备交付产品和交付现场如图6、图7 所示。

图6 交付产品

图7 交付现场

3.2.3 工作流程

设备工作流程如下：

1）通过中央控制系统控制空压机及制冷干机的启停，以及控制空压机的输气量和输气压力。

2）空压机将高压空气输送至冷干机。

3）冷干机将高压气体中的冷凝水和杂质进行过滤，并将高压气体送至气罐。

4）气罐存储高压气体，同时起到缓冲气源压力跳动的作用，将气源稳定并输送至三相融合射流设备中。

5）通过三相融合射流设备将气（空气）、固（石英砂或其他材质砂粒）、液（水）充分混合，并喷出射流。

6）在清洗对象下方放置回收槽，回收槽与抽液装置入口连接，通过抽液装置，将水、砂混合物抽出回收槽。

7）将抽液装置的出口与回收管路一端连接，回收管路的另一端排出过滤后的磨料，添加至清洗设备中，实现磨料回收的功能。

3.3 应用效果

在绿色环保方面，该设备在清洗作业时无灰尘产生、无化学污染、高效、节水、节能。无尘作业效果，极大程度降低了企业尘肺职业病风险。

在建设成本方面，是传统喷砂式等清洗方式的1/3，可以节省除尘、人员作业防护、干燥等三大系统的建设工作，同时极大降低了厂房密闭性要求，工作使用环境更加广泛。

在使用成本方面，三相融合射流清洗的单位清洗成本低，仅相当于高压水清洗的1/2、空气喷砂清洗的2/3。由抽液装置、回收槽及回收管路组成的回收系统，对水、砂均可实现回收，石英砂回收率高达75%。通过过滤、回收等处理可降低物料损耗，物料成本降低约1/2。同时，仅需常规工业压缩气体驱动，清洗效率、效果优于500 kg 高压水射流。

在设备操作方面，通过设置远程模块、传感器等装置提高清洗作业的自动化水平，连接计算机端或手机端后可进行远程操作，实现系统的实时监测和自动化运行。同时设备结构紧凑、合理，通过系统集成，提高上料效率和设备使用效率，减轻人工负担实现多工况、全时段作业，大幅提高系统的适用性。

4 工艺的创新点

三相融合射流设备克服现有技术不足，通过工艺改进实现降本增效的目的。可实现自动化远程控制清洗，并对磨料进行回收。该设备可对表面漆、锈、油垢、油污、水垢、泥沙沉渣等强力附着物进行清理。

4.1 三相流体介质混合技术

三相融合射流设备是物理清洗的一种新式技术，属于绿色清洗技术。将气、固、液三相以前端混合的方式喷出，喷出原理主要是基于空气动力学理论，通过腔体、管道、喷枪内部流场一体化设计实现。最后在空气动力的带动下，以一定的速度喷射至待清洗物体表面，利用砂粒棱角的切割、摩擦以及水的浸润、气体的冲刷等综合作用，对物体表面的漆、锈、油垢、油污、水垢、泥沙沉渣等强力附着物进行清理，实现无尘、无化学污染、高效、节水、节能、绿色环保的清洗作业。

4.2 自动化作业技术

通过在空压机、冷干机上安装控制开关，控制开关连接远程模块，实现远程控制空压机与冷干机的开、断状态。远程操控可减轻人工负担、提高上料效率和设备使用效率。另外，在气罐内安装压力传感器，压力传感器实时采集气罐内的压力，将采集数据传回中央控制系统，实现对气罐内压力的实时监测和记录，以此实现对设备的远距离自动化监测、系统开启和关闭，提高使用的便捷性。

4.3 磨料回收技术

磨料由清洗设备喷出后，作用至待清洗物表面，实现清洗作用。清洗后的水、砂粒等磨料落到待清洗物下方的回收槽中，通过抽液装置，将水、砂混合物抽出回收槽，抽液装置的出口连接回收管路的一端，回收管路中设有过滤器，滤除杂质保留三相融合射流设备所需的物料。回收管路的另一端与上料管道连接，实现物料的循环利用。由回收槽、抽液装置和上料管道组成的磨料回收系统可以实现磨料的重复利用，降低损耗，此举可使成本降低约1/2。

5 未来展望

随着经济和工业的发展，以及社会对环境保护要求的不断提高，射流技术因其满足低污染排放、环境友好、节能环保等优点，其应用领域也越来越广泛。同时发展低碳经济和实现绿色发展也必将是工业领域的必由之路。后续将积极完善和优化三相融合射流设备，促进环境可持续发展，创造更多的绿色经济，达到降本增效的目的。