高壓水除銹廢物真空回收與分離排渣集成裝置設(shè)計(jì)

姜飛超，王振剛，張春林，魯 飛，程書銘

(1.南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226001；2.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230031；3.南通大學(xué)，江蘇 南通 226001)

0 引言

船舶高壓水除銹廢物與分離排渣集成裝置是高壓水除銹系統(tǒng)的一部分，其作用是將高壓水清理船舶表面形成的污水廢渣進(jìn)行集中回收處理，滿足低排放、低污染的要求。薛勝雄提出了超高壓水射流自動爬壁除銹系統(tǒng)和真空吸附與排渣系統(tǒng)的方案。衣正堯等提出了一種超高壓純水射流船舶除銹系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，探討了真空吸干回收系統(tǒng)的基本功能。古曦設(shè)計(jì)了一種車載式超高壓水射流船舶除銹系統(tǒng)，建立了真空回收系統(tǒng)的三維模型。因?yàn)榇案邏核P系統(tǒng)的固液流真空回收有其特殊性，所以有必要對船舶高壓水除銹系統(tǒng)的固液流真空回收技術(shù)開展針對性的研究及設(shè)計(jì)計(jì)算，開發(fā)適用的真空回收裝置以滿足船舶高壓水除銹作業(yè)中固液流回收的要求。

一般的真空系統(tǒng)大多為靜態(tài)真空系統(tǒng)，不會有很大的漏氣量，且大多數(shù)真空回收或輸送裝置均是針對單一介質(zhì)。而高壓水除銹廢物真空回收與分離排渣集成裝置需要建立一個有較大漏氣量的動態(tài)真空系統(tǒng)，可回收固液兩相流廢物，其功能必須包括分離回收物，并對分離出來的固體廢渣及污水分別排出。為此，本文擬設(shè)計(jì)一種創(chuàng)新性的、具有集成分離排渣功能的真空回收設(shè)備。依據(jù)高壓水除銹廢物真空回收裝置真空系統(tǒng)的工作原理建立真空回收系統(tǒng)工藝流程，同時(shí)對真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，并對真空泵和排污泵的選型及真空箱功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)回收裝置對除銹廢物的真空回收與分離排渣集成功能。

1 高壓水除銹廢物真空回收裝置的真空系統(tǒng)

1.1 真空系統(tǒng)工作原理

用于固液流真空回收的真空系統(tǒng)是一個動態(tài)真空系統(tǒng)，即系統(tǒng)中有氣流存在，且各處壓力不等，各截面有壓力降落。同時(shí)真空系統(tǒng)的作用是回收物料，所以不需要保持很高的真空度，一般有較大的漏氣量，且真空泵有較大的抽速，所以屬于粗真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)工作原理見圖1。

Sp—真空泵額定抽速；US—抽真空軟管流導(dǎo)；P1—真空箱中

1.2 真空回收系統(tǒng)工藝流程

船舶高壓水除銹真空回收系統(tǒng)由真空回收裝置、平面清洗器真空腔、真空回收軟管組成。系統(tǒng)工藝流程見圖2。

圖2 船舶高壓水除銹真空回收系統(tǒng)工藝流程

真空回收裝置由真空箱、真空泵、排污泵、管路、閥門、電氣控制系統(tǒng)等組成。真空泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)后通過抽真空軟管將真空箱中的空氣排出，真空箱中產(chǎn)生負(fù)壓；在負(fù)壓的作用下高壓水清理船舶表面形成的固液兩相流廢物被抽吸到真空箱內(nèi)，由真空箱內(nèi)設(shè)置的殘?jiān)占癁V袋將大顆粒的鐵銹、漆屑等固體廢棄物過濾分離出來收集到袋內(nèi)；廢棄物沉淀積累到一定量后，移出真空箱并手動排渣。含有較小固體顆粒的污水在真空箱中不斷被收集，并經(jīng)過濾網(wǎng)過濾后，進(jìn)入真空箱右側(cè)水箱。當(dāng)液位上升到一定高度時(shí)(液位開關(guān)02動作)，電氣控制系統(tǒng)自動開啟排污泵運(yùn)行，將污水排出真空箱，通過軟管輸送給污水處理裝置進(jìn)行進(jìn)一步的分離和凈化處理。工作空氣也在真空箱內(nèi)分離出來，經(jīng)過過濾后不斷地由真空泵排出，維持真空箱內(nèi)的負(fù)壓，使系統(tǒng)連續(xù)不斷地抽吸回收高壓水射流清理船舶后產(chǎn)生的廢棄物。為了防止負(fù)壓下空氣從污水泵的出口被反向吸入真空箱內(nèi)，導(dǎo)致真空無法保持，在泵的出口管路上設(shè)置止回閥。準(zhǔn)備打開箱門排渣前，需先打開手動排污閥將箱內(nèi)的殘余污水排出。另外，對箱內(nèi)進(jìn)行沖洗時(shí)，沖洗水也經(jīng)該閥排走。

2 真空系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

真空系統(tǒng)主要參數(shù)有真空度和抽速。真空系統(tǒng)參數(shù)選取的主要依據(jù)如下：

(1)滿足平面清洗器真空吸附力所需要的真空度和有效抽速。

(2)空載時(shí)真空箱需要達(dá)到的極限真空度。

(3)正常真空抽吸作業(yè)時(shí)，真空泵的工作壓力。

2.1 抽真空軟管的流導(dǎo)計(jì)算

真空箱中的空氣壓力=36 kPa，通過抽真空軟管內(nèi)空氣壓力=40 kPa，壓力比==0.9，則粘滯流狀態(tài)下小孔對20 ℃空氣的流導(dǎo)計(jì)算如下：

經(jīng)計(jì)算，=9.644 m/s。

長管道的20 ℃空氣流導(dǎo)計(jì)算如下：

=1.34×10/

經(jīng)計(jì)算，=7 342 m/s。

在計(jì)算短管流導(dǎo)時(shí)，應(yīng)考慮入口(孔)的影響。抽真空軟管流導(dǎo)用入口小孔與管道本身串聯(lián)后的總流導(dǎo)來表示，計(jì)算如下：

=/(+)。

經(jīng)計(jì)算，=9.63 m/s。

2.2 真空箱抽氣口處的有效抽速

真空泵的極限真空為40 kPa，真空泵額定抽速=0.18 m/s，真空箱抽氣口處的有效抽速的計(jì)算如下：

=/(+)

經(jīng)計(jì)算：=0.177 m/s。

2.3 回收軟管的流導(dǎo)計(jì)算

平面清洗器與真空箱間的軟管采用PVC鋼絲管?；厥哲浌荛L度=3×10mm，直徑=65 mm，軟管的長徑比/=462>20(長徑比>20的管道稱為長管)，所以該回收軟管屬于長管，截面積′=0.003 32 m。對于20 ℃的空氣，長管道的流導(dǎo)計(jì)算如下：

經(jīng)計(jì)算：=20.33 m/s。

2.4 平面清洗器需要達(dá)到的真空度和有效抽速

平面清洗器一般搭載在爬壁除銹機(jī)器人上。機(jī)器人的吸附力在高壓水卸載時(shí)由磁力提供。高壓水加載時(shí)產(chǎn)生一定的射流反沖力，真空腔內(nèi)的真空吸附力至少要平衡這部分反沖力，因此對平面清洗器真空腔內(nèi)的最小真空度有要求。

射流垂直于壁面時(shí)最大反沖力為

式中：為流量，=52 L/min；為射流壓力，=300 MPa。

經(jīng)計(jì)算，=671 N。

平面清洗器內(nèi)所需真空度計(jì)算如下：

=/

式中：為真空對清洗盤產(chǎn)生的吸附力至少要平衡射流的反沖力，=680 N；為平面清洗器腔體端面的面積，=0.096 2 m。

經(jīng)計(jì)算，=7.069 kPa。

平面清洗器真空腔內(nèi)的空氣壓力為

=-/

式中：為最大漏氣量，=10Pa·L/s。

經(jīng)計(jì)算，=35.95 kPa。

則真空箱內(nèi)實(shí)際真空度超出產(chǎn)生吸附力必需真空度的部分為-=28.88 kPa。

真空系統(tǒng)為平面清洗器提供的額外真空吸附力=(-)=2 778 N。

平面清洗器需要的有效抽速=/=0.027 8 m/s。

2.5 平面清洗器抽吸口處的有效抽速計(jì)算

平面清洗器抽吸口的有效抽速計(jì)算如下：

=/(+)

經(jīng)計(jì)算：=0.175 m/s>，有效抽速滿足真空抽吸過程中漏氣量的要求。

3 真空泵與排污泵選型

3.1 真空泵選型

真空泵是用以產(chǎn)生、改善和維持真空的設(shè)備。按其工作原理分為氣體輸送泵和氣體捕集泵。氣體輸送泵又分為變?nèi)菔胶蛣恿總鬏斒?，其中動量傳輸式干式泵包括渦輪干式泵、離心干式泵、旋渦氣泵。氣體捕集泵是一種將被抽氣體吸附或凝結(jié)在泵內(nèi)表面上的真空泵，包括吸附泵和低溫泵等。

旋渦泵主要用于抽送低粘度的清潔液體，也可以抽送氣體或蒸汽含量較大的液體。為了獲得良好的抽吸效果，旋渦氣泵應(yīng)具有足夠大的最大抽速和極限真空，因此選用2BH920-H37型2級旋渦氣泵。

3.2 排污泵選型

排污泵的作用是將真空箱內(nèi)收集并經(jīng)過粗過濾后的污水轉(zhuǎn)移輸送到污水處理裝置。由于真空箱污水液面上存在一定的真空，排污泵需要在負(fù)壓下進(jìn)行抽水作業(yè)，因此要求其具有良好的自吸性能，但需要的揚(yáng)程不是很高，最終選用單級自吸型離心泵。泵的流量可以按抽完高低液位之間的污水所用時(shí)間不超過5 min進(jìn)行計(jì)算。

4 真空箱功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

真空箱的基本功能是提供抽吸空氣的緩沖和回收廢物的容納空間，并進(jìn)行固液回收物與工作空氣分離、固體廢物與廢水的分離及排水排渣。

4.1 真空箱容積及抽氣時(shí)間

真空箱需要具備足夠的緩沖與儲存空間，因此其總?cè)莘e一般不小于1 m。回收軟管中的空氣體積計(jì)算如下：

=π/4

經(jīng)計(jì)算：=0.1 m。

平面清洗器真空腔和抽真空軟管中的空氣體積相對很小，可以忽略不計(jì)。因此，總的抽氣容積=+=1.1 m。

初始抽氣時(shí)間計(jì)算如下：

=23[lg(/)]

式中：為修正系數(shù)，=1；為開始抽氣時(shí)的壓力，=1×10kPa；為真空壓力，=36 kPa。

經(jīng)計(jì)算：=6.2 s。

4.2 真空箱的固液分離及排水排渣功能設(shè)計(jì)

真空系統(tǒng)將廢水和廢渣回收到真空箱后必須通過過濾器將大顆粒的廢渣從固液混合流中初步分離出來。廢渣中除了含有部分鐵銹外還含有大量漆屑等有機(jī)化合物，在沉淀后極易板結(jié)成塊狀。如果用過濾網(wǎng)進(jìn)行過濾，殘余固體廢棄物無法通過閥門排出，非常難清理，因此，真空箱內(nèi)設(shè)計(jì)有2個麻袋框。2只麻袋分別懸掛在2個麻袋框中。真空回收管分成2個回收口分別正對2個麻袋。這樣廢渣在麻袋中過濾沉淀積累下來，每天結(jié)束除銹作業(yè)后，操作人員打開真空箱上的快開門將麻袋取出清理即可排出廢渣。

5 結(jié)論

(1)高壓水除銹廢物真空回收裝置的真空系統(tǒng)屬于粗真空系統(tǒng)，產(chǎn)生的真空壓力能滿足回收固液兩相流廢物并通過真空吸附力平衡射流反沖力即可，所以不需要選太大真空壓力的真空泵，但抽速要足夠大。因?yàn)閯討B(tài)真空系統(tǒng)必須有較大的漏氣量才能高效地將廢液回收到真空箱內(nèi)。

(2)抽真空軟管和回收軟管必須有足夠大的通徑。經(jīng)計(jì)算，其流導(dǎo)應(yīng)滿足具有足夠小的壓力損失的要求，使真空系統(tǒng)在遠(yuǎn)端的平面清洗器真空腔內(nèi)仍保持較大的抽吸力。

(3)回收后的固液兩相流廢物必須在真空箱內(nèi)初步分離，根據(jù)漆屑、銹渣等固體廢物沉積后易板結(jié)的性質(zhì)設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，方便排渣和自動排水。

(4)設(shè)計(jì)的真空回收裝置經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)性能和功能滿足高壓水除銹系統(tǒng)固液流廢物回收的要求。