摘要：

介紹建筑泥漿的特性,分析了泥漿處理對離心機的要求,闡述了泥漿離心機的結構特點(diǎn)和選型參數,最后以尾礦泥漿脫水為例說(shuō)明泥漿離心機的具體應用。

 

關(guān)鍵字：泥漿 臥螺離心機

 

泥漿水是一種水中含有一定量的微細泥顆粒的懸浮液體.泥漿的特性取決于它的成分，和當地的地質(zhì)條件有關(guān)，一般有如下特性：外觀(guān)：土黃色，均勻有粘性，長(cháng)時(shí)間靜止不分層，比重：1.20～1.46；(其中黃沙比重1.6);含泥量20%～30%，PH值：6～7。這些泥漿來(lái)源于建筑打樁、砂場(chǎng)、隧道山洞、礦山尾礦等。

建筑泥漿處理不當會(huì )污染環(huán)境、造成大量水土流失、淤塞河道、影響水質(zhì)、破壞市政設施。

早期處理泥漿的方法有填埋、自然干燥等，這些較原始的方法費用高效率低，遠遠不能滿(mǎn)足日益增長(cháng)的泥漿處理需要，成了困擾工程正常施工的難題。因此，近年推出在泥漿脫水干化處理的基礎上，進(jìn)行真空吸濾、壓濾和離心分離的新工藝。

有關(guān)人員對上述三種方法進(jìn)行了對比試驗^[1]，發(fā)現：

（1）真空吸濾法效果較差，原因是泥漿沉降在下層，抽真空時(shí)，泥層變得較密實(shí)，水難于吸出。

（2）壓濾法效果尚可，但考慮如果用于現場(chǎng)需要配置壓濾機，但這種泥漿水含泥量很高，不適于用壓濾機，所以也很難用于施工現場(chǎng)。

（3）離心脫水干化法的處理效果比上述兩種方法好得多，離心機密閉自動(dòng)連續運行，不需要絮凝設備，適合于現場(chǎng)施工環(huán)境，可以從根本上取代目前原始落后的處理方式，提高處理效率，降低處理費用，保護城市環(huán)境，做到現場(chǎng)文明施工。

本文從泥漿處理對離心機的要求入手，詳細分析了泥漿離心機的結構特點(diǎn)，并以應用實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。

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2．1 單機處理量大

泥漿的產(chǎn)生有3個(gè)特點(diǎn)：

①產(chǎn)泥量大：施工機械一旦開(kāi)機，在短時(shí)間內即可產(chǎn)生大量的泥漿；

②存儲困難：現場(chǎng)沒(méi)有大容積的泥漿池，直接排放會(huì )污染環(huán)境，汽車(chē)運輸成本很高，就地處理是最佳方案；

這就要求離心機的單機處理量大，有足夠的“肚量”將泥漿吃進(jìn)肚子及時(shí)“消化”掉。

③容易分離：泥漿的固相和液相比重差較大，容易分離，因此設計泥漿離心機時(shí)應取較小的長(cháng)徑比,而運行時(shí)應保持較大的差轉速；

2．2 適應于惡劣現場(chǎng)

泥漿離心機往往安裝在建筑工地現場(chǎng)，惡劣的環(huán)境要求離心機5個(gè)不怕：

①不怕風(fēng)吹日曬：現場(chǎng)環(huán)境溫度變化大，空氣中存在大量的灰塵；

②不怕過(guò)載沖擊：泥漿成分的變化，進(jìn)料流量的波動(dòng)，要求離心機要有足夠的功率余量，有完善的保護措施；

③不怕泥砂磨損：轉鼓內的固相顆粒（泥砂）象砂輪機一樣在磨損著(zhù)各個(gè)接觸部位，要求這些部位具有足夠高的抵抗磨損的能力；

④不怕電氣干擾：現場(chǎng)大功率設備頻繁起/停，各種電器設備運行時(shí)產(chǎn)生的電弧，致使電源電壓大幅度波動(dòng)，諧波干擾可能使儀器儀表失靈；

⑤不怕錯誤操作：建筑工人文化水平不高，離心機電氣操作件要少，操作要簡(jiǎn)單，控制程序設計要容錯；

3．1高耐磨

根據不同情況，關(guān)鍵部位采用硬質(zhì)合金和轉鼓防磨技術(shù)設計：

（1）碳化鎢鎳基合金粉噴焊(含碳化鎢35%)；

（2）碳化鎢焊條堆焊（含碳化鎢60%）；

（3）硬質(zhì)合金鑲塊、合金瓦、鑲套（含碳化鎢100%）；

（4）陶瓷鑲塊：其抗磨性能和硬質(zhì)合金鑲塊基本相同；

實(shí)際應用證明推力面硬質(zhì)合金鑲塊可使螺旋輸送器的壽命提高五倍以上（普通碳鋼的硬度為HB<241，碳化鎢合金的硬度為HRa≥90）。

由于碳化鎢合金價(jià)格昂貴，表面看來(lái)，離心機的初次投資高于普通材質(zhì)離心機，但從長(cháng)遠角度看，設備壽命延長(cháng)，維修費用降低，停機時(shí)間減少…，這些實(shí)惠帶來(lái)的經(jīng)濟效益遠高于首次投資的差額。

圖1 出渣口的保護措施對比

     可更換的硬質(zhì)合金鑲套呈圓錐形，安裝時(shí)從錐形轉鼓的里面往外套。

圖2 陶瓷鑲塊和硬質(zhì)合金鑲塊的螺旋輸送器

圖3 硬質(zhì)合金鑲塊使螺旋壽命提高五倍以上

3．2 大差速

3．2．1   臥螺離心機的處理量模型

在“柱塞”流假設的條件下，臥式螺旋卸料沉降離心機的處理量計算式為^[2，^3]

Q=εV₀Σ                              (1)

式中         Q----處理量，m3/h

V0----重力場(chǎng)中固相粒子的自由沉降速度，m/s

             Σ----離心機生產(chǎn)能力指數，㎡

             ε----修正系數，ε=0.25

重力場(chǎng)中固相粒子的自由沉降速度（Stokes定律）計算式：

 

          

式中     d----粒子的當量直徑，m

         μ----液體的動(dòng)力粘度，kg/m s

         Δρ----固液兩相的比重差，kg/m³

          g---- 重力加速度，m/s²  

對于如圖4所示柱錐形轉鼓，其生產(chǎn)能力指數式為：

         

 

式中    F_----離心機的分離因數

        L----沉降區長(cháng)度 m

        L1----圓柱長(cháng)短 m

        D----離心機轉鼓的公稱(chēng)直徑 m

        λ----液層深度系數,即厚度與轉鼓半徑之比  λ=(r2-r1)/r2

圖4 計算離心機處理量用圖

F= r ω²/g                          (5)

式中    F_----離心機的分離因數

        r----轉鼓內半徑， m

        ω----轉鼓回轉角速度，弧度/S

 

3．2．2   離心機的處理能力

 在工程應用中，離心機處理能力是指離心機的干固體負荷和水力負荷。
      干固體負荷是指每小時(shí)處理的不揮發(fā)固體重量，以 ＫｇＤＳ（干污泥）／ｈ 表示； 水力負荷指進(jìn)入離心機的污泥流量， 以 ｍ３／ｈ 表示， 它與離心機進(jìn)泥濃度（ ＭＬＳＳ， ｇ／Ｌ）的乘積即為干固體負荷。

恒力泥漿離心機的單機處理量：（進(jìn)泥含固量為20%～30%）

表1

         

3．2．3 臥螺離心機的固相清除率模型

臥螺離心機分離總效率是指沉渣中的固相質(zhì)量與進(jìn)料懸浮液中的固相質(zhì)量之比，又稱(chēng)固相回收率。

離心機的固相清除率與離心機的生產(chǎn)能力指數、進(jìn)料液中的固相粒度分布有關(guān)，對于建筑泥漿，其固相粒度分布與瑞利分布函數十分接近，在瑞利分布假設條件下，離心機的固相清除率為^[2]：

式中：

            Er----固相清除率

            a----瑞利分布特性系數

            ρ1----固相密度，g/m3

            ρ2----懸浮液密度，g/m3

            Q---- 離心機處理量，m3/s

 

3．2．4 計算舉例

恒力環(huán)保機械LW_nj-B-6000離心機運行時(shí)，固相排出口每小時(shí)可以排出含固量為38%的泥餅8-12噸，可以計算得到干固體負荷為3000～4500kgDS/h  ，水力負荷為10～20m3/h.

在實(shí)際運行中， 通過(guò)調整水力負荷， 來(lái)保證進(jìn)入離心機干固體負荷不超過(guò)離心機的最大承受能力，否則， 多余的干固體將從上清液中排出， 上清液的懸浮物會(huì )急劇增多， 并增加離心機電機的負荷； 同時(shí)也應注意， 應保證進(jìn)入離心機的干固體負荷不小于離心機最大承受能力的 ６０％， 否則， 離心機不能充分發(fā)揮其性能。

泥漿離心機和污水處理離心機在性能上有較大的差別。

假設：污水處理離心機初沉池污泥的濃度為（ ３５ ｇ／Ｌ） ，離心機的干固體負荷為４０５ ｋｇＤＳ／ｈ， 二沉池污泥因沒(méi)有污泥濃縮池， 進(jìn)泥濃度低（ ７．５ ｇ／Ｌ） ， 干固體負荷只能達到 ８５～１２０ ｋｇ／ｈ， 離心機幾乎等于空轉， 因此，單位時(shí)間內的處理能力大大降低。 

 

3．2．5差速器

泥漿離心機的差速器有2個(gè)特點(diǎn)：小速比和大扭矩。

①  小速比

差轉速的大小主要取決于所需排渣量的大小、差轉速太高時(shí)沉渣在干燥區的停留時(shí)間減少會(huì )使沉渣的含濕率增高，但差轉速過(guò)低會(huì )增大螺旋的推料力矩，明顯降低螺旋的輸渣效率并使螺旋受到的扭矩增大而損壞差速器。

泥漿離心機為了將大量的沉泥排出鼓外，差轉速必須遠大于普通污水處理離心機（前者差速約4～10r/min,后者差速>30r/min）.

差轉速按下式計算：

式中：Δn—差轉速

             n1—轉鼓轉速

nh—小軸轉速

i—速比

由式（7）可知，小軸固定時(shí)，可獲得最大差速(例如：若n1=2200、i=87,則Δnmax=25 r/min).

小軸反轉可以提高差速（例如：n1=2200，nh=-1280，i=87則Δn=40），但由于差速器內部各個(gè)行星齒輪之間相對轉速增大，可能影響差速器壽命。

由上分析可知，泥漿離心機的差速器速比要選得小，以獲取較大差速。例如，恒力環(huán)保機械LWnj-B-6000離心機的最大差速可高達48r/min或更高。

 

②  大扭矩 

差速器是在高速、重 載、不斷承受沖擊交變載荷的惡劣工作條件下運轉，故要求差速器的抗過(guò)載沖擊及抗扭震性能特別好。

螺旋推料力矩可通過(guò)測量小軸力矩間接測量。離心機穩定運行時(shí)，若不考慮磨擦損失，則有^[2]：

 

式中             Ms—螺旋推料力矩

Mh—小軸力矩

i----差速器速比

上式物理意義是：螺旋推料力矩是小軸力矩的i倍，負號表示小軸為主動(dòng)件，運行時(shí)轉臂向電動(dòng)機回輸部分能量。

分析指出：螺旋推料力矩和鼓內沉泥的數量、黏性、物料成分、推料面光潔度等諸多因素相關(guān)，根據泥漿的特性，必須采用大扭矩差速器。例如LW_nj-B-6000離心機差速器額定扭矩高達10 KN.m～20 KN.m。

此外，恒力環(huán)保機械泥漿離心機正在考慮配置低速液壓馬達差速器。
    差速器為20KN·m的大扭矩液壓馬達，其傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)平穩，體積小，是同樣功率的行星差速器體積的1／2，并且噪音低，振動(dòng)??；可無(wú)級調速，使固液分離達到最佳組合，如果因物料的變化，使螺旋受到的負載增加，壓力升高，模擬控制器會(huì )釋放出更多的流量，螺旋轉速加快，防止螺旋堵塞，保證了正常的工作，當工作壓力恢復正常時(shí)，螺旋仍能按正常的差轉速恒定轉動(dòng)。液壓差速器可以在轉鼓不轉動(dòng)的情況下使螺旋轉動(dòng)?？煽焖倥旁宄D鼓內的沉渣，使轉鼓清洗更干凈。

3．3 戶(hù)外型

安裝在現場(chǎng)的電器設備應選用戶(hù)外型，例：主/副電機、污泥輸送機電機、各種泵電機、各種閥以及聲光報警系統等。

 

3．4 傻瓜式

電氣控制功能力求簡(jiǎn)單實(shí)用，特別強調可靠性和操作簡(jiǎn)單，可采取下述措施：

（1）主變頻器為重載型，功率比電機功率提高一檔；

（2）和現場(chǎng)設備有關(guān)的模擬量輸入/輸出光電隔離；

（3）注意防雷電設計；

（4）采用觸摸屏人機界面；

4．1 泥漿離心機在尾礦廢水處理中的應用

龍蟒集團是四川省“十一五”重點(diǎn)扶持的百億元企業(yè)之一，其主導產(chǎn)品--飼料磷酸鹽產(chǎn)能居亞洲第一，鈦白粉單裝置能力居全國之首。

南漳龍蟒有限責任公司每天產(chǎn)生大量的尾礦廢水，自2009年3月起開(kāi)始使用麗水市恒力離心機械設備有限公司生產(chǎn)的LW_nj-B-6000型臥螺離心機，一舉解決了多年來(lái)一直困擾他們的尾礦廢水處理難題。

樣品分析方法和固相回收率的計算：

離心機作為固/液分離設備只能分離固體和液體， 所以在測試分析離心機進(jìn)料濃度和分離液的含固率時(shí) 必須完全去除料漿和分離液中的溶解物質(zhì)。分析時(shí)均 應用定量濾紙過(guò)濾，并且在過(guò)濾過(guò)程中要用蒸溜水洗 凈漏斗中樣品里的可溶物質(zhì)、再衡溫稱(chēng)量，否則測試的 數據是不準確的。

下表是實(shí)際測得的一組數據：

      表2

 

固體回收率按下式計算：

式中           η--固體回收率

Y—濕沉渣中絕干物質(zhì)含量          %

T—進(jìn)料懸浮物中絕干物質(zhì)含量      %

Z—分離液中絕干物質(zhì)含量          %

 

以表2測試數據代入式9，可以得到固體回收率達到99.4%

圖5 南漳龍蟒現場(chǎng)照片和用戶(hù)報告

4．2 經(jīng)濟效益

LW_nj-B-6000型臥螺離心機處理尾礦，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益：

①節省絮凝劑成本：

以前使用帶式壓濾機每天需要消耗大量的藥劑，由于泥漿離心機處理尾礦不需要添加絮凝劑，因此降低了成本；

②泥漿離心機采用雙電機雙變頻驅動(dòng)，可以節省電費；

③  表面上看離心機單臺價(jià)格較貴，但帶式壓濾機配套有絮凝罐、空壓機、水泵水箱以及除臭抽風(fēng)機，多占廠(chǎng)房面積，加起來(lái)總投資大大超過(guò)離心脫水機成本。

尾礦綜合利用，變廢為寶，既保護了資源，又充分利用了資源，同時(shí)又凈化了環(huán)境，可謂一舉多得。

4．3 電氣控制

圖6 電氣控制

 

※手動(dòng)/自動(dòng)兩種操作方式：

手動(dòng)方式：每一臺電動(dòng)機，每一臺泵和每一臺閥門(mén)都可以單獨啟動(dòng)/停車(chē)，適用于修理和調試階段；

自動(dòng)方式：按一個(gè)鍵，所有設備接受程序控制，適用于運行階段；

※恒差速/恒力矩兩種控制模式：

  恒差速控制：差速一經(jīng)設定，始終保持不變。用于穩定泥餅的干度，穩定每小時(shí)處理量；

恒力矩控制：將螺旋推料力矩穩定在合適的大小，適用于進(jìn)泥流量和進(jìn)泥性質(zhì)變化很大的場(chǎng)合；

※彩色觸摸屏操作界面：顯示直觀(guān)生動(dòng)，一看就會(huì )，一觸就靈，真正的傻瓜式操作；

 

（1）泥漿離心機的關(guān)鍵是大處理量和高耐磨能力；

（2）泥漿離心機的結構特點(diǎn)是：長(cháng)徑比??；差速器扭矩大速比??；

（3）泥漿離心機的運行特點(diǎn)是：低轉速，大差速；

離心脫水法處理泥漿水具有自動(dòng)連續密閉運行、無(wú)須添加絮凝劑、現場(chǎng)適應性強等特點(diǎn)，在今后很長(cháng)一段時(shí)期內，必定占據主導地位。

目前，國內泥漿離心機尚處于初級階段：最大處理量50～60m³/h；最大直徑Φ720，可靠性低，壽命短。離開(kāi)真正滿(mǎn)足建筑泥漿處理需求（單機處理量100～200m³/h）有很長(cháng)一段路要走。