臥螺離心機(jī)在泥漿處理工程中的應(yīng)用
介紹建筑泥漿的特性,分析了泥漿處理對(duì)離心機(jī)的要求,闡述了泥漿離心機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和選型參數(shù),最后以尾礦廢水處理為例說(shuō)明泥漿離心機(jī)的具體應(yīng)用。
泥漿水是一種水中含有一定量的微細(xì)泥顆粒的懸浮液體.泥漿的特性取決于它的成分，和當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件有關(guān)，一般有如下特性：外觀：土黃色，均勻有粘性，長(zhǎng)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(dāng)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(shè)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(fèi)用高效率低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日益增長(zhǎng)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(chǔ)上，進(jìn)行真空吸濾、壓濾和離心分離的新工藝。
(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(xiàn)場(chǎng)需要配置壓濾機(jī)，但這種泥漿水含泥量很高，不適于用壓濾機(jī)，所以也很難用于施工現(xiàn)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(jī)密閉自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行，不需要絮凝設(shè)備，適合于現(xiàn)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(fèi)用，保護(hù)城市環(huán)境，做到現(xiàn)場(chǎng)文明施工。
本文從泥漿處理對(duì)離心機(jī)的要求入手，詳細(xì)分析了泥漿離心機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并以應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。
2泥漿處理對(duì)離心機(jī)的要求
2．1單機(jī)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(jī)械一旦開(kāi)機(jī)，在短時(shí)間內(nèi)即可產(chǎn)生大量的泥漿；
②存儲(chǔ)困難：現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有大容積的泥漿池，直接排放會(huì)污染環(huán)境，汽車運(yùn)輸成本很高，就地處理是最佳方案；
這就要求離心機(jī)的單機(jī)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(shè)計(jì)泥漿離心機(jī)時(shí)應(yīng)取較小的長(zhǎng)徑比,而運(yùn)行時(shí)應(yīng)保持較大的差轉(zhuǎn)速；
2．2適應(yīng)于惡劣現(xiàn)場(chǎng)
泥漿離心機(jī)往往安裝在建筑工地現(xiàn)場(chǎng)，惡劣的環(huán)境要求離心機(jī)5個(gè)不怕：
①不怕風(fēng)吹日曬：現(xiàn)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(jī)要有足夠的功率余量，有完善的保護(hù)措施；
③不怕泥砂磨損：轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的固相顆粒(泥砂)象砂輪機(jī)一樣在磨損著各個(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(xiàn)場(chǎng)大功率設(shè)備頻繁起/停，各種電器設(shè)備運(yùn)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(cuò)誤操作：建筑工人文化水平不高，離心機(jī)電氣操作件要少，操作要簡(jiǎn)單，控制程序設(shè)計(jì)要容錯(cuò)；
3泥漿離心機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
3．1高耐磨
根據(jù)不同情況，關(guān)鍵部位采用硬質(zhì)合金和轉(zhuǎn)鼓防磨技術(shù)設(shè)計(jì)：
(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(yīng)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(jī)的初次投資高于普通材質(zhì)離心機(jī)，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，設(shè)備壽命延長(zhǎng)，維修費(fèi)用降低，停機(jī)時(shí)間減少…，這些實(shí)惠帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)高于首次投資的差額。
可更換的硬質(zhì)合金鑲套呈圓錐形，安裝時(shí)從錐形轉(zhuǎn)鼓的里面往外套。
3．2大差速
3．2．1臥螺離心機(jī)的處理量模型
在“柱塞”流假設(shè)的條件下，臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)的處理量計(jì)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(jī)生產(chǎn)能力指數(shù)，㎡
ε----修正系數(shù)，ε=0.25
重力場(chǎng)中固相粒子的自由沉降速度(Stokes定律)計(jì)算式：
(2)
Δρ=ρ2-ρ1(3)
式中d----粒子的當(dāng)量直徑，m
μ----液體的動(dòng)力粘度，kg/ms
Δρ----固液兩相的比重差，kg/m3
g----重力加速度，m/s2
對(duì)于如圖4所示柱錐形轉(zhuǎn)鼓，其生產(chǎn)能力指數(shù)式為：
式中F----離心機(jī)的分離因數(shù)
L----沉降區(qū)長(zhǎng)度m
L1----圓柱長(zhǎng)短m
D----離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓的公稱直徑m
λ----液層深度系數(shù),即厚度與轉(zhuǎn)鼓半徑之比λ=(r2-r1)/r2
圖4計(jì)算離心機(jī)處理量用圖
F=rω2/g(5)
式中F----離心機(jī)的分離因數(shù)
r----轉(zhuǎn)鼓內(nèi)半徑，m
ω----轉(zhuǎn)鼓回轉(zhuǎn)角速度，弧度/S
3．2．2離心機(jī)的處理能力
在工程應(yīng)用中，離心機(jī)處理能力是指離心機(jī)的干固體負(fù)荷和水力負(fù)荷。
干固體負(fù)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(fù)荷指進(jìn)入離心機(jī)的污泥流量，以ｍ３／ｈ表示，它與離心機(jī)進(jìn)泥濃度(ＭＬＳＳ，ｇ／Ｌ)的乘積即為干固體負(fù)荷。
三聯(lián)泥漿離心機(jī)的單機(jī)處理量：(進(jìn)泥含固量為20%～30%)
3．2．3臥螺離心機(jī)的固相清除率模型
臥螺離心機(jī)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，又稱固相回收率。
離心機(jī)的固相清除率與離心機(jī)的生產(chǎn)能力指數(shù)、進(jìn)料液中的固相粒度分布有關(guān)，對(duì)于建筑泥漿，其固相粒度分布與瑞利分布函數(shù)十分接近，在瑞利分布假設(shè)條件下，離心機(jī)的固相清除率為[2]：
3．2．4計(jì)算舉例
三聯(lián)環(huán)保機(jī)械LWnj-B-6000離心機(jī)運(yùn)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(jì)算得到干固體負(fù)荷為3000～4500kgDS/h，水力負(fù)荷為10～20m3/h.
在實(shí)際運(yùn)行中，通過(guò)調(diào)整水力負(fù)荷，來(lái)保證進(jìn)入離心機(jī)干固體負(fù)荷不超過(guò)離心機(jī)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(jī)電機(jī)的負(fù)荷；同時(shí)也應(yīng)注意，應(yīng)保證進(jìn)入離心機(jī)的干固體負(fù)荷不小于離心機(jī)最大承受能力的６０％，否則，離心機(jī)不能充分發(fā)揮其性能。
泥漿離心機(jī)和污水處理離心機(jī)在性能上有較大的差別。
假設(shè)：污水處理離心機(jī)初沉池污泥的濃度為(３５ｇ／Ｌ)，離心機(jī)的干固體負(fù)荷為４０５ｋｇＤＳ／ｈ，二沉池污泥因沒(méi)有污泥濃縮池，進(jìn)泥濃度低(７．５ｇ／Ｌ)，干固體負(fù)荷只能達(dá)到８５～１２０ｋｇ／ｈ，離心機(jī)幾乎等于空轉(zhuǎn)，因此，單位時(shí)間內(nèi)的處理能力大大降低。
3．2．5差速器
泥漿離心機(jī)的差速器有2個(gè)特點(diǎn)：小速比和大扭矩。
①小速比
差轉(zhuǎn)速的大小主要取決于所需排渣量的大小、差轉(zhuǎn)速太高時(shí)沉渣在干燥區(qū)的停留時(shí)間減少會(huì)使沉渣的含濕率增高，但差轉(zhuǎn)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(jī)為了將大量的沉泥排出鼓外，差轉(zhuǎn)速必須遠(yuǎn)大于普通污水處理離心機(jī)(前者差速約4～10r/min,后者差速>30r/min).
差轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：
式中：Δn—差轉(zhuǎn)速
n1—轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速
nh—小軸轉(zhuǎn)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=25r/min).
小軸反轉(zhuǎn)可以提高差速(例如：n1=2200，nh=-1280，i=87則Δn=40)，但由于差速器內(nèi)部各個(gè)行星齒輪之間相對(duì)轉(zhuǎn)速增大，可能影響差速器壽命。
由上分析可知，泥漿離心機(jī)的差速器速比要選得小，以獲取較大差速。例如，三聯(lián)環(huán)保機(jī)械LWnj-B-6000離心機(jī)的最大差速可高達(dá)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(yùn)轉(zhuǎn)，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(cè)量小軸力矩間接測(cè)量。離心機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，若不考慮磨擦損失，則有[2]：
Ms=-i*Mh(8)
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(fù)號(hào)表示小軸為主動(dòng)件，運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)臂向電動(dòng)機(jī)回輸部分能量。
分析指出：螺旋推料力矩和鼓內(nèi)沉泥的數(shù)量、黏性、物料成分、推料面光潔度等諸多因素相關(guān)，根據(jù)泥漿的特性，必須采用大扭矩差速器。例如LWnj-B-6000離心機(jī)差速器額定扭矩高達(dá)10KN.m～20KN.m。
此外，三聯(lián)環(huán)保機(jī)械泥漿離心機(jī)正在考慮配置低速液壓馬達(dá)差速器。
差速器為20KN·m的大扭矩液壓馬達(dá)，其傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)平穩(wěn)，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)。豢蔁o(wú)級(jí)調(diào)速，使固液分離達(dá)到最佳組合，如果因物料的變化，使螺旋受到的負(fù)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(zhuǎn)速加快，防止螺旋堵塞，保證了正常的工作，當(dāng)工作壓力恢復(fù)正常時(shí)，螺旋仍能按正常的差轉(zhuǎn)速恒定轉(zhuǎn)動(dòng)。液壓差速器可以在轉(zhuǎn)鼓不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下使螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)。可快速排渣清除轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的沉渣，使轉(zhuǎn)鼓清洗更干凈。
3．3戶外型
安裝在現(xiàn)場(chǎng)的電器設(shè)備應(yīng)選用戶外型，例：主/副電機(jī)、污泥輸送機(jī)電機(jī)、各種泵電機(jī)、各種閥以及聲光報(bào)警系統(tǒng)等。
3．4傻瓜式
電氣控制功能力求簡(jiǎn)單實(shí)用，特別強(qiáng)調(diào)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(jī)功率提高一檔；
(2)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有關(guān)的模擬量輸入/輸出光電隔離；
(3)注意防雷電設(shè)計(jì)；
(4)采用觸摸屏人機(jī)界面；
4應(yīng)用實(shí)例
4．1泥漿離心機(jī)在尾礦廢水處理中的應(yīng)用
龍蟒集團(tuán)是四川省“十一五”重點(diǎn)扶持的百億元企業(yè)之一，其主導(dǎo)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(guó)之首。
南漳龍蟒有限責(zé)任公司每天產(chǎn)生大量的尾礦廢水，自2009年3月起開(kāi)始使用麗水三聯(lián)環(huán)保機(jī)械有限公司生產(chǎn)的LWnj-B-6000型臥螺離心機(jī)，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(jì)算：
離心機(jī)作為固/液分離設(shè)備只能分離固體和液體，所以在測(cè)試分析離心機(jī)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(yīng)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)、再衡溫稱量，否則測(cè)試的數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的。
下表是實(shí)際測(cè)得的一組數(shù)據(jù)：
處理能力m3/h進(jìn)泥含固%清液含固%泥餅含水率%
20～3021<2.5～322～28
固體回收率按下式計(jì)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(cè)試數(shù)據(jù)代入式9，可以得到固體回收率達(dá)到99.4%
4．2經(jīng)濟(jì)效益
LWnj-B-6000型臥螺離心機(jī)處理尾礦，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益：
①節(jié)省絮凝劑成本：
以前使用帶式壓濾機(jī)每天需要消耗大量的藥劑，由于泥漿離心機(jī)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(jī)采用雙電機(jī)雙變頻驅(qū)動(dòng)，可以節(jié)省電費(fèi)；
③表面上看離心機(jī)單臺(tái)價(jià)格較貴，但帶式壓濾機(jī)配套有絮凝罐、空壓機(jī)、水泵水箱以及除臭抽風(fēng)機(jī)，多占廠房面積，加起來(lái)總投資大大超過(guò)離心脫水機(jī)成本。
尾礦綜合利用，變廢為寶，既保護(hù)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
手動(dòng)方式：每一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，每一臺(tái)泵和每一臺(tái)閥門都可以單獨(dú)啟動(dòng)/停車，適用于修理和調(diào)試階段；
自動(dòng)方式：按一個(gè)鍵，所有設(shè)備接受程序控制，適用于運(yùn)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(shè)定，始終保持不變。用于穩(wěn)定泥餅的干度，穩(wěn)定每小時(shí)處理量；
恒力矩控制：將螺旋推料力矩穩(wěn)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：顯示直觀生動(dòng)，一看就會(huì)，一觸就靈，真正的傻瓜式操作；
5結(jié)論
(1)泥漿離心機(jī)的關(guān)鍵是大處理量和高耐磨能力；
(2)泥漿離心機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：長(zhǎng)徑比；差速器扭矩大速比小；
(3)泥漿離心機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)是：低轉(zhuǎn)速，大差速；
離心脫水法處理泥漿水具有自動(dòng)連續(xù)密閉運(yùn)行、無(wú)須添加絮凝劑、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在今后很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，必定占據(jù)主導(dǎo)地位。
目前，國(guó)內(nèi)泥漿離心機(jī)尚處于初級(jí)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)真正滿足建筑泥漿處理需求(單機(jī)處理量100～200m3/h)有很長(zhǎng)一段路要走。
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