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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和選型參數(shù),最后以尾礦泥漿脫水為例說明泥漿離心機的具體應用。

 

關鍵字：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?shù)氐牡刭|(zhì)條件有關，一般有如下特性：外觀：土黃色，均勻有粘性，長時間靜止不分層，比重：1.20～1.46；(其中黃沙比重1.6);含泥量20%～30%，PH值：6～7。這些泥漿來源于建筑打樁、砂場、隧道山洞、礦山尾礦等。

建筑泥漿處理不當會污染環(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，遠遠不能滿足日益增長的泥漿處理需要，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，進行真空吸濾、壓濾和離心分離的新工藝。

有關人員對上述三種方法進行了對比試驗^[1]，發(fā)現(xiàn)：

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

（2）壓濾法效果尚可，但考慮如果用于現(xiàn)場需要配置壓濾機，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(xiàn)場。

（3）離心脫水干化法的處理效果比上述兩種方法好得多，離心機密閉自動連續(xù)運行，不需要絮凝設備，適合于現(xiàn)場施工環(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(xiàn)場文明施工。

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，并以應用實例進行說明。

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2．1 單機處理量大

泥漿的產(chǎn)生有3個特點：

①產(chǎn)泥量大：施工機械一旦開機，在短時間內(nèi)即可產(chǎn)生大量的泥漿；

②存儲困難：現(xiàn)場沒有大容積的泥漿池，直接排放會污染環(huán)境，汽車運輸成本很高，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”將泥漿吃進肚子及時“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應取較小的長徑比,而運行時應保持較大的差轉(zhuǎn)速；

2．2 適應于惡劣現(xiàn)場

泥漿離心機往往安裝在建筑工地現(xiàn)場，惡劣的環(huán)境要求離心機5個不怕：

①不怕風吹日曬：現(xiàn)場環(huán)境溫度變化大，空氣中存在大量的灰塵；

②不怕過載沖擊：泥漿成分的變化，進料流量的波動，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(zhuǎn)鼓內(nèi)的固相顆粒（泥砂）象砂輪機一樣在磨損著各個接觸部位，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)場大功率設備頻繁起/停，各種電器設備運行時產(chǎn)生的電弧，致使電源電壓大幅度波動，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，操作要簡單，控制程序設計要容錯；

3．1高耐磨

根據(jù)不同情況，關鍵部位采用硬質(zhì)合金和轉(zhuǎn)鼓防磨技術設計：

（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）。

由于碳化鎢合金價格昂貴，表面看來，離心機的初次投資高于普通材質(zhì)離心機，但從長遠角度看，設備壽命延長，維修費用降低，停機時間減少…，這些實惠帶來的經(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，安裝時從錐形轉(zhuǎn)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(shù)，㎡

             ε----修正系數(shù)，ε=0.25

重力場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(zhuǎn)鼓，其生產(chǎn)能力指數(shù)式為：

         

 

式中    F_----離心機的分離因數(shù)

        L----沉降區(qū)長度 m

        L1----圓柱長短 m

        D----離心機轉(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(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； 水力負荷指進入離心機的污泥流量， 以 ｍ３／ｈ 表示， 它與離心機進泥濃度（ 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)量與進料懸浮液中的固相質(zhì)量之比，又稱固相回收率。

離心機的固相清除率與離心機的生產(chǎn)能力指數(shù)、進料液中的固相粒度分布有關，對于建筑泥漿，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(shù)

            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，固相排出口每小時可以排出含固量為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.

在實際運行中， 通過調(diào)整水力負荷， 來保證進入離心機干固體負荷不超過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， 上清液的懸浮物會急劇增多， 并增加離心機電機的負荷； 同時也應注意， 應保證進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， 二沉池污泥因沒有污泥濃縮池， 進泥濃度低（ 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(zhuǎn)， 因此，單位時間內(nèi)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個特點：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)速太高時沉渣在干燥區(qū)的停留時間減少會使沉渣的含濕率增高，但差轉(zhuǎn)速過低會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(zhuǎn)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(zhuǎn)速按下式計算：

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，可獲得最大差速(例如：若n1=2200、i=87,則Δnmax=25 r/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)部各個行星齒輪之間相對轉(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(zhuǎn)，故要求差速器的抗過載沖擊及抗扭震性能特別好。

螺旋推料力矩可通過測量小軸力矩間接測量。離心機穩(wěn)定運行時，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件，運行時轉(zhuǎn)臂向電動機回輸部分能量。

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，根據(jù)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，其傳動效率高，傳動平穩(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?。豢蔁o級調(diào)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，當工作壓力恢復正常時，螺旋仍能按正常的差轉(zhuǎn)速恒定轉(zhuǎn)動。液壓差速器可以在轉(zhuǎn)鼓不轉(zhuǎn)動的情況下使螺旋轉(zhuǎn)動?？煽焖倥旁宄D(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)場的電器設備應選用戶外型，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(tǒng)等。

 

3．4 傻瓜式

電氣控制功能力求簡單實用，特別強調(diào)可靠性和操作簡單，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(xiàn)場設備有關的模擬量輸入/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料濃度和分離液的含固率時 必須完全去除料漿和分離液中的溶解物質(zhì)。分析時均 應用定量濾紙過濾，并且在過濾過程中要用蒸溜水洗 凈漏斗中樣品里的可溶物質(zhì)、再衡溫稱量，否則測試的 數(shù)據(jù)是不準確的。

下表是實際測得的一組數(shù)據(jù)：

      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(shù)據(jù)代入式9，可以得到固體回收率達到99.4%

圖5 南漳龍蟒現(xiàn)場照片和用戶報告

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(jié)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(qū)動，可以節(jié)省電費；

③  表面上看離心機單臺價格較貴，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機，多占廠房面積，加起來總投資大大超過離心脫水機成本。

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/自動兩種操作方式：

手動方式：每一臺電動機，每一臺泵和每一臺閥門都可以單獨啟動/停車，適用于修理和調(diào)試階段；

自動方式：按一個鍵，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(wěn)定泥餅的干度，穩(wěn)定每小時處理量；

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

※彩色觸摸屏操作界面：顯示直觀生動，一看就會，一觸就靈，真正的傻瓜式操作；

 

（1）泥漿離心機的關鍵是大處理量和高耐磨能力；

（2）泥漿離心機的結構特點是：長徑比?。徊钏倨髋ぞ卮笏俦刃?；

（3）泥漿離心機的運行特點是：低轉(zhuǎn)速，大差速；

離心脫水法處理泥漿水具有自動連續(xù)密閉運行、無須添加絮凝劑、現(xiàn)場適應性強等特點，在今后很長一段時期內(nèi)，必定占據(jù)主導地位。

目前，國內(nèi)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。離開真正滿足建筑泥漿處理需求（單機處理量100～200m³/h）有很長一段路要走。