臥螺離心機在泥漿處理工程中的應用
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,最后以尾礦廢水處理為例說明泥漿離心機的具體應用。
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境、造成大量水土流失、淤塞河道、影響水質、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。
(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運行，不需要絮凝設備，適合于現場施工環境，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，保護城市環境，做到現場文明施工。
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。
2泥漿處理對離心機的要求
2．1單機處理量大
泥漿的產生有3個特點：
①產泥量大：施工機械一旦開機，在短時間內即可產生大量的泥漿；
②存儲困難：現場沒有大容積的泥漿池，直接排放會污染環境，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速；
2．2適應于惡劣現場
泥漿離心機往往安裝在建筑工地現場，惡劣的環境要求離心機5個不怕：
①不怕風吹日曬：現場環境溫度變化大，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：轉鼓內的固相顆粒(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：現場大功率設備頻繁起/停，各種電器設備運行時產生的電弧，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泥漿離心機的設計要點
3．1高耐磨
根據不同情況，關鍵部位采用硬質合金和轉鼓防磨技術設計：
(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：其抗磨性能和硬質合金鑲塊基本相同；
實際應用證明推力面硬質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…，這些實惠帶來的經濟效益遠高于首次投資的差額。
可更換的硬質合金鑲套呈圓錐形，安裝時從錐形轉鼓的里面往外套。
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----離心機生產能力指數，㎡
ε----修正系數，ε=0.25
重力場中固相粒子的自由沉降速度(Stokes定律)計算式：
(2)
Δρ=ρ2-ρ1(3)
式中d----粒子的當量直徑，m
μ----液體的動力粘度，kg/ms
Δρ----固液兩相的比重差，kg/m3
g----重力加速度，m/s2
對于如圖4所示柱錐形轉鼓，其生產能力指數式為：
式中F----離心機的分離因數
L----沉降區長度m
L1----圓柱長短m
D----離心機轉鼓的公稱直徑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=rω2/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處理的不揮發固體重量，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。
三聯泥漿離心機的單機處理量：(進泥含固量為20%～30%)
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量與進料懸浮液中的固相質量之比，又稱固相回收率。
離心機的固相清除率與離心機的生產能力指數、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]：
3．2．4計算舉例
三聯環保機械LWnj-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(３５ｇ／Ｌ)，離心機的干固體負荷為４０５ｋｇＤＳ／ｈ，二沉池污泥因沒有污泥濃縮池，進泥濃度低(７．５ｇ／Ｌ)，干固體負荷只能達到８５～１２０ｋｇ／ｈ，離心機幾乎等于空轉，因此，單位時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個特點：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、差轉速太高時沉渣在干燥區的停留時間減少會使沉渣的含濕率增高，但差轉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，可獲得最大差速(例如：若n1=2200、i=87,則Δnmax=25r/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，三聯環保機械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。離心機穩定運行時，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，負號表示小軸為主動件，運行時轉臂向電動機回輸部分能量。
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，根據泥漿的特性，必須采用大扭矩差速器。例如LWnj-B-6000離心機差速器額定扭矩高達10KN.m～20KN.m。
此外，三聯環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，體積小，是同樣功率的行星差速器體積的1／2，并且噪音低，振動小；可無級調速，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，螺旋仍能按正常的差轉速恒定轉動。液壓差速器可以在轉鼓不轉動的情況下使螺旋轉動。可快速排渣清除轉鼓內的沉渣，使轉鼓清洗更干凈。
3．3戶外型
安裝在現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等。
3．4傻瓜式
電氣控制功能力求簡單實用，特別強調可靠性和操作簡單，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應用實例
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之一，其主導產品--飼料磷酸鹽產能居亞洲第一，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生大量的尾礦廢水，自2009年3月起開始使用麗水三聯環保機械有限公司生產的LWnj-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。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、再衡溫稱量，否則測試的數據是不準確的。
下表是實際測得的一組數據：
處理能力m3/h進泥含固%清液含固%泥餅含水率%
20～3021<2.5～322～28
固體回收率按下式計算：
式中η--固體回收率
Y—濕沉渣中絕干物質含量%
T—進料懸浮物中絕干物質含量%
Z—分離液中絕干物質含量%
以表2測試數據代入式9，可以得到固體回收率達到99.4%
4．2經濟效益
LWnj-B-6000型臥螺離心機處理尾礦，產生了良好的經濟效益：
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，可以節省電費；
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，同時又凈化了環境，可謂一舉多得。
4．3電氣控制
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：差速一經設定，始終保持不變。用于穩定泥餅的干度，穩定每小時處理量；
恒力矩控制：將螺旋推料力矩穩定在合適的大小，適用于進泥流量和進泥性質變化很大的場合；
※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；
5結論
(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：長徑比小；差速器扭矩大速比小；
(3)泥漿離心機的運行特點是：低轉速，大差速；
離心脫水法處理泥漿水具有自動連續密閉運行、無須添加絮凝劑、現場適應性強等特點，在今后很長一段時期內，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。
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