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明泥漿離心機(jī)的具體應(yīng)用。
關(guān)鍵字:泥漿 臥螺離心機(jī)
1 前言
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。
有關(guān)人員對(duì)上述三種方法進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)[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(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)行說明。
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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,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/m s
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
F= r ω2/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。
正達(dá)泥漿離心機(jī)的單機(jī)處理量:(進(jìn)泥含固量為20%~30%)
表1
單位 | LWnj-F-3500 | LWnj-A-5000 | LWnj-B-6000 | LWnj-C-7500 | LWnj-D-10000 | |
干固體負(fù)荷 | Kgds/h | 700~1000 | 1000~2000 | 3000~4500 | 5500~7500 | 9000~13000 |
水力負(fù)荷 | m3/h | 2~6 | 4~10 | 10~20 | 20~40 | 30~70 |
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]:
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(jī)處理量,m3/s
3.2.4 計(jì)算舉例
正達(dá)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, 通過調(diào)整水力負(fù)荷, 來保證進(jìn)入離心機(jī)干固體負(fù)荷不超過離心機(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( 35 g/L) ,離心機(jī)的干固體負(fù)荷為405 kgDS/h, 二沉池污泥因沒有污泥濃縮池, 進(jìn)泥濃度低( 7.5g/L) , 干固體負(fù)荷只能達(dá)到 85~120 kg/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=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(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,正達(dá)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載沖擊及抗扭震性能特別好。
螺旋推料力矩可通過測(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)10 KN.m~20 KN.m。
此外,正達(dá)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)小;可無級(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;
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(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):
表2
處理能力m3/h | 進(jìn)泥含固% | 清液含固% | 泥餅含水率% |
20~30 | 21 | <2.5~3 | 22~28 |
4 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)徑比小;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。
- 各種比較固液分離工藝選擇