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        泥漿脫水機(jī)在尾礦泥漿脫水工程中的分析和應(yīng)用

        作者:  來源:  添加時間:2011-7-1 11:14:12
        摘要:
        介紹建筑泥漿的特性,分析了泥漿處理對離心機(jī)的要求,闡述了泥漿離心機(jī)的結(jié)構(gòu)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(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(dāng)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(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用高效率低,遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǔ)上,進(jìn)行真空吸濾、壓濾和離心分離的新工藝。
        有關(guān)人員對上述三種方法進(jìn)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(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。
        (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)密閉自動連續(xù)運(yùn)行,不需要絮凝設(shè)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(hù)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(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,并以應(yīng)用實例進(jìn)行說明。
        .
        2 泥漿處理對離心機(jī)的要求
        2.1 單機(jī)處理量大
        泥漿的產(chǎn)生有3個特點:
        ①產(chǎn)泥量大:施工機(jī)械一旦開機(jī),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(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“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)計泥漿離心機(jī)時應(yīng)取較小的長徑比,而運(yùn)行時應(yīng)保持較大的差轉(zhuǎn)速;
        2.2 適應(yīng)于惡劣現(xiàn)場
        泥漿離心機(jī)往往安裝在建筑工地現(xiàn)場,惡劣的環(huán)境要求離心機(jī)5個不怕:
        ①不怕風(fēng)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(jìn)料流量的波動,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(shè)備頻繁起/停,各種電器設(shè)備運(yùn)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(jī)電氣操作件要少,操作要簡單,控制程序設(shè)計要容錯;
        3 泥漿離心機(jī)的設(shè)計要點
        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:
        (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(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),但從長遠(yuǎn)角度看,設(shè)備壽命延長,維修費用降低,停機(jī)時間減少…,這些實惠帶來的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)高于首次投資的差額。

        圖1 出渣口的保護(hù)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(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(jī)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:
                         (2)
         
        Δρ=ρ21            (3)  
                  
        式中     d----粒子的當(dāng)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(jī)的分離因數(shù)
                L----沉降區(qū)長度 m
                L1----圓柱長短 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 計算離心機(jī)處理量用圖
        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。
        恒力泥漿離心機(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 計算舉例
        恒力環(huán)保機(jī)械LWnj-B-6000離心機(jī)運(yùn)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(fù)荷為3000~4500kgDS/h  ,水力負(fù)荷為10~20m3/h.
        在實際運(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, 上清液的懸浮物會急劇增多, 并增加離心機(jī)電機(jī)的負(fù)荷; 同時也應(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( 7.5 g/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(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(jī)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(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量小軸力矩間接測量。離心機(jī)穩(wěn)定運(yùn)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(fù)號表示小軸為主動件,運(yùn)行時轉(zhuǎn)臂向電動機(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,恒力環(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,振動小;可無級調(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,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(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(qiáng)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(jī)功率提高一檔;
        (2)和現(xiàn)場設(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;
        (4)采用觸摸屏人機(jī)界面;
        4 應(yīng)用實例
        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月起開始使用麗水市恒力離心機(jī)械設(shè)備有限公司生產(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(jī)作為固/液分離設(shè)備只能分離固體和液體, 所以在測試分析離心機(jī)進(jìn)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(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,否則測試的 數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的。
        下表是實際測得的一組數(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
         
        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(shù)據(jù)代入式9,可以得到固體回收率達(dá)到99.4%
        圖5 南漳龍蟒現(xiàn)場照片和用戶報告
        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,可以節(jié)省電費;
        ③  表面上看離心機(jī)單臺價格較貴,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,加起來總投資大大超過離心脫水機(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(jī),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(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(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)特點是:長徑比?。徊钏倨髋ぞ卮笏俦刃?;
        (3)泥漿離心機(jī)的運(yùn)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(yùn)行、無須添加絮凝劑、現(xiàn)場適應(yīng)性強(qiáng)等特點,在今后很長一段時期內(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)有很長一段路要走。
        污泥離心脫水處理成套裝置(臥螺離心機(jī)),全稱:臥式螺旋卸料沉降離心機(jī),是城市生活污水處理、自來水生產(chǎn)過程中的污泥處理、工農(nóng)業(yè)污水處理工程中的重要設(shè)備。
        “臥式螺旋卸料沉降離心機(jī)(簡稱臥螺離心機(jī))是利用離心沉降原理分離懸浮液的設(shè)備。對固相顆粒當(dāng)量直徑=3um、重量濃度比:10%或體積濃度比=70%、液固比重差:0.05g/cm3的各種懸浮液均適合采用該類離心機(jī)進(jìn)行液固分離或顆粒分級。
        獨一無二的焚燒裝置結(jié)構(gòu)和干燥裝置設(shè)計,可使含水率40%的污泥完全燃燒,燃燒溫度高達(dá)850~1100℃。