卧螺离心机在泥浆处理工程中的应用
纪伟勇（丽水市三联环保机械设备有限公司）
摘要：
介绍建筑泥浆的特性,分析了泥浆处理对离心机的要求,阐述了泥浆离心机的结构特点和选型参数,{zh1}以尾矿废水处理为例说明泥浆离心机的具体应用。
关键字：泥浆 卧螺离心机
1 前言
泥浆水是一种水中含有一定量的微细泥颗粒的悬浮液体.泥浆的特性取决于它的成分，和当地的地质条件有关，一般有如下特性：外观：土黄色，均匀有粘性，长时间静止不分层，比重：1.20～1.46；(其中黄沙比重1.6);含泥量20%～30%，PH值：6～7。这些泥浆来源于建筑打桩、砂场、隧道山洞、矿山尾矿等。
建筑泥浆处理不当会污染环境、造成大量水土流失、淤塞河道、影响水质、破坏市政设施。
早期处理泥浆的方法有填埋、自然干燥等，这些较原始的方法费用高效率低，远远不能满足日益增长的泥浆处理需要，成了困扰工程正常施工的难题。因此，近年推出在泥浆脱水干化处理的基础上，进行真空吸滤、压滤和离心分离的新工艺。
有关人员对上述三种方法进行了对比试验[1]，发现：
（1）真空吸滤法效果较差，原因是泥浆沉降在下层，抽真空时，泥层变得较密实，水难于吸出。
（2）压滤法效果尚可，但考虑如果用于现场需要配置压滤机，但这种泥浆水含泥量很高，不适于用压滤机，所以也很难用于施工现场。
（3）离心脱水干化法的处理效果比上述两种方法好得多，离心机密闭自动连续运行，不需要絮凝设备，适合于现场施工环境，可以从根本上取代目前原始落后的处理方式，提高处理效率，降低处理费用，保护城市环境，做到现场文明施工。
本文从泥浆处理对离心机的要求入手，详细分析了泥浆离心机的结构特点，并以应用实例进行说明。
.
2 泥浆处理对离心机的要求
2．1 单机处理量大
泥浆的产生有3个特点：
①产泥量大：施工机械一旦开机，在短时间内即可产生大量的泥浆；
②存储困难：现场没有大容积的泥浆池，直接排放会污染环境，汽车运输成本很高，就地处理是{zj0}方案；
这就要求离心机的单机处理量大，有足够的“肚量”将泥浆吃进肚子及时“消化”掉。
③容易分离：泥浆的固相和液相比重差较大，容易分离，因此设计泥浆离心机时应取较小的长径比,而运行时应保持较大的差转速；
2．2 适应于恶劣现场
泥浆离心机往往安装在建筑工地现场，恶劣的环境要求离心机5个不怕：
①不怕风吹日晒：现场环境温度变化大，空气中存在大量的灰尘；
②不怕过载冲击：泥浆成分的变化，进料流量的波动，要求离心机要有足够的功率余量，有完善的保护措施；
③不怕泥砂磨损：转鼓内的固相颗粒（泥砂）象砂轮机一样在磨损着各个接触部位，要求这些部位具有足够高的抵抗磨损的能力；
④不怕电气干扰：现场大功率设备频繁起/停，各种电器设备运行时产生的电弧，致使电源电压大幅度波动，谐波干扰可能使仪器仪表失灵；
⑤不怕错误操作：建筑工人文化水平不高，离心机电气操作件要少，操作要简单，控制程序设计要容错；
3 泥浆离心机的设计要点
3．1高耐磨
根据不同情况，关键部位采用硬质合金和转鼓防磨技术设计：
（1）碳化钨镍基合金粉喷焊(含碳化钨35%)；
（2）碳化钨焊条堆焊（含碳化钨60%）；
（3）硬质合金镶块、合金瓦、镶套（含碳化钨{bfb}）；
（4）陶瓷镶块：其抗磨性能和硬质合金镶块基本相同；
实际应用证明推力面硬质合金镶块可使螺旋输送器的寿命提高五倍以上（普通碳钢的硬度为HB<241，碳化钨合金的硬度为HRa≥90）。
由于碳化钨合金价格昂贵，表面看来，离心机的初次投资高于普通材质离心机，但从长远角度看，设备寿命延长，维修费用降低，停机时间减少…，这些实惠带来的经济效益远高于首次投资的差额。
图1 出渣口的保护措施对比
可更换的硬质合金镶套呈圆锥形，安装时从锥形转鼓的里面往外套。
图2 陶瓷镶块和硬质合金镶块的螺旋输送器
图3 硬质合金镶块使螺旋寿命提高五倍以上
3．2 大差速
3．2．1 卧螺离心机的处理量模型
在“柱塞”流假设的条件下，卧式螺旋卸料沉降离心机的处理量计算式为[2，3]
Q=εV0Σ (1)
式中 Q----处理量，m3/h
V0----重力场中固相粒子的自由沉降速度，m/s
Σ----离心机生产能力指数，㎡
ε----修正系数，ε=0.25
重力场中固相粒子的自由沉降速度（Stokes定律）计算式：
V0= (2)
Δρ=ρ2-ρ1 (3)
式中 d----粒子的当量直径，m
μ----液体的动力粘度，kg/m s
Δρ----固液两相的比重差，kg/m3
g---- 重力加速度，m/s2
对于如图4所示柱锥形转鼓，其生产能力指数式为：
Σ=Fπd L [(-λ+λ2)+(-λ+λ2)] (4)
式中 F----离心机的分离因数
L----沉降区长度 m
L1----圆柱长短 m
D----离心机转鼓的公称直径 m
λ----液层深度系数,即厚度与转鼓半径之比 λ=(r2-r1)/r2
图4 计算离心机处理量用图
F= r ω2/g (5)
式中 F----离心机的分离因数
r----转鼓内半径， m
ω----转鼓回转角速度，弧度/S
3．2．2 离心机的处理能力
在工程应用中，离心机处理能力是指离心机的干固体负荷和水力负荷。
干固体负荷是指每小时处理的不挥发固体重量，以 ＫｇＤＳ（干污泥）／ｈ 表示； 水力负荷指进入离心机的污泥流量， 以 ｍ３／ｈ 表示， 它与离心机进泥浓度（ ＭＬＳＳ， ｇ／Ｌ）的乘积即为干固体负荷。
三联泥浆离心机的单机处理量：（进泥含固量为20%～30%）
3．2．3 卧螺离心机的固相xx率模型
卧螺离心机分离总效率是指沉渣中的固相质量与进料悬浮液中的固相质量之比，又称固相回收率。
离心机的固相xx率与离心机的生产能力指数、进料液中的固相粒度分布有关，对于建筑泥浆，其固相粒度分布与瑞利分布函数十分接近，在瑞利分布假设条件下，离心机的固相xx率为[2]：
Er= 
式中：
Er----固相xx率
a----瑞利分布特性系数
ρ1----固相密度，g/m3
ρ2----悬浮液密度，g/m3
Q---- 离心机处理量，m3/s
3．2．4 计算举例
三联环保机械LWnj-B-6000离心机运行时，固相排出口每小时可以排出含固量为38%的泥饼8-12吨，可以计算得到干固体负荷为3000～4500kgDS/h ，水力负荷为10～20m3/h.
在实际运行中， 通过调整水力负荷， 来保证进入离心机干固体负荷不超过离心机的{zd0}承受能力，否则， 多余的干固体将从上清液中排出， 上清液的悬浮物会急剧增多， 并增加离心机电机的负荷； 同时也应注意， 应保证进入离心机的干固体负荷不小于离心机{zd0}承受能力的 ６０％， 否则， 离心机不能充分发挥其性能。
泥浆离心机和污水处理离心机在性能上有较大的差别。
假设：污水处理离心机初沉池污泥的浓度为（ ３５ ｇ／Ｌ） ，离心机的干固体负荷为４０５ ｋｇＤＳ／ｈ， 二沉池污泥因没有污泥浓缩池， 进泥浓度低（ ７．５ ｇ／Ｌ） ， 干固体负荷只能达到 ８５～１２０ ｋｇ／ｈ， 离心机几乎等于空转， 因此，单位时间内的处理能力大大降低。
3．2．5差速器
泥浆离心机的差速器有2个特点：小速比和大扭矩。
① 小速比
差转速的大小主要取决于所需排渣量的大小、差转速太高时沉渣在干燥区的停留时间减少会使沉渣的含湿率增高，但差转速过低会增大螺旋的推料力矩，明显降低螺旋的输渣效率并使螺旋受到的扭矩增大而损坏差速器。
泥浆离心机为了将大量的沉泥排出鼓外，差转速必须远大于普通污水处理离心机（前者差速约4～10r/min,后者差速>30r/min）.
差转速按下式计算：
Δn= 
式中：Δn—差转速
n1—转鼓转速
nh—小轴转速
i—速比
由式（7）可知，小轴固定时，可获得{zd0}差速(例如：若n1=2200、i=87,则Δnmax=25 r/min).
小轴反转可以提高差速（例如：n1=2200，nh=-1280，i=87则Δn=40），但由于差速器内部各个行星齿轮之间相对转速增大，可能影响差速器寿命。
由上分析可知，泥浆离心机的差速器速比要选得小，以获取较大差速。例如，三联环保机械LWnj-B-6000离心机的{zd0}差速可高达48r/min或更高。
② 大扭矩
差速器是在高速、重 载、不断承受冲击交变载荷的恶劣工作条件下运转，故要求差速器的抗过载冲击及抗扭震性能特别好。
螺旋推料力矩可通过测量小轴力矩间接测量。离心机稳定运行时，若不考虑磨擦损失，则有[2]：
Ms=-i*Mh (8)
式中 Ms—螺旋推料力矩
Mh—小轴力矩
i----差速器速比
上式物理意义是：螺旋推料力矩是小轴力矩的i倍，负号表示小轴为主动件，运行时转臂向电动机回输部分能量。
分析指出：螺旋推料力矩和鼓内沉泥的数量、黏性、物料成分、推料面光洁度等诸多因素相关，根据泥浆的特性，必须采用大扭矩差速器。例如LWnj-B-6000离心机差速器额定扭矩高达10 KN.m～20 KN.m。
此外，三联环保机械泥浆离心机正在考虑配置低速液压马达差速器。
差速器为20KN·m的大扭矩液压马达，其传动效率高，传动平稳，体积小，是同样功率的行星差速器体积的1／2，并且噪音低，振动小；可无级调速，使固液分离达到{zj0}组合，如果因物料的变化，使螺旋受到的负载增加，压力升高，模拟控制器会释放出更多的流量，螺旋转速加快，防止螺旋堵塞，保证了正常的工作，当工作压力恢复正常时，螺旋仍能按正常的差转速恒定转动。液压差速器可以在转鼓不转动的情况下使螺旋转动。可快速排渣xx转鼓内的沉渣，使转鼓清洗更干净。
3．3 户外型
安装在现场的电器设备应选用户外型，例：主/副电机、污泥输送机电机、各种泵电机、各种阀以及声光报警系统等。
3．4 傻瓜式
电气控制功能力求简单实用，特别强调可靠性和操作简单，可采取下述措施：
（1）主变频器为重载型，功率比电机功率提高一档；
（2）和现场设备有关的模拟量输入/输出光电隔离；
（3）注意防雷电设计；
（4）采用触摸屏人机界面；
4 应用实例
4．1 泥浆离心机在尾矿废水处理中的应用
龙蟒集团是四川省“十一五”重点扶持的百亿元企业之一，其主导产品--饲料磷酸盐产能居亚洲{dy}，钛白粉单装置能力居全国之首。
南漳龙蟒有限责任公司每天产生大量的尾矿废水，自2009年3月起开始使用丽水三联环保机械有限公司生产的LWnj-B-6000型卧螺离心机，一举解决了多年来一直困扰他们的尾矿废水处理难题。
样品分析方法和固相回收率的计算：
离心机作为固/液分离设备只能分离固体和液体， 所以在测试分析离心机进料浓度和分离液的含固率时 必须xx去除料浆和分离液中的溶解物质。分析时均 应用定量滤纸过滤，并且在过滤过程中要用蒸溜水洗 净漏斗中样品里的可溶物质、再衡温称量，否则测试的 数据是不准确的。
下表是实际测得的一组数据：
表2
固体回收率按下式计算：
η= 
式中 η--固体回收率
Y—湿沉渣中绝干物质含量 %
T—进料悬浮物中绝干物质含量 %
Z—分离液中绝干物质含量 %
以表2测试数据代入式9，可以得到固体回收率达到99.4%
图5 南漳龙蟒现场照片和用户报告
LWnj-B-6000型卧螺离心机处理尾矿，产生了良好的经济效益：
①节省絮凝剂成本：
以前使用带式压滤机每天需要消耗大量的药剂，由于泥浆离心机处理尾矿不需要添加絮凝剂，因此降低了成本；
②泥浆离心机采用双电机双变频驱动，可以节省电费；
① 表面上看离心机单台价格较贵，但带式压滤机配套有絮凝罐、空压机、水泵水箱以及除臭抽风机，多占厂房面积，加起来总投资大大超过离心脱水机成本。
尾矿综合利用，变废为宝，既保护了资源，又充分利用了资源，同时又净化了环境，可谓一举多得。
4．3 电气控制
图6 电气控制
※手动/自动两种操作方式：
手动方式：每一台电动机，每一台泵和每一台阀门都可以单独启动/停车，适用于修理和调试阶段；
自动方式：按一个键，所有设备接受程序控制，适用于运行阶段；
※恒差速/恒力矩两种控制模式：
恒差速控制：差速一经设定，始终保持不变。用于稳定泥饼的干度，稳定每小时处理量；
恒力矩控制：将螺旋推料力矩稳定在合适的大小，适用于进泥流量和进泥性质变化很大的场合；
※彩色触摸屏操作界面：显示直观生动，一看就会，一触就灵，真正的傻瓜式操作；
5 结论
（1）泥浆离心机的关键是大处理量和高耐磨能力；
（2）泥浆离心机的结构特点是：长径比小；差速器扭矩大速比小；
（3）泥浆离心机的运行特点是：低转速，大差速；
离心脱水法处理泥浆水具有自动连续密闭运行、无须添加絮凝剂、现场适应性强等特点，在今后很长一段时期内，必定占据主导地位。
目前，国内泥浆离心机尚处于初级阶段：{zd0}处理量50～60m3/h；{zd0}直径Φ720，可靠性低，寿命短。离开真正满足建筑泥浆处理需求（单机处理量100～200m3/h）有很长一段路要走。
参考文献
[1] 万玉刚、余学海：桩基工程泥浆水处理技术，环境工程，1999.2
[2] 孙启才、金鼎五：离心机原理结构与设计计算，[M]，北京：机械工业出版社，1987
[3] 刘洪斌：钻井液离心机工作理论研究,[D],四川成都：西南石油大学博士学位论文，2006
作者： 纪伟勇
单位： 浙江省丽水市三联环保机械设备有限公司
地址： 浙江省丽水市丽光工业区4幢
电子邮件：
传真： 0578-2124285
