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卧螺离心机在泥浆处理工程中的应用
杰能环保--申先生 136 6588 7027（欢迎来电咨询）
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,最后以建筑打桩泥浆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。这些泥浆来源于旋挖桩、钻孔灌注桩、桥梁高架桩基、隧道盾构等等。
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。
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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，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。浙江杰能环保科技设备有限公司--申先生 136 6588 7027（欢迎来电咨询）
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，就地处理或者集中处理是最佳方案；
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，控制程序设计要容易；
卧螺离心机的介绍及优缺点比较:
卧式螺旋沉降离心机简称为卧螺离心机，它是一种卧式螺旋卸料、连续操作的高效离心分离、脱水设备。
种类：卧螺离心机一般可分为卧式螺旋过滤离心机和卧式螺旋沉降离心机。　
适用范围：卧螺离心机适用于对工业和民用污水处理过程中产生的污泥进行脱水，同时也广泛用于化工、轻工、制药、食品、环保等行业。
工作原理：转鼓与螺旋以一定差速同向高速旋转，物料由进料管连续引入输料螺旋内筒，加速后进入转鼓，在离心力场作用下，较重的固相物沉积在转鼓壁上形成沉渣层。输料螺旋将沉积的固相物连续不断地推至转鼓锥端，经排渣口排出机外。较轻的液相物则形成内层液环，由转鼓大端溢流口连续溢出转鼓，经排液口排出机外。本机能在全速运转下，连续进料、分离、洗涤和卸料。

性能优势：1、 适应性好：在工艺上充分考虑了物料、工艺对离心机提出的各种特殊要求，对主要部件实施了专用性、可调性方面的优化设计。只要用户在购机前对其安装使用的场所、物料处理的理化特性、工艺要求等进行说明，我们将会给用户提供最适用的机型。
2、 自动化程度高：离心机在工作时的进料、分离、卸料、等工序是在高速运转下连续自动进行的。采用可编程序控制器实现离心分离和离心冲洗过程的自动控制。
3、 运行稳定性好：离心机使用的差速器为摆线轮差速器或行星轮差速器，具有扭矩大、调节范围广等特点。
4、 工艺性强：离心机采用双电机双变频能量反馈差转速系统控制，对差转速进行柔性无级调节，并根据物料的变化随时调节差转速。真正的节能产品。
5、 操作环境好：离心机对物料的分离是在完全密闭条件下进行的，保证操作现场整洁无污染，并保持生产环境的整洁卫生，实现文明生产。
6、 安全保护装置齐全可靠：离心机设有扭矩保护，功率控制等多重保护，能有效地排除或减少突发故障对机器造成的损害。
7、造型美观：本机的机座采用优质碳钢焊接而成，表面均经特殊工艺处理，光滑平整。轻巧、大方、美观，给人以整体美感。
性能特点：主要部件采用优质碳钢或不锈刚制造。推料器采用特殊耐磨措施，可镶装硬质合金耐磨瓦或堆焊硬质合金保护层。采用摆线针轮差速器、噪声小、承载能力强。
卧螺离心机与板框压滤机、带式压滤机的一些比较：
①卧螺离心机利用离心沉降原理，进行固液分离，由于没有滤网及滤布，不会引起堵塞，而带机及板框机利用滤网及滤布进行固液分离，为了保证滤网及滤布的过滤性能，防止滤材的堵塞，需要用高压水不断的进行冲洗，形成了重复的二次污染。
②离心机适用于各类污泥的脱水和浓缩，带机和板框机也适用于各类污泥，但是对剩余活性污泥则需要投入药剂的量增大，由于污泥粒子细，容易堵塞滤材，造成脱水困难，尤其是目前污水厂应用的 MBR工艺的污泥。
③离心机在脱水过程中当进料浓度变化时，转鼓和螺旋的转差和扭矩会自动跟踪调整，形成全自动操作，可以不设专职的操作人员，而带机和板框机在脱水规程中当物料浓度发生变化时，对带机带速、带的张紧度、加药量、冲洗水压力均需调整，操作要求较高；对板框机来说，压滤的时间及压力同物料浓度息息相关，随浓度变化得不断调整各项参数，才能达到预期分离效果。
④在离心机内，细小的污泥也能与水分离，所以絮凝剂的投加量较少，一般混合污泥脱水时的加药量为≤5kg/t（干泥），污泥回收率在95%以上，脱水后滤饼的含水率为 65%~75%左右，而带机及板框机由于滤带和滤布不能织的太密，为防止细小的污泥漏出，则需要投加较多的絮凝剂以使污泥形成较大的絮团，一般混合污泥脱水时的加药量≥ 5kg/t（干泥），污泥回收率在 90%左右，脱水后滤饼的含水率为 80%左右。
⑤离心机每立方米污泥脱水耗电为 1.1kW.h（千瓦.小时），运行时噪音为75~85dB（同机型有关系），离心机全天 24小时连续运行，除停机外，运行过程中不需要冲洗水；而带机及板框机每立方米污泥脱水耗电为 1.4kW.h（千瓦.小时），运行时噪音为 70~75dB（同机型有关系），滤布及滤带需要松弛保养，一般每天安排二班操作，并且在运行过程中需要不断的用高压水冲洗滤布。
⑥离心机占用的空间小，安装调试简单，可以实现自动化操作，配套设备仅有加药和进出料输送机，离心机可以全密闭操作，车间及现场环境好；而带机和板框机占地面积大，配套设备除加药和进出料输送机外，还需要冲洗泵、空压机、污泥调节器等附属设备，并且整机密闭性差，清洗水雾和臭味污染环境，如管理不好还会造成泥浆溢出。
⑦离心机易损件为轴承和密封件，卸料螺旋的维修周期一般为 2~3年以上。而带机和板框机的易损件除轴承和密封件外，滤带及滤布、滤板也需要更换，价格比较昂贵。
随着离心机技术的飞速发展，目前国外离心机广泛应用污水处理行业，浙江杰能环保科技设备有限公司--申先生 136 6588 7027（欢迎来电咨询）
主要考虑就是该系统自动化程度高，容易实现排料控制，还可以以比较低的差动转速，这样对螺旋的磨损就能降低在最低点，提高离心机的整体运行寿命。
而板框压滤机的优缺点相对于离心机来讲主要有一下方面：
1、自动化程度低，需要较高的人力劳动。
2、板框压滤机对进料泵的压力要求高，进料泵容易损坏，成本不菲；
3、板框压滤机原理简单，维护操作容易；
4、板框压滤机工作周期长，一般压一框都需要几个小时以上，所以效率上面比较低下；
5、板框压滤机投资成本低，能耗低，结构简单，加工工艺不复杂，制造成本就自然低，所以板框压滤机的售价比较容易接受；
6、不能处理大颗粒、具粘性的污泥，容易堵住滤布或者损坏滤布，所以板框压滤机清洗也需要下很大的功夫；
从以上分析我们可以得出如下结论：离心机的特点是出泥快、排泥量大、可以密闭运行操作运行环境好、不需要频繁的加入冲洗水、可以自动控制操作方便、检维修周期长费用低。
带机和板框机的优点是相对离心机电耗低一些、设备本体噪音小、但是设备由于是开放式，并且需要不断的利用冲洗水冲洗滤带及滤板，设备现场环境恶劣，自动化程度不高。所以，在城市生活污水处理中选用离心机是可行的。
3、泥浆离心机的工作原理：
卧式离心机，主机有：柱-锥转鼓、
螺旋输送器、
差速系统、
轴承座、
机座、
罩壳、
主电机、
辅机及电控系统构成

离心机工作时主电机通过： 三角皮带带动转鼓，辅电机经差速器带动螺旋。
转鼓、螺旋推料器同时同向高速旋转，转鼓与螺旋推料器在差速器的作用下形成2-30转/分的差转速;（差转速可由变频器控制自动无极调速）
当混合液经进料管从中心轴进入高速旋转的转鼓内，
在高速旋转产生强大离心力的作用下，
利用固液两相的密度差，
使固相颗粒迅速与水产生分离，沉积在转鼓内壁上
，与转鼓作相对运动的螺旋叶片不断地将
沉积在转鼓内壁上的固体颗粒刮下并推出排渣口。
分离后的清液经液层调节板开口溢出转鼓。
4 泥浆离心机的设计要点
4．1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100%）；
（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。
4．2 大差速
4．2．1 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：
(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：

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。
杰能环保泥浆离心机的单机处理量：（进泥含固量为2%～30%）
表1

单位
LWJ-350
LWJ-450
LWJ-550
LWJ650
LWJ-800
干固体负荷
Kgds/h
700～1000
1000～2000
3000～4500
5500～7500
9000～13000
水力负荷
m3/h
2～6
8～17
10～30
20～60
30～70
计算举例
浙江杰能环保科技设备有限公司的LWJ650-2300离心机运行时，固相排出口每小时可以排出含固量为60-75%的泥饼8-12吨，可以计算得到干固体负荷为5500～7500kgDS/h ，水力负荷为30～50m3/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最大承受能力，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最大承受能力的 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。
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：

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，可获得最大差速(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，杰能环保科技LWJ650-2300离心机的最大差速可高达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LWJ650-2300离心机差速器额定扭矩高达10 KN.m～20 KN.m。
此外，杰能环保科技生产的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，使固液分离达到最佳组合，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。可快速排渣清除转鼓内的沉渣，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；
5 应用实例
泥浆离心机在绍兴上虞市泥浆处理中的应用
处理后的效果显示：

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 必须完全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
处理能力m3/h
进泥含固%
清液含固%
泥饼含水率%
40～60
21
<2.5～3
22～40%
固体回收率按下式计算：

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%

4．2 经济效益
LWJ650-2300型卧螺离心机处理建筑桩基，产生了良好的经济效益：
以前使用传统的泥浆外运填埋，自然干化等手段，成本高，污染环境，使用泥浆离心机进行处理建筑打桩泥浆，成本低，实用，泥浆脱水后废渣综合利用，做为新型建材的原材料，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。
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、添加絮凝剂量少、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。浙江杰能环保科技设备有限公司--申先生 136 6588 7027（欢迎来电咨询）。
目前，国内泥浆离心机尚处于初级阶段：最大处理量60-80m3/h；最大直径Φ800，过高直径可靠性低，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。