旋流器在泥水處理系統中的選型應用

張廣鵬/ZHANG Guang-peng

(中鐵十六局集團 北京地鐵工程有限公司，北京 100000)

旋流分離技術作為一項高效的分離技術，是在離心力的作用下利用相間的密度差實現相間分離。旋流分離技術已廣泛應用于煤炭、化工、施工等行業，在泥水盾構施工領域的泥水分離系統內，旋流器同樣發揮著巨大的作用，旋流器是一種利用流體壓力產生旋轉運動的裝置（圖1)。料漿以一定的速度進入旋流器，由于所受離心力不同，料漿中的粗顆粒沿器壁螺旋向下運動，細小顆粒及大部分水則沿旋流器中心向上運動，在后續給料的推動下，粗顆粒向周邊聚集，細小顆粒則停留在中心區域，形成分層排列。隨著料漿從旋流器的柱體部分流向錐體部分，在壓力作用下，低密度料漿轉而向上運動，自溢流管排出，大顆粒則繼續向下運動，由底流口排出。

圖1 旋流器工作原理簡圖

京津城際延伸線解放路隧道采用泥水盾構施工，泥水處理中需要將排出泥漿進行固液分離、凈化后重新供給施工循環，旋流器即擔負了細微粒徑顆粒分離的重任，然而本工程由于其地質條件、施工需求、配套設備、工藝要求等自身特點，對旋流器的選型、組合、管理等方面有特殊的應用要求。

1 工程概況

京津城際延伸線天津至于家堡3標工程西起塘沽火車站，東至于家堡客運樞紐站，線路全長3 350m，其中盾構隧道2 248.5m。隧道沿線主要地貌為濱海沖積平原，地形平坦開闊，位于塘沽市區，地表多為既有建筑物，盾構段隧道最小覆土約7.5m，最大覆土約為15.6m。隧道內最大縱坡20‰，最小為1‰。

隧道穿越的土層巖性主要為粘土、粉質粘土、淤泥質粘土、淤泥質粉質粘土、粉土、粉砂、細砂7種。淤泥質土主要為③71、③81、④71層淤泥質土，④71層呈層狀分布，壓縮系數為α0.1～0.2=0.48～0.89MPa-1，C=10～21kPa,φ=2.4°～4.8°，且具靈敏度高、低強度等特點，極易發生蠕動和擾動，工程性質差。

通過激光粒度分布儀對于家堡土體取樣分析，土樣中位粒徑為10.84μm,遠遠小于同類工程天津地下直徑線的21.37μm，給細顆粒泥水分離工作帶來很大難度。見圖2。

2 泥水處理系統需求

圖2 延伸線土樣粒度分布圖

根據本盾構工程的施工能力需求，泥水處理系統的設計處理能力為2 000m3/h，采用4套S-500/10泥水處理系統組合而成。其中S-500/10由YSC-600預篩分器、ZX-500/30泥漿凈化裝置、ZX-500/10泥漿凈化裝置組成。系統工作原理如下。

盾構排出的料漿經預篩分器篩選后，將粒徑在3mm以上的渣料分離；篩余的泥漿進入ZX-500/30泥漿凈化裝置，經旋流器分選，D50=30μm以上的泥砂由底流經脫水篩分離；溢流進入ZX-500/10泥漿凈化裝置，經過旋流器分選，D50=10μm以上的泥砂由底流經脫水篩分離；處理后的泥漿進入中儲箱，沿出漿管自流入調漿池。經一次旋流分離不足以將泥漿指標降至合理范圍內時，可將泥漿再次送入旋流分離系統進行二次處理，如圖3所示。

圖3 系統流程示意圖

理論設計處理能力如上，但實際上，旋流器的計算雖已提出了很多經驗公式，但都有較大的誤差，如何保證本工程采用的旋流器在處理量、分離效率、可靠性上滿足施工需求呢？

3 旋流器及旋流器組的參數確定

從土體粒徑分析看,地層的細微顆粒含量很高，結合同區域同類工程的實際顆粒分布情況，經分析得出的顆粒分級數據如圖4，可以看到，需要把分離點定得盡可能低，以盡可能多地分離出泥漿中的固體顆粒，從而保證進入三級處理的泥漿量少一些，由此，我們把一級分離點D50定在30μm附近，二級分離點D50定在10μm附近，并據此進行旋流器選型及旋流器組的選型。

圖4 顆粒分級統計

3.1 旋流器型號選定

對于旋流器分離臨界粒徑的計算，現已提出了很多的經驗公式，相比而言最精確的為波瓦羅夫公式。

據此推算旋流器直徑

式中δ——顆粒尺寸，m；

D——旋流器的直徑，m；

dc——溢流口直徑，m；

dn——排砂口直徑，m；

φ——固相含量，%；

p——進漿壓力，Pa;

ρT——固相密度，kg/m3;

ρ——液相密度，kg/m3。

將分離粒徑30μm及10μm代入上式，可求得D值，留取一定富裕值，并結合旋流器成品規格，選定直徑為250mm及100mm。

3.2 旋流器組數量選定

計算旋流器處理量的經驗公式較多，我們依然采取波瓦羅夫公式

式中k—— 為比例系數，取決于旋流器形狀比值d/dc，

d——進漿口直徑，m；

dc——溢流口直徑，m；

H——進漿口壓力，Pa。

將已知數據代入上式可得，一級旋流器處理能力約60m3/h，二級旋流器處理能力約20m3/h，根據設備總需求，及設備數量，確定每組旋流器數量，一級旋流器組8個，二級旋流器24個。

綜上，本工程采用的旋流器組選型理論配置見表1。

表1 旋流器組選型表

4 影響旋流器性能的主要因素分析

影響水力旋流器工作性能的有許多因素，主要包括旋流器結構(包括圓柱段直徑及高度、進口直徑、溢流直徑、錐角、沉砂孔徑等)、工藝條件（包括進料壓力、溢流壓力等）、料漿性能（密度、黏度、濃度、顆粒組成等），現對主要因素分析如下。

4.1 旋流器直徑

簡單的說，旋流器的處理能力與其直徑的平方成正比，如圖5所示。然而在其他參數不變的情況下，單純增加旋流器直徑，并不能顯著增加處理能力，只有當其他結構參數隨直徑按比例增加時，旋流器的處理能力才與其直徑的平方成正比。

圖5 旋流器直徑與生產能力、分離粒徑關系

在直徑增大的旋流器中，為了得到相同的分離粒度，可以減小溢流直徑，增加排砂孔直徑，來補償D值增大。同樣，增加進漿壓力也能達到該目的。大直徑旋流器比小直徑組合旋流器使用簡單可靠，堵塞的機會少。因此，在可以獲得同樣工藝指標的情況下，應優先采用大直徑的旋流器。

4.2 溢流直徑

溢流管徑的變化將影響旋流器的各個工作指標，如：當進口壓力不變時，在一定范圍內，增加d（溢流管徑）可以使處理能力成正比增加；在生產能力不變的情況下，d增大，進口壓力將成平方降低。

根據經驗，要獲得良好分級，一般應滿足d=（0.2～0.4）D。

4.3 錐角

增加錐角會降低設備的高度，但使溢流粒度增大，得到底流濃度較大。較小的錐角，可得到較細的溢流粒度，但磨損加大，根據使用經驗，泥水分離系統中的旋流器，用于分級時，長徑比L/D選為2.5比較合理，此時錐角為20°。

4.4 排砂孔直徑

排砂孔的變化，主要影響分離質量，對處理能力影響較小。減小排砂孔將會增加溢流中固相顆粒的粒度，有可能造成排砂孔堵塞；當排砂孔直徑很大時，旋流器的工藝過程將無法實現。

一般情況下取d0/d=0.15～0.8(d0為排砂孔直徑 )。

4.5 進口壓力

簡單的說，進口壓力越高，旋流器處理能力越大，溢流就越細，底流的濃度就越大。實際上，進口壓力不能盲目增大，否則不能真正有效分離泥漿，只會增加磨損，較小的壓力又無法實現分離效果，因此大多數旋流器最佳工作壓力為190～250kPa，如圖6所示。

4.6 泥漿濃度的影響

泥漿粘度越大，分離粒度越大，導致底流固相減少，溢流中增加，分離效果變壞；泥漿密度增大，底流中的顆粒亦增加，因此，底流和溢流中的固相含量均增大，分離效果也不好；固相密度增加會使溢流粒度減小，增加底流中固相含量。

圖6 旋流器給料壓力與分離粒徑關系

4.7 泥漿中粒度組成的影響

在處理含有大量粗粒固相的泥漿時，應采取分級處理，防止粗大的固相顆粒形成堵塞，造成排砂孔超負荷，使部分粗顆粒回到溢流中去。

5 旋流器的磨損考慮

根據旋流器錐體內壁產生的摩擦力計算公式

式中F——摩擦力，N;

μ——摩擦系數;

δ——固相密度，kg/m3；

d——固體顆粒直徑，m；

Δ——泥漿密度，kg/m3；

V——切向速度，m/s。

可以看出，固相顆粒越粗，數量越多，切向速度越大，對旋流器錐筒內壁產生的摩擦力和壓力越大，旋流器錐筒磨損越大。

為了減輕錐筒的磨損，一方面要求預篩采用細孔振動篩，以減少固相顆粒數量和顆粒的當量直徑，另一方面則要提高錐筒的耐磨性能。

根據南水北調穿黃盾構工程泥水分離設備的使用經驗，排砂孔以上80～150mm左右磨損的最嚴重。該部位的錐筒設計要提高耐磨性能，最為理想的是在內壁鍍一層較好的耐磨材料，不能一味靠增加壁厚的辦法來延長錐筒使用壽命。

6 本工程旋流器的選用

考慮上述種種因素，本工程在旋流器的選型組配時采取如下措施降低其功耗和投入，提高其生產能力和分離效率。

1）系統上采取三級處理，第一級采取預篩，減輕泥漿中粗顆粒對第二級旋流設備的磨損和阻塞。第二級旋流和第三級的旋流后依然采用底流振動篩，篩分相應級別的粗顆粒，減少對下一級設備的磨損，并增強了篩分能力。

2）為避免透篩底流重新進入泥漿的循環，設置了透篩底流收集槽，收集到一起后泵送到壓濾系統進行壓濾，既保證了泥漿的分離精度，也避免了旋流器的功能浪費。

3）為彌補旋流處理的不足和技術偏差，我部同時增加4臺離心機和壓濾機，保障最終泥水分離的可靠性。

4）旋流器設計上采用斜坡式漸開線給料，如圖7，降低了入口處的紊流, 并在高處理量下獲得細粒分級，同時減少了旋流器的磨損。

圖7 漸開線給料設計

5）優化錐筒角度，采用國際頂級水平的變錐旋流器，如圖8所示，處理能力大、分級粒度小，旋流器的魚尾裝置及真空調節裝置可提供穩定的底流濃度，保證泥漿中的固體顆粒進入溢流中的機會大大減少。

圖8 選用的旋流器外形設計

6）采用聚氨酯材料的椎筒設計，降低了設備重量，提高了設備的耐磨性，延長了使用壽命，降低了設備故障維修率。

7 結 論

1）旋流器的影響因素較多，理論經驗并不明確，影響因素有旋流器直徑、進漿直徑、溢流直徑、錐角、進料壓力、固液密度等。

2）在泥水處理系統中組配旋流器時要充分考慮旋流器的技術參數偏差，采取技術措施進行彌補。

3）旋流器的設計要充分考慮各方面的影響因素，針對不同的工況和需求采用最合理的結構。

4）我工程選用的旋流器綜合考慮了各方面的影響因素，并據此對旋流器的選型進行了優化和改造，理論上最終可實現一次旋流分離D50=27μm，二次旋流分離D50=11.8μm，分離精度及處理量均比單錐旋流器大20%以上，達到相同分離精度和處理量時的能耗降低30%，同時降低了磨損帶來的工期和設備投入上的成本。

綜上，經技術分析和選型，旋流器在我工程的選型應用上實現了高效率、低能耗、長壽命、高可靠性的目標，能夠滿足施工需求。