旋流器在泥水处理系统中的选型应用

张广鹏/ZHANG Guang-peng

(中铁十六局集团 北京地铁工程有限公司，北京 100000)

旋流分离技术作为一项高效的分离技术，是在离心力的作用下利用相间的密度差实现相间分离。旋流分离技术已广泛应用于煤炭、化工、施工等行业，在泥水盾构施工领域的泥水分离系统内，旋流器同样发挥着巨大的作用，旋流器是一种利用流体压力产生旋转运动的装置（图1)。料浆以一定的速度进入旋流器，由于所受离心力不同，料浆中的粗颗粒沿器壁螺旋向下运动，细小颗粒及大部分水则沿旋流器中心向上运动，在后续给料的推动下，粗颗粒向周边聚集，细小颗粒则停留在中心区域，形成分层排列。随着料浆从旋流器的柱体部分流向锥体部分，在压力作用下，低密度料浆转而向上运动，自溢流管排出，大颗粒则继续向下运动，由底流口排出。

图1 旋流器工作原理简图

京津城际延伸线解放路隧道采用泥水盾构施工，泥水处理中需要将排出泥浆进行固液分离、净化后重新供给施工循环，旋流器即担负了细微粒径颗粒分离的重任，然而本工程由于其地质条件、施工需求、配套设备、工艺要求等自身特点，对旋流器的选型、组合、管理等方面有特殊的应用要求。

1 工程概况

京津城际延伸线天津至于家堡3标工程西起塘沽火车站，东至于家堡客运枢纽站，线路全长3 350m，其中盾构隧道2 248.5m。隧道沿线主要地貌为滨海冲积平原，地形平坦开阔，位于塘沽市区，地表多为既有建筑物，盾构段隧道最小覆土约7.5m，最大覆土约为15.6m。隧道内最大纵坡20‰，最小为1‰。

隧道穿越的土层岩性主要为粘土、粉质粘土、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、粉土、粉砂、细砂7种。淤泥质土主要为③71、③81、④71层淤泥质土，④71层呈层状分布，压缩系数为α0.1～0.2=0.48～0.89MPa-1，C=10～21kPa,φ=2.4°～4.8°，且具灵敏度高、低强度等特点，极易发生蠕动和扰动，工程性质差。

通过激光粒度分布仪对于家堡土体取样分析，土样中位粒径为10.84μm,远远小于同类工程天津地下直径线的21.37μm，给细颗粒泥水分离工作带来很大难度。见图2。

2 泥水处理系统需求

图2 延伸线土样粒度分布图

根据本盾构工程的施工能力需求，泥水处理系统的设计处理能力为2 000m3/h，采用4套S-500/10泥水处理系统组合而成。其中S-500/10由YSC-600预筛分器、ZX-500/30泥浆净化装置、ZX-500/10泥浆净化装置组成。系统工作原理如下。

盾构排出的料浆经预筛分器筛选后，将粒径在3mm以上的渣料分离；筛余的泥浆进入ZX-500/30泥浆净化装置，经旋流器分选，D50=30μm以上的泥砂由底流经脱水筛分离；溢流进入ZX-500/10泥浆净化装置，经过旋流器分选，D50=10μm以上的泥砂由底流经脱水筛分离；处理后的泥浆进入中储箱，沿出浆管自流入调浆池。经一次旋流分离不足以将泥浆指标降至合理范围内时，可将泥浆再次送入旋流分离系统进行二次处理，如图3所示。

图3 系统流程示意图

理论设计处理能力如上，但实际上，旋流器的计算虽已提出了很多经验公式，但都有较大的误差，如何保证本工程采用的旋流器在处理量、分离效率、可靠性上满足施工需求呢？

3 旋流器及旋流器组的参数确定

从土体粒径分析看,地层的细微颗粒含量很高，结合同区域同类工程的实际颗粒分布情况，经分析得出的颗粒分级数据如图4，可以看到，需要把分离点定得尽可能低，以尽可能多地分离出泥浆中的固体颗粒，从而保证进入三级处理的泥浆量少一些，由此，我们把一级分离点D50定在30μm附近，二级分离点D50定在10μm附近，并据此进行旋流器选型及旋流器组的选型。

图4 颗粒分级统计

3.1 旋流器型号选定

对于旋流器分离临界粒径的计算，现已提出了很多的经验公式，相比而言最精确的为波瓦罗夫公式。

据此推算旋流器直径

式中δ——颗粒尺寸，m；

D——旋流器的直径，m；

dc——溢流口直径，m；

dn——排砂口直径，m；

φ——固相含量，%；

p——进浆压力，Pa;

ρT——固相密度，kg/m3;

ρ——液相密度，kg/m3。

将分离粒径30μm及10μm代入上式，可求得D值，留取一定富裕值，并结合旋流器成品规格，选定直径为250mm及100mm。

3.2 旋流器组数量选定

计算旋流器处理量的经验公式较多，我们依然采取波瓦罗夫公式

式中k—— 为比例系数，取决于旋流器形状比值d/dc，

d——进浆口直径，m；

dc——溢流口直径，m；

H——进浆口压力，Pa。

将已知数据代入上式可得，一级旋流器处理能力约60m3/h，二级旋流器处理能力约20m3/h，根据设备总需求，及设备数量，确定每组旋流器数量，一级旋流器组8个，二级旋流器24个。

综上，本工程采用的旋流器组选型理论配置见表1。

表1 旋流器组选型表

4 影响旋流器性能的主要因素分析

影响水力旋流器工作性能的有许多因素，主要包括旋流器结构(包括圆柱段直径及高度、进口直径、溢流直径、锥角、沉砂孔径等)、工艺条件（包括进料压力、溢流压力等）、料浆性能（密度、黏度、浓度、颗粒组成等），现对主要因素分析如下。

4.1 旋流器直径

简单的说，旋流器的处理能力与其直径的平方成正比，如图5所示。然而在其他参数不变的情况下，单纯增加旋流器直径，并不能显著增加处理能力，只有当其他结构参数随直径按比例增加时，旋流器的处理能力才与其直径的平方成正比。

图5 旋流器直径与生产能力、分离粒径关系

在直径增大的旋流器中，为了得到相同的分离粒度，可以减小溢流直径，增加排砂孔直径，来补偿D值增大。同样，增加进浆压力也能达到该目的。大直径旋流器比小直径组合旋流器使用简单可靠，堵塞的机会少。因此，在可以获得同样工艺指标的情况下，应优先采用大直径的旋流器。

4.2 溢流直径

溢流管径的变化将影响旋流器的各个工作指标，如：当进口压力不变时，在一定范围内，增加d（溢流管径）可以使处理能力成正比增加；在生产能力不变的情况下，d增大，进口压力将成平方降低。

根据经验，要获得良好分级，一般应满足d=（0.2～0.4）D。

4.3 锥角

增加锥角会降低设备的高度，但使溢流粒度增大，得到底流浓度较大。较小的锥角，可得到较细的溢流粒度，但磨损加大，根据使用经验，泥水分离系统中的旋流器，用于分级时，长径比L/D选为2.5比较合理，此时锥角为20°。

4.4 排砂孔直径

排砂孔的变化，主要影响分离质量，对处理能力影响较小。减小排砂孔将会增加溢流中固相颗粒的粒度，有可能造成排砂孔堵塞；当排砂孔直径很大时，旋流器的工艺过程将无法实现。

一般情况下取d0/d=0.15～0.8(d0为排砂孔直径 )。

4.5 进口压力

简单的说，进口压力越高，旋流器处理能力越大，溢流就越细，底流的浓度就越大。实际上，进口压力不能盲目增大，否则不能真正有效分离泥浆，只会增加磨损，较小的压力又无法实现分离效果，因此大多数旋流器最佳工作压力为190～250kPa，如图6所示。

4.6 泥浆浓度的影响

泥浆粘度越大，分离粒度越大，导致底流固相减少，溢流中增加，分离效果变坏；泥浆密度增大，底流中的颗粒亦增加，因此，底流和溢流中的固相含量均增大，分离效果也不好；固相密度增加会使溢流粒度减小，增加底流中固相含量。

图6 旋流器给料压力与分离粒径关系

4.7 泥浆中粒度组成的影响

在处理含有大量粗粒固相的泥浆时，应采取分级处理，防止粗大的固相颗粒形成堵塞，造成排砂孔超负荷，使部分粗颗粒回到溢流中去。

5 旋流器的磨损考虑

根据旋流器锥体内壁产生的摩擦力计算公式

式中F——摩擦力，N;

μ——摩擦系数;

δ——固相密度，kg/m3；

d——固体颗粒直径，m；

Δ——泥浆密度，kg/m3；

V——切向速度，m/s。

可以看出，固相颗粒越粗，数量越多，切向速度越大，对旋流器锥筒内壁产生的摩擦力和压力越大，旋流器锥筒磨损越大。

为了减轻锥筒的磨损，一方面要求预筛采用细孔振动筛，以减少固相颗粒数量和颗粒的当量直径，另一方面则要提高锥筒的耐磨性能。

根据南水北调穿黄盾构工程泥水分离设备的使用经验，排砂孔以上80～150mm左右磨损的最严重。该部位的锥筒设计要提高耐磨性能，最为理想的是在内壁镀一层较好的耐磨材料，不能一味靠增加壁厚的办法来延长锥筒使用寿命。

6 本工程旋流器的选用

考虑上述种种因素，本工程在旋流器的选型组配时采取如下措施降低其功耗和投入，提高其生产能力和分离效率。

1）系统上采取三级处理，第一级采取预筛，减轻泥浆中粗颗粒对第二级旋流设备的磨损和阻塞。第二级旋流和第三级的旋流后依然采用底流振动筛，筛分相应级别的粗颗粒，减少对下一级设备的磨损，并增强了筛分能力。

2）为避免透筛底流重新进入泥浆的循环，设置了透筛底流收集槽，收集到一起后泵送到压滤系统进行压滤，既保证了泥浆的分离精度，也避免了旋流器的功能浪费。

3）为弥补旋流处理的不足和技术偏差，我部同时增加4台离心机和压滤机，保障最终泥水分离的可靠性。

4）旋流器设计上采用斜坡式渐开线给料，如图7，降低了入口处的紊流, 并在高处理量下获得细粒分级，同时减少了旋流器的磨损。

图7 渐开线给料设计

5）优化锥筒角度，采用国际顶级水平的变锥旋流器，如图8所示，处理能力大、分级粒度小，旋流器的鱼尾装置及真空调节装置可提供稳定的底流浓度，保证泥浆中的固体颗粒进入溢流中的机会大大减少。

图8 选用的旋流器外形设计

6）采用聚氨酯材料的椎筒设计，降低了设备重量，提高了设备的耐磨性，延长了使用寿命，降低了设备故障维修率。

7 结 论

1）旋流器的影响因素较多，理论经验并不明确，影响因素有旋流器直径、进浆直径、溢流直径、锥角、进料压力、固液密度等。

2）在泥水处理系统中组配旋流器时要充分考虑旋流器的技术参数偏差，采取技术措施进行弥补。

3）旋流器的设计要充分考虑各方面的影响因素，针对不同的工况和需求采用最合理的结构。

4）我工程选用的旋流器综合考虑了各方面的影响因素，并据此对旋流器的选型进行了优化和改造，理论上最终可实现一次旋流分离D50=27μm，二次旋流分离D50=11.8μm，分离精度及处理量均比单锥旋流器大20%以上，达到相同分离精度和处理量时的能耗降低30%，同时降低了磨损带来的工期和设备投入上的成本。

综上，经技术分析和选型，旋流器在我工程的选型应用上实现了高效率、低能耗、长寿命、高可靠性的目标，能够满足施工需求。