臥式離心機高含水率盾構(gòu)泥漿絮凝劑比選及現(xiàn)場應(yīng)用
行業(yè)動態(tài)
隨著我國城市地鐵及過江隧道的大規(guī)模建設(shè)，泥水平衡盾構(gòu)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。該工法在盾構(gòu)開挖面的密封隔艙內(nèi)注入泥漿，通過泥漿加壓使內(nèi)外壓力平衡，以保證開挖面土體的穩(wěn)定。而當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)時，刀盤切削下來的土體與泥水混合，并泵送至地面，從而產(chǎn)生大量高密度的泥漿。泥漿經(jīng)地面泥水分離設(shè)備處理后，一部分泥漿進(jìn)入盾構(gòu)機循環(huán)使用，剩余泥漿則需要進(jìn)行脫水處理。若泥漿處理不當(dāng)將會對周圍環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響。
臥式螺旋離心機占地面積小，泥漿處理大的優(yōu)點顯現(xiàn)，逐步應(yīng)用于盾構(gòu)泥漿的脫水處理中。臥式螺旋離心機的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其分離效率有較大影響，已有一些學(xué)者對其結(jié)構(gòu)參數(shù)開展研究。荊寶德等針對大直徑雙錐角臥螺離心機，對轉(zhuǎn)鼓錐角進(jìn)行仿真模擬得出轉(zhuǎn)鼓錐角為9.5°。吳蕾等研究了長徑比對分離效率的影響，認(rèn)為離心機處理量隨長徑比增加而增大，同時其分離性能也越好，但長徑比過大反而會導(dǎo)致分離效率降低，因此長徑比是在某一范圍內(nèi)具有相對較優(yōu)值。邱發(fā)華等研究了物料入射角對分離效率的影響，認(rèn)為進(jìn)口入射角為30°時離心機分離效率較高。但是針對不同的物料性質(zhì)需調(diào)整離心機參數(shù)尋找較佳的離心脫水效果。
本文以濟(jì)南市濟(jì)濼路穿黃隧道工程為背景，根據(jù)現(xiàn)場泥漿粘粒含量高的特點，對分子量不同的兩種陰離子型聚丙烯酰胺進(jìn)行比選，選取較優(yōu)藥劑應(yīng)用于臥式螺旋式離心機，根據(jù)離心出渣土含水率調(diào)整離心機轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，以達(dá)到較佳的離心脫水效果。
1 試驗材料及方法
試驗?zāi)酀{取自濟(jì)南市濟(jì)濼路穿黃隧道工程盾構(gòu)施工現(xiàn)場，經(jīng)泥水分離系統(tǒng)分離出送入離心機前的泥漿，使用Mastersize2000激光粒度儀測試泥漿粒度組成。
通常狀況下，泥水平衡盾構(gòu)穿越粘土層時排出的泥漿經(jīng)過泥水分離系統(tǒng)預(yù)篩分器能篩除粒徑大于3mm的渣土塊，經(jīng)一二級旋流器處理后篩出大部分粒徑大于75μm的顆粒，先后經(jīng)過兩次除砂除泥處理后的一部分泥漿送入離心機進(jìn)行脫水處理。泥漿中粘粉粒含量高達(dá)99%，泥漿中細(xì)小土顆粒含量高，不易自然沉淀，極大地影響了泥漿的脫水效率。
試驗采用藥劑為陰離子型聚丙烯酰胺（APAM），分子量為1200萬和1800萬，均為白色顆粒狀粉末，水溶性強，將APAM配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的溶液進(jìn)行試驗。后續(xù)脫水試驗采用XYY1000-3500型離心機進(jìn)行離心脫水效果的驗證，以滿足現(xiàn)場泥漿處理的需要。
2 臥式螺旋離心機結(jié)構(gòu)及工作原理
2.1 臥式螺旋離心機結(jié)構(gòu)
本項目采用XYY1000-3500型離心機進(jìn)行泥漿的固液相分離。該設(shè)備主要由螺旋推料器、轉(zhuǎn)鼓、罩殼、液壓差速器、主輔電機、減震器、機座等組成。高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)鼓建立離心力場，使得泥漿開始分離，根據(jù)排渣與分離的要求，轉(zhuǎn)鼓設(shè)計成錐段和柱段兩部分。螺旋推料器與轉(zhuǎn)鼓同向旋轉(zhuǎn)，可以使沉降到轉(zhuǎn)鼓壁上的固體能連續(xù)不斷地推向錐轉(zhuǎn)鼓口的排渣口。差速器可以使螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間的差轉(zhuǎn)速能夠保持穩(wěn)定。
2.2 臥式螺旋離心機工作原理
臥式螺旋離心機工作時轉(zhuǎn)鼓與螺旋推料器采取主輔2臺電機單獨驅(qū)動，同時同向高速旋轉(zhuǎn)且在差速器的作用下形成了一定數(shù)值的差轉(zhuǎn)速（其數(shù)值由變頻器程序調(diào)節(jié)控制）來共同推料。從進(jìn)料口將泥漿壓入到由轉(zhuǎn)鼓與螺旋推料器組合形成的螺旋流道內(nèi)，因轉(zhuǎn)鼓的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生很大的離心力，基于固液兩相比重差的緣故，泥漿中固相顆粒迅速被逆向轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁并沉積在內(nèi)壁上，與轉(zhuǎn)鼓做相對運動的螺旋推料器其上的螺旋葉片不斷地將沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的固體顆粒刮走并推向出料口，分離后的清液經(jīng)出液口溢流出轉(zhuǎn)鼓，從而實現(xiàn)對固液兩相的連續(xù)分離。
泥水盾構(gòu)在粉質(zhì)粘土地層中掘進(jìn)時，隨著掘進(jìn)距離的增加，泥漿比重會持續(xù)增高，從而影響正常的泥漿循環(huán)攜渣能力，所以泥水盾構(gòu)施工過程中泥漿的廢棄處理是無法避免的問題。該離心機可直接將廢漿分離成渣土與達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的廢水。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，可調(diào)整離心機處理能力和渣土含水率。所以在滿足處理能力和處理效果這一對矛盾中，需找到較佳轉(zhuǎn)速值，以確定較佳的離心脫水工況。
3 試驗結(jié)果與分析
3.1 泥漿絮凝效果分析
將絮凝劑用于臥螺離心機前需確定較合適絮凝劑及其較優(yōu)添加量。加入分子量1200萬APAM后，對泥漿的絮凝沉降有一定影響。當(dāng)APAM添加量較小時，泥漿中未見絮團(tuán)，仍呈流體狀，隨著APAM用量的增加，泥漿逐漸出現(xiàn)泥水分離的現(xiàn)象，當(dāng)添加量為0.054%時，泥漿中細(xì)顆粒逐漸團(tuán)聚成大絮團(tuán)，出現(xiàn)泥水分離現(xiàn)象，此時泥漿約脫去30%水分，當(dāng)添加量為0.064%時，泥漿脫水的水分有所減少，這是由于過量的APAM包裹著絮團(tuán)中包含水分，導(dǎo)致分離出的水分減少。
分子量1800萬APAM同樣會影響泥漿的絮凝沉降。當(dāng)APAM添加量為0.046%時，便出現(xiàn)了泥水分離現(xiàn)象，此時由于添加量較少，APAM分子鏈未能完全連接粘土顆粒，僅有部分水分析出，隨著APAM用量的增加，泥漿泥水分離的現(xiàn)象更為明顯，大絮團(tuán)逐漸形成，發(fā)生絮凝沉降，泥漿脫去約30%的水分，隨著APAM添加量的增加，泥漿脫去的水分并未顯著增加。
由于絮凝劑比選主要用于指導(dǎo)泥水盾構(gòu)現(xiàn)場離心機處理廢漿，故基于絮凝及離心脫水試驗結(jié)果對經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了對比分析（以絮凝劑較優(yōu)添加量進(jìn)行對比）。兩種類型APAM添加量分別為0.054%和0.051%。每方泥漿中干粉添加量僅相差36g，而由于每噸APAM的價格差異，使得處理每方泥漿的絮凝劑成本相差了3.3元。而在兩種絮凝劑添加至泥漿中，絮凝和離心脫水效果相近的情況下，選擇分子量為1200萬的國產(chǎn)陰離子型聚丙烯酰胺可取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。
3.2 泥漿離心脫水效果分析
現(xiàn)場配置有絮凝劑溶液罐，罐中分子量1200萬的陰離子型聚丙烯酰胺溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，其通過剪切泵與泥漿進(jìn)行混合，輸送至離心機處理。由于離心機轉(zhuǎn)鼓的大小對出渣含水率有較大影響，因此在保證相同處理量的情況下，通過調(diào)節(jié)兩種絮凝劑添加后臥式螺旋離心機的轉(zhuǎn)速，選取1200r/min、1400r/min、1500r/min、1600r/min四個轉(zhuǎn)速，得到了出料的含水率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。
當(dāng)轉(zhuǎn)速從1200r/min增加到1500r/min時，土工含水率降低了約10%，可知較高的轉(zhuǎn)速使出料口的泥渣含水率變低，即增大轉(zhuǎn)速可使離心作用力加強，從而泥漿顆粒與水更易分離，但后續(xù)轉(zhuǎn)速提高到1600r/min時，含水率降低幅度不明顯。因此考慮到所需能耗、臥式螺旋沉降離心機的運行穩(wěn)定性等因素，將泥漿處理時的離心機轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速設(shè)置為1500r/min較為合適。離心機進(jìn)料含固率約30%，離心機組單機處理量40～60m3/h，分離后泥渣土工含水率約50%，可以滿足后續(xù)運輸條件。
4 結(jié)論
基于XYY1000-3500型臥式螺旋離心機，通過室內(nèi)絮凝沉降試驗，測定不同轉(zhuǎn)速下的泥渣含水率分析泥漿的脫水效果，得出以下結(jié)論。
（1）分子量1200萬、1800萬APAM能使泥漿快速絮凝沉降，隨著APAM用量的增加，泥漿泥水分離的現(xiàn)象更為明顯，大絮團(tuán)逐漸形成。在絮凝脫水效果相近的情況下，選擇分子量為1200萬的國產(chǎn)陰離子型聚丙烯酰胺可取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。
（2）出料口泥渣的含水率隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的增加而降低，但是綜合考慮到所需能耗、運行穩(wěn)定性等，離心機轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速設(shè)置為1500r/min時較為適宜。
