新型高效智能泥水分離系統的研制

吳 爍，馮美貴，翁 煒，蔣 睿，徐軍軍，趙志濤

（北京探礦工程研究所，北京 100083）

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，基礎設施與工程建設項目大量開展，樁基、連續墻、盾構和頂管等巖土工程施工的工作量呈高速增長趨勢。因巖土工程大多為濕作業，施工過程中會產生大量廢漿，按環保排放標準要求需將泥漿中固體顆粒進行分離處理。目前常采用絮凝沉淀法或機械分離法進行泥水分離，絮凝沉淀法通過修建多組沉淀池，利用重力將原始泥漿沉降濃縮，再與高分子絮凝劑混合凝聚并沉淀為污泥［1］，該技術應用期間，逐漸暴露出顆粒去除率低、泥漿浪費嚴重、占地面積大、絮凝劑等添加劑易污染環境等缺點［2-3］。機械分離法通過振動篩或者滾筒篩篩除泥漿中大顆粒，然后通過離心機等設備去除粒徑較小的泥漿顆粒，因其對泥漿的高效分離、結構緊湊、渣料含水率低可填埋等優點在國外盾構施工中應用廣泛，近年來逐漸受到國內市場青睞［4-6］；但設備運行由人工控制，存在響應時間長，控制精度差，信息化、自動化水平不高等問題［7］。鑒于此，筆者研制了一種新型智能高效一體化泥水分離系統，并開展了不同條件下泥水分離效果實驗，實驗結果表明：該設備緊湊高效，占地面積小，安全運行時間長，可有效清除泥漿中固相顆粒，實現智能自動化控制，提高工作效率，在巖土工程施工廢漿處理領域具有良好的應用前景。

1 智能泥水分離系統組成與工作原理

1.1 主要技術參數

施工作業后產生的廢漿中70%以上為水，其余成分為粘土、鉆渣和泥漿處理劑，組分相對簡單，鉆渣為各種不溶于水也不分散的巖屑，以較大的顆粒懸浮于泥漿中，其粒徑通常＞74 μm。泥水分離系統的主要功能是有效清除泥漿中的鉆渣等無用固相，維持泥漿性能穩定，提高泥漿使用效率。中小型巖土工程施工泥漿密度約為1.05～1.15 g/cm3，設備配套泥漿泵排量通常為200 m3/h 以內［8-9］，據此確定智能高效一體化泥水分離系統的主要參數如表1所示。

1.2 總體結構

研制的新型高效智能泥水分離系統主要由振動分離機構、旋流離心機構、沖洗輸送機構與智能控制機構4 部分組成，如圖1 所示。其中振動分離機構包括總進漿管、高性能雙層振動篩、儲漿槽；旋流離心機構包括旋流分離器、進液流道、出液流道；沖洗輸送機構包括砂泵、反沖流道；智能控制機構包括液位監測裝置、智能變頻控制裝置、遠程傳輸裝置。

圖1 智能泥水分離系統結構Fig.1 Structure of intelligent mud separation system

1.3 工藝流程

（1）設備通電后，液位監測裝置測定儲漿槽中液面高度，變頻控制裝置根據液面高度變化情況自動控制砂泵與激振電機開啟，并對砂泵排量進行調整。遠程傳輸裝置將設備排量、液位高度等數據通過移動互聯網上傳至云端供技術人員遠程查看。

（2）激振電機開啟后，將帶動雙層振動篩按一定軌跡振動，對總進漿管輸送的污漿進行一次篩分，篩分后的泥漿進入儲漿槽內。

（3）砂泵從儲漿槽內抽吸泥漿后，將泥漿沿進液流道從旋流分離器進漿口切向射入進行二次離心分離，分離后的干凈泥漿從旋流器溢流管沿出液流道輸送回孔；仍含有粒徑微細的泥砂泥漿由旋流器下端沉砂嘴排出落入上層篩網，經上層篩網脫水篩選后，較干燥的細碴料分離出來，篩選過的泥漿再次返回儲漿槽內，實現泥漿循環利用，篩選分離后的所有渣料集中收集處理。

（4）除此之外，砂泵將由儲漿槽內抽吸的部分泥漿增壓后沿反沖流道輸送回儲漿槽，對儲漿槽底部沉渣進行沖洗攪動，使沉積在底部的沉渣懸浮在儲漿槽的泥漿中，降低清渣頻率，提高設備工作效率。

2 核心零部件設計

2.1 智能控制機構

智能控制機構主要由液位監測裝置、智能變頻控制裝置、遠程傳輸裝置組成，其中液位監測裝置、變頻控制裝置相互配合控制砂泵啟停，進而控制液位高度，遠程傳輸裝置將監測的液位高度、砂泵轉速、激振電機轉速等設備工作參數上傳至云端存儲，供技術人員遠程查看。

液位監測裝置主要由超聲波液位計、夾持工裝與供電通訊一體化裝置組成，液位計與一體化裝置的接線端子處均使用三防電纜夾緊密封接頭固定，通過夾持工裝將液位計固定在儲漿槽頂部預設開孔位置處，確保液位計監測范圍可覆蓋至槽底。

智能變頻控制裝置主要由高性能矢量變頻器、閉環反饋控制器組成，可根據超聲波液位計監測的儲漿槽液位高度值自動控制砂泵運轉，并根據高度變化情況對砂泵排量進行PID 控制，其工作邏輯如圖2 所示?？刂破骺刂茀蹈鶕覂仍囼灮貧w擬合結果進行整定，并采用參數模糊自適應算法根據現場實際工作情況對控制參數做進一步優化；考慮到地層巖性和施工工藝對泥漿性能需求有很大不同，控制器還預留了智能決策裝置接口，可根據現場測試得到的泥漿性能參數與地層巖性，結合本地區施工大數據資料對激振力進行優選，后對激振電機進行變頻調速控制，配合不同規格篩網，通過顆粒差異化分離控制泥漿流變性。

圖2 智能控制裝置工作邏輯Fig.2 Logic diagram of intelligent control device

遠程傳輸裝置主要由數據采集模塊、數據遠程傳輸與遙控控制模塊等組成，可實時采集處理計算液位高度、激振電機工作轉速、砂泵轉速與排量等參數和監控錄像等視頻數據，并將其上傳至互聯網云端存儲，技術人員可通過在線網站、手機app 等多種手段查詢查看現場設備工作情況，還可遠程控制調節設備工作參數，實現在線遠程可視化監測與控制。

2.2 高性能變頻振動篩

由于巖土工程施工泥漿固相顆粒以粉土、淺層土為主，粘度較低，易于篩分，但處理量較大（≥100 m3/h），振動篩性能成為決定設備整體性能的關鍵，為此，作者研制了一款高性能變頻振動篩，該振動篩為雙層雙軸直線振動篩，采用雙電機自同步反轉慣性激振電機，可通過智能變頻控制裝置調節電機激振力大小，最大處理量200 m3/h，最小分離粒徑74 μm。

2.2.1 運動參數

線性振動篩的振動方向角通常為30°～60°，為保證振動篩具有良好的篩選性能，且獲得移動速度和高生產率，優選振動方向角為α=45°，篩面傾角0.5°。

根據設備參振部分質量對激振電機進行優選，最終確定采用MartinCCC-70 型激振電機，單臺額定激振力43 kN，根據電機技術參數和三維建模軟件中得到的參振部分總質量可計算出振動篩的振幅s=6 mm、拋擲指數D=5.5，滿足振動篩設計規范要求，其計算公式見式（1）、式（2）［10-11］。

式中：F——激振力，N；ω——激振軸角速度，rad/s；M——參振部分總質量，kg。

式中：g——重力加速度，取g=9.80 m/s2；σ——振動方向線與箱面的夾角，（°）；α——篩面傾角，（°）；［K］——修正系數，本文取1.1。2.2.2 減震裝置

根據式（3）計算彈簧總剛度K［12］，計算結果為：ω=1300 r/min 時，K≈1.0×106N/m，單個彈簧剛度K1≈2.63×105N/m。

式中：M——參振質量，包括篩箱與激振電機等，kg；Z0——工作頻率與固有頻率之比，一般取3～7，本文取Z0=4。

按剛度計算公式（4）選擇彈簧中徑125 mm，線徑22 mm，有效壓縮圈數7.5 圈，兩端磨平，實際壓縮圈數6.5 圈可滿足振動篩隔振彈簧要求［13］。

式中：G——彈簧材料切變模量，Pa；d——線徑，m；d2——中徑，m；n——有效圈數。

2.3 旋流分離器設計

根據已有研究可知，60 μm 以上顆粒會引起泥漿粘度和密度的變化［14］，因此在設計水力旋流器時主要考慮分離目標粒徑為60～150 μm 之間的顆粒。泥漿在進行二次分離過程中常采用15°小錐角水力旋流器，較小的錐角有利于延長顆粒留駐時間，提高小顆粒去除率，但由于本設計所需泥漿處理量大，且為盡量保留60 μm 以下的微粒，因此設計角度不宜過小，綜上所述優選旋流器采用20°單錐段設計［15］。

根據式（5）計算旋流器主直徑D范圍為462～486 mm，設計時取D=500 mm，根據文獻可知旋流器柱體長度、入口尺寸、溢流口和底流直徑等參數與主直徑D成比例［16-17］，計算后選取的旋流器參數見表2。

表2 旋流器設計參數Table 2 Design parameters of cyclone

式中：Q——處理量，m3/h；ρ——固相顆粒密度，kg/cm3；ΔP——出口和入口的壓力差，取ΔP=0.1～0.2 MPa；C——固相顆粒質量濃度，%。

3 設備試驗與應用效果

智能泥水分離系統加工組裝完成后，在基地開展了整機聯調聯試工作，如圖3 所示，聯調聯試后設備各部分均可正常工作，污漿經過篩分與旋流分離后產生的渣料干度滿足設計要求，儲漿槽液面高度可維持穩定。為進一步確定設備工作特性，開展了室內實驗，實驗期間對系統入口和溢流口處泥漿進行取樣，分析凈化前后泥漿中固相含量變化情況，通過改變入口泥漿中顆粒直徑、固相比例與粘度大小，探究了系統對泥漿的分離效果和不同粒徑顆粒的分級性能，室內試驗結果如圖4 所示。

圖3 室內調試與實驗過程記錄Fig.3 Record of indoor debugging and experimental process

圖4 室內實驗結果Fig.4 Indoor experimental results

由圖4 可知，設備顆粒去除率隨顆粒直徑的增大而增大，分離后泥漿中較小直徑顆粒得到有效保留，大直徑顆粒被較好去除，74 μm（200 目）以上大直徑顆粒去除率在75%以上，分離效果滿足預期設計要求。以上現象主要由于旋流離心分離時旋流器入口流速基本一致，大直徑顆粒的質量也較大，所受離心力大，在離心力作用下顆粒邊向近壁面旋轉邊向底流口靠近，使得分離效果表現更佳。

粘度對設備顆粒去除率有較明顯影響，隨著粘度增加設備顆粒去除率下降，最高降低約9%左右。分析認為高粘度泥漿會使流體所受粘滯阻力增大，導致進入旋流器后流壓與切線速度降低，固相顆粒流向軸心的動能和也隨之下降，分離所需的離心力不足，而泥漿在旋流器中停留時間較短，導致部分固相顆粒還未遷移到內旋區域就因動能不足而隨外旋區的流體由底流口排出，導致顆粒去除率減小。

固相含量對設備顆粒去除率影響較小，隨著固相含量增加，設備的顆粒去除率略有下降但是下降并不明顯，最高降低約2%左右。這是因為隨著懸浮液固體濃度的增加，顆粒間距縮短，顆粒間相互碰撞產生無序運動的概率增大，部分顆粒無法按照繞軸旋轉離心方式分離；同時流體的湍流作用會減弱顆粒間團聚效果，將顆粒團打散，減小了顆粒團的離心力，進一步降低了顆粒去除率。但由于顆粒間相互作用，導致分離出的固相顆粒在底流口處不能及時完全排出，而重新返回到旋流分離區進行二次分離，因此分離效率下降不明顯。

4 結論

（1）成功設計制造了一種小型智能高效一體化泥水分離系統，該系統結構緊湊輕便，74 μm 以上大顆粒有害固相去除率在75%以上，可充分凈化泥漿，實現泥漿循環使用，節約造漿材料，降低施工成本，滿足樁基工程、連續墻工程、盾構和頂管等巖土工程施工泥漿環保凈化處理需求。

（2）系統能夠根據儲漿槽液位變化情況自動調節控制砂泵與激振電機運轉，實現無人自動運行。系統內的遠程傳輸裝置可將采集到的數據實時上傳至云端，技術人員可通過手機等終端掌握該系統現場工作數據并進行遠程控制，有效提升了施工現場信息化、智能化水平。

（3）系統還可與泥漿性能自動測試設備配套使用，根據測試得到的泥漿含砂量、粒徑分布等數據計算并調節電機激振力，控制振幅，并判斷當前篩網目數能否實現高效分離，確保泥水分離系統在各種地層與施工條件下應用均能保持良好篩分效果。