基于均勻試驗的水力旋流器工作效率分析及參數(shù)優(yōu)化

姜佑明

(中鐵二十五局集團有限公司，廣東 廣州 510600)

隨著經(jīng)濟高速發(fā)展對資源流動高效率的要求，我國交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展迅猛，且呈向西部延伸的大趨勢，交通建設(shè)條件已由平原微丘區(qū)進入山嶺丘陵區(qū)，隧道總里程數(shù)急劇增加，洞渣成為我國利用率低、增速最快的固體廢棄物之一，其環(huán)境保護成本大，亟待提高資源化利用率。大量學(xué)者和機構(gòu)[1-3]紛紛開展隧道洞渣在工程施工中的綜合利用研究工作，在工程應(yīng)用中驗證了機制砂混凝土的良好施工效果，獲得了不影響其和易性的合適當量的粉體體積范圍，探討了機制砂混凝土收縮開裂發(fā)生機理及養(yǎng)護預(yù)防的重要性。在利用洞渣加工優(yōu)質(zhì)機制砂石、緩解工程中骨料供需矛盾、降低工程投資、提高其資源化利用等方面均取得了一定成果[4-6]。在隧道洞渣加工砂石骨料過程中，由于原料高含泥含水、黏性強、巖石成分復(fù)雜多變的特性，原料與成品骨料的石粉多以附著粉、縫隙粉和石粉團塊形式穩(wěn)定存在[7-8]，游離粉占比少，濕法加工工藝更適宜。水力旋流器憑借結(jié)構(gòu)簡單緊湊、處理效果明顯、操作維護便利及使用成本低的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于砂石生產(chǎn)等眾多行業(yè)固液非均相混合物的分離[9]。但是機制骨料還存在顆粒級配、石粉含量等參數(shù)指標不穩(wěn)定問題，嚴重影響攪拌站混凝土與砂漿流動性、強度和致密性等性能的穩(wěn)定性[10-13]。研究發(fā)現(xiàn)旋流器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如進料管、溢流管、錐段、底流口及內(nèi)置附件等對其實際性能影響顯著[14-18]。通過數(shù)值分析、數(shù)學(xué)模型模擬以及試驗驗證，王元文等[14,19-22]研究了旋流器的操作壓力、進料濃度、物料顆粒粒形和底流口直徑等對其性能的影響。旋流器結(jié)構(gòu)一定時，SLACK等[23-24]分析發(fā)現(xiàn)壓力降隨流量與密度的增大而增加，進而影響其底流分率。在實際砂石生產(chǎn)中，受限于旋流器結(jié)構(gòu)既定、砂水物料濃度浮動、操作人員認知水平差異大、原料隧道洞渣成分不穩(wěn)定等各種因素，工作效果常低于設(shè)計預(yù)期，既造成砂石品質(zhì)不穩(wěn)定，同時也給生產(chǎn)線配套的污水環(huán)保處理帶來較大的壓力。因此，本文以水力旋流器的入料壓力、進口濃度及底流口噴嘴尺寸為變量因素，利用均勻試驗設(shè)計法[25]，結(jié)合某隧道施工中直徑0.3m水力旋流器常出現(xiàn)的砂粗、濃縮脫水效果差、石粉含量高(MB值大于1.4)的情況，在結(jié)構(gòu)參數(shù)基本保持不變時，分析3個變量因素對其工作效率的影響，并成功優(yōu)化現(xiàn)場參數(shù)設(shè)置，獲得比較理想的生產(chǎn)效果，以期給類似生產(chǎn)現(xiàn)場的操作者提供借鑒與指導(dǎo)。

1 試驗概況

1.1 試驗裝置

洞渣項目現(xiàn)場使用水力旋流器，通過內(nèi)、外旋流方向?qū)崿F(xiàn)不同比重物料的分離。水力旋流器采用2個一組并聯(lián)安裝，共2組，與輪斗洗砂機、脫水篩組成洗砂回收脫水設(shè)備，其結(jié)構(gòu)、原理及主要技術(shù)參數(shù)如圖1，圖2及表1所示。

圖2 洗砂回收脫水設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of sand washing,recycling and dewatering equipment

表1 水力旋流器的主要設(shè)備參數(shù)Table 1 Main equipmentparametersofhydrocyclone

圖1 水力旋流器結(jié)構(gòu)與原理圖Fig.1 Structure and schematic diagram of hydrocyclone

現(xiàn)場配套試驗裝置包括型號4/3C-AH離心式渣漿泵、型號2030輪斗洗砂機(篩板沖孔寬度為3mm)、型號2035脫水篩、清洗水箱、電控柜、蝶閥、不同管徑管路和其他破碎篩分輸送設(shè)備等。配套的實驗儀器有感量1 g天平、鼓風(fēng)干燥箱、不同篩孔尺寸的方孔篩(含篩底和篩蓋)、搪瓷盤、毛刷和標準容器等。

1.2 試驗材料

機制砂：經(jīng)篩分、干燥預(yù)處理后混合均勻，滿足國家標準中2區(qū)中砂的顆粒級配指標要求；破碎原料：該隧道正常掘進產(chǎn)生的洞渣；水：從附近抽取的干凈溪水。

1.3 測量方法

取一定量的干砂和水均勻混合后，再取標準體積的樣品V標準，稱重質(zhì)量為m標準，樣品靜置至完全沉淀無變化后，測量沉淀的顆粒堆積體積為V沉淀，烘干后顆粒稱重質(zhì)量為m沉淀，可計算得出砂石混合液的濃度C：

水力旋流器的細砂回收效率η定義為單位時間t內(nèi)旋流器底流排出的混合液烘干后，回收的細砂體積V回收與渣漿泵泵入的混合液中原干細砂的體積V輸入之比：

其中：V輸入=C×Q×t，Q為離心式渣漿泵出料口的流量。

機制砂顆粒級配與細度模數(shù)的測定步驟參照GB/T 14684《建設(shè)用砂》[26]中7.3進行。

機制砂石粉含量與亞甲藍MB值的測定步驟參照GB/T 14684《建設(shè)用砂》[26]中7.4和7.5進行。

2 均勻試驗方案設(shè)計

2.1 方案設(shè)計

均勻試驗設(shè)計是由我國方開泰教授和王元教授首先提出的一種適合多因素、多水平的部分因子試驗設(shè)計方法。通過該方法使得試驗點均勻分布，從而實現(xiàn)有限的試驗點對整體具有良好的代表性，大幅度減少試驗次數(shù)[27]。

試驗采用2因素(入料壓力和進口濃度)5水平和1因素(底流口噴嘴尺寸)2水平，如采用正交試驗可選用L50表，不足之處是試驗次數(shù)過多。而均勻試驗設(shè)計方法只需要確保試驗點在試驗范圍內(nèi)具有均勻分布的統(tǒng)計特性，每個因素的每個水平只做一次試驗，試驗次數(shù)少，因此采用均勻試驗設(shè)計方法進行試驗方案設(shè)計。

通過選用U*10(1010)和擬水平技術(shù)，可獲得混合水平U10(52×2)設(shè)計表，偏差D=0.392 5，設(shè)計方案如表2所示，只需10次試驗即可。

表2 均勻試驗設(shè)計Table 2 Uniform design table

2.2 試驗流程

通過調(diào)節(jié)管道閥門與控制旋流器開啟數(shù)量，調(diào)整第2清洗箱進料濃度和更換旋流器底部噴嘴型號，驗證入料壓力、進口濃度及底流口噴嘴尺寸變化對既定結(jié)構(gòu)旋流器的細砂回收效果的影響，設(shè)備具體結(jié)構(gòu)見圖2。試驗流程如下。

測試流程：現(xiàn)場試驗利用生產(chǎn)線已有設(shè)備，按不同濃度配比將干砂與清水混勻后，通過溜槽進入2035脫水篩下面的第2清洗箱，通過4/3C-AH離心式渣漿泵泵送至水力旋流器組進行固液分離。分離的細砂從旋流器底部的底流口噴嘴排至2035脫水篩脫水，未被分離的少量固體隨水依次經(jīng)過旋流器頂部的溢流管、返水箱和管道排至污水池。最后，經(jīng)板框壓濾機脫水處理，實現(xiàn)零污水排放、生產(chǎn)用水僅有少量水耗、循環(huán)利用、對周邊無污染的環(huán)保目標。

驗證流程：啟用生產(chǎn)線正常生產(chǎn)，前端噴淋水洗的砂水混合物經(jīng)溜槽進入2030輪斗洗砂機的第1清洗箱，經(jīng)輪斗攪拌混勻與分離，粗顆粒進入2035脫水篩脫水，細顆粒以砂水混合物形式經(jīng)底部管道進入脫水篩下面的第2清洗箱，通過4/3C-AH離心式渣漿泵泵送至水力旋流器組進行固液分離。分離的細砂從旋流器底部的底流口噴嘴排至2035脫水篩脫水，未被分離的少量固體隨水依次經(jīng)過旋流器頂部的溢流管、返水箱和管道排至污水池。最后，經(jīng)板框壓濾機脫水處理，實現(xiàn)零污水排放、生產(chǎn)用水僅有少量水耗、循環(huán)利用、對周邊無污染的環(huán)保目標。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 各因素與回收效率結(jié)果直觀分析

按照以上均勻試驗設(shè)計方案，水力旋流器回收效率結(jié)果如表3所示。

表3 水力旋流器回收效率試驗結(jié)果Table 3 Experimental resultsof recovery efficiency of hydrocyclone

入料壓力、進口濃度和底流口噴嘴尺寸與水力旋流器回收效率試驗結(jié)果直觀分析見圖3。

圖3 各因素對水力旋流器回收效率的影響Fig.3 Influence of various factorson recovery efficiency of hydrocyclone

3.2 回歸結(jié)果與分析

對試驗數(shù)據(jù)采用后退法進行分析，取顯著性水平參數(shù)α=0.10，得到回歸方程如下：

其中：X1為自變量入料壓力；X2為自變量進口濃度；X3為自變量底流口噴嘴尺寸。

標準回歸系數(shù)及影響回收效率的分析見表4。

表4 影響回收效率分析Table 4 Experimental resultsof recovery efficiency of hydrocyclone

由圖3和表4結(jié)果分析可知，自變量中入料壓力對回收效率影響最大，底流口噴嘴尺寸影響其次，進口濃度影響最小。細沙回收效率，在一定壓力范圍內(nèi)隨著入料壓力的持續(xù)增加而提升，隨著底流口噴嘴尺寸的持續(xù)增加而提升；在一定濃度范圍內(nèi)隨著進口濃度的增加而增大，但超過一定濃度范圍后，細砂回收效率提升趨勢減緩甚至出現(xiàn)下降。分析原因如下：

根據(jù)干涉沉降[28]和底流擁擠理論[29-30]，細砂顆粒在旋流器內(nèi)分離、沉降時的速度可表現(xiàn)為干涉沉降速度與自由沉降速度。在低濃度范圍時，干涉沉降速度小于自由沉降速度，隨入料壓力的持續(xù)增大，旋流器流場內(nèi)顆粒的流動速度加大，細砂顆粒沉降加速，旋流器的分離、回收效率保持提高趨勢。當入料壓力增大，濃度超過某個閾值后，旋流器內(nèi)部細砂顆粒黏度與密度增大，相互碰撞概率增大，干涉沉降速度大于自由沉降速度，排出過程阻力變大，流動不暢，甚至出現(xiàn)“架橋”現(xiàn)象，部分細砂被內(nèi)循環(huán)的水夾帶至溢流口排出，分級顆粒粒度變粗，旋流器的分離、回收效率保持不變甚至下降。

4 參數(shù)優(yōu)化及驗證

4.1 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計與測試

根據(jù)試驗分析，采用軟件對水力旋流器參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，取回收效率的最大值優(yōu)化，根據(jù)前文的規(guī)律，優(yōu)化的參數(shù)取值比初始設(shè)計進一步縮小，推薦如表5所示。

表5 參數(shù)優(yōu)化及預(yù)估數(shù)據(jù)Table 5 Parameter optim ization and estimation data table

4.2 改進與效果驗證

由于現(xiàn)場原料洞渣含泥量較高，亞甲藍MB值檢測數(shù)據(jù)>1.4，混凝土攪拌站要求將機制砂為2區(qū)中砂、石粉含量在3%以下。現(xiàn)場前期生產(chǎn)過程中常出現(xiàn)機制砂細度模數(shù)數(shù)值偏高、石粉含量在5%～10%之間浮動、機制砂脫水不凈、旋流器底流口出料忽大忽小不穩(wěn)定的問題，實際生產(chǎn)中需要對顆粒進行有限的回收并控制石粉含量。啟用現(xiàn)場生產(chǎn)線設(shè)備正常生產(chǎn)，通過整改第2水箱結(jié)構(gòu)(見圖4(a)和圖4(b))、調(diào)節(jié)閥門開度、控制旋流器開啟數(shù)量和底流口噴嘴型號，控制旋流器組的入料壓力、進口濃度及底流口噴嘴尺寸變化。

圖4 工業(yè)驗證改進措施與工作效果Fig.4 Verify the industrial improvementmeasuresand work effect

根據(jù)表2編號1的參數(shù)方案，水力旋流器的回收效率最低，因此對編號1配置方案、軟件優(yōu)化方案和調(diào)整方案進行對比，結(jié)果見表6。

表6 方案及回收效率對比Table 6 Comparison table of scheme and recovery efficiency

從回收效率方面分析，優(yōu)化方案最佳，編號1方案最差，但進一步檢測機制砂的石粉含量和顆粒級配發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案的石粉含量為13.2%，編號1方案的細度模數(shù)為3.5，不滿足攪拌站要求。

調(diào)整方案在生產(chǎn)中，旋流器組底流口沉沙分別呈“柱狀”“20°傘狀”和“30°傘狀”排出(見圖4(c))，旋流器濃縮效果較好，經(jīng)脫水篩脫水后，出料皮帶機無自由水流下。改進后溢流管溢流濃度為8.36%，較改進前增大2.13%(見圖4(d))。在機制砂成品料堆取樣，取樣步驟參照GB/T 14684《建設(shè)用砂》[26]中7.1進行，3次樣品的檢測數(shù)據(jù)表明改進后機制砂的累計篩余滿足國家標準2區(qū)要求，細度模數(shù)數(shù)值穩(wěn)定在2.9±0.1，屬于中砂范圍，同時干篩法和水洗法測得的石粉含量均在3%以下，滿足攪拌站使用要求。具體工業(yè)驗證過程中的樣品檢測數(shù)據(jù)見圖5和表7。在驗證中同時發(fā)現(xiàn)新的問題，入料閥門在非全開或全關(guān)時，由于管內(nèi)面積突然變小，內(nèi)部流體速度激增，閥門內(nèi)的橡膠密封圈磨損速度異常。在生產(chǎn)實際中，應(yīng)盡可能實現(xiàn)管道閥門全開啟或全關(guān)閉，或者結(jié)合多種調(diào)節(jié)措施調(diào)整工作壓力，避免閥門半開狀態(tài)帶來的異常磨損。

圖5 取樣級配曲線Fig.5 Sampling gradation curves

表7 取樣累計篩余檢測數(shù)據(jù)Table 7 Accumulated sampling residual testdata %

5 結(jié)論與建議

1)通過均勻試驗設(shè)計，將水力旋流器工作效率分析及參數(shù)優(yōu)化多因素的多水平方案試驗次數(shù)減少到10次，確保了試驗數(shù)據(jù)的代表性與可靠性，極大減少了工作量。

2)建立了入料壓力、進口濃度和底流口噴嘴尺寸與水力旋流器回收效率的回歸方程，其中入料壓力對回收效率的影響最大，底流口噴嘴尺寸其次，進口濃度影響最小。在合適范圍內(nèi)，三者均能正面促進工作效率的提升，但需要注意干涉沉降效應(yīng)、底流擁擠和異常磨損等異常情況。

3)生產(chǎn)實際中，不可片面追求水力旋流器的高細砂回收效率，還需結(jié)合原料情況、機制砂生產(chǎn)率、洗砂機中粗顆粒砂的顆粒級配分布等因素，有選擇地分離回收合適粒徑的顆粒，使得細砂回收效率與機制砂的級配良好匹配。

4)通過均勻設(shè)計方法的參數(shù)優(yōu)化分析，進口濃度為12%時，設(shè)置水力旋流器生產(chǎn)參數(shù)為組1入料壓力0.08MPa，開啟旋流器2個，底流口噴嘴直徑均為20mm；組2入料壓力0.20MPa，開啟旋流器1個，底流口噴嘴直徑為40mm，機制砂細度模數(shù)數(shù)值穩(wěn)定在2.9±0.1，石粉含量均在3%以下，獲得了較為理想的效果。