一种连续高效盾构泥浆脱水系统的制作方法

本发明涉及一种盾构泥浆脱水系统，更具体地说，涉及一种连续高效的盾构泥浆脱水系统。

背景技术：

目前，随着我国城市化进程不断加速，用盾构法进行地下隧道的开挖施工越来越广泛，盾构，实际上是盾构机的简称，它是一种暗挖隧道的机械，它具有安全性、较高的工程质量、工期短、成本低等优势，近年来得到迅速的发展，在当前的隧道施工中占有统治地位；我国盾构开发应用进展很快，目前世界最大盾构直径15.4米，就是我国自主制造的产品。现在，使用最为普遍的是“泥水平衡式盾构机”，它的技术控制主要有：开挖面稳定、泥水浓度控制、泥水处理设备运转、弃土等；开挖面稳定，主要指盾构在掘进过程中，需要进行新旧泥浆交替补充到盾构刀盘面，形成一定厚度的泥膜，便于刀盘切削，新旧泥浆的补充数量，依据事先设定的指标进行调整，以保证盾构顺利进行施工作业；泥水浓度控制，主要是指盾构机在掘进过程中，将开挖仓内的渣土与泥浆混合，由排浆泵输送到洞外的泥水分离站，经分离后进入泥浆调整池，进行泥水性状调整后，由送泥泵将泥浆再送至盾构的开挖仓内重复使用；泥水处理设备运转，主要指盾构排出泥水的水土分离过程，统称为泥水分离；泥水分离的第一次处理设备，用于分离0.074毫米以上大颗粒，一般由振动筛、旋流器、沉淀槽、调整槽、剩余槽等组成；泥水分离的第二次处理设备，用于分离0.074毫米以下的小颗粒，它包括粉砂土、粘土、胶体等成份，它们大多呈电化学结合的状态，由于粒子小、沉降速度慢，一般需要添加絮凝剂，使其形成较大的团粒，再强制脱水，进行液固分离；当前，分离0.074毫米以下小颗粒的泥水分离设备均不理想，现分述如下：1、圆筒型造粒脱水装置，如液压滚筒机，它的脱水效果较差，滤泥含水率65%以上；2、脱水传送带，如筛滤机，脱水效果亦差，滤泥含水率65%以上；3、带式加压脱水机，它是滚轮、履带加压滤布的脱水机，虽可连续作业，但脱水效率也不高，滤泥含水率60%以上；4、离心机，它利用高速旋转的离心力进行脱水，能耗大，滤泥含水率仍大于55%；5、带式压滤机，它利用泥水压力，经滤布使其脱水，它可以大型化，但脱水率仍不理想，滤泥含水率仍有55%左右；综上所述，当前泥水分离的二次处理设备，也即是泥浆脱水设备，均存在能量消耗较大，脱水效果并不理想的状态；目前，大型盾构排出的泥水达到1500立方米/小时，而最大泥水处理设备的能力仅为500立方米/小时，需要3套泥水处理设备才能与之配套；而且，盾构的应用范围也正越来越广泛，如铁路、地铁、公路、水利、观光、市政、燃气等，都离不开它的贡献；从整体来看，盾构泥浆的脱水设备，还不能适应盾构机的配套，还是比较薄弱的环节，因此，如何提高盾构泥浆的脱水效果，如何使脱水机更加大型、高效、节能，是盾构机进一步完善、进一步发展面临的研究和开发的重要课题。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种连续高效的盾构泥浆脱水系统，它由第一级滚压脱水和第二级热气涡旋脱水组合而成；本发明第一级滚压脱水类似带式压滤机，与带式压滤机不同的是：本发明采用碳酸锰加过氧化钠作絮凝剂，效果更好；本发明采用梯形断面的滤条，可显著减小过滤阻力；本发明采用自循环尾气吹净滤布，省去滤布水洗工序；本发明第二级热气涡旋脱水，采用特制涡旋板，滤泥直接与低热气流涡旋传热传质，实现快速液固分离，经旋流器排出干泥粉，尾气经加压后送去吹净滤布使用。与带式压滤机相比，本发明可使脱水能力增大一倍，且省去水洗工序，排出的干泥粉含水率40%以下。

为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

（一）第一级滚压脱水。原理与带式压滤机近似，与带式压滤机比较，本发明作出三方面重大创新：一是本发明采用碳酸锰加过氧化钠作絮凝剂，絮凝作用显著增强，效果更好；二是本发明采用梯形断面的滤条，使编织出来的滤带形成梯形孔，滤带的正面孔小，滤带的背面孔大，使用时正面与滤泥接触，也即是水从小孔流到大孔出来，显著减小了过滤阻力，节省动能；三是本发明采用自循环尾气吹净滤布，省去了带式压滤机的水洗工序，也省去了洗水回收系统，既简化了设备，又节省了动能。

（二）第二级热气涡旋脱水。由第一级滚压脱水出来的滤泥，再经第二级热气涡旋脱水；本发明采用空气能热泵产生60℃的热空气，经离心风机加压，此热空气直接与滤泥混合，进入涡旋湍流器，在特制涡旋板作用下，气固相涡旋快速传热传质，泥粉的水份快速进入气流中，实现液固分离，然后经旋流器送出干泥粉，此干泥粉含水率40%以下，旋流器排出的尾气经离心风机加压后，送去第一级滚压脱水工序，用作吹净滤布使用。

本发明一种连续高效盾构泥浆脱水系统，包括第一级滚压脱水、第二级热气涡旋脱水。其具体制造过程为：

１，第一级滚压脱水。它是在带式压滤机的基础上，本发明作出三方面的重大创新：

第一方面创新，是本发明独创碳酸锰和过氧化钠混用作絮凝剂，泥浆絮凝作用显著增强，用带搅拌的常温、常压容器作混料罐（3），要求一直开动搅拌器条件下工作，一边在罐内加入需处理的泥浆（1），一边向泥浆（1）中加入0.025～0.050%（泥浆重量比，以下同）碳酸锰粉末（作絮凝剂），同时还需加入0.012～0.022%过氧化钠粉末（作助剂），此操作是常温、常压下的搅拌混料连续化作业，经搅拌后由混料罐（3）控制出料流量，泥浆即经过混料罐（3）内的絮凝作用流出。

第二方面创新，是本发明采用梯形断面的滤条（33），此滤条（33）用不锈钢材质，在梯形断面图4中，长边为m，取m=1.4～3.6毫米，短边为n，取n=0.7～1.8毫米，要求m=2n，梯形高为p，p=0.6～1.5毫米；滤条（33）的长度h与滤带的宽度相同，滤条（33）用不锈钢钢丝（34）紧密编织而成，不锈钢钢丝（33）的线径为ф0.4～ф1.6毫米中选取，编织时，不锈钢钢丝（33）相互紧挨着编织，如图2和图3所示，滤带总长度c，应根据整台设备要求，现场测量确定，本发明的外滤带（29）和内滤带（11）均用相同规格的滤带，只是总长度有所不同；本发明的滤带，其正面孔小，空隙率小，此面与滤泥接触，滤带背面孔大，空隙率大，这样，水从小孔挤压流到大孔出来，从而显著减小过滤阻力30%以上，滤布也不易堵塞，适用于压缩空气吹净，节省压滤脱水动能20%以上。

第三方面创新，是本发明采用自循环尾气吹净滤布，由离心风机（23）送来自循环尾气，尾气通过喷咀来吹净滤布，根据滤带宽度，每隔15厘米宽度设置一个喷咀，也即是沿滤带宽度h做一排喷咀，形成与滤带总宽度h相等的一组喷咀，滤带正面和反面均需安装有喷咀，每个喷咀出口的口径为ф2.0～ф6.0毫米中选取，内滤带喷咀（10）用于吹净内滤带（11）中使用；同样的规格，外滤带喷咀（24）用于吹净外滤带（29）中使用；上述的滤带喷咀两面吹净，这样就省去了传统的带式压滤机的水洗工序，也省去了洗水回收系统，简化了设备，节省了动能。

本发明的第一级滚压脱水的工艺操作过程是：泥浆经过混料罐（3）内的絮凝作用流出后，经过布料挡板（4）控制泥浆厚度，进入外滤带重力脱水（5），泥浆经重力脱水后，由外滤带（29）送入滚轮（6），外滤带（29）与内滤带（11）形成y形挤压脱水，泥浆在上述两个滤带中挤压，然后进入滚轮（27）再压缩脱水，然后进入滚轮（28）和滚轮（26）作s形挤压脱水，然后进入内带主动轮（12）和外带主动轮（13），在此进行刀片脱泥，脱出的滤泥由滤泥导管（14）送入漏斗（18）中；滤泥脱出后，内滤带（11）两面均进行内滤带喷咀（10）吹净，通过内滤带顶紧防偏器（8）和滚轮（9）后，去滚轮（7）后循环运转；外滤带（29）从外带主动轮（13）出来后，外滤带（29）两面也进行外滤带喷咀（24）吹净，后进入滚轮（25），再通过外滤带顶紧防偏器（31）和滚轮（30）后，去滚轮（32）循环运转。

２，第二级热气涡旋脱水。本发明采用空气能热泵（16）产生60℃热空气，用离心风机（17）加压，使风压达到5000pa以上，由第一级滚压脱水出来的滤泥，送入漏斗（18）中，漏斗（18）与离心风机（17）出口管相连接，滤泥掉入离心风机（17）出口管内，热空气与滤泥一起进入涡旋湍流器（19）中，涡旋湍流器（19）的管径фb=100～600毫米中选取，管径фb的数值应满足管内的气流速度20～30米/秒；涡旋湍流器（19）的外圆环直径фa=1.0～6.0米中选取，直径фa数值的选取，应根据干泥粉出口（20）的含水量要求进行选取；本发明在涡旋湍流器（19）的管内壁安装有涡旋板（35），涡旋板（35）数量为一个圆周4个，其尺寸选取如图7所示，图7中，l=10～15厘米，d=2～8毫米，u=4～10厘米，s=3～5厘米，涡旋板焊接在涡旋湍流器管内，热空气与滤泥在涡旋板作用下，在管内剧烈涡旋湍流，使气固相快速传热传质，水份快速进入气流中，然后一起进入旋流器（22），干泥粉从星形下料器（21）出来，干泥粉含水率可达到40%以下；旋流器（22）排出的气体，进入离心风机（23），经加压后送去第一级滚压脱水中，作为自循环尾气吹净滤布中使用，离心风机（23）的规格型号，与离心风机（17）相同。

在实施本发明的过程中，向泥浆中加入的碳酸锰粉末为工业级合格品质量，碳酸锰（mnco3）含量≥90%，氯化钠（cl^-）≤0.02%，重金属（以pb计）≤0.05%；加入的过氧化钠粉末为工业级合格品质量，分子式na2o2，分子量77.98,有效氧≥18%，含铁≤0.01%，上述两种成份用作絮凝剂，经本发明的操作使用，其絮凝效果很显著，应用前景广阔。

在实施本发明过程中，必须掌握絮凝作用进行的深度，控制碳酸锰和过氧化钠的加入量来控制絮凝作用深度；加入量过少，絮凝效果差，会直接影响下一步的泥浆脱水效率变差；反过来，若加入量过多，絮凝效果达到一定程度后效果不变，此时，过量使用絮凝剂会带来成本的增加，造成浪费。

本发明的独特创新之处如下：1、本发明独创碳酸锰和过氧化钠混用作絮凝剂，泥浆絮凝作用显著增强，为下一步的泥浆深度脱水提供了可能性；2、本发明采用梯形断面滤条，显著减小过滤阻力30%以上，既起节能效果，又为滤布气流吹净提供了可能性；3、本发明采用自循环尾气吹净滤布，省去了水洗工序和洗水回收系统；4、本发明特制涡旋板，采用第二级热气涡旋脱水，实现快速气固相传热传质，尾气经加压后，作自循环吹净滤布使用。

与当前使用的带式压滤机相比，本发明可节省动能20%以上，降低操作成本15%以上，脱水系统的泥浆处理能力增加一倍以上，排出的干泥粉含水率40%以下。

附图说明图１是本发明一种连续高效盾构泥浆脱水系统的原理流程示意图；图2是本发明的滤带编织平面示意图；图3是本发明的滤带编织断面示意图；图4是本发明的滤条平面与侧面示意图；图5是本发明的涡旋湍流器立面示意图；图6是本发明的涡旋湍流器俯视示意图；图7是本发明的涡旋板示意图。

图1～7中，1是泥浆，2是辅料，3是混料罐，4是布料档板，5是外滤带重力脱水，6是滚轮，7是滚轮，8是内滤带顶紧防偏器，9是滚轮，10是内滤带喷咀，11是内滤带，12是内滤带主动轮，13是外滤带主动轮，14是滤泥导管，15是空气进口，16是空气能热泵，17是离心风机，18是漏斗，19是涡旋湍流器，20是干泥粉出口，21是星形下料器，22是旋流器，23是离心风机，24是外滤带喷咀，25是滚轮，26是滚轮，27是滚轮，28是滚轮，29是外滤带，30是滚轮，31是外滤带顶紧防偏器，32是滚轮，33是不锈钢滤条，34是不锈钢钢丝，35是涡旋板。

具体实施方式以下通过具体的实施例对本发明进行更详细的描述：

一种连续高效盾构泥浆脱水系统，包括第一级滚压脱水、第二级热气涡旋脱水。其具体制造过程为：

１，第一级滚压脱水。它是在带式压滤机的基础上，作出三方面的重大创新：

第一方面创新，是碳酸锰和超氧化钠混用作絮凝剂，泥浆絮凝作用显著增强，用带搅拌的常温、常压容器作混料罐（3），要求一直开动搅拌器条件下工作，一边在罐内加入需处理的泥浆（1），一边向泥浆（1）中加入0.035%（泥浆重量比，以下同）碳酸锰粉末（作絮凝剂），同时还需加入0.016%过氧化钠粉末（作助剂），此操作是常温、常压下的搅拌混料连续化作业，经搅拌后由混料罐（3）控制出料流量，泥浆即经过混料罐（3）内的絮凝作用流出。

第二方面创新，是用梯形断面的滤条（33），此滤条（33）用不锈钢材质，在梯形断面图4中，长边为m，取m=2毫米，短边为n，取n=1毫米，要求m=2n，梯形高为p，p=0.8毫米；滤条（33）的长度h与滤带的宽度相同，滤条（33）用不锈钢钢丝（34）紧密编织而成，不锈钢钢丝（33）的线径为ф1.0毫米，编织时，不锈钢钢丝（33）相互紧挨着编织，如图2和图3所示，滤带总长度c，应根据整台设备要求，现场测量确定，外滤带（29）和内滤带（11）均用相同规格的滤带，只是总长度有所不同；滤带正面孔小，空隙率小，此面与滤泥接触，滤带背面孔大，空隙率大，这样，水从小孔挤压流到大孔出来。

第三方面创新，是用自循环尾气吹净滤布，由离心风机（23）送来自循环尾气，尾气通过喷咀来吹净滤布，根据滤带宽度，每隔15厘米宽度设置一个喷咀，也即是沿滤带宽度h做一排喷咀，形成与滤带总宽度h相等的一组喷咀，滤带正面和反面均需安装有喷咀，每个喷咀出口的口径为ф3.0毫米，内滤带喷咀（10）用于吹净内滤带（11）中使用；同样的规格，外滤带喷咀（24）用于吹净外滤带（29）中使用；上述的滤带喷咀两面吹净。

本发明的第一级滚压脱水的工艺操作过程是：泥浆经过混料罐（3）内的絮凝作用流出后，经过布料挡板（4）控制泥浆厚度，进入外滤带重力脱水（5），泥浆经重力脱水后，由外滤带（29）送入滚轮（6），外滤带（29）与内滤带（11）形成y形挤压脱水，泥浆在上述两个滤带中挤压，然后进入滚轮（27）再压缩脱水，然后进入滚轮（28）和滚轮（26）作s形挤压脱水，然后进入内带主动轮（12）和外带主动轮（13），在此进行刀片脱泥，脱出的滤泥由滤泥导管（14）送入漏斗（18）中；滤泥脱出后，内滤带（11）两面均进行内滤带喷咀（10）吹净，通过内滤带顶紧防偏器（8）和滚轮（9）后，去滚轮（7）后循环运转；外滤带（29）从外带主动轮（13）出来后，外滤带（29）两面也进行外滤带喷咀（24）吹净，后进入滚轮（25），再通过外滤带顶紧防偏器（31）和滚轮（30）后，去滚轮（32）循环运转。

２，第二级热气涡旋脱水。用空气能热泵（16）产生60℃热空气，用离心风机（17）加压，使风压达到5000pa以上，由第一级滚压脱水出来的滤泥，送入漏斗（18）中，漏斗（18）与离心风机（17）出口管相连接，滤泥掉入离心风机（17）出口管内，热空气与滤泥一起进入涡旋湍流器（19）中，涡旋湍流器（19）的管径фb=300毫米，管径фb的数值应满足管内的气流速度25米/秒；涡旋湍流器（19）的外圆环直径фa=4米；在涡旋湍流器（19）的管内壁安装有涡旋板（35），涡旋板（35）数量为一个圆周4个，其尺寸选取如图7所示，图7中，l=12厘米，d=4毫米，u=6厘米，s=3厘米，涡旋板焊接在涡旋湍流器管内，热空气与滤泥在涡旋板作用下，在管内剧烈涡旋湍流，使气固相快速传热传质，水份快速进入气流中，然后一起进入旋流器（22），干泥粉从星形下料器（21）出来，干泥粉含水率可达到40%以下；旋流器（22）排出的气体，进入离心风机（23），经加压后送去第一级滚压脱水中，作为自循环尾气吹净滤布中使用，离心风机（23）的规格型号，与离心风机（17）相同。