污泥阀的一种新型设计思路初步探讨

发布时间:2011-12-06  点击数:5918

    安阳钢厂用带式压滤机对高炉煤气循环洗涤水所产污泥进行脱水。由于机宽只有2m,且此循环水浓缩倍数较高,虽pH值在一范围内变化,时而呈酸性时而呈碱性,因此调节阀开大污水溢溅到设备主支架和轴承内,都对这些部位造成严重腐蚀,即使水体有时呈中性,但因浓缩倍数高,析出的盐分以结垢方式贴附于其上,造成严重的垢下腐蚀,且轴承磨损加大;还由于絮凝剂浓度和污泥品质不稳定,导致处理效果有时不理想,部分污物透过滤网落入集水斗中,造成排水不畅和污泥外溢泄漏,所以,其进料管上安装过的旋塞阀蝶阀闸阀这三种手动阀门,均在小开度下工作。使用期间,频繁发生阀门堵塞现象,造成药剂等浪费和设备的无功磨损,阀门需经常操作调节,其寿命大大缩减,因此常被更换。

一、情况分析

    1.污泥介质概况

    高炉煤气循环洗涤水污物成分复杂,不溶解固形物含量高,浊度、色度高,经絮凝沉淀浓缩后,此种污泥黏度大,流动阻力大,常为黏塑性非牛顿流体。由于此种污泥的成分、含量和絮凝剂浓度均在变化,使得其黏性及相关参数也在改变,所以此种流体流动状态应属于非均匀且非恒定流。为了有助于理论分析,先将其视为均匀恒定流。

    2.圆管内牛顿、黏塑性流体的流动及实际流速分布、流动特性

    牛顿流体流动状态有层流和紊流两种。此性质对高含水率污泥也适用,实际中,流体在管或渠道内流动,层流、紊流均可能发生。其速度分布如图1所示。

图1 圆管内牛顿流体的流动状态示意图

(a)层流速度分布示意图(b)紊流速度分布示意图

注:δε为黏性底层,B为紊流核心区。

    从图1中可看出,层流状态下流体中心处即轴心流线上速度最大,越接近边壁速度越低;紊流状态下流体中心处即紊流核心区轴心流线上速度最大,且两种状态下边壁处速度均为零。黏性底层的速度分布由边壁向紊流核心区逐渐增大,在紊流核心区的边界处达到最大。黏塑性流体在管内流动时有一固体核心,在此核心内无相对运动,靠近边壁则有速度梯度,可视为黏塑性流体流动时的黏性底层。如图2所示。

图2 圆管内黏塑性流体的流动特性示意图

注:δε为黏性底层,B为固体核心。

    3.对三种阀门堵塞原因的初步分析

    由于各自的结构和流量特性不同,所以旋塞阀、蝶阀和闸阀在操作性、对流体的控制和过流性能等方面都各有所长。全开启度下,除蝶阀阻扰相对速度较大的主流区程度深,且过流断面被阀板分为形状均非圆形的两部分外,旋塞阀和闸阀理论认为都能使流体顺畅通过,流谱均匀平直无变化。但在小开度下,如图3所示,这三种阀的节流口结构形式虽不同,但均偏离原管路中心较远且其形状较原上游管路均匀流处过流断面形状改变过大,使得此段流谱弯曲波动、疏密程度改变剧烈又严重,流动均匀性遭到破坏,流速大小、方向及分布发生很大变化,这其中包括上游管路内均匀流的轴心流线也受很大程度干扰;加上节流口都对流体产生节流作用,致使流量减少,上游管路内均匀流的流速下降,且流体在通过节流口之前的急变流处压力先稍有上升,这使其流速稍有下降,但紧接着压力很快下降,流速很快上升,对于旋塞阀、闸阀(如图3a、图3b)而言此处有死水区和大团旋涡产生,死水区污物沉积,而旋涡外围封闭曲线的不规则,使得旋涡内微团线速度差异较大,速度小之处污物易发生沉积,当死水区和旋涡区沉积物足够大时,受实际流体较大波动的干扰和冲刷等因素的影响,会有大小不等、相对较密实的部分污泥块被冲掉并带到形状不很理想的节流口,易使其堵塞;对于蝶阀(如图3c)此时有部分绕流的特征,在阀板上游流线出现分岔点(即驻点),此点流速为零,污物在此处与阀板之间易于沉积,当沉积物体积足够大时,受实际流体较大波动的干扰和冲刷等因素的影响,可能会出现较大块或整块污泥团沿阀板斜面滑向相对靠下游且形状不很理想的一节流口,若这时此节流口被堵塞,流体只能从另一侧节流口通过,之后的堵塞过程基本类似于前两者。另外,即便是牛顿流体通过节流口时,由于节流口形状改变过大,不很理想,面积急剧变化,流通面积缩小,流速相对升高,压力相对下降,易产生阻塞流。所以实际情况便是这三种阀门频繁堵塞。

图3 小开度下三种阀过流、流谱可能的变化情况及节流口形状示意图

(a)旋塞阀(b)闸阀(c)蝶阀

1.旋塞 2.管道 3.闸板 4.阀体 5.阀板 6.节流口

二、类似泄空(或称放空)模拟试验

    1.试验前情况概述

    由于所在工作地点通过实际生产已确认旋塞阀和蝶阀用于污泥调节不合适,目前只用闸阀,所以此试验只是通过类似的方法定性模拟闸阀和污泥阀泄空时的过流情况。因经济、居住条件及其他因素有限,所以此试验在家中进行。

    2.试验器具、理论依据概述、测试方法过程及结果

    实际生产中,污泥经楼顶浓缩罐从底端出口排出,其排泥管与压滤机进料管均为DN120无缝钢管,调节阀安在立管上,与浓缩罐底端出口高差为4.2m。本试验采用三截两端平齐,无毛刺,长度为492±1mm,ø50mm×2mm白色PVC管,实测外径51mm,壁厚2mm;一端黏接一透明内壁光滑平直无褶皱内径52mm,外径53mm塑料管;将底端用透明塑料板粘牢,并在其上不同位置开不同形状的小过流口,这是为了模拟阀门在小开度下工作时的过流情况。所得试验用平直管总长为572±1mm。污泥介质以当地素土均按自然堆积状态下以不同土水体积比例混合制成;其中,以土∶水约为(1.5~1.8)∶1所混合的很稠的具有明显黏塑性流体待征的污泥介质为模拟高炉全开污泥量很大的情况,以土∶水约为1∶(5~4)所混合的较稀的仍保有牛顿流体特性的污泥介质为模拟高炉全检修污泥量极少的情况。混合时拣出其中粒径相对较大的石块,只留一部分小砂粒,以此来模拟实际中由于结垢或较硬积泥块对过流的影响。

    试验所依理论由流体力学可知,相同材质、内壁粗糙度、内径、长度且竖直放置的管子,其内装满相同流体介质,虽放空过程中压力水头逐渐减小,但初始压力水头相等,填装流体介质体积相等,泄空时沿程阻力也相等,所以当底端泄空过流口形状和位置不同时,即便是相同的过流面积,也会因局部阻力、过流方式等不同,造成流量不等,从而泄空时间各不相等。所以此试验是以一手堵住出流口并将管竖直托放平稳,一手向管内装满所配污流体介质,准备就绪,突然放开泄空过流口,另一人同时快速按下秒表,当堵塞或流完时再快速按下秒表,以这种计时的方法测定各自的泄空时间。测试结果见下表。

相同条件下不同位置、形状过流口泄空时间表

    从表中可看出:当介质为黏塑性流体,模拟污泥阀以中间开圆小孔的泄空方式,所用时间最短,且稳定均匀,说明以此方式过流,水力条件好,污介质过流速度快且过流能力稳定;当圆孔开在贴近管壁一侧,泄空时间也稳定均匀,但时间加长较明显,说明其水力条件不是太好;模拟闸阀的单侧弯月形泄空过流口,其时间已明显加长且极易堵塞很不稳定。当流体中虽有污杂物,但仍为牛顿流体时,以中间开圆孔的泄空方式,所用时间依然较短且稳定均匀;单侧贴近管壁开圆孔,所用时间较稳定均匀但有所加长;单侧弯月形泄空过流口,所用时间变化幅度大且极不稳定,当过流面积为第一个的两倍时,其最短时间也未达到第一个所用时间的一半,况且有时所用时间已超出第一个的最长时间。试验结束后通过下端透明管观察节流口上游积泥情况:中间开圆孔时,其节流口上游四周有一圈连续的积泥且高度基本一致,内侧曲面虽不平整完美但基本为沙漏状;单侧出流的圆孔或弯月形孔,积泥集中在一侧且有一个最高点,此处基本与过流口正对,其余以最高点对称向两边降低。

    3.对此类似模拟试验的见解

    此试验所配污流体介质虽只是实际中连续变化不定的所有情况中的两种,有一定的代表性;对试验用管的加工和制作虽力求精确,但仍存在一定误差,且受其他各种条件限制,所以本试验有局限性,只是一次定性的有助于分析问题的辅助性试验,仅供参考。

三、相关理论依据、解决方法及设计方案

    1.理论依据

    根据牛顿惯性定律可知,物体动静状态下皆有此性质,流体介质也一样,所以当流体经过一段足够长直的圆管后,已具有一定惯性,理论上可认为其流动状态、速度分布等已确立,属于流体在圆管内的流动情况。这之后,当流体通过一调节阀,若此阀开度较小,这时会由于节流口形状改变过大,流通面积急剧缩小,过流位置偏离原管路中心较远,且由于惯性的存在,本要以流谱平直,流速分布均匀又对称的方式顺畅通过,却受很大程度阻碍和干扰,流谱急剧弯曲,疏密程度改变很大,原上游管路均匀流的轴心流线偏离中心较远、弯曲猛烈,均匀又对称的流速分布被破坏,发生剧烈的重新分布,易产生阻塞流。

    加上流体流经一不论尺寸为几形状为何的物体时,在边壁处总有无法完全消除的低流速区或黏性底层,当为牛顿流体,发生层流或紊流处在水力光滑区时,边壁的粗糙度被低流速区或黏性底层所淹没,所以较高流速区或紊流核心基本不受粗糙度阻力的影响,但低流速会使污物较易沉积,这会让过流通道变窄以致过流能力下降,当有部分沉积物受主流扰动或冲刷等影响而脱落时,可能会使下游节流口发生堵塞而丧失过流能力;当紊流处于水力粗糙区,边壁受到冲刷,黏性底层变薄,污物不易沉积,但粗糙度伸入紊流核心,使其脉动加剧,受阻增大,这也可使过流能力下降;当为黏塑性流体,因其固有的流动特性,使得黏性底层对固体核心的影响基本类似于牛顿流体紊流状态下的情况,因此有上、下临界设计流速在阀门全开时的相关文献参考数值,但当阀门开度不同时,常难满足要求。且流体经过节流口前后会发生旋涡、空化、水锤、死水区和二次流等水力现象,其中死水区和旋涡有利于流体中较重杂质或污物的沉积,且沉积污物有一定的密实度和稳固性,便会在与主流接触一侧形成一个较为稳定的曲面,其形状依节流口形状和偏离管中心位置的不同而不同,这一现象对于污介质流体而言不会被完全消除,但可被利用。

    所以,解决这一问题的方法是:使阀门在调节过程中尽量使原管路内的轴心流线不偏离中心,让流体流经阀门时,不论阀门开启度大小,总令最大流速所在流线及其邻域能从阀门的中间通过;还要尽可能地保证流体流经阀门时,节流口形状接近圆形这一水力最优断面;并尽量减小主流与阀芯或由阀芯所构成过流通道的接触面积,以便减少与阀芯有关且会出现的低流速区或黏性底层对过流能力的影响;并且利用污泥这一实际流体在死水区和旋涡处沉积有一定密实度和稳固性的污物能形成较稳定过流接触曲面这一现象,使得实际流体在通过小开度的此污泥阀节流口时能在其上游形成自然的同心渐缩流。

    2.过流情况及相关初步分析说明

    过流情况示意图如图4。

图4污泥阀不同开度下过流、流谱可能的变化情况,沉积物堆积的可能边壁曲线及节流口形状示意图

(a)阀门全开情况(b)小开度情况(c)某一较小开度情况

1.节流口 2.内管 3.阀瓣 4.阀体 5.管道

    从图中可看出:当阀门全开(如图4a),从理论上讲流体能顺畅通过,流谱均匀平直无变化。小开度下(如图4b),由于多个阀瓣所围成的节流口形状在任何开度下均接近圆形这一水力最优断面,且其中心与管路中心重合,这可确保节流口上游管路均匀流处的轴心流线不发生偏离和弯曲的顺畅流过,也可确保其邻域内流谱发生很小弯曲较顺畅的流过;还可使节流口上下游急变流流场中除轴心流线的其他流线对称地向中心收缩或以中心放散,形成以轴心流线为对称轴,分布对称的急变流流谱,这样能使主流的波动很小,流动的均匀性虽受一定程度干扰,但并未遭完全破坏,流速的分布仍然保持对称;其效果应是:虽然流通面积急剧缩小,流速升高,压力下降,但节流口形状接近圆形,水力条件较为理想,且过流位置较原管路中心无偏离,所以构成阻塞流的条件不完整。再由于阀瓣的阻挡节流作用,使得节流口前后的急变流周围形成难以避免的死水区和旋涡,此处易沉积污物,但其具有一定的密实度和稳固性,尤其在节流口上游产生沉积物的堆积,形成较稳定的过流接触曲面;当在某一较小开度下,流量稳定,主流的波动很小且冲刷也不致将堆积沉积物破坏,此时就会以图4c中所示虚线为边壁,形成自然的同心渐缩流,大大降低了由旋涡产生的不利影响。还由于阀瓣的结构形状和运动方式,使得主流经过节流口时,与其所接触的面积很小,从而大大减少了与阀芯有关且会出现的低流速区或黏性底层对主流的影响。最终要达到的目的是:此污泥阀在不同开度、不同流量下,均能令实际污介质流体顺利通过,不易发生堵塞现象。

    3.设计方案及动作原理

    设计方案示意图如图5。

图5 污泥阀结构示意图

1.蜗杆 2.齿轮块 3.直齿轮 4.转动板(或称为阀瓣) 5.内管

    动作原理:蜗杆受力矩作用,绕轴转动,带动齿轮块,在图5所示时,做顺或逆时针转动,齿轮块的转动带动直齿轮及在其下端固定的阀瓣在同一位置,做绕直齿轮所在柱体轴线的转动;在开启状态下阀瓣的曲线边一侧朝向流体,曲线是为了使阀门在动作调节时,阀瓣所构成的节流口边界接近圆形,并且在全开状态下,曲边所构成的圆与内管的外径所在圆,在如图5所示时,其两者垂直纸面的投影完全重合,也就是全开状态下过流断面为圆形。另外每一个阀瓣的上、下表面均为光滑的斜面,这是为了让阀门在动作调节时,使阀瓣之间不会出现理论上所讲的贯穿现象,即不互相碰撞;并且还可使其与主流的接触面积大大减小。

    此污泥阀尚处于构想阶段,并未造出实际物体,对于易堵塞介质流体,目前所采用的办法是选择可调性最佳、最理想的孔形,是在所有开度时,能成为方形或等边三角形。所以此阀门设计的过流孔形不仅所有开度时,均接近圆形且位置始终在管路中央,保持不变,认为此污泥阀的设计核心思想及初衷应是较为合理和正确的,应能解决污介质流体易在阀门处堵塞这一实际问题;并且此解决方法和设计方案的合理性和可行性已得到理论上的证明,并注册了专利,已获证书。