管道输送危险废物固体泵的研制

郭光明1,2 郑晓雯1 Pierre Jean Charnay2
1 中国矿业大学（北京） 北京 100083 2 碎得机械（北京）有限公司 北京 101399

摘 要：焚烧法是最有效的处理危险废物的方法，SMP 系统是焚烧工艺理想的进料系统，在该系统中固体泵是整个系统的核心设备，为整个管道输送系统提供动力。介绍了固体泵的组成，阐述了固体泵的工作原理。

关键词：危险废物；SMP 系统；固体泵；非牛顿流体

中图分类号： TH232 文献标识码：B 文章编号：1001-0785（2018）10-0101-04

0 引言
危险废物是具有腐蚀性、急性毒性、反应性、传染性、放射性等一种或一种以上危害特性的废物[1]。焚烧法因其在处理危险废物时能同时实现减量化、无害化以及资源化，被认为是最有效的处理危险废物的方法，也是我国危险废弃物集中处理中心主要采用的方法[2]。危险废物的收集容器为铁桶、塑料桶、编织袋等，焚烧法需要将危险废物连同收集容器一起破碎、混合及泵送到回转窑中进行燃烧[3]。SMP 系统是废弃物破碎（Shredding）、混合(Mixing) 和泵送(Pumping) 过程的集成系统。该系统是回转窑焚烧工艺理想的进料系统，可保证向回转窑连续、稳定地提供经调质、调热的物料[4]。固体泵主要输送的介质包含固体蒸馏残渣、编织袋、铁桶皮、废液、蒸馏残液等，属于危险固体废弃物，为难输送介质。物料包含固体、液体，为固液二相流体，属于非牛顿流体。固体泵为整个管道输送系统提供动力，固体泵性能的优劣将直接关系到整个输送系统性能的优劣[5]。

1 固体泵的组成和设计
固体泵是带有滑动闸板阀的单柱塞泵，用来输送干固体含量较高及异物( 桶破碎后的带状物、木材等) 含量较高的难以输送的物料。当主柱塞向前移动时将废料送入高压管道直至进入焚烧窑。危险废物输送时完全封闭，最大程度地减少了人员与废料的接触。固体泵主要由机械执行机构、液压、电气控制三大部分组成。其中机械执行部分完成吸料、排料；液压部分为整个系统提供动力，完成调速、换向等[5，6]。

固体泵主要技术参数：吸料与排料速度 0~0.15m/s；电机功率 132 kW；物料液压缸 缸径0.24 m，杆径0.13 m，行程1.42 m；柱塞头直径 0.35 m；系统压力 25 MPa。

1.1 机械部分
固体泵主要包括吸料装置、排料切割装置和闸板阀装置，如图1 所示。

1. 进料口 2. 泵体 3. 闸板密封系统 4. 闸板液压缸5. 闸板柱塞链接块 6. 闸盖 7. 闸板柱塞杆 8. 闸板 9.泵体耐磨内圆筒 10. 切割环 11. 进料半圆筒 12. 柱塞头13. 底座 14. 连接管 15. 液压缸位置传感器 16. 物料液压缸 17. 主柱塞 18. 柱塞导向筒 19. 主柱塞密封系统
图1 固体泵结构

1.1.1 吸料装置
如图2 所示，吸料装置包括检修门、进料口和连接法兰，物料由于自重或者螺旋预压从进料口进入。连接法兰可以旋转，满足45°、90°等不同角度安装要求。检修门可以打开检查泵体内部情况。

1. 检修门 2. 进料口 3. 连接法兰
图2 吸料装置

1.1.2 排料切割装置
排料切割装置组成如图1 所示，主要包括物料液压缸、主柱塞、柱塞头、主柱塞密封系统及液压缸位置传感器。采用高精度液压缸位置传感器能精确控制物料液压缸的行程。由于物料内含有铁皮、塑料等，当柱塞头向前泵送时，与切割环形成切割装置，能够将固体物料切断后进入泵体耐磨内圆筒内。主柱塞密封系统泵送物料时，由于高压可防止物料从柱塞头四周挤压出来。如果物料的尺寸大于切割环的内径，柱塞头外沿与切割环内沿形成切割刃，破断物料，物料能顺利进入到切割环内，便于输送。物料的酸性与碱性以及铁皮等异物会对一般泵送设备的活塞密封产生破坏，因此该柱塞头和切割环都采用特种合金钢，二者之间间隙非常小，主要依靠物料的黏性来防止物料从间隙泄漏，从而保证比较高的容积效率[7]。切割环根据泵送物料的不同，可以设计成0 ～ 45°不同角度来满足最佳剪切效果，如图3 所示。

图3 切割环

图4 所示主密封系统主要由2 个机械刮刀、2 根弹簧、1 个挡圈、1 套组合密封、1 个铜套组成，其中机械刮刀由三瓣弧形球墨铸铁组成，在弹簧的作用下紧贴主柱塞的外表面，用于清理主柱塞上的物料。铜套上有油槽，主要用于给密封系统加注润滑油。

1. 机械刮刀 2. 弹簧 3. 挡圈4. 组合密封 5. 铜套 6. 压盖
图4 主密封系统

1.1.3 闸板阀装置
如图1 所示，闸板阀装置包括闸板液压缸、闸盖、闸板、闸板密封系统、闸板柱塞联结块等。当泵送物料时，闸板液压缸提升，闸板向上运行，物料泵送出去。由于该物料酸性或者碱性比较大，设计了闸板密封系统保证物料不从闸板阀装置里泄漏出来，该密封系统设计方案与主密封系统方案相同。

该闸板阀装置不仅具有通断功能，还具有切断功能。由于泵送的物料异物比较多，容易造成闸板无法关闭到底，造成物料返流，容积效率降低。因此，闸刀采用特殊合金钢材料，下部有刀刃，具有切割功能，刀刃朝高压管路方向，当向下切料时，右侧平面沿着切割头平面向下运动，将切断的物料挤入左侧管道内，见图5。

图5 闸刀

1.2 液压部分

如图6 所示，采用泵—缸容积调速回路，没有溢流损失和节流损失，工作压力随负载变化而变化，因此效率高，发热少。物料液压缸运动速度通过改变Parker变量柱塞泵的排量来调节。同时物料液压缸安装位置传感器实现位置的精确控制，液压缸在挤压阶段与准备阶段实现大流量高速运行，排料阶段实现低速大扭矩运行，将物料输送到比较远的距离。

物料液压缸活塞伸出时，液压油由平衡阀1 中单向阀进入无杆腔，由有杆腔排出到油箱。当活塞收回时，液压油由有杆腔进入，由无杆腔排出到油箱。由于平衡阀2 的设定压力低于阀1，因此液压油首先由平衡阀2排出到油箱，如果回油压力高，平衡阀1 也同时打开回油。

物料液压缸与闸板液压缸都采用平衡阀，可以闭锁液压缸中的油液，使液压缸不会因负载重力而下滑，起到闭锁作用。

1. 电机 2. 变量柱塞泵 3. 叠加式换向阀 4. 平衡阀15. 平衡阀2 6. 物料液压缸 7. 换向阀 8. 闸板液压缸
图6 液压系统原理图

2 固体泵的工作原理
固体泵实物如图7 所示，固体泵的工作原理如图8所示。
1）吸料阶段：当物料液压缸向后退至最末端时等待数秒，物料由预压螺旋喂料器或在重力作用下进入进料口并完全充满；
2）挤压阶段：物料液压缸向前挤压物料，保证泵体耐磨内圆筒内物料充满；
3）闸板打开阶段：打开闸板，泵体耐磨内圆筒与管道相通；
4）排料阶段：物料液压缸向前推送物料至闸板位置，物料被挤压进入管道；
5）闸板关闭阶段：关闭闸板，防止泵体耐磨内圆筒与管道相通；
6）准备阶段：物料液压缸后退，准备进入第1）步。

图7 固体泵

图8 固体泵工作原理

3 结论
固体泵的研制成功对于管道输送危险废物意义重大，它不仅解决了常规设备无法泵送含有铁皮等酸碱性危险废物的非牛顿流体的问题，同时采用特殊密封设计，减小了泄漏。

参考文献
[1] HJ/T 176—2005 危险废弃物集中焚烧处置工程建设技术规范[S] . 北京：中国环境出版社，2005.
[2] 周俐萍. 中美危险固体废弃物管理比较研究及对我国的启示[J]. 生态经济，2009（10）：169-173.
[3] 张锦泰，黄亚继，刘秀宁，等. 高浓度有机废液的焚烧特性实验研究[J]. 环境工程，2017，35(9)：13-17.
[4] 朱江，蒋旭光，刘刚，等. 回转窑处理危险废弃物技术探讨[J]. 环境工程，2004，22（5)：57-61.
[5] 郭光明，马星民，赵巧芝，等. 高浓度黏稠物料吸入特性测试装置的研制[J]. 矿山机械，2008，36(21)：66-69.
[6] 郭光明，马星民，赵巧芝，等. 基于吸入容积效率实测活塞泵排量的实验研究[J]. 仪器仪表学报，2009，30(9)：1 985-1 989.
[7] 秦鹏. 液压驱动固体泵对有机废物的输送[J]. 环境卫生工程，2009，17(3)：31-35.