一种模拟泥浆内部增压-过滤脱水的试验装置

技术领域

本发明属于泥浆脱水效果检测领域的一种泥浆模拟试验装置，具体是涉及了模拟工程泥浆在内部增压-过滤脱水设备中的压滤过程的一种小试试验装置。

背景技术

工程泥浆指钻孔桩基施工、地下连续墙施工、泥水盾构施工、水平定向钻及泥水顶管等施工过程产生的泥浆，是建筑垃圾的一种。随着我国城市化进程的不断加快，工程泥浆产量急剧增加，如何进行安全环保处置成为当前各地面临的难题。

工程泥浆含水率高，常用机械脱水进行减量处理。目前，压滤机已经成为机械脱水方法中最为常用的设备，随着技术的发展，压滤机的种类主要分为：带式压滤机、板框压滤机、隔膜压滤机。其中，在工程泥浆脱水干化处理领域，带式压滤机和板框压滤机的运用十分广泛。

带式压滤机依靠辊筒张紧滤带，上下两层滤带之间形成滤室，经重力脱水预处理后的泥浆，进入作为过滤介质的两层张紧的滤带之间，由滤带的柔性张力对泥浆产生的机械挤压力作为过滤压力，使泥浆中的水分滤出，过滤压力来自于过滤介质外部。根据GB/T4774-2013(下同)，在过滤与分离原理上，属于压榨过滤。滤室的体积有所变化，滤室内泥浆固含量不变。

板框压滤机依靠液压油缸压紧各滤板，每两块滤板之间组成一个滤室，由入料泵将泥浆从入料口泵送至滤室内，当泥浆充满滤室后，通过入料泵从内部对泥浆流体增压，使其与滤布外侧大气压形成的压力差作为过滤压力，使泥浆中的水分滤出，过滤压力来自于过滤介质内部。在过滤与分离原理上，属于加压过滤。因滤室的体积不变，泵送进滤室内的泥浆固含量随时间不断增加。

受土质影响，不同场地来源的废弃泥浆物化性质差异明显，需要有针对性地调整压滤机的工艺参数，以保证压滤效果的稳定。基于经济性考虑，以上探究过程不适合直接通过压滤机进行，需要通过小试压滤模拟装置模拟压滤过程、测试压滤效果，进而指导工艺参数调整。

目前已有基于带式压滤机原理的小试模拟装置，比如专利CN 102614692 B。但还未有基于板框压滤机原理的小试模拟装置。

如果使用上述专利中的装置进行替代，用于模拟板框压滤机，存在以下不足：

1、使用活塞产生的来自于过滤介质外部的机械压力作为过滤压力，属于压榨过滤。

2、随着压滤过程的进行滤室体积逐渐减小，滤室内的泥浆固含量不变。

3、泥浆为一次性倒入，无法模拟泵送入料环节，无法模拟入料口“夹心层”的产生。

因此以上提到专利中的已有装置不适用于模拟板框压滤机的压滤过程。

随着工程泥浆脱水干化领域板框压滤机的广泛运用，现有技术中缺少了一套基于板框压滤机压滤原理的模拟装置，即泥浆内部增压-过滤脱水的试验装置，来模拟泥浆在板框压滤机的实际压滤过程，以反映真实的压滤效果。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种模拟泥浆内部增压-过滤脱水的试验装置，该装置结合板框压滤机的工作原理和机构特点，模拟了一个滤室内的泥浆压滤工况，真实还原了泥浆压滤的全过程，得到真实可靠的泥饼含水率、处理效率等数据，对实际工程的压滤工艺参数提供指导。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一、一种模拟泥浆内部增压-过滤脱水的试验装置：

装置包括入料模拟装置、滤室模拟装置、泥浆池和供压装置；入料模拟装置分别连接滤室模拟装置、泥浆池和供压装置；所述供压装置包括空气压缩机和调压阀。

所述入料模拟装置包括气缸底盖、气动换向阀、气缸筒体、气缸顶盖、位置指示器导轨、磁性位置指示器、第一活塞、泥浆加压缸筒体、泥浆加压缸顶盖、活塞连杆、第二活塞和泥浆加压缸底盖；气缸底盖和气缸顶盖之间通过气缸筒体连接，泥浆加压缸顶盖和泥浆加压缸底盖之间通过泥浆加压缸筒体连接，气缸顶盖和泥浆加压缸底盖通过连接螺栓连接，中盖气缸顶盖中间开设通孔使得气缸筒体和泥浆暂存室筒体泥浆加压缸筒体内腔同轴连通；气缸筒体内腔活动套装有第一活塞，泥浆加压缸筒体内腔活动套装有第二活塞，第一活塞和第二活塞之间通过活塞连杆同轴刚性连接，在第一活塞和气缸底盖之间的气缸筒体内腔形成第一压力腔，在第一活塞和气缸顶盖之间的气缸筒体内腔形成第二压力腔，在第二活塞和泥浆加压缸顶盖之间的泥浆加压缸筒体内腔形成泥浆加压室，形成泥浆入料装置的主体结构；气缸筒体两端分别在气缸底盖和气缸顶盖处开设有分别连通于第一压力腔和第二压力腔的第一通气口和第二通气口，空气压缩机、第一通气口和第二通气口均经各自的高压气管连通到气动换向阀的三个端口，通过气动换向阀切换空气压缩机输出的气流到第一压力腔和第二压力腔中；泥浆加压缸顶盖的两侧设有泥浆进口和泥浆出口，泥浆进口和泥浆出口经泥浆加压缸顶盖的内部通道和泥浆加压室连通，泥浆进口经真空泥浆输送管、入料止回阀和泥浆池连通，泥浆出口经出料止回阀和滤室模拟装置连接。

所述滤室模拟装置包括第一盖板、反力螺栓、入料口、环形壳体、出水口、滤布、第二盖板、量筒；第一盖板和第二盖板端面之间连接有环形壳体，环形壳体外围的第一盖板和第二盖板之间通过反力螺栓固定连接，第一盖板和第二盖板端面之间的环形壳体形成滤室；环形壳体一侧面开设有入料口，入料口经高压泥浆输送管和出料止回阀连接，第一盖板和第二盖板端面中心均开设有连通于滤室的通孔作为出水口，第一盖板和第二盖板的出水口外端经出水管连通到同一量筒；滤室内的第一盖板、第二盖板端面表面布置有滤布，滤布覆盖于出水口，滤室中的水分经滤布过滤后经由出水口流入量筒。

所述的第一盖板和第二盖板端面上开设有位于外圈的环形卡槽和位于环形卡槽中间的排水沟槽和径向流道，环形壳体通过硅胶垫圈接触压住滤布地嵌装置于环形卡槽内；多道排水沟槽同心环形布置，且多道排水沟槽之间通过径向流道连通于出水口，滤室中压滤过程产生的水分经滤布过滤后进入排水沟槽，再经径向流道从两盖板内侧的出水口沿着出水管流出，进入量筒。

所述的空气压缩机和气动换向阀之间的高压气管上安装有调压阀。

第一活塞外和气缸筒体之间设有第一密封圈，第二活塞外和泥浆加压缸筒体之间设有第二密封圈，活塞连杆外和气缸顶盖之间设有第三密封圈。

泥浆加压缸筒体外侧的泥浆加压缸底盖和泥浆加压缸顶盖之间连接有位置指示器导轨，磁性位置指示器套装在位置指示器导轨上，第二活塞上设有磁环，磁性位置指示器和第二活塞上的磁环磁性吸附配合。

第一盖板和第二盖板边缘开设有螺栓孔，反力螺栓穿过螺栓孔并施加作用力将第一盖板和第二盖板之间整体压紧形成滤室。

二、模拟泥浆内部增压-过滤脱水试验的方法，方法包括以下步骤：

步骤1：打开空气压缩机，调节调压阀至预设压力；

步骤2：初始情况下，滤室内没有泥浆，控制气动换向阀切换空气压缩机输出的气流到第一压力腔中，第二活塞向泥浆加压缸顶盖方向移动，使泥浆加压室内部空气通过高压泥浆输送管排入滤室，并从滤室的出水口排出到外部，实现排出空气；

步骤3：入料阶段：

首先通过气动换向阀切换空气压缩机输出的气流到第二压力腔中，使得第二压力腔加压和第一压力腔泄压，第一活塞和第二活塞整体向气缸底盖方向移动，实现第二活塞后退，观察磁性位置指示器位置直至第二活塞后退到泥浆加压缸底盖，泥浆加压室产生负压使泥浆从泥浆池通过真空泥浆输送管被吸入泥浆加压室；

接着通过气动换向阀切换空气压缩机输出的气流到第一压力腔中，使得第一压力腔加压和第二压力腔泄压，第一活塞和第二活塞整体向泥浆加压缸顶盖方向移动，实现第二活塞推进，观察磁性位置指示器位置直至第二活塞推进到泥浆加压缸顶盖，使泥浆加压室中泥浆通过高压泥浆输送管经入料口进入滤室；

步骤4：重复以上步骤直至泥浆充满滤室并进行恒压过滤达到预设压滤时间，以此模拟泥浆入料过程；

入料阶段结束后，控制气动换向阀切换和空气压缩机的工作，使得第二活塞向泥浆加压缸顶盖方向恒定移动，通过第二活塞的推进使泥浆加压室、高压泥浆输送管及滤室中的泥浆保持稳定的内部流体压力，达到预设压滤时间，以实现恒压过滤过程。

当第二活塞推进到底时，即第二活塞推进接触到泥浆加压缸顶盖时，泥浆加压室容积为零，再通过控制第二活塞的后退继续将泥浆从泥浆池吸入泥浆加压室，然后控制第二活塞推进让泥浆加压室中的泥浆进入滤室以继续恒压过滤过程。

步骤5：控制气动换向阀使得第一活塞和第二活塞整体向气缸底盖方向移动到底以卸除压力；

步骤6：拆解滤室模拟装置取出滤室中泥浆形成的泥饼，然后通过烘干法测定含水率及干重。

本发明对比已有的相关装置，特点在于使用入料模拟装置对泥浆产生的内部流体压力作为过滤压力，而非外部的机械挤压；过滤过程中滤室体积不变；入料模拟装置内泥浆可不断补充，保证持续入料；模拟滤室结构与实际十分接近，采用双面排水；通过观察位置指示器导轨上磁性位置指示器快速、便捷地掌握内部活塞位置；通过调节调压阀可以灵活施加不同的压滤压力。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、使用入料模拟装置对入料管及滤室中泥浆产生的内部流体压力作为过滤压力，与实际板框压滤机的过滤与分离原理一致。

2、模拟滤室结构与实际十分接近，采用双面排水，压滤过程中滤室体积不变，且能够模拟因入料口导致的“夹心层”形成，与实际板框压滤机滤室情况一致。

3、入料模拟装置内的泥浆可以不断补充，以保证持续入料，与实际板框压滤机的入料情况一致。

4、通过观察位置指示器导轨上带孔磁铁快速、便捷地掌握内部活塞的具体位置；通过气动换向阀可以方便地控制泥浆入料全过程。

5、试验过程中通过调节调压阀可以灵活施加不同的压滤压力；可根据实际工况采用不同的滤布进行试验。

本发明装置的工作原理及结构设计可有效还原板框压滤机压滤过程，方便、快捷，模拟效果好。

附图说明

图1为本发明所述模拟泥浆内部增压-过滤脱水的试验装置细节示意图；

图2为本发明所述第一盖板及第二盖板的正视图。

图中：气缸底盖1-1、第一通气口1-2、高压气管1-3、气动换向阀1-4、气缸筒体1-5、第二通气口1-6、气缸顶盖1-7、磁环1-8、位置指示器导轨1-9、磁性位置指示器1-10、第一密封圈1-11、第一活塞1-12、换气口1-13、泥浆加压缸筒体1-14、泥浆加压缸顶盖1-15、泥浆进口1-16、入料止回阀1-17、真空泥浆输送管1-18、活塞连杆1-19、第二活塞1-20、第二密封圈1-21、泥浆出口1-22、出料止回阀1-23、第一压力腔1-24、第二压力腔1-25、泥浆加压室1-26、连接螺栓1-27、泥浆加压缸底盖1-28、第三密封圈1-29、硅胶垫圈2-1、排水沟槽2-2、第一盖板2-3、反力螺栓2-4、高压泥浆输送管2-5、入料口2-6、环形壳体2-7、出水口2-8、滤布2-9、第二盖板2-10、出水管2-11、螺栓孔2-12、环形卡槽2-13、滤室2-14、量筒2-15、空气压缩机3-1、调压阀3-2、泥浆池4-1。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，包括入料模拟装置、滤室模拟装置、泥浆池4-1和供压装置；入料模拟装置分别连接滤室模拟装置、泥浆池4-1和供压装置。

供压装置用于为入料模拟装置提供稳定的气压，包括空气压缩机3-1和调压阀3-2。

入料模拟装置用于从泥浆池中吸取泥浆，将其输送到滤室模拟装置，并对泥浆产生内部流体压力作为过滤压力，包括气缸底盖1-1、气动换向阀1-4、气缸筒体1-5、气缸顶盖1-7、位置指示器导轨1-9、磁性位置指示器1-10、第一活塞1-12、泥浆加压缸筒体1-14、泥浆加压缸顶盖1-15、活塞连杆1-19和第二活塞1-20；气缸底盖1-1和气缸顶盖1-7之间通过气缸筒体1-5连接，气缸筒体1-5底部与气缸底盖1-1焊接，顶部与气缸顶盖1-7焊接，泥浆加压缸顶盖1-15和气缸顶盖1-7之间通过泥浆加压缸筒体1-14连接，泥浆加压缸筒体1-14底部与泥浆加压缸底盖1-28焊接，顶部与泥浆加压缸顶盖1-15焊接，气缸顶盖1-7和泥浆加压缸底盖1-28通过连接螺栓1-27连接；气缸筒体1-5内腔活动套装有第一活塞1-12，泥浆加压缸筒体1-14内腔活动套装有第二活塞1-20，第一活塞1-12外和气缸筒体1-5之间设有第一密封圈1-11，第二活塞1-20外和泥浆加压缸筒体1-14之间设有第二密封圈1-21。第一活塞1-12和第二活塞1-20之间通过活塞连杆1-19同轴刚性连接，活塞连杆1-19外和气缸顶盖1-7之间设有第三密封圈1-29。在第一活塞1-12和气缸底盖1-1之间的气缸筒体1-5内腔形成第一压力腔1-24，在第一活塞1-12和气缸顶盖1-7之间的气缸筒体1-5内腔形成第二压力腔1-25，在第二活塞1-20和泥浆加压缸顶盖1-15之间的泥浆加压缸筒体1-14内腔形成泥浆加压室1-26，形成泥浆入料装置的主体结构；气缸筒体1-5两端分别在气缸底盖1-1和气缸顶盖1-7处开设有分别连通于第一压力腔1-24和第二压力腔1-25的第一通气口1-2和第二通气口1-6，空气压缩机3-1、第一通气口1-2和第二通气口1-6均经各自的高压气管1-3连通到气动换向阀1-4的三个端口，空气压缩机3-1和气动换向阀1-4之间的高压气管1-3上安装有调压阀3-2，通过高压气管1-3将空气压缩机3-1、气动换向阀1-4与第一通气口1-2、第二通气口1-6相连用于控制第一压力腔1-24、第二压力腔1-25的气压，通过气动换向阀1-4切换空气压缩机3-1输出的气流到第一压力腔1-24和第二压力腔1-25中，通过气动换向阀1-4控制第一压力腔1-24、第二压力腔1-25的加压/泄压，实现第一活塞1-12朝向第一压力腔1-24或者朝向第二压力腔1-25的移动；泥浆加压缸顶盖1-15的两侧设有泥浆进口1-16和泥浆出口1-22，泥浆进口1-16和泥浆出口1-22经泥浆加压缸顶盖1-15的内部通道和泥浆加压室1-26连通，泥浆进口1-16经真空泥浆输送管1-18、入料止回阀1-17和泥浆池4-1连通，泥浆进口1-16和泥浆池4-1之间的真空泥浆输送管1-18上设有入料止回阀1-17，泥浆出口1-22经出料止回阀1-23和滤室模拟装置连接，两者外侧分别与入料止回阀1-17、出料止回阀1-23以控制泥浆定向流动。

入料模拟装置中泥浆进口1-16和泥浆出口1-22分别设有入料止回阀1-17、出料止回阀1-23以保证在第二活塞1-20后退时泥浆仅单向进入泥浆加压室1-26，在第二活塞1-20推进时泥浆仅从泥浆加压室1-26单向排出。

泥浆加压缸筒体1-14外侧的泥浆加压缸底盖1-28和泥浆加压缸顶盖1-15之间连接有位置指示器导轨1-9，位置指示器导轨1-9两端分别与泥浆加压缸底盖1-28、泥浆加压缸顶盖1-15焊接，磁性位置指示器1-10套装在位置指示器导轨1-9上，第二活塞1-20上设有磁环1-8，磁性位置指示器1-10和第二活塞1-20上的磁环1-8磁性吸附配合，磁性位置指示器1-10由于与第二活塞1-20上磁环1-8的吸引力在位置指示器导轨1-9上滑动以实时指示第二活塞1-20位置；磁性位置指示器1-10受到第二活塞1-20上磁环1-8的吸引力在位置指示器导轨1-9上滑动以实时指示第二活塞1-20位置，以此判断活塞推进与后退的进程，并在适当时间切换气动换向阀1-4以保证整体流畅性。

滤室模拟装置用于模拟泥浆在板框压滤机滤室内压滤过程，包括第一盖板2-3、反力螺栓2-4、入料口2-6、环形壳体2-7、出水口2-8、滤布2-9、第二盖板2-10、量筒2-15；第一盖板2-3和第二盖板2-10端面之间连接有环形壳体2-7，环形壳体2-7外围的第一盖板2-3和第二盖板2-10之间通过反力螺栓2-4固定连接，第一盖板2-3和第二盖板2-10端面之间的环形壳体2-7形成滤室2-14，第一盖板2-3和第二盖板2-10边缘开设有螺栓孔2-12，反力螺栓2-4穿过螺栓孔2-12并施加作用力将整体压紧形成滤室2-14；环形壳体2-7一侧面开设有入料口2-6，入料口2-6经高压泥浆输送管2-5和出料止回阀1-23连接，第一盖板2-3和第二盖板2-10端面中心均开设有连通于滤室2-14的通孔作为出水口2-8，第一盖板2-3和第二盖板2-10的出水口2-8外端经出水管2-11连通到同一量筒2-15；滤室2-14内的第一盖板2-3、第二盖板2-10端面表面布置有滤布2-9，滤布2-9覆盖于出水口2-8，滤室2-14中的水分经滤布2-9过滤后经由出水口2-8流入量筒2-15。这样通过反力螺栓2-4压紧滤室模拟装置以模拟板框压紧过程，滤室2-14的体积不变且为双面排水。

如图2所示，第一盖板2-3和第二盖板2-10端面上开设有位于外圈的环形卡槽2-13和位于环形卡槽2-13中间的排水沟槽2-2和径向流道，环形壳体2-7通过硅胶垫圈2-1接触压住滤布2-9地嵌装置于环形卡槽2-13内；多道排水沟槽2-2同心环形布置，且多道排水沟槽2-2之间通过径向流道连通于出水口2-8，滤室2-14中压滤过程产生的水分经滤布2-9过滤后进入排水沟槽2-2，再经径向流道从两盖板内侧的出水口2-8沿着出水管2-11流出，进入量筒2-15。这样第一盖板2-3及第二盖板2-10上均有排水沟槽2-2并与排水口2-8相连。

本发明实施例及其实施过程如下：

实施例1

泥浆取自深圳某地铁盾构渣土洗砂处理场，初始含水率约200％，洗砂控制粒径0.15mm，土颗粒比重2.71，含砂率17.05％。该处理场采用板框压滤机对洗砂泥浆进行脱水处理，过滤压力0.8MPa，单周期内压滤时长30min，根据监测数据，现场压滤后泥饼含水率平均值为41.97％。

为了模拟现场泥浆在压滤机中压滤的真实过程，采用本发明装置进行模拟试验，参数设置为压滤压力0.8MPa，压滤时长30min。

按照图1将各部件连接好，并检查气密性。根据活塞连杆原理计算，0.8MPa过滤压力对应的第一腔体1-24内的气压为0.288MPa，打开空气压缩机3-1，调节调压阀3-2至预设压力0.288Mpa。

将泥浆池4-1内的泥浆搅拌5分钟至均匀。

控制气动换向阀1-4使第一腔体1-24充气，第二腔体1-25放气，使第二活塞1-20推进到底排出泥浆加压室1-26内的空气。

控制气动换向阀1-4使第一腔体1-24放气，第二腔体1-25充气，使第二活塞1-20后退使泥浆池4-1内泥浆进入泥浆加压室1-26，观察磁性位置指示器1-10位置直至第二活塞1-20后退到底。

控制气动换向阀1-4使第一腔体1-24充气，第二腔体1-25放气，使第二活塞1-20推进使泥浆加压室1-26中的泥浆进入滤室2-14，此时刻记为压滤开始时间，观察磁性位置指示器1-10位置直至第二活塞1-20推进到底。

每当第二活塞1-20推进到底时重复上述从4-1泥浆池吸取泥浆、向滤室2-14输入泥浆的操作，直至达到预设压滤时间30min。

控制气动换向阀1-4使第一腔体1-24放气，第二腔体1-25充气，使第二活塞1-20后退到底以卸除压力。

拆解滤室模拟装置取出泥饼称量其质量为1852.27g记为m

根据

模拟滤室体积为1.257L，根据泥饼干质量换算得进入模拟滤室的泥浆总质量为3899.79g，每m

实施例2

泥浆取自杭州某桩基工程施工现场，初始含水率约180％，土颗粒比重2.62，含砂率2.4％。该泥浆含砂率极低，脱水处理难度大，拟添加NPAM絮凝剂进行调理以改善脱水性能，需探究絮凝剂的最优添加量，采用本发明装置进行模拟试验，设置NPAM添加量(质量分数，下同)为0.005％、0.01％、0.02％、0.04％、0.06％、0.08％六个对照组，参数设置为压滤压力1.9MPa，压滤时长120min。

取泥浆30kg分成6组，每组按照预设添加量加入絮凝剂，搅拌10min至充分混合，静置15小时。

按照图1将各部件连接好，并检查气密性。根据活塞连杆原理计算，1.9MPa过滤压力对应的第一腔体1-24内的气压为0.684MPa，打开空气压缩机3-1，调节调压阀3-2至预设压力0.684Mpa。

控制气动换向阀1-4使第一腔体1-24充气，第二腔体1-25放气，使第二活塞1-20推进到底排出泥浆加压室1-26内的空气。

控制气动换向阀1-4使第一腔体1-24放气，第二腔体1-25充气，使第二活塞1-20后退使泥浆池4-1内泥浆进入泥浆加压室1-26，观察磁性位置指示器1-10位置直至第二活塞1-20后退到底。

控制气动换向阀1-4使第一腔体1-24充气，第二腔体1-25放气，使第二活塞1-20推进使泥浆加压室1-26中的泥浆进入滤室2-14，此时刻记为压滤开始时间，观察磁性位置指示器1-10位置直至第二活塞1-20推进到底。

每当第二活塞1-20推进到底时重复上述从4-1泥浆池吸取泥浆、向滤室2-14输入泥浆的操作，直至达到预设压滤时间120min。

控制气动换向阀1-4使第一腔体1-24放气，第二腔体1-25充气，使第二活塞1-20后退到底以卸除压力。

拆解滤室模拟装置取出泥饼称量其质量为记为m

按照以上步骤依次进行6组试验，并根据

本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。