一种无轴螺旋排砂装置设计

摘 要：针对两种传统沉砂池提砂法、气提提砂法和砂泵抽砂法所存在的易堵料，堵料后严重影响输送系统，大块颗粒吸入管和叶轮流道，使得泵转速下降，叶轮磨损，使用寿命减短的问题，发明了一种无轴螺旋排砂装置。该装置具有输送量大、能耗低、排料口不堵塞、操作简便和经济耐用等优点，本技术已在国内多个市政工程中得到成功應用。

关键词：提砂；无轴螺旋；二次砂水分离；排砂；含水率

中图分类号：TU892 文献标志码：A

0 引言

在污水处理厂预处理工程中，预处理的工艺流程主要包括污水先经过格栅和筛网滤走较大的悬浮固体物，然后进入沉砂池进行沉淀分离，最后砂池泥斗里的砂水混合物通过砂水分离器进行分离。其中沉砂的目的是利用无机颗粒与污水的比重差异，让无机颗粒通过自重沉淀到池底以达到筛选分离的目的。沉砂池传统的排砂方式一般分为两种：一种为气力提升泵法，另一种为砂泵抽砂法。

1 传统排砂法存在的问题

1.1 气力提升泵法存在的问题

气力提升泵法是利用空气提砂机将比重较小的物质抽吸至污水，比重较大的砂砾等固体物通过自重沉降到池底，然后利用压缩空气将沉降在池底的砂砾、污泥等密度较大的颗粒和污水混合物搅动起来，抽吸提升到砂水分离器。这种方法不仅适用于城市污水也可应用于工业废水处理厂的旋流式砂池。

气力提升泵法主要使用的设备是气提泵，该设备输送物料的方式为垂直输送轨迹，运输管道为密闭腔体。当气力提升泵工作运行时，抽吸的空气将作为载体带动物料在腔体内快速流动，为确保物料在输送管道内流动顺畅，压缩空气必须保证一定的流动速度，若空气流通不顺畅使得载体失败，物料无法正常移动，或空气升力不足使得物料无法悬浮在运输管道中，就会沉积在管道侧壁造成物料堵塞成团。物料堵塞最直接影响就是物料淤积成团无法流通，使得运输流程截止，造成整个运输系统的瘫痪。一旦堵料发生中断生产，造成的经济损失也是无法估量的。

1.2 砂泵抽砂法存在的问题

砂泵抽砂法是将抽砂泵安装到沉砂池砂斗内，砂泵抽砂后，用砂水分离器脱水，将砂渣外排，分离后的滤液回流至工艺流程中。

同气提提砂法，在提砂过程中，大块颗粒易堵塞吸入管和叶轮流道，使得泵转速下降，叶轮磨损，使用寿命减短。

这两种传统的砂渣提取方法都具有较高的含水率，需要对砂和水进行二次分离。在抽砂过程中，传统方法大部分的能量都消耗在提升水中，使得操作成本增高。传统的搅拌式潜水泵的杨砂过程同样易堵塞，造成设备损坏更换，从而使得操作成本增高。

为克服提砂泵（或空气提砂机）在输送物料时不均匀、易堵塞、物料回流至叶轮发生磨损所存在的不足，本文提出一种无轴螺旋排砂装置。该装置不仅能有效保证砂石的输送效率，还可减少提砂泵堵料、耗能和叶轮易磨损的现象。

2 工作原理

该装置采用无轴螺旋排砂机排砂，将无轴螺旋体依附于砂池内的积砂斗侧壁安装，角度由积砂斗侧壁的急缓程度决定。通过无轴螺旋体旋转时产生的挠性牵引力将积砂斗内的砾石搅动扬送至卸砂口，由于砂水摩擦系数的不同，砂砾借助螺旋体的机械升力向上运输，水则通过重力作用部分回流至砂池，从而达到砂水分离的目的。此时得到的砂渣含水量较低，无需进行二次脱水即可由皮带运输机直接外运。

3 结构设计

如图1所示，该装置的工艺技术方案为：这种用于沉砂池砂斗内排砂的无轴螺旋排砂机，包括无轴螺旋体、导槽、轴承函和驱动装置。其中无轴螺旋体由数段无轴螺旋焊接，并与其端部的传动凸缘焊成一个整体。导槽包括管型槽，槽内壁嵌入耐磨衬条，导槽卸水段的槽体下侧设置泄水孔。轴承函依靠导槽支持，承受螺旋运行时产生的径向荷载和轴向荷载。驱动装置包括电动机、减速器、联轴器。

3.1 连接方式

沉砂池底部的砂斗与该设备的砂槽前端部分相连，砂槽依附于砂斗的侧壁并且砂槽顶端开孔嵌入砂斗中，为保证设备运行时不移位需要通过二次浇注固定砂槽的方式来确保其稳定性。砂槽上表面设有落砂孔，便于砂斗内砾石流入扬砂通道。

这种连接方式减少了无轴螺旋排砂装置前端进沙口与砂斗之间的连接空隙，使得沉砂池里的沙砾有效地落入导管前端的落砂孔。当无轴螺旋体通过旋转产生的挠性牵引力将落砂孔内的沙砾搅动向上提升时，运走的沙砾导致落砂孔短暂地出现空洞，砂斗内的沙砾由于重力作用源源不断地补进落砂孔，使得排砂过程连续进行。

3.2 砂槽的设置

砂槽前端固定在砂斗内部，与砂斗形成一个整体。砂槽由不锈钢材料制成，包裹在无轴螺旋体外部，其长度由沉砂池内的最高液位决定。浸没在水面以下的无轴螺旋体置于砂槽的封闭式腔体内，可以保证沉砂池内的水流扰动不会影响砂砾的输送行程。水面以上的无轴螺旋体置于半封闭式砂槽内，既方便操作者观察物料的运输情况，也可减少设备的成本投入。

3.3 安装角度

输送量是衡量无轴螺旋排砂机输送能力的一个重要指标，物料输送量可粗略按下式计算：

由式（1）、（2）可以看出无轴螺旋排砂装置的倾斜角与排砂输送量是负相关关系。当无轴螺旋排砂机的安装倾斜角度增加时，输送能力是随之迅速降低的。

因此，在满足工作条件的前提下，无轴螺旋排砂装置应尽量避免过倾布置。为提高输送效率，砂槽和水平面的倾斜角α应控制在10°～30°。

3.4 砂斗的设置

沉砂池的砂斗是用来收集污水经过沉砂池自然沉淀后的砂砾。由于无轴螺旋体和砂槽是依附砂斗侧壁安装的。所以砂斗侧壁的倾角设置与无轴螺旋排砂机的安装角度一致，砂斗安装设备一侧的倾斜角α应控制在10°～30°。

砂斗非安装一侧的侧壁倾斜角应尽量设置得较大，方便沉砂池内自然沉淀的砂砾落入砂斗，不会因为砂砾摩擦力而淤积在沉砂池池底无法滚落至砂斗。建议非安装一侧的侧壁倾斜角控制在60°～90°。

由于砂槽前端固定在砂斗内部，与砂斗形成一个整体，所以在砂斗施工时，要求砂斗底部先预留好安装孔洞的尺寸，待砂槽放入后，方可用混凝土二次浇筑固定。砂槽安装时，应注意落砂孔的边缘应与砂斗斗底水平平齐，若落砂孔边缘高于斗底易产生积砂。

3.5 耐磨层的设置

由于无轴螺旋体会因为其自重而接近管腔下壁，所以在砂槽的下壁上会设有一层耐磨层，从而可以通过耐磨层来缓冲无轴螺旋体与管道之间的磨损；而耐磨层也可以填补轴向之间的间隙从而增加摩擦力，防止提升过程中砾石滑动回流。

3.6 泄水孔的设置

导槽包括管型槽，槽内壁嵌入耐磨衬条，导槽卸水段的槽体下侧设置多个直径为1mm左右的泄水孔。

当砂砾输送至导槽卸水段时，由无轴螺旋体带出的砂水混合物中的水，一部分由于重力作用通过导槽回流至沉砂池，一部分通过泄水孔滤出至沉砂池。由于砂渣含水量低，可直接外运，解决了砂水二次分离和提砂效果不理想的问题。

结语

（1）这种无轴螺旋排砂装置的优点是显而易见的，由于包裹无轴螺旋体的砂槽为半封闭式的，且采用易于清洗的不锈钢材料可保证所送物料不会受到外界污染，也不存在泄漏的隐患，因此环保性能好。

（2）该无轴螺旋排砂装置输送能力大，与相同直径的有轴螺旋输送机比较，其输送量为前者的1.5倍。转矩大，耗能低，卸料口无堵塞。输送距离长。操作简单，经济耐用。

（3）解决了常规技术提砂效果不佳，且需要对一次提砂成果进行二次砂水分离的问题，简化了工艺流程。

（4）利用本发明无轴螺旋排砂装置，可生产出符合国家行业标准GB/T 14521.7—1993《运输机械术语 螺旋输送机》、JB/T 7679—2008《螺旋输送机 》的合格产品。

（5）本技术已在国内多个市政工程中得到成功应用。

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