[00118242]海洋疏浚泥固化试验装置研制及产业化研究

一、课题来源与背景 课题依托浙江省科技厅公益项目“海洋疏浚泥固化试验装置研制及产业化研究”,开展海洋疏浚泥以管中混合固化的工艺实现疏浚泥固化改良处理研究,解决工程用土和疏浚泥倾倒污染海洋环境引发的矛盾,将其用于海堤加固、填海工程以及码头新建工程所需的工程填土。 二、研究目的与意义 目前,我国对于大体积疏浚泥固化处理应用于填方工程的方式主要采取预先混合处理法,即挖泥船处理疏浚泥后以泵送方式将其输送至围栏坝内,使泥沙沉积且浮水流走,再通过水陆两用搅拌机将固化剂搅拌混合形成固化土,实现填海造地,这种方法适用于沙质疏浚泥。日本是一个土地少、注重环保的国家,采用管中混合固化处理工艺,疏浚泥在管道输送过程中,加入压缩空气,使得疏浚泥在输泥管中翻滚前进,输送途中固化剂供给船将适量的固化剂注入管内,疏浚泥、空气和固化剂三者在管内充分混合后由浇筑船施工。注入空气不仅可以增强管内混合效果,而且有助于减少泥与管道壁面的摩擦,节省能耗,无需额外配备机械搅拌机器,自动化程度高,能够大量快速的施工,大大缩短工期。该工艺安全性能高,相比传统的固化装置,如机械搅拌装置等,暴露在空气中,而该工艺的整个过程在一个相对密封的管道系统中,可以减少对周边环境施加负荷（噪音、恶臭、大气污染）以及改善工人的施工条件等优点,不仅解决了大量废弃物的再生利用问题,同时缓解了海洋的生态环境压力,对未来实现疏浚泥固化处理的产业化具有很强的指导意义和参考价值,对于舟山等沿海城市而言,具有较好的推广应用前景,为建设环保生态的海域环境具有重要推广意义。 三、主要论点与依据 海洋疏浚淤泥管中混合固化工艺研究主要包括：一方面是如何确定成本低、固化速度合理、强度满足工程要求的最佳固化剂配方,另一方面是管中混合固化试验系统的研制,包括试验装置的设备选型、室内现场试验以及CFD仿真优化等。 （1）固化剂配置：固化剂掺合料主要有高炉矿渣、粉煤灰、水泥、废石膏、粉煤灰、生石灰等,哪几种材料混合可作为固化剂适合管中混合固化工艺？因此要求固化剂在注入管内容易与输送中的疏浚泥混合,并且不会造成快速吸水而导致局部疏浚泥固化、堵塞管道,同时也确保混合后输出的固化土养护一段时间后强度能够符合工程土的指标。根据工程指标,固化土的强度需要达到100~400kPa,即能够满足一般填土的要求。 （2）管中混合固化试验装置的研究问题：管中混合固化试验装置旨在为管中混合固化工艺在我国推广应用提供重要参考,是现场管中混合固化工艺的室内试验模型。该装置内部是一个多相流混合过程,管内流场较为复杂。通过室内试验、CFD数值仿真来解决三相流的混合、管内输送的问题。 （3）该实验装置的产业化问题：由于受经济效益限制,工程初期的投资较大,使得管中固化工艺的推广有较大的难度,如何通过现场实施,达到较好的工程应用价值。 四、创见与创新 （1）配制了以“粉煤灰+生石灰+水泥”为主要掺料的固化剂配方多种,可以根据工程填土强度和变形需要来选择; （2）研制了一套柱塞式管中固化试验装置,每小时可出固化土量达7.2m3,一次性出土可达2m3,为现场试验中压缩空气和固化剂注入位置、输送管直径等提供重要参考; （3）基于CFD三相流数值仿真技术,建立了三维仿真模型,可以为现场试验提供重要参考。 五、社会经济效益,存在的问题 在施工现场采用150m3/h级空气压送船,通过柱塞式管中混合固化装置注入配制的水泥基固化剂（水泥用量20~25kg/m3）,管径300mm,管道长180-250m等试验设备开展固化处理现场试验,实施总浇筑土约400m3,经第三方检测单位测试地基承载力在100~180kPa,合计施工成本约为115元/ m3（未计固定设备投资）,相对于真空预压软基处理技术,可节约35元/m3。目前存在的主要问题包括： （1）设备功率受到一定程度限制,比如泥浆泵功率决定了空气压缩机、固化剂泵入设备,因此在使用过程中,一次性出土量有限。 （2）在CFD数值仿真方面,精确度不够高,接下来将考虑相变过程（即化学反应）选择更合适的方法,对模型结构可以进一步优化,选取现场试验的尺寸,直接为现场试验提供重要参考,另一方面,模型结构优化中只涉及尺寸及布置位置等研究,虽然调整了混合区的几何尺寸,但并未设计多种结构类型,有待继续深入研究。 （3）产业化进程。若用于生产,该技术是一种适合于大体积量疏浚淤泥处理的高效处理技术,可以解决工程用土和疏浚泥外抛带来的污染等问题,是对疏浚淤泥进行资源化利用的有效途径,有待于进一步在工程应用中体现。