卧式沉降过滤式离心机综合评述

 煤炭作为我国 能源，在经济建设中起着越来越重要的作用。到“十二五”末，我国煤炭产量将达到39亿t，原煤入选量将达到25亿t以上，入选率将达到65%。为了满足国内外市场对精煤质量的要求，浮选精煤水分的控制成了当今选煤厂亟待解决的问题。另外，随着煤矿采掘机械化程度的提高，原煤中细粒级煤含量和选煤过程中产生的次生煤泥量大大增加，直接加大了选煤厂煤泥水处理环节的压力。卧式沉降过滤式离心机作为一种新型高效的细粒煤泥脱水设备可用于浮选精煤、浮选中煤、旋流器底流和煤泥等细粒级(＜0.5 mm)的脱水，且脱水效果好，具有产品水分低，处理能力大，占地面积小，没有辅助设备，系统简单和适应物料浓度变化范围大等优点。
    1·卧式沉降过滤式离心机结构及工作原理
    卧式沉降过滤式离心机(图1)主要由动力装置、传动装置、保护装置、入料管、主机、排料、润滑装置、控制部分组成。其转鼓由皮带轮直接带动，然后经过差速器，使得转鼓和螺旋推进装置同向差速转动。

           
    卧式沉降过滤式离心机脱水过程包括离心沉降和离心过滤两个脱水阶段。工作时，煤泥浆由入料管给入转鼓中部(柱锥交接处)，转鼓高速旋转产生比重力大很多的离心力，煤泥浆受到强大离心力的作用，固相颗粒就会沉降到转鼓的内壁上，而液体就会越过溢流口形成离心液排出，这个过程称为离心沉降。在离心沉降段排出大部分液体，这部分滤液浓度低，含有的物料粒度细;在转鼓内装有一个与转鼓转动方向相同、但转速略低于转鼓的螺旋推进装置，转鼓内壁的固相颗粒随着螺旋被推到过滤段转鼓，该段转鼓内壁上装有筛网，对已经进行过离心沉降的固相颗粒再进行一次离心过滤，把固相颗粒中的剩余液体通过筛网排除，形成过滤液。这部分液体量少，浓度高，含有的物料粒度大; ，螺旋推进器把固相颗粒推至排料口排除，从而2卧式沉降过滤式离心机主要参数卧式沉降过滤式离心机除了要求整机布局合理、结构紧凑、拆装方便、运转平稳等机械性能外，尤为重要的是如何确定合理的技术参数，以达到良好的工艺效果。
    设备的主要参数包括特性参数、结构参数和运动参数。下面将分述之，以为离心机参数的合理确定提供依据。
    2.1特性参数
    分离因数Fr是离心机性能的重要指标之一。分离因数越高，分离效果越好。对于一定的煤浆，分离因数有一定的适用范围，其值的确定主要是取决于物料分离的难易程度，同时还应考虑设备的生产能力、强度要求、功率消耗和易损件的磨损程度等。功率消耗随分离因数的提高而增大，此外，转鼓与螺旋的磨损程度也随之增加，对机器的寿命及维护均不利。因此，在满足处理能力和固液分离要求的前提下，应尽可能采用较低的分离因数。根据我国煤质情况，卧式沉降过滤式离心机的分离因数以Fr=300～500为宜。
    2.2结构参数
    (1)长径比(L/D)是处理能力的一个重要指标。直径大，处理能力就大;长度大，可以保证物料在离心机内部的脱水时间。煤泥属于易分离物料，根据国内外研究，长径比在2.5～3就可以对煤泥进行比较彻底的固液分离，过大的长径比对转鼓的机械性能、材料要求、加工精度等要求高［1］。
    (2)过滤段半锥角α。过滤段半锥角是指转鼓锥段母线与轴线的夹角。大的锥角要求轴向推力比较大，虽然会增加螺旋叶片的磨损，但有利于脱水;反之，小的锥角要求轴向推力较小，可以减小螺旋的磨损，但减少了离心脱水的有效距离，不利于脱水。
    (3)溢流堰高度。溢流堰高度可以根据入料情况的变化，通过调整溢流挡板的高度来调整，从而改变物料在机器内部的沉降和过滤过程。溢流堰直接影响转鼓内液池深度，液池深度大，沉降段长度增大，可增大当量沉降面积，有利于降低沉降液浓度，从而获得较高的回收率;液池深度小，增大了过滤段有效长度，可进行充分脱水，有利于获得小的物料水分，但固体回收率会降低。
    (4)筛孔尺寸。筛孔尺寸主要影响离心过滤阶段的工作效果，筛缝大，易跑料，筛缝小，影响脱水效果。一般筛缝尺寸为0.2～0.5 mm。
    (5)螺旋推进器参数。螺旋叶片母线与垂直于转轴截面的夹角θ、螺旋叶片升角β和螺旋导程S是三个关键的参数。根据计算分析:θ=0的螺旋结构，转矩、输渣功率以及磨损程度要比θ=α(过滤段半锥角α)的螺旋高4%～20%，故采用θ=α在经济和结构上均较合理。螺旋叶片升角β的大小对输渣功率N的影响比较大，输渣功率随β的减小而增加，尤其是在β=2°～5°时，N的变化较大。螺旋叶片的导程S影响固相在转鼓内的停留时间、输送效率、输送功率、螺旋输送器所受的轴向力和叶片的磨损。螺旋导程较大，可降低输送功率、轴向力和叶片的磨损，但会使固相在转鼓内的停留时间变短，可能达不到煤泥脱水所必需的时间，输送效率低;导程过小会引起煤泥在螺旋叶片间搭桥，使螺旋通道堵塞，造成分离过程不能顺利进行［2－3］。
    2.3运动参数
    运动参数主要有转鼓转速N、推料螺旋和转鼓之间的转速差△n。转鼓的 转速受到鼓壁材料机械强度的限制，转鼓鼓壁应力与转速的二次方成正比。转速差△n较大，既能减少螺距的推料转矩M，又可增大处理能力，而螺旋推料转矩M减少，会使差速器负荷减少，使差速器受力情况改善。但是，过大的转速差会减少产品在转鼓内的停留时间，增加产品的水分。因此，转速差应控制在一个合适的范围内，主要是根据入料情况来进行调节。
    3·卧式沉降过滤式离心机与其他脱水设备对比
    针对不同粒级煤炭而言，立式刮刀卸料离心脱水机、卧式振动离心机多用于13～0.5 mm或50～0.5 mm粒级物料的脱水;LLL系列立式螺旋卸料煤泥离心机多用于3～0 mm粒级物料的脱水［4］;而卧式沉降过滤式离心机主要是用于粒度＜0.5 mm粒级物料的脱水。另外，由于＜0.063 mm粒级颗粒是构成灰分的主要成分，因此卧式沉降过滤式离心机还有明显的降灰脱泥作用。
    针对处理相同粒级的设备而言，卧式沉降过滤式离心机与加压过滤机、板框压滤机、沉降离心机等粉煤脱水设备相比，具有处理能力大，产品水分低，连续排料，自动化程度高等优点，但固体回收率相对于其他设备较低。三种常用煤泥脱水设备性能对比见表1。

           
    通过表1数据可以看出，三种设备都以＜0.5 mm粒级的入料为处理对象，入料浓度有所差别，这与工艺的选取有关，产品水分相差不大。三种设备处理40 t/h相同煤泥(浮选精煤)的对比如下:
    (1)加压过滤机需要设备台数较多，除需1台GPJ120加压过滤机外，还需辅助设备入料泵和压风机等，占用厂房体积较大。煤泥经过滤机处理后，间断排料，细泥适应性中等，滤饼松散，水分较低，单机功耗低，但系统功率约为500 kW，是三种设备中总功率 的
    (2)卧式沉降过滤式离心机只需要1台(A11－3SSVS1100*3300)，外加入料泵，不仅设备台数少，占地面积 小，且细煤泥适应性中等，干料松散，水分较低，但不宜作为细煤泥处理的 终把关设备。单机功率虽然较高，但系统总功率约为400 kW。
    (3)压滤机台数 多，大概需要2台(APN18SL36M－40M型)，外加辅助设备入料隔膜泵和搅拌桶等，因此占用厂房体积大。并且，煤泥经压滤机处理后，滤饼不够松散，水分较高，但对细煤泥适应性好。单机功耗低，系统功耗相对较小，约为200 kW。
    4·国内外代表机型对比
    国外的卧式沉降过滤式离心机在选煤厂中主要应用于浮选精煤和尾煤的脱水，主要的煤用卧式沉降过滤式离心机生产厂家有美国DMI公司(代表产品为DMI系列)、BIRD公司(代表产品为SB系列)，德国的KHD公司(代表产品为SVS)以及荷兰的TEMA公司。他们的产品体系完善，设计先进，制造工艺精良，在国际上已具有成熟的市场，国外代表机型主要参数见表2。

            
    国内早期除了从苏联引进YAM－1型沉降离心机外，还从国外引进图纸，生产了TCL系列。20世纪80年代初，煤炭科学研究总院唐山研究院进行了广泛的研究，并设计制造了WLG系列产品。目前，国内产品主要有唐山森普的LWZ系列，山东博润工业技术有限公司的博鲁班特卧式沉降过滤式离心机，国内代表机型主要参数见表3。

            
    通过对表2和表3数据进行对比分析可以看出:
    (1)国外筛网离心机的长径比(L/D)在总体上比国内大。长径比是离心机处理能力的一个重要指标，转鼓长度长保证了颗粒在离心机内停留时间长，有利于固液分离。一般来讲，对于易分离物料，长径比L/D=1～2;对于难分离物料，长径比L/D=3～4;当L/D＞4以后，制造困难，成本增高。
    (2)国外的卧式沉降过滤式离心机分离因数Fr要大于国内筛网离心机的分离因数。分离因数是卧式沉降过滤式离心机脱水能力的主要指标。国内外分离因数不同的原因可能在于以下两点:一是国内外煤质的不同;二是分离因数高对设备性能要求就高，进而对制造技术、主要零部件的加工精度、装配精度的要求就高，而目前国内制造技术在某些方面还落后于国外，尚达不到相应要求。
    5·卧式沉降过滤式离心机未来发展应注意的问题
    通过以上研究与分析，可以得出我国卧式沉降过滤式离心机未来发展应注意的问题。
    5.1工艺配合问题
    卧式沉降过滤式离心机作为一种脱水设备，首先要做到与脱水工艺的有效结合，其次设备本身的机械性能要好。
    该设备主要是针对浮选精煤和煤泥，入料粒度应＜0.5 mm。但是，如果入料中＜0.045 mm粒级含量超过40%时，产品水分和离心液浓度迅速增加，固体产率和脱水效率明显下降。
    基于该设备在选煤工艺中的作用，以及该设备固体回收率较低的特点，在生产实践中开发出了沉降过滤式离心机+压滤机的联合脱水工艺(图2)，该联合脱水工艺可充分发挥卧式沉降过滤式离心机和压滤机的各自优势，能保证较高固体回收率和洗水闭路循环，另外还可采用添加药剂［8］来有效提高固体回收率。该联合脱水工艺将卧式沉降过滤式离心机作为0.5～0.045 mm粒级煤泥的脱水设备，发挥卧式沉降过滤式离心机产品水分低、处理能力大的特点，把压滤机作为 终把关设备，来保证资源回收和洗水闭路循环。

           
    此外，生产实践中还有如图3所示的其他三种常见的卧式沉降过滤式离心机脱水工艺。

    对于采用何种工艺脱水，需要对煤质进行分析，以确保入料粒级和入料浓度处在合适范围内。只有工艺与设备有效配合，才能保证卧式沉降过滤式离心机好的工作效果和长的使用寿命。
    5.2差速器效率与寿命问题
    卧式沉降过滤式离心机的转鼓和螺旋推进装置的转速差完全靠差速器来实现，而转鼓和螺旋本身质量较大，加上在某些工况条件下入料的不稳定，差速器要承受较大的载荷和载荷连续变化的冲击。因而差速器作为沉降过滤式离心机的心脏部件，其工作性能直接关系到整机工作的可靠性和平稳性。差速器转速高，传递扭矩就大，对各零件在组装过程中的间隙调整要求就高。国内在20世纪80年代研制和生产的WLG、TCL系列离心机均存在差速器达不到设计要求、使用寿命短、效率低的问题，主要原因就在于机械加工精度、装配精度和装配经验上与国外有一定差距，关键部件材质选用不合适，材料质量差。
    5.3关键部位材料耐磨性问题
    在实际使用中发现，筛网、螺旋叶片、排料装置、排料口容易磨损，直接造成设备维护费用高，检修困难。国外主要使用碳化钨来制造筛网，其使用寿命可达15 000 h，但制造费用和后期维护费用较高。国内主要采用氧化铝陶瓷制造筛网，寿命可达6 000 h，综合效益较好。另外，对螺旋叶片、排料装置、排料口等易磨损部位采用粘接耐磨材料或者喷涂特殊耐磨层，可有效地提高该设备易磨损部位的使用寿命。
    5.4控制问题
    由于卧式沉降过滤式离心机本身机械结构的特点，为了保护关键部件(筛网、差速器等)不易受损，提高螺旋和排料口等易磨损部位的使用寿命，同时为了保证其工艺效果，完善的控制系统是该设备一个非常关键部分。目前主流的控制方式是PLC控制，相对先进的技术就是工业计算机或DCS控制［9］。未来的发展应该着眼于先进的控制技术、网络技术以及与数据库技术的结合，开发一种更为先进的智能的控制技术，从入料监测到整机控制，形成一个完整的检测控制系统，且要完善人－机操作界面，提高控制的精确性，从而实现设备与选煤厂整个工艺和控制的有效集成。
    6·结语
    卧式沉降过滤式离心机以其特有的技术特点和优越的性能得到了越来越多的关注。未来我国卧式沉降过滤式离心机发展方向应该在整机的设计制造、新技术和新材料的应用以及自动控制等方面加大投入和研发，以满足未来选煤厂大型化、模块化的要求。可以相信，在市场需求的推动下，在技术革新的带动下，卧式沉降过滤式离心脱水技术定会得到更好、更快地发展和进步。