離心沉降式脫水機在煤泥脫水中的應用

陳 昱,鄒雪晴

(北京圓之翰煤炭工程設計有限公司,北京 100088)

0 引 言

礦井水在煤炭工業中特指煤炭開采過程中從井下或露天礦排出井外的采煤廢水.由于井下排出的礦井水中含有大量的煤塵、矸石粉末等雜質，隨著水的澄清過程，礦井水中的懸浮物作為煤泥被分離出來，礦井水處理產生的煤泥具有含水率高、煤泥量大的特點.解決礦井水處理產生的煤泥的有效措施是對污泥進行脫水減量化處理.我國各煤炭企業煤泥處理一般采用機械脫水方式，而離心脫水機具有脫水效果好、脫水后煤泥含水率低、全封閉運行、自動化程度高、操作管理簡便、調節靈活、設備體積小等優點，非常適宜在礦井水處理系統煤泥脫水中應用.

離心脫水機分為離心沉降式和離心過濾式兩種，在煤礦企業煤泥脫水中通常采用離心沉降式.本文簡要介紹離心沉降式脫水機(以下簡稱離心脫水機)的工作原理，結合在礦井水處理煤泥脫水中的應用分析影響離心脫水機效果的因素，并與其它機械脫水設備進行了技術比較.

1 離心脫水機的工作原理

離心脫水機主要由轉鼓、螺旋、差速系統、驅動系統及控制系統等組成(圖1).在高速旋轉產生的離心力作用下，利用固液兩相的密度差，加快固相的沉降速度，實現固液分離.在實際運行中，污泥通過入料管道被送入轉鼓內，螺旋和轉鼓高速旋轉產生離心力，使污泥在轉鼓和螺旋之間形成一個圓柱形液環層，比重較大的固體顆粒在液環層內由于離心力較大，向轉鼓壁移動，并沉降到轉鼓內壁形成泥渣層，再利用螺旋和轉鼓的相對速度差把泥渣推向轉鼓錐端，泥渣推出液面之后在離心力作用下脫水干燥，從而實現污泥脫水，脫水泥渣由螺旋推向排渣口排出，上清液從轉鼓大端排出[1].

圖1 離心脫水機工作原理示意圖

2 影響離心脫水機脫水效果因素分析

2.1 不可調整的機械因素

離心機的轉鼓直徑、有效長度、轉鼓半錐角、螺距、螺旋類型等屬于設備定型參數，不能在實際運行中調整.

轉鼓直徑大和有效長度長，分離效果好.目前離心脫水機的發展趨勢傾向于高轉速和大長徑比，以適應低濃度、固相密度小的污泥處理，同時進一步降低泥餅含水率.

轉鼓半錐角影響離心機輸渣能力及離心液的澄清度，半錐角大，離心液澄清效果好，但輸渣能力降低.目前各廠家生產的離心機半錐角大小一般在8～15°范圍.

螺距大小影響輸渣能力，難分離物料如活性污泥，采用為轉鼓直徑1/5～1/6的小螺距，以提高輸渣效果.對于易分離物料，采用較大的螺距(轉鼓直徑的1/2～1/5)以提高輸渣能力.

螺旋的類型根據液體和固體在轉鼓內相對移動方式的不同分為逆流式和順流式.逆流式的加料腔在螺旋中部，固相僅停留其通過圓錐部位所需的時間，效率較高，處理能力大，但沉降區域內已沉降的固體顆粒擾動較大，一般適用于固液密度差大，易分離物料.順流式的進料口在轉鼓端部，離心機全長都起到了沉降作用，從而使分離效果得到提高，適用于固液密度差小、沉降性能差、含量低的難分離物料.由于順流式延長了停留時間、入料干擾影響小，同等入料條件下較逆流式絮凝劑的使用量小.

礦井水處理過程中被沉淀分離出來的煤泥主要成分是煤粉和矸石粉末，密度較大，排泥濃度相對較高，離心機分離因素在2 600～3 500均能取得較好的脫水效果.煤泥屬于易分離物料，可以采用12～15°半錐角和1/3～1/5的螺距，并可選用處理能力大的逆流式離心機以獲得更高的單位處理效率.

2.2 可調整的機械因素

包括轉速、差速度、液環層厚度等，這些因素在運行中可以根據工藝條件進行調整.

液環層厚度影響離心機的有效沉降容積和干燥區長度.液環層厚度增加，錐端無水區面積減少，泥渣的脫水時間縮短，泥餅含水率升高，但沉降面積增大，濾液的質量會提高.合理調整液環層厚度，可以使泥餅含水率和濾液質量達到一個比較合理的水平.

離心機分離因素是評價脫水效果的重要參數，離心機的分離因素用公式(1)描述：

(1)

式(1)中：Fr：離心機的分離因素；r：轉鼓半徑(m)；ω：離心機的角速度(rad/s)；n：離心機的轉速(r/min)；g：重力加速度(m/s2).

根據分離因素的公式，高轉速分離效果好，但高轉速對機體材料強度要求高，磨損大，動力消耗、振動及噪聲水平也會增加，轉速過大還會使污泥絮凝體被破壞，反而降低脫水效果.在礦井水處理中煤泥脫水應用中，分離因素在2 600～3 500之間的離心機實際使用情況良好.

差速度是轉鼓與螺旋的轉速差，直接影響排渣能力、泥餅含水率和濾液質量，是離心式污泥脫水機運行中需要根據運行情況進行調節的最重要的機械參數.差速度大排渣能力強，沉渣脫水時間縮短，脫水后泥餅含水率大.但差速度過大時會使螺旋對澄清區液池的擾動加大，影響到濾液質量.降低差速度，沉渣脫水時間延長，脫水后泥餅含水率低，螺旋對澄清區物料的擾動小，濾液質量好，但會降低離心機處理能力.差速度通過差速器調整差，液壓式差速器由液壓泵驅動，調速性能較機械式好.

礦井水處理中有煤泥濃度變化大的特點，因此運行中經常需要根據煤泥濃度調整差速度以滿足排渣能力、泥餅含水率和濾液質量的多重要求.采用液壓式差速器配合液壓監測可以實現自動化控制，調整范圍較大，靈活性高，更適用于煤泥脫水要求，但采用液壓式差速器的設備價格相對較高.

2.3 工藝因素

固相顆粒密度越大越容易分離，對于顆粒細小的礦井水處理站煤泥，絮凝效果直接影響離心脫水效果.煤泥進入離心脫水機時一般采用PAM進行調質，由于各礦井煤質、矸石種類差異較大，煤泥調質適宜的PAM種類和投加量也不盡相同[3]，需要在運行調試期間通過試驗確定.

離心脫水機運行時，設備處理能力、差速度、環液層厚度、PAM投加量互相影響，在一定范圍內，差數度與環液層厚度的控制與絮凝劑投加量的控制互為補充，在達到一定泥餅含水率的前提下，當差數度降低，環液層厚度增大時，泥渣停留時間長，分離效果好，可節省絮凝劑投加量，但會降低離心機的處理能力.

離心脫水機煤泥濃度的適應性較強，入料含水率在99.5%～90%時，都可獲得良好的脫水效果[4]，礦井水處理中產生的煤泥可直接絮凝后進入離心機脫水，不需要濃縮，但穩定的入料濃度卻是影響離心機運行的重要因素.礦井水處理站通常設有污泥池儲存調節池及沉淀池定期排出的煤泥，由于煤泥比重較大，靜置后很快分層，污泥池內不同部分的煤泥濃度的差異給煤泥調質帶來了很大的困難，進入離心脫水機的煤泥濃度不斷變化，使PAM無法定量投加，或造成調質效果差，影響泥餅含水率和濾液質量，或造成藥劑浪費，使脫水效果不穩定.因此設計中應保證煤泥均質，在污泥池內設置攪拌機是較為簡便的均質煤泥措施[5].

3 離心脫水機與其它脫水設備的比較

目前在礦井水處理站運行的機械脫水設備除離心脫水機外，有板框壓濾機和帶式壓濾機兩種.

晉煤集團長平煤礦礦井水處理站一期工程煤泥脫水采用2臺1.5 m帶式濃縮脫水一體機，二期工程使用選煤廠閑置的隔膜式板框壓濾機，并配置了入料攪拌桶.設備運行工況見表1.

表1 板框壓濾機與帶式脫水一體機運行工況對比

從實際運行情況看，板框壓濾機與帶式濃縮脫水一體機均滿足煤泥脫水要求，板框壓濾機泥餅含水率略低，但板框裝機功率較大，能耗較高.由于礦井水處理站煤泥顆粒細小，壓濾時，板框濾布壓力上升很快，入料20～25 min后，壓力即上升至入料泵額定壓力，繼續持壓2～2.5 h后才能保證泥餅含水率要求，卸料后泥餅粘性較強，濾布需要人工清理，因此運行周期較長，雖然單臺板框設備處理能力大，但日處理量與一期的帶式濃縮脫水一體機相仿.據操作工人反應，板框壓濾機運行操作復雜，勞動強度大.帶式濃縮脫水一體機全自動運行，過程不需人工干預，但當煤泥入料濃度突變，PAM加藥量未及時調整時，濾帶容易跑漿濾液質量較差.濾帶磨損較快，更換濾帶成本較高.

潞礦集團司馬礦礦井水處理站設計采用1臺轉鼓直徑450 mm，轉鼓長1 800 mm，分離因素為3 000的逆流式離心脫水機，錐角12.5°，螺距1/4，電機功率30 kW，轉鼓及螺旋材質為S304不銹鋼，采用擺線針輪機械式差速器，螺桿泵入料，設計入料量15～20 m3/h，調節池底泥與沉淀池底泥在煤泥池混合，濃度96%～98%(質量分數)，采用陰離子型PAM調質，運行時加藥量根據底泥濃度為每kg干煤泥2～4 g PAM，脫水煤泥含水率70%～74%.運行時根據泥餅含水率，調速差速器差速比，泥餅含水率偏高時，減少差速比，延長停留時間.每次工作結束后，打開清水進水閥門5～10 min，耗水量較低.設備運行兩年多，脫水效果良好，由于煤泥在全封閉的轉鼓內脫水，車間環境較好，缺點是運行噪音較大，實測噪音80～85 dBA，機械機差速器不易調整，需要管理人員根據排渣情況人工操作，曾發生過未及時調整差速器導致排渣堵塞事故.S304不銹鋼耐磨蝕性不強，螺旋磨損較嚴重.

板框壓濾機工作的最大特點是間歇運行，自動化程度相對較低，操作人員工作量較大，卸料結束后，通常需要人工進行濾布沖洗，沖洗耗水量中等.脫水泥餅含水率低，但設備體積大，重量大，設備價格高，運行電耗中等.由于卸料、沖洗均在開敞的空間中進行，操作環境較差.

帶式壓濾機連續運行，可實現全自動控制.設備體積中等，重量較小，價格較低，運行電耗低.脫水泥餅含水率較高，帶式壓濾機運行時需要連續沖洗，耗水量較大，大量沖洗水增加濾液回流系統的壓力，同時也增加了水處理系統的負荷.脫水效果受絮凝效果影響較大，絮凝效果不佳時易跑漿或影響泥餅含水率[2].目前設計良好的帶式壓濾機機架上均帶有護板，使脫水過程在一個相對封閉的空間里進行，但運行過程中仍不可避免有泥水濺出，操作環境好于板框壓濾機但較離心脫水機差.

與上述兩種脫水設備相比，離心脫水機與具有連續工作的特點，運行過程中不需要沖洗水，一個工作班次結束后，只需少量沖洗水即可將脫水機清理干凈，不需專用沖洗泵.離心脫水機泥餅含水率優于帶式壓濾機.設備脫水效果受煤泥絮凝程度影響較小，并可通過調整差速、環液層厚度等參數調整脫水機運行工況，改善泥餅含水率.設備可實現全自動運行，自動化程度最高，管理簡便.設備體積相比最小，機體重量大致與相同處理能力的帶式壓濾機相當或稍大，煤泥脫水過程在全封閉的轉鼓內進行，操作環境干凈衛生.但由設備對材質要求高，特別是在煤泥脫水處理中，需要選用316L或雙相不銹鋼材質的設備，以提高抗磨性能，延長設備使用壽命，但價格較高.由于設備需要驅動沉重的轉鼓和螺旋高速旋轉，功率大，電耗高，運行噪音較大.

4 結 語

由于離心脫水機具有脫水效果好、自動化程度高、運行管理方便、對絮凝效果要求相對較低、設備體積小，操作環境好，操作管理相對簡單，脫水車間占地面積小的特點，而煤炭企業礦井水處理中所排出的煤泥具有比重大，易沉降分離，脫水性能好的性質，因此離心脫水機特別適合在礦井水處理站煤泥脫水中應用.但離心脫水機也具有電耗高的不利因素，在設計時需要結合礦井水處理規模，煤泥處理量，總平面布置、工程造價等方面因素綜合考慮.

參考文獻：

[1] 王洪臣.城市污水處理廠運行控制與維護管理[M].北京:科學出版社.

[2] 鄭小明,王海亮,朱斌.排泥水處理技術在閔行一水廠的應用[J].給水排水,2003,29(6)：14-17.

[3] 高榮,龍戰元,張業兵,等.沉降過濾式離心脫水機在汪家寨洗煤廠的應用[J].煤質技術,2010(3)：46-49.

[4] 劉莉.LWZ1200×1800A型沉降過濾式離心脫水機在滴道礦洗煤廠的應用[J].煤質技術,2011(2)：30-33.

[5] 卡洛里斯.沉降式臥螺離心機分離技術[J].中國給水排水,2002,18(8)：11-14.