板框隔膜壓濾機空氣壓縮系統改造

周愛榮，王 剛

(四川廣旺集團公司 代池壩選煤廠，四川 廣元 628208)

0 引 言

壓濾機是選煤廠實現煤泥回收、煤泥水閉路循環的重要設備[1]。我國在20世紀60年代設計制造了X-1型壓濾機，20世紀70年代設計制造了XMYZ340/1500-61型自動壓濾機，其后相繼研制成功隔膜壓濾機和快開壓濾機[2]。目前國內使用的壓濾機主要有:快開式干燥壓濾機、加壓過濾機、帶式壓濾機及快開式隔膜壓濾機等[3]。隔膜壓濾機目前廣泛應用于各種煤泥回收，均采用強氣壓穿流進一步脫水，但該空壓系統存在噪音大、能耗高等問題。

2014年代池壩選煤廠采用“螺桿空壓機+板框隔膜壓濾機”工藝回收浮選精煤和尾煤，實現了煤泥水閉路循環。但該系統存在以下問題:① 壓濾機各類氣閥密封件經常失效;② 壓榨風壓力不穩定，產品水分時高時低，在風源穩定的情況下，受管路損耗和空壓機氣壓升限影響，最高壓榨力只有0.7 MPa;③ 壓榨后的排氣噪音較大。李雅萍[4]為降低快開式壓濾機現場噪音，對快開式壓濾機反吹風系統進行改造，取得了理想效果;姚樂[5]對現有的壓濾排液方式進行改進，將原有的直排管改進為明暗流均衡控制排液管，實踐證明該裝置能大幅降低濾液含固率，提高工作效率。目前快開式隔膜壓濾機的改造研究大多針對壓濾機的入料方式、排液方式、濾板結構等，對空壓系統認識不夠，研究較少。本文主要根據代池壩選煤廠壓濾系統存在的問題，對壓濾機空壓系統進行了改造優化。

1 空氣壓榨系統存在問題

壓濾機在最后壓榨階段，螺桿空壓機產生的高壓風瞬間充填壓濾機隔膜腔，利用高壓空氣的爆發使隔膜變形，從而擠壓已經脫水的濾餅進一步降低水分，增強濾餅與濾布分離效果[6]。通過分析系統特征，空氣壓榨系統主要存在以下問題:

1)螺桿空壓機產生的高壓壓縮空氣，由于分子間的熱運動使其溫度很高，而現場測量儲氣罐溫度達80 ℃以上，影響密封閥橡膠件的使用壽命。

2)螺桿空壓機設計時壓力一般只能達到0.85 MPa，但壓濾機隔膜材料的極限壓力達到1.6 MPa，近一半壓力沒有充分發揮作用，產品水分還可進一步降低。

3)空氣壓榨排風時，根據“空氣炮”原理，高壓風瞬間沖出管道形成膨脹沖擊波產生“激波”效應，形成傳輸距離遠、穿透力強的高頻聲波，噪音大。

4)由于風的間斷性和空壓機運轉的連續性，導致壓濾機空氣壓榨能耗較高[7]，且高溫壓縮空氣排風和輸送過程的降溫降壓也屬于無效能耗，增加了壓濾環節的電耗。

2 空氣與水力壓榨的物理特性對比

2.1 水和壓縮空氣的基礎共性規律

水和壓縮空氣都屬于流體力學研究范圍，描述和研究運動過程均采用伯努利方程[8]。壓濾機壓榨系統中只要流體進入壓濾腔，其速度僅是隔膜變形的位移量，整個壓榨過程隔膜的變形只有3～6 cm。水或壓縮空氣輸送至壓濾機隔膜空腔后，其動能、勢能均轉化為壓力能迫使隔膜變形[9]，推動濾餅體積壓縮排出水分，完成壓濾機的最后脫水，進而實現煤泥固態化回收。

2.2 水和壓縮空氣壓榨的差異性分析

水和壓縮空氣都屬于流體，但其在壓縮性和流動速度上有一定差異，見表1。可知，與壓縮空氣壓榨相比，水力壓榨存在力密度大、穩定性好、安全性高等優點，但壓榨反應速度較壓縮空氣差。煤泥回收壓濾周期中，壓榨時間僅占壓榨周期的1/20，對總體壓榨速度影響很小。煤泥壓濾時間約25 min，壓縮空氣壓榨耗時約60 s，水力壓榨為90～120 s。

表1 水與壓縮空氣在壓榨動力傳遞中的差異Table 1 Difference between water and compressed air insqueezing power transmission

壓縮空氣在驅動隔膜變形過程中與水區別是，壓縮空氣進入隔膜腔的過程實際是一個恒壓變絕熱(沖氣速度很快)過程，完成充氣后至排氣開始，隔膜腔內會有較大壓降，必然引起隔膜從最大壓強變形處向反方向回彈，相當于壓縮空氣完成了一次拍打隔膜的過程。對于水力壓榨，由于其不具可壓縮性，也沒有氣體壓榨的溫度與壓強轉換規律，這一過程只有在排水時，隔膜腔內形成真空或隔膜復位彈性時才會出現，但時間相當緩慢。若氣壓叫“拍打”，水力壓榨只能算“收縮”，“拍打”過程對煤餅卸料有利，但會降低隔膜使用壽命，高速拍打會使隔膜老化加速[10]。

因此，若采用水力壓榨，除了水壓反應速度緩慢(能滿足生產需要)外，在設備使用壽命和安全性上都比壓縮氣體有優勢。

3 空氣壓榨系統的改進

3.1 空氣壓榨隔膜濾板改造

空氣壓榨的濾板工作原理如圖1所示。工作時濾板上方是一個獨立的壓縮空氣進氣通道，當濾腔中充滿濾餅，工作循環進入到隔膜壓榨期時，高壓風從濾板上方進氣通道進入隔膜腔，驅動隔膜變形擠壓濾餅，迫使濾餅中水分進一步通過濾布分離出來，從而降低濾餅水分[11]。

圖1 空氣壓榨濾板原理Fig.1 Principle of air press filter plate

如果要實現水力壓榨，考慮到水的密度大、游動性差、可壓縮性低和跑冒滴出來的物料無法及時散發等特點，原氣體壓榨結構改造為適合水力壓榨的特點，改造后的濾板結構如圖2所示。

圖2 水力壓榨濾板原理Fig.2 Principle of hydraulic press filter plate

由圖2可知，改造后濾板上方的壓縮氣通道全部用原來的濾板基材螺旋封閉，保證高壓水不從原有氣孔滲漏。濾板下方，每片隔膜新開一個獨立的高壓水進排通道，當壓濾進入壓榨期，下方泵輸出的高壓水(1.1 MPa)通過通道進入隔膜腔，驅動隔膜向濾餅方向變形，從而完成濾餅的2次脫水。壓榨期完成后高壓泵停止運轉，排水控制閥門開啟，高壓水依靠高差壓力和隔膜回彈力從隔膜腔中排出，濾餅進入卸料期。

3.2 水力壓榨配套設施改造

水力壓榨系統需配套清水池和壓榨水泵，作為高壓水的來源，2部分配套設施主要有以下要求:

1)水池容積與建造

水池容積應滿足壓濾機工作時所需的最大壓榨水量，同時考慮到濾餅水分和濾室充滿率的差異，選取不均衡系數為1.25。由于水的密度遠大于自然空氣，除重力排放外，只能強制抽排，但會增加系統復雜程度。為便于自然排凈濾腔水，水池位置必須低于壓濾機的最低位，若增加水池與壓濾機落差至10 m，則有利于提高排水速度和排凈度。代池壩選煤廠因為廠房地勢，目前只能做到6 m的自然排放高差，使用情況良好。

2)壓榨水泵的選型

壓榨水泵在選型上必須要考慮2方面:一是壓榨目標壓力，即泵的工作壓力;二是壓榨速度盡量快，縮短與氣體壓榨的時間差，提高壓榨效率。壓榨用泵要求在保持小流量的情況下維持較好的壓力，隨流量降低，壓力不能升高太多，高壓下泵腔內泄漏(高壓下泵腔內循環)明顯，防止壓力無限升高，而損壞壓濾機濾板。

壓榨泵選型要求其具有的特征性能曲線接近液壓泵的性能曲線[12]。根據對市場上高壓水泵的調查，最終選擇CDL(F)32-8-2型的高壓水泵作為動力源，該泵的額定流量32 m3/h，額定揚程109 m，最大工作壓力1.6 MPa。

3.3 水力壓榨控制安全機構的設置

CDL(F)32-80-2型泵最大工作壓力是1.6 MPa，接近隔膜的安全工作壓力上限。從安全和實用角度出發，首先要考慮防止系統出現超壓工作，其次要保證系統在壓榨期間能維持有效的安全工作壓力1.0～1.2 MPa，因此在壓榨系統設置了安全和保壓裝置，具體設置方式如圖3所示。

圖3 壓榨系統安全和保壓裝置Fig.3 Press system safety and pressure keeping device

由圖3可知，機械式安全壓力閥門和電接點壓力控制電動閥門協同工作，完整實現了限高壓和保壓功能[13]，其中機械式安全溢流閥設定工作額定壓力為1.00 MPa，而電接點壓力控制的上限壓力為1.2 MPa(下限壓力為0.3 MPa，用于允許拉板卸料時安全許可條件)。這2種安全機構在壓榨過程中協同工作原理如圖4所示。

圖4 水力壓榨安全機構工作原理Fig.4 Working principle of hydraulic press safety mechanism

由圖4可知，如果系統中出現壓力低于0.9 MPa或大于1.2 MPa的情況，應停止系統工作，找出壓力不平衡原因后再開機。一般情況下只需在機械式安全溢流閥的出水口上接一排水閥門進行人工調節就能很好地實現壓力控制。

3.4 水力壓榨中心管回流方案

濾餅水分高除受壓榨效果影響外，壓濾機中心入料管內存積的高濃度煤泥水在卸料前無法排出也是主要原因[14]。因此對水力壓榨的返流系統進行了改造，如圖5所示。

圖5 壓濾機中心管排水優化方案Fig.5 Optimization scheme of center pipe drainage of pressure filter

由圖5可知，① 移動閥門A至新的位置，明顯增加了中心管內物料返回量，在返料過程中更加容易形成負壓;② 增設了一臺管道加速泵，強迫返流提速，加快壓濾機中心管內形成較高的負壓力，從而將泥漿快速吸出。

4 改造效果分析

4.1 水力壓榨系統優勢

1)產品水分更低。水力壓榨比氣壓榨的壓榨力要大，最高可以達到1.2 MPa，濾餅含水率更低，濾餅密實，卸料更快速干凈。

2)減少能耗。水力壓榨只是在壓榨時開啟閥門與泵，開啟時間較短，且閥門泵和高壓水泵功率都很低。

3)無污染。水力壓榨完全沒有噪音污染，可實現清水循環使用。

4)安全性更好。與壓縮空氣相比，水力壓榨即使操作失誤也不會產生“音爆”效應[15]，提高安全保障。

5)設備保護更加有效。與氣壓榨相比，水力壓榨消除了壓縮空氣的高溫以及油污對壓濾機部件的侵蝕，能有效延長部件使用周期。水力壓榨的進排水孔都在濾板下方，每完成一次壓榨和排水過程都是對隔膜腔的清洗，基本不會因污物長期滯留而損壞濾腔。

6)維護簡便。與空氣壓縮機相比，水力壓榨系統使用的配套裝置具有簡易、配件少、維護量低及維護技術要求不高等顯著優點。

4.2 水力壓榨經濟效益

4.2.1 投資對比

水力壓榨與壓縮空氣壓榨的投資比較見表2。由表2可知，水力壓榨比壓縮空氣壓榨節約投資4.19萬元。

表2 水力壓榨與壓縮空氣壓榨的投資比較Table 2 Investment comparison of hydraulicand pressand compressed air press

4.2.2 維護成本對比

水力壓榨與壓縮空氣壓榨的維護成本對比見表3。維護成本計算以說明書所列最大保養周期計算，年生產時間3 960 h。由表3可知，水力壓榨比壓縮空氣壓榨節約維護成本15 059元。

4.2.3 能耗和運輸成本對比

水力壓榨與壓縮空氣壓榨的能耗成本分別為5.56萬和40.10萬元，說明水力壓榨能耗較低，更符合現代選煤廠能耗要求。

按年產浮選精煤11萬t計算，代池壩選煤廠精煤平均運輸單價為105元/t，則11萬t浮選精煤由于水分降低1.26%，運輸費將節約14.55萬元。

表3 水力壓榨與壓縮空氣壓榨的維護成本對比Table 3 Maintenance cost comparison of hydraulic press and compressed air press

綜上所述，代池壩選煤廠以水力壓榨替代壓縮空氣壓榨后，除壓濾機維護保養技術難度下降外，每年還可節約50.59萬元。

5 結 語

針對目前空氣壓榨系統存在能耗高、設備壽命短、噪音大等問題，對空氣與水力壓榨物理特性進行對比，提出采用水力壓榨取代空氣壓榨的方法。通過對空氣壓榨隔膜濾板進行改造，設置水力壓榨配套設施等，說明水力壓榨煤泥回收工藝具有產品水分低、能耗低、無噪音污染、安全性高、設備保護有效、維護簡單和經濟效益好等優勢，但也存在反應性差、壓榨水泵性能要求高、占地面積大等缺點，仍需進一步研究。但水力壓榨工藝與傳統空壓工藝相比，更加符合國家環保生產、安全生產、高效生產的企業發展政策，可為其他選煤廠工藝系統改造提供借鑒或參考。