板框隔膜式過濾機(jī)在灰水處理中的應(yīng)用

李偉碩

華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

在世界能源儲(chǔ)量中，煤炭約占79%，石油與天然氣約占12%[1]。世界能源儲(chǔ)量的特點(diǎn)決定了世界能源利用的主題在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)是煤炭，煤炭技術(shù)的研究和開發(fā)是能源戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一。煤氣化技術(shù)是煤炭清潔轉(zhuǎn)化的核心技術(shù)之一，是發(fā)展煤基化學(xué)品(氨、甲醇、乙二醇等)、煤基液體燃料、先進(jìn)的IGCC發(fā)電、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、制氫、燃料電池等過程工業(yè)的基礎(chǔ)[2]。

目前主流的煤氣化技術(shù)以氣流床煤氣化為主。氣流床技術(shù)根據(jù)進(jìn)料條件的不同分為兩類：水煤漿氣化和干粉氣化，其中水煤漿氣化工藝是國(guó)內(nèi)合成氨、甲醇、乙二醇等化學(xué)產(chǎn)品的主要技術(shù)之一。水煤漿氣化一般分為三個(gè)裝置，分別是煤漿制備、氣化和灰水處理。煤漿制備裝置的目的是制備合格的煤漿，為氣化裝置做好準(zhǔn)備；氣化裝置的目的是發(fā)生加壓部分氧化反應(yīng)，產(chǎn)生粗煤氣；出氣化裝置的灰水中含有一定的細(xì)灰，因此需要灰水處理裝置對(duì)灰水進(jìn)行進(jìn)一步處理。

灰水處理裝置作為氣化裝置的后續(xù)裝置，其作用包括：將氣化裝置的灰水進(jìn)一步處理，同時(shí)回收灰水所含的熱量。來自氣化裝置的灰水經(jīng)過減壓，送入澄清槽自然沉降，澄清槽底部的灰水含固量高(通常10%以上)。通過泵送入過濾機(jī)中進(jìn)行固液分離，其中固體濾餅通過汽車或皮帶送至界外，液體濾液自流至濾液槽，經(jīng)濾液泵輸送返回至澄清槽中。該流程實(shí)現(xiàn)了水的重復(fù)利用，起到了節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境等作用。

在灰水處理裝置中，實(shí)現(xiàn)固液分離功能的最常用的方法是真空帶式過濾機(jī)[3]。從多個(gè)化工廠了解，真空帶式過濾機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，濾餅的含水率能達(dá)到50%甚至更低，但隨著運(yùn)行周期變長(zhǎng)，濾餅的含水率會(huì)逐漸升高。而隨著環(huán)保越來越嚴(yán)格，濾餅的含水量變大，無法滿足排放要求。因此，不少化工廠將重點(diǎn)放在板框隔膜式過濾機(jī)上。真空帶式過濾機(jī)和板框隔膜式過濾機(jī)對(duì)比見表1。

表1 真空帶式過濾機(jī)和板框隔膜式過濾機(jī)對(duì)比

1 板框隔膜式過濾機(jī)

1.1 設(shè)備概述

本文介紹的板框隔膜式過濾機(jī)為全自動(dòng)隔膜過濾機(jī)，是一種間歇性的加壓過濾設(shè)備，依靠壓緊裝置將濾板壓緊，再將物料用過濾機(jī)給料泵壓入濾室，通過濾布對(duì)固相截留來實(shí)現(xiàn)將固體顆粒和液體物料分離的目的。

1.2 工作原理

板框隔膜式過濾機(jī)由交替排列的濾板和濾框構(gòu)成一組濾室。由過濾機(jī)進(jìn)料泵將介質(zhì)壓入濾室中，在濾布中形成濾餅，直至充滿濾室。濾液會(huì)通過濾布沿濾板溝槽流出。濾液通過板框兩側(cè)的排出水孔直接排出機(jī)外的為明流式；若濾液通過板框和后頂板的暗流孔排出的形式稱為暗流。壓濾過程完畢，打開壓榨水，壓榨水進(jìn)入隔膜濾板，擠壓濾餅，降低水分。過濾結(jié)束后通過拉板電機(jī)將濾板拉開，濾餅從濾板上掉下，過濾結(jié)束。

1.3 設(shè)備組成

板框隔膜式過濾機(jī)包括機(jī)架部分、過濾部分、自動(dòng)拉板部分、液壓部分等。

1.3.1 機(jī)架部分

機(jī)架部分主要由壓緊板、止推板、油缸座、主梁以及止推板支腿、油缸座支腿等組成。

(1)壓緊板、止推板、油缸座以及止推板支腿、油缸座支腿均采用碳鋼。

(2)主梁設(shè)計(jì)為復(fù)合結(jié)構(gòu)梁，材質(zhì)為碳鋼板。

1.3.2 過濾部分

濾板是過濾機(jī)的核心部件，主要由濾板、水嘴、手柄等組成，最高可承受過濾壓力1.2 MPa(G)。

(1)廂式濾板在設(shè)計(jì)加工方面，通過合理的濾點(diǎn)排布、過濾面支撐點(diǎn)排布、流道設(shè)計(jì)、排液孔開孔角度等綜合性設(shè)計(jì)，使濾板過濾過程中，進(jìn)水流速快，對(duì)濾板的沖擊小，濾料分布均勻。

(2)高壓隔膜濾板的制造分為主體與膜片，膜片在隔膜濾板中起到至關(guān)緊要的作用，直接關(guān)系到隔膜板的使用壽命，通常采用聚丙烯，經(jīng)特殊工藝加工制作而成，鼓膜試驗(yàn)壓力最高可達(dá)4.0 MPa(G)。

1.3.3 自動(dòng)拉板部分

自動(dòng)拉板系統(tǒng)主要由變頻電機(jī)、拉板器、鏈輪、鏈條、鏈槽、防護(hù)罩等組成，它的主要作用就是當(dāng)過濾完成以后逐塊拉開濾板，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸除濾餅。

1.3.4 液壓部分

液壓系統(tǒng)主要由液壓站、液壓缸、各種壓力表、閥件等構(gòu)成。液壓站采用開式結(jié)構(gòu)，整個(gè)過程均在無塵恒溫車間裝配完成。液壓系統(tǒng)為集成塊式設(shè)計(jì)，配合電氣控制系統(tǒng)順序完成油缸的自動(dòng)壓緊、自動(dòng)保壓、自動(dòng)補(bǔ)壓、自動(dòng)松開、前進(jìn)后退到位自停等基本動(dòng)作。

2 板框隔膜式過濾機(jī)在灰水處理裝置的流程描述

板框隔膜式過濾機(jī)的工作流程在整個(gè)固液分離裝置中通常有五步：物料過濾，濾餅的壓榨，過濾機(jī)反吹，卸料，以及濾布的清洗。

2.1 物料過濾

來自澄清槽的灰水進(jìn)入過濾機(jī)緩沖槽，過濾機(jī)緩沖槽設(shè)有攪拌器，防止固體沉降，保證灰水均相。同時(shí)緩沖槽設(shè)置溢流口及排污口。過濾機(jī)運(yùn)行時(shí)，打開過濾機(jī)進(jìn)料閥同時(shí)啟動(dòng)過濾機(jī)給料泵，將灰水打入板框隔膜式過濾機(jī)，進(jìn)入過濾程序，過濾過程中，過濾機(jī)給料壓力逐漸升高，當(dāng)壓力上升到0.6～0.7 MPa(G)，明流水嘴無液體再排出時(shí)，說明過濾機(jī)已經(jīng)裝滿，則停止進(jìn)料，進(jìn)入壓榨程序。此時(shí)的濾餅在濾框中，含水量約在60%，濾液通常會(huì)采用明流集合的方式，通過觀察明液的透明度，可以判斷過濾機(jī)是否正常工作，若濾液變黑，則說明濾布有破損，需要及時(shí)進(jìn)行停車處理，更換濾布。濾液通常會(huì)排入到集液槽中，依靠重力作用最終自流至濾液槽中。進(jìn)料時(shí)，過濾機(jī)的程控閥保持開啟狀態(tài)，直至進(jìn)料結(jié)束，進(jìn)料程控閥關(guān)閉。

2.2 濾餅的壓榨

過濾過程完畢后，打開壓榨入水閥及啟動(dòng)過濾機(jī)壓榨泵，將儲(chǔ)水罐中清水打入過濾機(jī)隔膜板儲(chǔ)水腔，隨著水量的增加，隔膜板儲(chǔ)水腔壓力逐漸升高，并鼓膜，擠壓濾餅，降低水分。當(dāng)壓力升高到1.2 MPa(G)時(shí)，保壓。壓榨時(shí)間約10 min左右,確保濾餅水分有效降低。此時(shí)濾餅的含水量可降至50%及以下。壓榨時(shí)，壓榨水入口程控閥門開啟;壓榨結(jié)束，入口程控閥門關(guān)閉，出口程控閥門打開，隔膜濾板的壓榨水依靠余壓和重力作用返回壓榨水箱，完成整個(gè)循環(huán)。

2.3 過濾機(jī)反吹

壓榨完畢后，在卸餅之前，通常需要進(jìn)行反吹。反吹的目的是希望通過壓縮空氣將過濾機(jī)給料泵未能經(jīng)壓榨降低水分的灰水吹回緩沖槽，保證在卸餅時(shí)，這一部分稀料不摻入濾餅當(dāng)中。啟動(dòng)反吹閥，壓縮空氣經(jīng)過儲(chǔ)罐，進(jìn)入過濾機(jī)，進(jìn)行反吹。壓縮空氣的壓力通常為0.8 MPa(G)，反吹時(shí)間一般不超過5 min。反吹開始時(shí)，過濾機(jī)出料程控閥開啟，反吹壓縮氣進(jìn)口程控閥打開，反吹結(jié)束后，兩程控閥門關(guān)閉。

2.4 卸料

當(dāng)反吹完畢后，啟動(dòng)過濾機(jī)卸餅程序，拉板系統(tǒng)啟動(dòng)，打開翻板，松開壓緊油缸，啟動(dòng)皮帶機(jī)，拉板小車進(jìn)行卸料，拉板可以采用1拖1式、一拖2式、一拖3式以及1拖4式，拉板電機(jī)為變頻電機(jī)，因此可以有效控制拉板速度和力度。當(dāng)濾板打開后，濾餅自動(dòng)掉入儲(chǔ)泥斗中，儲(chǔ)泥斗設(shè)置液壓翻板閥，等濾餅到一定料位，翻板閥打開，通過汽車送出界外。

2.5 濾布的清洗

過濾機(jī)在使用一段時(shí)間后，濾布表面會(huì)磨損，逐漸粗糙，掛渣現(xiàn)象會(huì)逐漸嚴(yán)重。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用情況，一般幾天或一周需要對(duì)濾布進(jìn)行清洗，減輕掛渣現(xiàn)象。由于洗布是間歇操作，可采用自動(dòng)沖洗和人工沖洗。人工沖洗通常采用公用工程的加壓原水，通過軟管，直接沖洗。自動(dòng)沖洗采用雙鏈條驅(qū)動(dòng)裝置，配合一拖四式拉板方式，每移動(dòng)一次，沖洗4塊濾板。自動(dòng)沖洗具有濾布沖洗徹底，不留死角，用水量小，沖洗速度快，保證濾布的過濾效果和含水率的穩(wěn)定的特點(diǎn)。

過濾系統(tǒng)工藝流程圖見圖1。

圖1 板框隔膜式過濾機(jī)在灰水處理中的流程圖

3 板框隔膜式過濾機(jī)過濾面積的計(jì)算

選取板框隔膜式過濾機(jī)，首先要計(jì)算過濾面積，過濾面積直接決定過濾機(jī)的尺寸，對(duì)過濾機(jī)的價(jià)格有直接影響。合適的過濾面積，既可以有效的實(shí)現(xiàn)固液分離，又可以節(jié)約成本。下面以內(nèi)蒙某化工廠選取板框隔膜式過濾機(jī)舉例，計(jì)算過濾面積。

內(nèi)蒙某化工廠新廠需要增加三臺(tái)過濾機(jī)，以滿足全廠工藝要求。板框隔膜式過濾機(jī)兩開一備，需要同時(shí)處理一期和二期的全部灰水，因此單臺(tái)過濾機(jī)處理量為一期和二期總量的一半。

(1)進(jìn)料量。見表2。

(2)粒度分布情況。見表3。

表3 進(jìn)料粒度與固含量關(guān)系

(3)水中含有少量NH3、H2S、Cl-、Fe2+，PH值約6～8。

(4)灰水進(jìn)料最高操作溫度為90℃。

(5)細(xì)渣中殘?zhí)己繛?5～50%，其它為細(xì)灰。

(6)細(xì)渣的真實(shí)密度按2400 kg/m3設(shè)計(jì)。濾餅的含水量和濾餅比重見表4。

表4 濾餅比重表

要求如下：① 濾液中固體含量應(yīng)小于80 mg/l，最大不超過200 mg/l，過濾后的細(xì)渣含水量應(yīng)小于50%(wt);② 設(shè)計(jì)能力應(yīng)能滿足正常工況50%～110%和最大流量工況/最大濃度工況的100%。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)和要求分析，首先要滿足濾液中含固量的要求，只要濾布足夠細(xì)，便可以滿足要求。其次關(guān)于工況的選取，通過計(jì)算可知，以上三種工況中，工況2流量最大為113532.3 kg/h；含固量最大為13623.9 kg/h，因此工況2為最為苛刻的。采用工況2的數(shù)據(jù)，計(jì)算過濾面積。

3.1 采用過濾方程計(jì)算

過濾的操作方式通常有兩種，恒壓過濾和恒速過濾。

恒壓過濾方程為：

V2+2VeV=K42t

(1)

式中，V為t時(shí)間內(nèi)得到的過濾體積；Ve為過濾介質(zhì)的當(dāng)量濾液體積；K為過濾常數(shù)；A為過濾面積；t為得到濾液量V所需的過濾時(shí)間。

恒速過濾方程為：

V2+VVe=KA2t/2

(2)

恒壓過濾方程或者恒速過濾方程，都與過濾面積相關(guān)。但對(duì)于過濾機(jī)給料泵送入過濾機(jī)這個(gè)過程來講，既非恒速過濾也非恒壓過濾過程。開始時(shí)，濾室中無液體，阻力小，物料可以迅速充滿過濾機(jī)，但隨著物料將濾室充滿，過濾也在同步進(jìn)行，阻力增大，流速減小，濾室中的壓力隨之升高，因此這一復(fù)雜過程不能簡(jiǎn)化成為一個(gè)單一方程進(jìn)行計(jì)算，其次，若解兩方程，還必須知道過濾常數(shù)，但對(duì)于過濾常數(shù)，供貨商或者專利商都很難給出一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)值，因此無法通過過濾方程計(jì)算過濾面積。

3.2 采用體積法計(jì)算

灰水進(jìn)入過濾機(jī)中，濾液通過濾布流出，而細(xì)渣被截留至濾框中，形成濾餅，此時(shí)濾餅被兩側(cè)濾布包住，可以理解濾餅的體積與過濾機(jī)體積有一定的關(guān)系。

與供貨商進(jìn)行溝通確認(rèn)過濾及壓榨時(shí)間為t1=20 min，過濾機(jī)的輔助工作時(shí)間為t2=10 min；故板框隔膜式過濾機(jī)的工作循環(huán)時(shí)間預(yù)估為t=30 min。因此單臺(tái)過濾每小時(shí)可以處理n=2次，濾室的利用率z選用0.65，選用工況2進(jìn)行計(jì)算：

工況2的總干基量(板框隔膜式過濾機(jī)2+1)：

m2=13.62 t/h

單臺(tái)板框隔膜式過濾機(jī)單次干基處理量m4：

m4=m2/2/n=13.62/2/2=3.40 t

過濾完濾餅的含水量為50%，濾餅的質(zhì)量m5：

m5=m4/0.5=3.40 t/0.5=6.80 t

單臺(tái)板框隔膜式過濾機(jī)濾室容積V：

V=m5/z/ρ=6.80 t/h÷0.65÷1.41≈7.42m3

當(dāng)濾室深度選用d=40mm，由于濾室兩側(cè)為濾布,因此過濾面積為：

A=2×V/d=7.42 m3÷0.04 m×2=371 m2

根據(jù)板框隔膜式過濾機(jī)選型表，選用400 m2的過濾機(jī)即可滿足要求。最終板框隔膜式過濾機(jī)面積選型見表5。

表5 板框隔膜式過濾機(jī)面積選型表

4 結(jié)語

(1)與灰水處理裝置中常用的真空帶式過濾機(jī)相比，板框隔膜式過濾機(jī)的濾餅的干度要遠(yuǎn)好于真空帶式過濾機(jī)，真空帶式過濾機(jī)理想最大壓差為0.1 MPa。而板框隔膜式過濾機(jī)不僅可以通過過濾機(jī)給料泵進(jìn)料壓濾，還可以通過隔膜濾板對(duì)濾餅進(jìn)一步壓縮，以實(shí)現(xiàn)濾餅含水量可觀性地降低。另外，由于環(huán)評(píng)日益嚴(yán)格、后期濾餅處理困難等影響，越來越多的化工廠逐漸考慮采用板框隔膜式過濾機(jī)來處理灰水。因此，板框隔膜式過濾機(jī)在灰水處理裝置中具有廣闊的市場(chǎng)前景。

(2)在板框隔膜式過濾機(jī)過濾面積的計(jì)算中，可以明確地發(fā)現(xiàn)，影響板框隔膜式過濾機(jī)過濾面積的兩大因素分別為干基量和循環(huán)時(shí)間。因此在工藝上縮短循環(huán)時(shí)間，能夠有效的降低壓濾機(jī)過濾面積。

(3)在灰水處理裝置中，選用板框隔膜式壓濾機(jī)最主要的優(yōu)點(diǎn)是能夠顯著降低濾餅的含水量，滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。同時(shí)板框隔膜式過濾機(jī)存在缺點(diǎn):第一對(duì)濾餅的粘度有一定的要求，在灰水處理裝置中，濾餅的粘度不大，濾餅較易分離；對(duì)于粘度較大的濾餅，極易沾到濾布上，導(dǎo)致無法自動(dòng)分離，需要人工處理；第二，相對(duì)于真空帶式過濾機(jī)來說，板框隔膜式過濾機(jī)的成本會(huì)偏高一些；第三板框隔膜式過濾機(jī)在灰水處理裝置中實(shí)例運(yùn)用較少，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不多。因此灰水處理裝置在選取過濾機(jī)上，要綜合考慮成本、物料特性、技術(shù)要求等多個(gè)方面，選取一個(gè)最佳的方案。