洗煤廠沉降離心機的應用效果分析

宋 婕

（晉能控股裝備制造集團芬雷洗選設備有限公司，山西 大同 037305）

引言

長期以來，我國生產的潔凈煤含水量高，質量無法得到有效提高。如果清潔煤的水分含量過高則會對下游設備造成一定程度的影響，同時對環境保護造成很大壓力，導致能源浪費[1-3]。為了盡可能減小清潔煤產品的水分，在過去的10 年中，我國從國外購買了許多類型的干燥機[4]，對潔凈煤進行干燥處理。雖然通過干燥處理可以將潔凈煤產品的水分降低到一定程度，但成本較高，且整個干燥過程復雜，將在一定程度上污染環境。而煤泥沉淀離心機在洗煤廠中的應用具有很大的優勢，占地面積小，單機處理能力強，整個處理過程相對簡單，脫水效果好[5-6]。

1 沉降離心機原理

如圖1 所示：懸浮液從進料管進入螺旋腔，并通過靠近螺旋頭圓錐形端部底部的噴嘴進入旋轉鼓；漿料中的液體在離心力場的作用下出現分層；通過設置在旋轉壁上的篩網分離結構，固體顆粒被捕獲在旋轉鼓中；同時，在離心力和螺桿與轉鼓之間速度差的作用下，轉鼓中的固體顆粒從轉鼓中旋轉出來，由轉鼓的小端朝鼓的大端移動；在該運動期間，隨著旋轉直徑的增加，離心力迅速增加，固相從最初進入時的高水分含量固相轉變為離開轉鼓時的低水分含量固相。測量固相，以實現固液相的自動連續分離。

圖1 臥式螺旋沉降離心機原理圖

本研究采用的LW800 臥式泥漿脫水離心機技術參數如表1 所示，它可以提供高達5 000 r/min的轉速，每小時處理能力為40～100 m3。分離過程中的進料、洗滌、脫水、卸料等工序連續完成，具有生產效率和自動化程度高、能耗低、適應性強、性能穩定、分離效果好的優點，被廣泛用于礦山行業。

表1 LW800 臥式泥漿脫水離心機技術參數

2 沉降離心機參數分析

2.1 轉鼓轉速對分離性能的影響

采用控制變量法研究轉鼓轉速對分離性能的影響。為保證處理能力相同，以水分含量為60%的粉煤灰化水為原料，保持1 m/s的進料速度，選擇從250～5 000 r/min 中選擇5 組不同轉速，分析排出口處物料的水含量的變化，如下頁圖2 所示。從圖2 可以看出，排出口處的物料的含水量隨著轉速的增加而降低，但降低的程度隨著轉速的增加而減緩。當轉速從250 r/min 上升到2 000 r/min 時，排出口處物料的含水量下降高達7%；當轉速從2 000 r/min 上升到5 000 r/min 時，排出口處的物料含水量降低不超過1%。這是由于轉鼓高速旋轉時，物料類的顆粒物料受離心力的作用而聚集在一起擠出了顆粒之間的液相。在2 000 r/min 以前，顆粒還未達到堆積極限，轉速的增加使物料擠壓程度變高，從而大幅度降低排出口物料含水量；在超過2 000 r/min 后，粉煤灰顆粒基本達到其堆積極限，堆積區域的孔隙率達到最小，此時再增加轉速對含水量的下降意義不大。因此將轉鼓轉速設定為2 000 r/min，可在能耗較低的工況下，實現含水量的大幅度降低，同時保證離心機運行穩定性和較高的葉片壽命。

圖2 不同轉速下的粉煤氣化灰水含水率

2.2 轉鼓錐角對分離性能的影響

為了進一步減少物料的水分含量，計劃通過改變轉鼓的錐角來優化現有的臥式螺旋沉降離心機的結構，以獲得具有更高分離效率的離心機結構。現有轉鼓的錐角為9°。為了探討轉鼓錐角對物料水分含量的影響，將轉速統一設定為為2 000 r/min。從6°開始增加錐角至12°，分析排出口處水分含量，結果如圖3 所示。從圖中可以看出，排出口處水分含量隨著錐角的增加呈先減小、后增加的趨勢，在10°時達到最小值。一方面，由于轉鼓錐角的增加，對物料的擠壓和脫水效果增強，有利于含水量的降低，另一方面，在設計臥式螺旋沉降離心機時，為了確保右側小端的直徑保持不變，增大轉鼓的錐角必然會導致臥式螺旋沉降離心機錐段長度減小進而將導致粉化氣化灰水的擠壓和脫水時間變短，不利于水分含量的降低。在這項研究中，當旋轉滾筒的錐角增加到12°時，錐段長度減小26%。盡管對物料的擠壓作用最強，但減少了物料在轉筒中的停留時間，導致水含量幾乎與錐角為10°或11°時相同。另外，粉煤灰顆粒組達到堆積極限后，仍有少量液體仍占據粉煤灰顆粒的內部間隙，增加轉鼓的錐角也無法完全擠壓這一部分液體，最終將與粉煤灰顆粒組一起被排出。因此，當轉鼓的錐角增加到10°～11°時，繼續增加轉鼓的錐角不會顯著降低物料的水分含量，反而會增加轉鼓的錐角，將導致螺旋推桿的扭矩增加，螺旋葉片的磨損也會相應增加，這會降低離心機的使用壽命。綜合考慮，為了提高離心機的脫水能力，可以將原始的臥式螺旋沉降離心機的轉鼓錐角增加1°～2°，以獲得較低水分含量的物料。

圖3 不同轉鼓錐角下的含水率

2.3 螺距對分離性能的影響

為了探究螺距對煤粉氣化灰水水分含量的影響，仍保持速度在2 000 r/min，對不同螺距的離心效果進行研究，結果如圖4 所示。從圖中可以看出，隨著螺距的增加，臥式螺旋沉降離心機出口處的水含量持續上升。因此，降低螺距可有效降低出口處的物料含水量，這是因為離心機的螺距越小，螺旋槳葉片的轉數越多，提高了臥式螺旋沉降離心機內部的旋流的穩定性。但是，不建議為了增加臥式螺旋沉降離心機的分離效率而減小螺距，因為當螺距太小時，輸送力將嚴重不足會導致沉淀物堵塞葉片，并影響臥式螺旋沉降離心機的使用壽命。因此，臥式螺旋沉降離心機的螺距不應太小。從圖4 可以看出，現有的螺距為208 mm，當螺距小于或等于208 mm 時，水分含量滿足45%的工程要求。同時，考慮臥式螺旋沉降離心機的泥沙輸送能力，將螺旋槳的螺距保持在原來的208 mm。

圖4 不同螺距下出口處物料的含水量

3 結論

1）排出口的水分含量隨著滾筒速度的增加而降低，但是，考慮到所需的能量消耗、操作穩定性和使用壽命，更合適的轉速為2 000 r/min。

2）在轉鼓轉速為2 000 r/min的條件下，將現有臥式螺旋沉降離心機轉鼓的錐角增加1°～2°可以進一步提高離心機的脫水效率。

3）將螺旋槳的螺距保持在原來的208 mm的水平，可以保證臥式螺旋沉降離心機排出口的水含量低，并具有良好的輸送能力。