螺旋過濾輸送機設計與應用

羅華進，鈕德明

（廣西理工職業技術學院，廣西 崇左 532200）

甘蔗糖廠的濾泥中含有以蔗糠為主體的有機物質，具有很高的燃燒值，其值高于蔗渣，且與褐煤的燃燒值相當[1]。濾泥由于含水量大，難以采用常規脫水方式降低濾泥水分，故濾泥不能直接送進鍋爐焚燒。為此，本文提出了從濾泥中提取蔗糠的工藝，螺旋過濾輸送機是該工藝的關鍵設備，能將蔗糠與泥水分離，確保從濾泥中提取含水量低于40%的蔗糠作為鍋爐燃料。在甘蔗糖廠中應用濾泥提取蔗糠的工藝，能實現廢物利用，不僅減少了濾泥對生產環境的污染，而且能減少燃料費用，經濟和社會效益可觀。

1 濾泥的來源與組成

1.1 濾泥的來源

在甘蔗制糖生產過程中，甘蔗榨取汁中存在的蛋白質、果膠質、有機酸等非糖分有機物質，影響了煮糖結晶的進程，因此，需對甘蔗榨取汁進行去除非糖分有機物質的澄清處理。大多數甘蔗糖廠采用磷酸亞硫酸法澄清工藝，即將磷酸、氫氧化鈣及二氧化硫同時加入蔗汁中，通過加熱、中和、沉降和過濾，使獲得的清汁濁度低，清凈效率高，產生的濾泥呈中性，有機含量高，并且含有適量的微量元素。其工藝流程如圖1 所示。

圖1 磷酸亞硫酸法澄清工藝流程

混合汁經過磷酸亞硫酸法澄清工藝處理，獲得進一步煉制的清汁，同時也產生了大量的濾泥。日榨5 000 t 的甘蔗糖廠，按加工1 t 甘蔗產生2.5%的濾泥量計算，一個榨季可產生約1.5 萬t 濾泥。因為濾泥具有含水量高和不易通氣等特性，很難自然干燥，極其容易被雜菌污染。被污染的濾泥進入土壤中，會影響作物生長。濾泥堆放在廠內，與空氣接觸一段時間后，其中的糖分隨著細菌的分解、發酵，隨后形成惡臭。這樣不僅占用土地資源，還污染空氣，更污染地下水源，使濾泥成為“放沒地方放，用又沒法用”的廢棄物。不少糖廠每年為此付出不菲的濾泥運輸費和土地占用費。

1.2 濾泥的組成

磷酸亞硫酸法澄清工藝所產生的濾泥由水分和非水分物質組成，具體成分會因甘蔗的品種、產地的氣候、土壤的性質及糖廠的澄清處理的工藝不同而不同。

1.2.1 糖廠濾泥中的非水分物質成分

從磷酸亞硫酸法澄清工藝原理可知，濾泥中會存在著從蔗汁中沉淀出來的有機物和無機鹽等物質，其中以蔗糠為主體的有機質占58.66%。濾泥的非水分物質成分見表1。五氧化二磷 氧化鉀 氧化鈣 氧化鎂 氮 有機質

表1 磷酸亞硫酸法澄清工藝產生濾泥的非水分物質成分%

1.2.2 糖廠濾泥中的水分

由于采用真空吸濾機過濾泥汁，難以從濾餅中脫出大量水分，因此，使得濾泥中存在大量水分，一般濾泥的含水量在75%左右。按濾泥中水分存在的形式劃分，一般可分為4 類：裂隙水、毛細結合水、吸附水和內部水。濾泥中水分存在的形式如圖2 所示。

圖2 濾泥中水分存在的形式

由圖1 可看出，吸附水是指通過氫鍵結合與靜電作用黏附在濾泥顆粒表面的水分，約占濾泥水分的7%，由于水分子排列整齊，分子間作用力更穩定，很難去除；內部水是指通過化學鍵與濾泥有機結合，約占濾泥水分的3%，可看作濾泥的一部分；毛細結合水是指在濾泥中的毛細管水分，約占濾泥水分的20%，由于水分通過毛細壓強及表面張力與泥質結合，所以難以去除；裂隙水是指濾泥顆粒包圍的水分，不與濾泥直接結合，占濾泥水分的70%左右，是比較容易去除的。通過以上分析可知，只要打破濾泥顆粒的包圍，采用機械擠壓的方法，是可以去除占濾泥水分的70%左右的裂隙水的。

2 從濾泥中提取蔗糠的工藝

從甘蔗糖廠濾泥中提取蔗糠的工藝裝置，由溶解攪拌罐1、螺旋過濾輸送機2、泥水泵3、壓榨脫水機4、蔗糠輸送機5 和廢水泵6 組成，工藝流程圖如圖3所示。

圖3 從甘蔗糖廠濾泥中提取蔗糠的工藝流程圖

其中，濾泥輸送機的出口與溶解攪拌罐1 的濾泥進口采用螺栓連接；生化處理回用清水管與溶解攪拌罐1 的進水管采用法蘭連接；溶解攪拌罐1 中部的出料管與螺旋過濾輸送機2 的進口管采用法蘭連接；溶解攪拌罐1 底部的泥沙排出口距離地面有1 m，以便清運；螺旋過濾輸送機2 的出渣口與壓榨脫水機4 的進料口連接；螺旋過濾輸送機2 的泥水收集器的泥水出口管與泥水泵3 的進口管采用法蘭連接；泥水泵3的出口管與送入生化處理池的管道采用法蘭連接；壓榨脫水機4 的干蔗糠出料口與蔗糠輸送機5 的進口連接；壓榨脫水機4 的廢水收集器的出口管與廢水泵6的進口管采用法蘭連接；廢水泵6 的出口管與送入生化處理池的管道采用法蘭連接；蔗糠輸送機5 的出料口與鍋爐燃料蔗渣輸送皮帶機進口連接。

從甘蔗糖廠濾泥中提取蔗糠的工藝流程如下：①生化處理回用清水通過清水洗滌管進入溶解攪拌罐內，被攪拌形成翻滾、流動的水流。②濾泥通過輸送機送到溶解攪拌罐內，與翻滾、流動的生化處理回用清水直接混合，溶解了細小的泥土，使之形成含有蔗糠的可流動泥漿混合物。③從溶解攪拌罐中部的出料管排出的泥漿混合物進入螺旋過濾輸送機，泥水穿過楔形槽篩網，進入泥水收集器內；蔗糠被截留下，并沿楔形槽篩網表面向前移動，實現了蔗糠與泥水的分離。④水含量高的蔗糠，被送入壓榨脫水機進行擠壓脫水，蔗糠含水量降到40%以下，作為燃料經蔗糠輸送機送到鍋爐燃燒。⑤壓榨脫水機擠壓出的廢水與螺旋過濾輸送機收集器內的廢水都用泵送到生化處理池，經處理后回用。

3 螺旋過濾輸送機

3.1 螺旋過濾輸送機結構設計

螺旋過濾輸送機是從濾泥中提取蔗糠工藝的關鍵設備，其是基于擠出理論而研發的濾泥專用的固液分離設備，由電機1、減速機2、聯軸器3、軸承座4、填料密封函5、進料管6、機殼7、過濾網8、泥水出口管9、螺旋推渣軸10、連接法蘭11、出渣口12 和機架13 組成，其結構如圖4 所示。

2019年，金豐公社將打造300家縣級金豐公社、鄉鎮級服務中心/村級服務站3萬余家，擁有社長/農機師服務隊伍18萬余名，服務超過1000萬農戶。

圖4 螺旋過濾輸送機結構示意圖

其中，機架13 由槽鋼焊接而成，在機架13 左端安裝減速機2，采用螺栓連接；減速機2 與電機1 連接，采用螺栓連接；在機架13 中部安裝機殼7，機殼7 的支腳與機架13 采用螺栓連接；在機殼7 內套入過濾網8，機殼7 與過濾網8 采用連接法蘭11 連接；過濾網8采用楔形條組裝成圓筒形，由多個加強圈固定；螺旋推渣軸10 安裝在過濾網8 中心，兩端采用軸承座4 支承；螺旋推渣軸10 的主體部分焊接螺旋葉片，在出渣口12 處焊接刮渣片；螺旋推渣軸10 與減速機2 的輸出軸采用聯軸器3 連接；在機殼7 左端的連接法蘭11上安裝進料管6，采用螺栓連接；在進料管6 的左側板中心安裝填料密封函5，采用焊接連接；在機殼7 中部的下方安裝泥水出口管9，采用焊接連接；在機殼7 右端的連接法蘭11 上安裝出渣口12，采用螺栓連接。

螺旋過濾輸送機的功能和使用方法：啟動電機1，螺旋推渣軸10 慢速轉動。從溶解攪拌罐排出的含泥水蔗渣通過進料管6 進入過濾區，在螺旋推渣軸10 的帶動下，含泥水蔗糠隨螺旋葉片向前移動，并受到擠壓；當有泥水從左端軸側泄漏時，可壓緊填料密封函5 的壓獸，防止泄漏；泥水穿過過濾網8，進入機殼7，經泥水出口管9 排出；留在過濾網8 上的蔗糠，隨螺旋葉片繼續向前移動；擠脫部分泥水的蔗糠從出渣口12 排出，送到壓榨脫水機中，通過擠壓脫水，使蔗糠含水量降到45%以下，最后送到鍋爐燃燒。

螺旋過濾輸送機的技術特點如下。

1）過濾效率高：留在過濾網上的蔗糠，隨螺旋葉片繼續向前移動，由于不斷更新過濾表面，過濾效率高。

2）結構簡單：由于采用楔形條組裝成圓筒形篩網和螺旋推渣技術，簡化了螺旋過濾輸送機的結構。

3）出渣順暢：采用撥渣葉輪刮削向前移動的圓環形濾餅塞，疏松后的蔗糠進入撥渣葉輪的葉片槽中，然后從旋轉的撥渣葉輪的葉片槽中落下，從出渣口排出。

3.2 螺旋過濾輸送機主要零部件

3.2.1 螺旋軸結構分析

螺旋軸是體現螺旋過濾輸送機工藝性能的關鍵零部件，其由軸承位A、進料區W、擠壓脫水區J 和濾餅阻塞區S 組成[2-3]，如圖5 所示。

圖5 螺旋軸結構示意圖

3.2.2 過濾筒的結構分析

過濾筒是采用不銹鋼楔形條組裝成的圓筒形，用多個加強圈固定。不銹鋼楔形條組成的縫隙是梯形的，窄面組成過濾表面，間隙可在0.1 mm 到0.3 mm 選擇，寬面是泥水流出面，不易堵塞，在螺旋葉片不停地旋轉下，過濾表面不斷更新，提高了過濾效率。

3.2.3 出渣口的結構分析

出渣口由外殼121、撥渣葉輪122 組成，如圖6 所示。外殼121 構成了出渣口，撥渣葉輪122 安裝在螺旋軸的出料端，采用鍵連接，隨螺旋軸緩慢轉動。蔗糠在螺旋葉片的推動下，不斷充滿濾餅阻塞區S，在此處形成圓環形濾餅塞，在螺旋葉片軸向力的作用下，圓環形濾餅塞不斷向前移動，并被撥渣葉輪122 的葉片刮削而疏松，疏松后的蔗糠進入撥渣葉輪122 的葉片槽中，然后從旋轉的撥渣葉輪122 的葉片槽中落下，從出渣口排出。

圖6 出渣口結構示意圖

4 從濾泥中提取蔗糠的效益分析

4.1 提取蔗糠的熱能計算

采用溶解水對濾泥進行溶解和洗滌，解除濾泥顆粒對裂隙水的包圍，分解了泥漿對蔗糠的包裹；通過螺旋過濾輸送機的過濾，將泥水和蔗糠分離；蔗糠再經擠壓脫水，蔗糠含水量控制在40%以下，送鍋爐燃燒。日榨5 000 t 的甘蔗糖廠，按加工1 t 甘蔗產生2.5%的濾泥量計算，一個榨季120 d，可產生約15 000 t 水分含量為75%的濾泥[4]，折算成水分含量為40%的蔗糠約6 250 t，按水分含量為40%的蔗糠的低位發熱量為R1=9 720 kJ/kg 計算，提取蔗糠的熱能為

Q=R1W=9 720×6 250 000=60 750 000 000 kJ。

4.2 一個榨季可節約的燃料費

糖廠鍋爐的燃料主要是含水分49%的蔗渣，查蔗渣低位發熱量表得含水分49%的蔗渣的低位發熱量R2=7 890 kJ/kg，回收生物質燃料折合49%水分的蔗渣是

Z=Q÷R2=60 750 000 000÷7 890

=7 699 620 kg

=7 699.62 t。

按每噸蔗渣0.05 萬元計，則一個榨季可節約的燃料費為

F=7 699.62×0.05=385 萬元。

5 結束語

從濾泥中提取蔗糠的工藝與現有技術相比，其突出的優點如下。

1）有效地解決了甘蔗糖廠濾泥對生產環境污染的問題，環境效益突出。

2）日榨5 000 t 的甘蔗糖廠，一個榨季可從濾泥中提取含水量40%的蔗糠6 250 t，節約燃料費385 萬元，經濟效益可觀。

3）該工藝采用螺旋過濾輸送機高效地將蔗糠與泥水分離，有助于蔗糠的脫水[5]，確保從濾泥中提取含水量低于40%的蔗糠作為鍋爐燃料。

在甘蔗制糖企業中應用從濾泥中提取蔗糠的工藝，既降低了濾泥對環境的污染程度，又節約了燃料費用，經濟效益和社會效益均可觀。