立式螺旋煤泥过滤离心机脱水时间模型研究.pdf

第3 6 卷第6 期 2 0 0 7 年1 1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V o I ．3 6N o ．6 N O V ．2 0 0 7 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 7 0 6 0 7 7 9 0 4 立式螺旋煤泥过滤离心机脱水时间模型研究 张文军，李延锋，刘炯天，欧泽深 中国矿业大学化工学院．江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘要根据立式螺旋煤泥过滤离心机的工作特点，提出了静态过滤时间和动态过滤时间的概念， 推导了静态过滤时间、动态过滤时间与主要结构参数之间的函数关系，分析了主要参数的影响趋 势并进行了验证．结果表明沉降成饼时间是螺旋头敷和相对速差的函数，对滤层犀度、阻力厦滤 层截留效应影响显著；动态过滤时间是螺旋升角、回转速差、过滤转鼓半锥角及过滤转鼓半径的 函数，对滤层运动行为及脱水效果影响显著．采用小升角螺旋、降低转速差、增大转鼓高度有利于 延长动态过魔时间、改善脱水效果．建立的模型对细煤泥过滤离心机的设计、优化具有指导恚义． 关键词细煤泥脱水} 过滤；过滤离。机；脱水时间 中图分类号T D9 2 6 ．2文献标识码A R e s e a r e ho nD e w a t e r i n gT i m eo ft h e H e l i c a lS l i m eF i l t e r i n gC e n t r i f u g e Z H A N GW e n o j u n ，L IY a n - f e n g ，L I UJ i o n g - t i a n ，O UZ e - s h e n S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ．C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h er e a l i z i n ga n dc o n t r o l l i n go fm o v i n g - b e dc a k ef i l t e r i n g ，t h ec o n c e p t so f s t a t i c - b e df i l t e r i n gt i m ea n dm o v i n g - b e df i l t e r i n gt i m ei nt h eh e l i c a ls l i m ef i l t e r i n gc e n t r i f u g e w e r ep r o p o s e d ．T h ef u n c t i o nr e l a t i o n sb e t w e e nt h et i m e sd e f i n e da b o v ea n dt h em a i nf a c t o r sr e - l a t e dw e r ed e d u c e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t a t i c - b e df i l t e r i n gt i m ei St h ef u n c t i o no ft h e s p i r a lh e a d sa n dt h er o t a t i o nr a t ed e f e f e n c eb e t w e e nt h es p i r a la n dt h ep o r o u sd r u m ，w h i c hh a s r e m a r k a b l ee f f e c t s0 1 2t h et h i c k n e s s ，r e s i s t a n c ea n dw i t h h o l do fc a k e ．T h em o v i n g b e df i l t e r i n gt i m ei st h ef u n c t i o no ft h ec o n ea n g l eo ft h ep o r o u sd r u m ，t h er a d i u so ft h ep o r o u sd r u m ， t h es p i r a la n g l e ，a n dt h er o t a t i o nr a t ed e f e r e n c e ，w h i c hh a sr e m a r k a b l ee f f e c t so nm o v i n ga n d d e w a t e H n ge f f i c i e n c yo fc a k e ．T h em a c h i n ew i t hs m a l l e rs p l r a ja n g l e ，r o t a t i o nr a t ed e f e f e n c e 。 a n dc o n ea n g l em a yd oab e t t e rj o bf o rs l i m ed e w a t e r i n g ．T h ef u n c t i o n sd e d u c e da r em e a n i n g f u l f o rp a r a m e t e r sd e s i g n i n ga n do p t i m i z i n go ft h eh e l i c a ls l i m ef i l t e r i n gc e n t r i f u g e ． K e yw o r d s s l i m ed e w a t e r i n g ；f i l t r a t i o n ；f i l t e r i n gc e n t r i f u g e ；d e w a t e r i n gt i m e 煤炭深度洗选脱硫降灰是控制燃煤污染、提高 煤炭利用效率的主要途径．高教细粒煤泥脱水技术 是湿法选煤工艺深度脱硫降灰的前提．连续作业、 结构紧凑、高效可靠的细煤泥脱水技术与装备研发 一直受到国内外研究者的高度关注．离心力场易于 实现，所产生的过滤推动力远高于真空、加压等过 滤方式．离心过滤对所分离的固相和液体之间没有 密度差的要求，对带泡末的浮选精煤悬浮液脱水具 收稿日期2 0 0 7 0 2 2 8 基金项目教育部科学技术研究重点项目 1 0 5 0 2 2 作者简介张空军 1 9 7 0 一 t 男，陕西省宝鸡市人，副教授博士，从事煤炭分选及洁净利用、固液分离理论与技术方面的研究， E - m a i l z w J c u m t s i n a ．c o i nT e l 1 5 9 5 2 2 6 9 8 0 1 万方数据 中国矿业大学学报 第3 6 卷 有优越性．连续、动态是相对于静态、间歇作业的压 滤机、三足离心机的过滤方式提出的，目标是高固 体回收和低滤饼水分，难点是沉降行为、滤饼结构、 沉降及过滤时问控制，关键在于过滤转鼓、螺旋的 结构参数与配合．国外相关领域的研究工作主要围 绕改善人料性质、改进筛篮、筛网结构等改善脱水 效果，如通过预先浓缩、絮凝、分级等提高人料浓 度、改善人料粒度来加速滤饼层的形成、改善滤层 结构、改进脱水效果等”“．根据卧螺离心机、沉降 离心机及沉降过滤离心机的研究及应用实践，影响 物料脱水的因素除了人料性质、筛篮、筛网结构外， 螺旋结构与速差也有重要影响，主要体现在对滤层 结构和停留脱水时间的影响上”“．文献[ 6 ] 对影响 振动卸料离心机和锥型转鼓离心力卸料离心机的 物料停留时间的因素进行了研究．国内关于煤泥离 心机的文献主要围绕粗煤泥回收的应用实践．本文 基于动态过滤的实现、控制及优化，从时问控制的 角度，对螺旋离心机中影响滤层沉降行为、滤层结 构和脱水效果的主要结构因素及关系进行了研究 探讨． 1 立式螺旋离心机动态过滤原理 连续、动态是相对于静态、间歇作业的压滤机 及三足离心机过滤提出的，利用螺旋结构是实现和 控制滤层动态化的有效手段．图1 是立式螺旋离心 机动态过滤原理图，图2 是离心过滤的基本原理 图．人料悬浮液从上部连续给人，在螺旋与过滤转 鼓构成的空间内分离；沉降到过滤转鼓 称之固有 过滤介质 表面的粗颗粒被截留并形成颗粒床层 称之次生过滤介质 ，对后续沉降的颗粒进行截 留，颗粒层厚度和过滤阻力不断增加．同有介质和 次生介质构成复合介质；液体因离心作用透过复合 过滤介质的孔隙进人滤液室；与过滤转鼓之问保持 一定转速差的螺旋体将沉积在固有介质表面的颗 粒层向排料端方向输送并持续脱水，实现了次生滤 层的动态化． 图l 离心过滤机原理 F i g ．1V e r t i c a lf i l t e r i n gc e n t r i f u g e 根据立式螺旋煤泥过滤离心机的工作进程特 点，把分离空间沿转鼓母线方向划分为饱和脱水区 和非饱和脱水区．饱和脱水区的主要特点是颗粒沉 降形成次生过滤介质及自由液体的分离 如图2 ， 液体自由液面半径托小于颗粒床层表面半径，流 体压差大、过滤速度较快，脱水阻力主要源于次生 过滤介质阻力R 。． t 滤 泣 颗沉 粒降 层区 沉颗 降粒 区层 畦 液 图2 离心过滤分离原理 F i g ．2C e n t r i f u g a lf i l t r a t i o n 用％表示次生过滤介质的过滤比阻 忽略其 沿半径方向的变化 ，h 为过滤转鼓内表面半径，那 么半径r 处厚度为d r 的单位高度环状滤层单元的 过滤阻力可表示为 d R 。．一2 丌口。r d r ． 1 对式 1 积分可得单位高度环状滤层的过滤阻 力为 r n R “一I 。2 Ⅱq r d r “ K O r 。 一一，{ ． 2 ‘ J ‘． 根据达西定律，颗粒床层厚度增加必然导致 R m 增大，相应的是过滤速度的降低．由式 2 可 知，控制滤层厚度或降低过滤比阻可以有效降低次 生过滤介质阻力．沉降行为与时间控制的意义在于 前者，动态化的意义在于后者． 随着过程进行，当自由液面半径r o 大于颗粒 床层半径时 后即进入非饱和脱液阶段，颗粒层 中出现毛细现象，根据毛细管模型．在离心因数为 c 的离心场中，作用于液体上的力主要有毛细力 ‰，离心力F c 。。以及大气压力F k 。．用r h 表示毛 细管半径，当毛细液柱平衡时，其受力关系可表示 为 2 r h a c o s - - n c g ”砖h 。一A p e d 一0 ． 3 可得半径 的孔隙中的毛细高度为 h 。；2 a c o s 日- - A p rs ， 4 n L g r h 式中a 为液体的表面张力；口为润湿接触角；印为 液体密度；△P 为气压差{ g 为重力加速度．非饱和 脱水阶段的阻力主要源于毛细作用，此时动态化的 万方数据 第6 期张文军等立式螺旋煤泥过滤离心机脱水时间横型研究7 8 1 意义在于改善颗粒层的孔径分布、降低残余饱和 度． 2 立式螺旋过滤离心机的脱水时间 在持续作业过程中控制颗粒层的增长时间是 控制滤层厚度、降低次生过滤介质阻力的有效途 径，动态化过滤时问控制是改善次生介质层结构、 降低过滤比阻和残余饱和度的有效途径． 2 ．1沉降成饼静态过滤时间 根据式 2 ，饱和渗流脱水区颗粒层厚度对脱 液阻力具有很大影响，而沉积厚度是沉积时间的函 数．将过滤转鼓表面D 。处沉积颗粒层的形成、增 长、脱液时间定义为该处的沉降成饼静态过滤时 间，用L 表示．用h 。表示输渣蝶旋的头数，用A n 表 示过滤转鼓与螺旋之间的转速差，那么螺旋在D 。 处的刮料频率可表示为 ‘ 一生学． 5 由式 5 可得D 处沉积颗粒层增长时间为 1 、 16 0⋯ 1 4 一百一h , X n ‘ ’ L ，，i 由螺旋头数h 。和转速差A n 确定．初始 阶段，悬浮液中的固体颗粒发生离心沉降，粒度大 于固有过滤介质孔径的颗粒通过架桥的方式沉积、 形成次生过滤介质，对后续沉积的颗粒进行截留， 图2 中的 逐渐减小、滤层厚度和过滤阻力增加． 滤层表面被液体覆盖，属于饱和渗流过滤，过滤压 差大、脱除大部分液体．L ， 决定颗粒在该区域 的持续沉积时问及静态过滤脱水时间，即决定次生 介质层厚度，影响颗粒层渗流阻力、脱水速度和细 粒截留效果“1 ．结构设计时，若着眼于降低过滤阻 力、提高脱水速度，可考虑适当提高饱和脱水区的 刮料频率、降低滤层厚度；若着眼于借助滤层截留 效应、提高细粒回收效果，可考虑适当降低饱和脱 水区的刮料频率． 2 ．2 动态过滤脱水时间 滤层动态化由同转螺旋实现，滤层由过滤转鼓 的小端向大端的运动轨迹为螺旋线，该过程即动态 过滤历程．将该过程经历的时间称为动态过滤脱水 时间，用T ，表示．用。表示过滤转鼓的半锥角，用 仉，表示滤饼沿过滤转鼓母线方向的移动速度，用 s 表示输料螺旋的螺距，用口表示输料螺旋的升角， 用≯表示滤饼相对于过滤转鼓的角速度，用A c o 表 示螺旋与转鼓的相对角速度，那么滤渣与输料螺旋 问的相对角速度可表示为△“一吼 沉积颗粒层在螺旋推动下，沿过滤转鼓母线方 向移动一个螺距S 所需要的时间为 t 击， ㈣ 因 t a n 卢 S ／ 2 n r ， 8 式中r 为回转半径．因此滤渣沿过滤转鼓母线方 向的运动速度％为 d ZS2 Ⅱr t a n 口 ‰一面一r 一瓦一5 △∞一妒 r △∞一P t a n 且 9 在半锥角为a 的过滤转鼓母线方向有 ‰一塞骨‰出一d t d r ／s i nm 10 由式 9 ， 1 0 可得 d 扣面j 面1 面亭d r - 1 1 对式 1 1 积分有 D J j 出 面j 杀丽1 n 署“1 2 式中 ，，2 分别为过滤转鼓小端和大端的半径． 式 1 2 给出了螺旋输渣的动态连续离心过滤 过程的动态过滤脱水时问与主要影响因素之间的 关系．因细煤泥滤饼粘性较大，且动态过程源于螺 旋强制刮料，因此可认为△m P 一△“，那么式 1 2 可简化为 乃一面五1 雎 l n 口／nr r I _ z ． 1 3 式 1 3 从时间控制的角度为细煤泥离心动态 过滤装置的参数选择与优化提供了重要信息． 2 ．3 影响动态过滤时间的主要因素分析 根据前面分析，影响沉降成饼静态过滤时间和 动态过滤脱水时间的因素主要有螺旋升角、转鼓半 锥角、转速差、过滤转鼓半径及螺旋头数． 2 31 螺旋升角 由式 1 3 ，其它条件不变、输料螺旋升角p 增 大时，动态过滤脱水时间丁，缩短，原因是升角增大 导致螺旋的导程增大、滤渣沿转鼓母线方向的速度 加快．从延长过滤时间、改善细煤泥脱水效果的角 度，采用小升角螺旋是有利的．表1 是本文用小型 实验离心过滤机对d 0 ．5m m 细煤泥脱水的结果． 其它条件相同的情况下，配用升角5 0 。的螺旋比配 用升角5 5 。的螺旋动态过滤时间延长了约0 ．1 1s ， 滤渣水分低了4 ％． 万方数据 7 8 2中国矿业大学学报第3 6 卷 表1螺旋升角对煤泥脱水效果的影响 T a b l e1 E f f e c t so fs p i r a la n g l eo i ld e w a t e r i n gr e s u l t s 23 ．2 转鼓半锥角 过滤转鼓的半锥角n 同时影响颗粒层的运动 方式与停留时间，过滤转鼓的半锥角与物料和过滤 转鼓的摩擦角越接近，有利于降低输渣功率、减少 设备磨损”] ．半锥角的确定应主要着眼于减小输渣 功率．煤与金属筛网间的摩擦系数一般在0 ．3 5 ～ 0 ．5 5 之间，对应的摩擦角范围为1 9 ～2 9 。．由式 1 3 ，当半锥角增大时，动态过滤时间n 减小．选 煤领域用于粗煤泥回收脱水的F C 一1 2 0 0 粗煤泥离 心机的半锥角为2 0 。，L L L 一1 2 0 0 粗煤泥离心机的 半锥角为3 0 。．本文所用小型实验机的半锥角是 2 0 9 ． 2 3 ．3 回转速差 由式 6 ， 1 3 ，T ／，T ，均与△m 成反相关系， △m 减小，丁，增大，有助于改善脱液效果．选煤领域 用于粗煤泥脱水的F 0 1 2 0 0 离心机的△Ⅲ一0 ．9 7 ， L L L - 1 2 0 0 型离心机的△∞ 0 ．5 9 ．本文所用小型 实验机的△u 一2 ．2 ． 2 ．3 ．4 螺旋头数 螺旋头数h 。与速差△m 一起决定沉降成饼及 静态过滤时间，L 与h 。成反相关系．如果着眼于 提高微细粒回收效果，可适当减少螺旋头数、缩小 相对速差以相应延长沉降成饼时间；如果着眼于提 高脱水速度、增加通过能力，那么可以采取相反的 做法． 23 ．5 转鼓高度 在半锥角a 和转鼓小端直径确定的情况下，转 鼓高度的适当增大意味着大端卣径的相应增加，既 延长了动态过滤时问，又增加了最大离心因数，对 降低滤渣的残余水分是有利的． 3结论 1 控制颗粒层的增长时间即静态沉积时间是 控制滤层厚度、降低次生过滤介质阻力的有效途 径；动态化过程的实现与控制是改善次生介质层结 构、降低过滤比阻和残余饱和度的有效途径． 2 建立了沉降成饼静态过滤时间与螺旋头数 和相对转速差的函数关系，静态过滤时间与转速差 和螺旋头数成反比．控制静态过滤时间可有效控制 次生介质层的厚度和过滤阻力，改善脱水效果． 3 建立了动态过滤时间与输料螺旋的升角、 螺旋头数、回转速差、转鼓的半锥角等的函数关系， 对细煤泥动态过滤离心机的设计、优化具有指导意 义．从改善细煤泥脱水效果的角度看，采用小升角 螺旋、降低转速差、采用2 0 。左右的小锥角转鼓、增 大转鼓高度是有利的． 参考文献 [ 1 ] 张文军．高效细分散煤泥悬浮液连续离心过滤脱水 研究[ D ] ．徐州中国矿业大学化工学院，2 0 0 2 ． [ 2 ] 石常省，谢广元，张悦秋．细粒煤压滤滤饼的微观结 构分析口] ．中国矿业大学学报，2 0 0 6 ，3 5 1 9 9 1 0 3 ． S H IC h a n g - s h e n g ，X I EG u a n g y u a n tZ H A N GY u e - q i u ．S t u d yo ft h ei n n e rs t r u c t u r eo ff i n ec o a lf i l t e r c a k e [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆ T e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ，3 5 1 9 9 1 0 3 ． [ 3 ] 孙启才．金鼎五．离心机原理结构与设计计算[ M ] ． 北京机械工业出版社，1 9 8 7 ． E 4 3 颜春敏，黎长山．卧式螺旋卸料沉降离心机沉渣的 输送[ J ] ．过滤与分离，1 9 9 9 1 2 0 2 4 ． Y A NC h u n - m i n 。L lC h a n g - s h a n ．D e c a n t e rc e n t r i f u g e ’ss l u d g et r a n s p o r t a t i o n [ J ] ．F i l t e r ＆S e p a r a t i o n ．1 9 9 9 1 2 0 2 4 ． [ 5 ] 张德有，张苏林．新型E P S 固渡分离机械的研制 [ J ] ．流体机械，2 0 0 0 6 2 12 5 ． Z H A N GD P y o u ，Z H A N GS ul i n ．R e s e a r c ho nt h e n e ws o l i d l i q u i ds e p a r a t o rf o rE P S [ J ] ．F l u i dM a c h i n e r y ，2 0 0 0 6 2 1 2 5 ． [ 6 ] F A NDS ，W A K E M A NRJ ．E f f e c t so fs t e pd r u m s o ns o l i d sr e s i d e n c et i m e si nc o n i c a lb a s k e ta n dr u m b i e rc e n t r i f u g e s [ J ] ．F i l t r a t i o na n dS e p a r a t i o n ，1 9 9 2 3 ／4 3 5 1 3 5 4 ． 责任编辑骆振福 万方数据