陳 昱,鄒雪晴

(北京圓之翰煤炭工程設(shè)計有限公司,北京 100088)

0 引 言

礦井水在煤炭工業(yè)中特指煤炭開采過程中從井下或露天礦排出井外的采煤廢水.由于井下排出的礦井水中含有大量的煤塵、矸石粉末等雜質(zhì)，隨著水的澄清過程，礦井水中的懸浮物作為煤泥被分離出來，礦井水處理產(chǎn)生的煤泥具有含水率高、煤泥量大的特點.解決礦井水處理產(chǎn)生的煤泥的有效措施是對污泥進(jìn)行脫水減量化處理.我國各煤炭企業(yè)煤泥處理一般采用機(jī)械脫水方式，而離心脫水機(jī)具有脫水效果好、脫水后煤泥含水率低、全封閉運行、自動化程度高、操作管理簡便、調(diào)節(jié)靈活、設(shè)備體積小等優(yōu)點，非常適宜在礦井水處理系統(tǒng)煤泥脫水中應(yīng)用.

離心脫水機(jī)分為離心沉降式和離心過濾式兩種，在煤礦企業(yè)煤泥脫水中通常采用離心沉降式.本文簡要介紹離心沉降式脫水機(jī)(以下簡稱離心脫水機(jī))的工作原理，結(jié)合在礦井水處理煤泥脫水中的應(yīng)用分析影響離心脫水機(jī)效果的因素，并與其它機(jī)械脫水設(shè)備進(jìn)行了技術(shù)比較.

1 離心脫水機(jī)的工作原理

離心脫水機(jī)主要由轉(zhuǎn)鼓、螺旋、差速系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成(圖1).在高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，利用固液兩相的密度差，加快固相的沉降速度，實現(xiàn)固液分離.在實際運行中，污泥通過入料管道被送入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，螺旋和轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，使污泥在轉(zhuǎn)鼓和螺旋之間形成一個圓柱形液環(huán)層，比重較大的固體顆粒在液環(huán)層內(nèi)由于離心力較大，向轉(zhuǎn)鼓壁移動，并沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁形成泥渣層，再利用螺旋和轉(zhuǎn)鼓的相對速度差把泥渣推向轉(zhuǎn)鼓錐端，泥渣推出液面之后在離心力作用下脫水干燥，從而實現(xiàn)污泥脫水，脫水泥渣由螺旋推向排渣口排出，上清液從轉(zhuǎn)鼓大端排出[1].

圖1 離心脫水機(jī)工作原理示意圖

2 影響離心脫水機(jī)脫水效果因素分析

2.1 不可調(diào)整的機(jī)械因素

離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓直徑、有效長度、轉(zhuǎn)鼓半錐角、螺距、螺旋類型等屬于設(shè)備定型參數(shù)，不能在實際運行中調(diào)整.

轉(zhuǎn)鼓直徑大和有效長度長，分離效果好.目前離心脫水機(jī)的發(fā)展趨勢傾向于高轉(zhuǎn)速和大長徑比，以適應(yīng)低濃度、固相密度小的污泥處理，同時進(jìn)一步降低泥餅含水率.

轉(zhuǎn)鼓半錐角影響離心機(jī)輸渣能力及離心液的澄清度，半錐角大，離心液澄清效果好，但輸渣能力降低.目前各廠家生產(chǎn)的離心機(jī)半錐角大小一般在8～15°范圍.

螺距大小影響輸渣能力，難分離物料如活性污泥，采用為轉(zhuǎn)鼓直徑1/5～1/6的小螺距，以提高輸渣效果.對于易分離物料，采用較大的螺距(轉(zhuǎn)鼓直徑的1/2～1/5)以提高輸渣能力.

螺旋的類型根據(jù)液體和固體在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)相對移動方式的不同分為逆流式和順流式.逆流式的加料腔在螺旋中部，固相僅停留其通過圓錐部位所需的時間，效率較高，處理能力大，但沉降區(qū)域內(nèi)已沉降的固體顆粒擾動較大，一般適用于固液密度差大，易分離物料.順流式的進(jìn)料口在轉(zhuǎn)鼓端部，離心機(jī)全長都起到了沉降作用，從而使分離效果得到提高，適用于固液密度差小、沉降性能差、含量低的難分離物料.由于順流式延長了停留時間、入料干擾影響小，同等入料條件下較逆流式絮凝劑的使用量小.

礦井水處理過程中被沉淀分離出來的煤泥主要成分是煤粉和矸石粉末，密度較大，排泥濃度相對較高，離心機(jī)分離因素在2 600～3 500均能取得較好的脫水效果.煤泥屬于易分離物料，可以采用12～15°半錐角和1/3～1/5的螺距，并可選用處理能力大的逆流式離心機(jī)以獲得更高的單位處理效率.

2.2 可調(diào)整的機(jī)械因素

包括轉(zhuǎn)速、差速度、液環(huán)層厚度等，這些因素在運行中可以根據(jù)工藝條件進(jìn)行調(diào)整.

液環(huán)層厚度影響離心機(jī)的有效沉降容積和干燥區(qū)長度.液環(huán)層厚度增加，錐端無水區(qū)面積減少，泥渣的脫水時間縮短，泥餅含水率升高，但沉降面積增大，濾液的質(zhì)量會提高.合理調(diào)整液環(huán)層厚度，可以使泥餅含水率和濾液質(zhì)量達(dá)到一個比較合理的水平.

離心機(jī)分離因素是評價脫水效果的重要參數(shù)，離心機(jī)的分離因素用公式(1)描述：

(1)

式(1)中：Fr：離心機(jī)的分離因素；r：轉(zhuǎn)鼓半徑(m)；ω：離心機(jī)的角速度(rad/s)；n：離心機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min)；g：重力加速度(m/s2).

根據(jù)分離因素的公式，高轉(zhuǎn)速分離效果好，但高轉(zhuǎn)速對機(jī)體材料強(qiáng)度要求高，磨損大，動力消耗、振動及噪聲水平也會增加，轉(zhuǎn)速過大還會使污泥絮凝體被破壞，反而降低脫水效果.在礦井水處理中煤泥脫水應(yīng)用中，分離因素在2 600～3 500之間的離心機(jī)實際使用情況良好.

差速度是轉(zhuǎn)鼓與螺旋的轉(zhuǎn)速差，直接影響排渣能力、泥餅含水率和濾液質(zhì)量，是離心式污泥脫水機(jī)運行中需要根據(jù)運行情況進(jìn)行調(diào)節(jié)的最重要的機(jī)械參數(shù).差速度大排渣能力強(qiáng)，沉渣脫水時間縮短，脫水后泥餅含水率大.但差速度過大時會使螺旋對澄清區(qū)液池的擾動加大，影響到濾液質(zhì)量.降低差速度，沉渣脫水時間延長，脫水后泥餅含水率低，螺旋對澄清區(qū)物料的擾動小，濾液質(zhì)量好，但會降低離心機(jī)處理能力.差速度通過差速器調(diào)整差，液壓式差速器由液壓泵驅(qū)動，調(diào)速性能較機(jī)械式好.

礦井水處理中有煤泥濃度變化大的特點，因此運行中經(jīng)常需要根據(jù)煤泥濃度調(diào)整差速度以滿足排渣能力、泥餅含水率和濾液質(zhì)量的多重要求.采用液壓式差速器配合液壓監(jiān)測可以實現(xiàn)自動化控制，調(diào)整范圍較大，靈活性高，更適用于煤泥脫水要求，但采用液壓式差速器的設(shè)備價格相對較高.

2.3 工藝因素

固相顆粒密度越大越容易分離，對于顆粒細(xì)小的礦井水處理站煤泥，絮凝效果直接影響離心脫水效果.煤泥進(jìn)入離心脫水機(jī)時一般采用PAM進(jìn)行調(diào)質(zhì)，由于各礦井煤質(zhì)、矸石種類差異較大，煤泥調(diào)質(zhì)適宜的PAM種類和投加量也不盡相同[3]，需要在運行調(diào)試期間通過試驗確定.

離心脫水機(jī)運行時，設(shè)備處理能力、差速度、環(huán)液層厚度、PAM投加量互相影響，在一定范圍內(nèi)，差數(shù)度與環(huán)液層厚度的控制與絮凝劑投加量的控制互為補(bǔ)充，在達(dá)到一定泥餅含水率的前提下，當(dāng)差數(shù)度降低，環(huán)液層厚度增大時，泥渣停留時間長，分離效果好，可節(jié)省絮凝劑投加量，但會降低離心機(jī)的處理能力.

離心脫水機(jī)煤泥濃度的適應(yīng)性較強(qiáng)，入料含水率在99.5%～90%時，都可獲得良好的脫水效果[4]，礦井水處理中產(chǎn)生的煤泥可直接絮凝后進(jìn)入離心機(jī)脫水，不需要濃縮，但穩(wěn)定的入料濃度卻是影響離心機(jī)運行的重要因素.礦井水處理站通常設(shè)有污泥池儲存調(diào)節(jié)池及沉淀池定期排出的煤泥，由于煤泥比重較大，靜置后很快分層，污泥池內(nèi)不同部分的煤泥濃度的差異給煤泥調(diào)質(zhì)帶來了很大的困難，進(jìn)入離心脫水機(jī)的煤泥濃度不斷變化，使PAM無法定量投加，或造成調(diào)質(zhì)效果差，影響泥餅含水率和濾液質(zhì)量，或造成藥劑浪費，使脫水效果不穩(wěn)定.因此設(shè)計中應(yīng)保證煤泥均質(zhì)，在污泥池內(nèi)設(shè)置攪拌機(jī)是較為簡便的均質(zhì)煤泥措施[5].

3 離心脫水機(jī)與其它脫水設(shè)備的比較

目前在礦井水處理站運行的機(jī)械脫水設(shè)備除離心脫水機(jī)外，有板框壓濾機(jī)和帶式壓濾機(jī)兩種.

晉煤集團(tuán)長平煤礦礦井水處理站一期工程煤泥脫水采用2臺1.5 m帶式濃縮脫水一體機(jī)，二期工程使用選煤廠閑置的隔膜式板框壓濾機(jī)，并配置了入料攪拌桶.設(shè)備運行工況見表1.

表1 板框壓濾機(jī)與帶式脫水一體機(jī)運行工況對比

從實際運行情況看，板框壓濾機(jī)與帶式濃縮脫水一體機(jī)均滿足煤泥脫水要求，板框壓濾機(jī)泥餅含水率略低，但板框裝機(jī)功率較大，能耗較高.由于礦井水處理站煤泥顆粒細(xì)小，壓濾時，板框濾布壓力上升很快，入料20～25 min后，壓力即上升至入料泵額定壓力，繼續(xù)持壓2～2.5 h后才能保證泥餅含水率要求，卸料后泥餅粘性較強(qiáng)，濾布需要人工清理，因此運行周期較長，雖然單臺板框設(shè)備處理能力大，但日處理量與一期的帶式濃縮脫水一體機(jī)相仿.據(jù)操作工人反應(yīng)，板框壓濾機(jī)運行操作復(fù)雜，勞動強(qiáng)度大.帶式濃縮脫水一體機(jī)全自動運行，過程不需人工干預(yù)，但當(dāng)煤泥入料濃度突變，PAM加藥量未及時調(diào)整時，濾帶容易跑漿濾液質(zhì)量較差.濾帶磨損較快，更換濾帶成本較高.

潞礦集團(tuán)司馬礦礦井水處理站設(shè)計采用1臺轉(zhuǎn)鼓直徑450 mm，轉(zhuǎn)鼓長1 800 mm，分離因素為3 000的逆流式離心脫水機(jī)，錐角12.5°，螺距1/4，電機(jī)功率30 kW，轉(zhuǎn)鼓及螺旋材質(zhì)為S304不銹鋼，采用擺線針輪機(jī)械式差速器，螺桿泵入料，設(shè)計入料量15～20 m3/h，調(diào)節(jié)池底泥與沉淀池底泥在煤泥池混合，濃度96%～98%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，采用陰離子型PAM調(diào)質(zhì)，運行時加藥量根據(jù)底泥濃度為每kg干煤泥2～4 g PAM，脫水煤泥含水率70%～74%.運行時根據(jù)泥餅含水率，調(diào)速差速器差速比，泥餅含水率偏高時，減少差速比，延長停留時間.每次工作結(jié)束后，打開清水進(jìn)水閥門5～10 min，耗水量較低.設(shè)備運行兩年多，脫水效果良好，由于煤泥在全封閉的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)脫水，車間環(huán)境較好，缺點是運行噪音較大，實測噪音80～85 dBA，機(jī)械機(jī)差速器不易調(diào)整，需要管理人員根據(jù)排渣情況人工操作，曾發(fā)生過未及時調(diào)整差速器導(dǎo)致排渣堵塞事故.S304不銹鋼耐磨蝕性不強(qiáng)，螺旋磨損較嚴(yán)重.

板框壓濾機(jī)工作的最大特點是間歇運行，自動化程度相對較低，操作人員工作量較大，卸料結(jié)束后，通常需要人工進(jìn)行濾布沖洗，沖洗耗水量中等.脫水泥餅含水率低，但設(shè)備體積大，重量大，設(shè)備價格高，運行電耗中等.由于卸料、沖洗均在開敞的空間中進(jìn)行，操作環(huán)境較差.

帶式壓濾機(jī)連續(xù)運行，可實現(xiàn)全自動控制.設(shè)備體積中等，重量較小，價格較低，運行電耗低.脫水泥餅含水率較高，帶式壓濾機(jī)運行時需要連續(xù)沖洗，耗水量較大，大量沖洗水增加濾液回流系統(tǒng)的壓力，同時也增加了水處理系統(tǒng)的負(fù)荷.脫水效果受絮凝效果影響較大，絮凝效果不佳時易跑漿或影響泥餅含水率[2].目前設(shè)計良好的帶式壓濾機(jī)機(jī)架上均帶有護(hù)板，使脫水過程在一個相對封閉的空間里進(jìn)行，但運行過程中仍不可避免有泥水濺出，操作環(huán)境好于板框壓濾機(jī)但較離心脫水機(jī)差.

與上述兩種脫水設(shè)備相比，離心脫水機(jī)與具有連續(xù)工作的特點，運行過程中不需要沖洗水，一個工作班次結(jié)束后，只需少量沖洗水即可將脫水機(jī)清理干凈，不需專用沖洗泵.離心脫水機(jī)泥餅含水率優(yōu)于帶式壓濾機(jī).設(shè)備脫水效果受煤泥絮凝程度影響較小，并可通過調(diào)整差速、環(huán)液層厚度等參數(shù)調(diào)整脫水機(jī)運行工況，改善泥餅含水率.設(shè)備可實現(xiàn)全自動運行，自動化程度最高，管理簡便.設(shè)備體積相比最小，機(jī)體重量大致與相同處理能力的帶式壓濾機(jī)相當(dāng)或稍大，煤泥脫水過程在全封閉的轉(zhuǎn)鼓內(nèi)進(jìn)行，操作環(huán)境干凈衛(wèi)生.但由設(shè)備對材質(zhì)要求高，特別是在煤泥脫水處理中，需要選用316L或雙相不銹鋼材質(zhì)的設(shè)備，以提高抗磨性能，延長設(shè)備使用壽命，但價格較高.由于設(shè)備需要驅(qū)動沉重的轉(zhuǎn)鼓和螺旋高速旋轉(zhuǎn)，功率大，電耗高，運行噪音較大.

4 結(jié) 語

由于離心脫水機(jī)具有脫水效果好、自動化程度高、運行管理方便、對絮凝效果要求相對較低、設(shè)備體積小，操作環(huán)境好，操作管理相對簡單，脫水車間占地面積小的特點，而煤炭企業(yè)礦井水處理中所排出的煤泥具有比重大，易沉降分離，脫水性能好的性質(zhì)，因此離心脫水機(jī)特別適合在礦井水處理站煤泥脫水中應(yīng)用.但離心脫水機(jī)也具有電耗高的不利因素，在設(shè)計時需要結(jié)合礦井水處理規(guī)模，煤泥處理量，總平面布置、工程造價等方面因素綜合考慮.

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