卧螺沉降式离心机选型分析

一、前言
    卧式螺旋沉降式离心机是采用离心沉降法来分离悬浮液的机器，它是将含细小颗粒（粒径d≥5μm）的悬浮液，经过固液分离，使悬浮液变为相对干净的液体和固体状的泥渣，由于无滤布和滤网、单位产量的耗电量较少，单机生产能力大，适合工厂大型化与自动集中控制的要求，没有操作周期，连续运行，连续进出料，操作简便，母液含固量少，澄清度高，结构紧凑，占地面积小和易于密闭等特点，现已广泛应用于环保、石油、化工、冶金、医药食品和轻工等领域，结构示意图如图1所示，主要部件有转鼓、螺旋输送器、差速器、过载保护装置和卸渣装置。其工作原理为：在机壳内，转鼓和螺旋输送器由两个同心轴承相连接，主电动机通过V带轮带动转鼓旋转，转鼓通过左轴承处的空心轴与行星差速器的外壳相连接，行星差速器的输出轴带动螺旋输送器与转鼓作同向转动，但转速不一样。悬浮液从右端的中心进料管连续送入转鼓内，在离心力的作用下转鼓内形成一环形液池，重相固体粒子离心沉降到转鼓内表面而形成沉渣，由于螺旋叶片与转鼓的相对运动，沉渣被螺旋叶片推送到转鼓的小端的干燥区，送出液面并从排渣孔甩出。在转鼓的大端盖上开设有若干溢流孔，液相便从此处流出，从而完成固液分离。
                  
    卧螺沉降式离心机选型和很多因素相关，如设计理念、物料理化特性参数和工艺路线等是选型过程中应十分注意的问题。
    二、设计理念
    国内外卧螺沉降式离心机的设计主要技术特点基本相同，但在技术细节上设计理念存在很大差异，主要表现在技术参数的选择、材料的选择、起动方式、驱动方式和差速器等方面有很大的不同。
    (1)技术参数的选择 转鼓直径和长径比、分离因素和螺旋头数是卧螺沉降式离心机主要技术参数。转鼓直径越大，生产能力也越大，但受材料强度和加工难度的限制，转鼓直径不能大到一定数值。同样，长径比大，生产能力也越大，对于易分离的物料，长径比取1~2，对于难分离的物料，长径比取3~4，所以尽量选用长径比大的机器，可以增加沉降区长度和干燥区长度，既利于沉降，有利于减少滤饼的含湿量，但制造较难，成本增加。分离因素Fr=ω2R/g和转鼓转速直接有关，它的选择取决于悬浮液中固相颗粒的分离难易，转鼓的转速受到材料和轴承限制，所以在满足使用要求时，尽可能采用较低转鼓转速，一般地，大直径卧螺离心机分离因素都很低。螺旋头数可以是单头、双头和多头，难分离的物料一般采用单头螺旋；需要产量大又易分离的物料，多采用多头，但母液含固量会增加，在污水处理行业，一般采用单头螺旋。
      此外，还有转鼓的半锥角和溢流口内径都是在设计离心机时需要考虑的技术参数。半锥角对固体流量的性能具有重要影响，由于离心力的作用，当颗粒到达转筒内壁并被螺旋向前输送的同时也具有向后流动的趋势，而向后流动的速度与螺旋斜角有关，最后体现在锥角上。两者对固体颗粒的输送性能产生直接的影响，即随着回流速度的增加则固体输送速度下降。溢流口内径和液层厚度有关，液体在机内停留时间的增加则液层的厚度也增加，其结果是澄清效率提高，但同时机内的干燥区间缩短会使离开液面的固体含水量也增大，即脱水效果反而有所降低。因此，液层厚度的调节会直接影响到沉降速度、流量以及固体排出量。卧螺离心机还需要根据使用经验和试验结果进行分析研究，才能确定机器的类型和结构。
     (2)材料的选择 材料的强度性体现在离心机的转速上，它也直接对体积流量和质量流量产生影响，此外离心机的腐蚀也与其材料结构有关。转鼓和螺旋输送器通常用不锈钢铸造和焊接，或用高强度的不锈钢和钛钢制造，也可用玻璃钢制造。目前国内与国外设备中，主要部件都采用不锈钢制造，尤其是转鼓与螺旋部分全部采用不锈钢，只有少数国外厂家可针对不同的处理对象及介质的要求，采用合适的材质。如对于污水处理和无腐蚀性场合，采用高强度碳钢防腐，避免了过度设计，大大降低了制造成本，通过10余年的实践证明，在污水处理中采用碳钢防腐的材质是完全可行的。在外壳方面更是尽量考虑节省材料，降低成本，如采用玻璃钢外壳。转鼓和螺旋的材料选择时要考虑到耐磨性，为了有效保护转鼓，在排渣孔设置耐磨套，在转鼓内表面设置筋条或在内表面拉槽；螺旋输送器的叶片易受到物料的严重磨损，为了减少或避免叶片的磨损，对螺旋叶片外缘进行碳化钨热喷涂处理，焊接合金块。
    (3)起动方式 国内外离心机厂家在离心机起动方面有不同的考虑，国外机器多带有液力偶合器，而国内机器由于制造技术原因大多是直接起动。液力偶合器有两种作用：一是具有使电动机轻载起动功能，能改善电动机的起动能力，确保电动机沉重负载轻快起动，降低电动机起动电流，实现软加速，降低对电网的冲击；二是具有过载保护功能，能有效地保护电动机和离心机在起动和超载时不受损坏，降低机器故障率，延长零部件和整机使用寿命。液力偶合器的充油量应有一个最佳值。如充油量太满，会造成起动电流长时间过高，引起停机。如果液力偶合器内工作液较少，则液力偶合器滑差增大，传递的功率或转矩会减少，使输入转速远低于输出转速，而且液力偶合器温度会升高。另外，工作液的选择也比较重要，工作液密度越高，传递能力越强。工作液黏度越高，传递特性越不利。液力偶合器一般安装有两个易熔塞，在易熔塞的中心有一软焊，在一定的温度下会熔化。在离心机过载情况下，液力偶合器中的工作液会过热，达到设定值时，易熔塞熔化，工作液喷出，功率的传递即被中断，离心机联锁跳车。
    (4)驱动方式 在驱动方式上，国内外有较大的差异，国外机型有多种不同的驱动方式，而国内离心机驱动方式通常较为单一，采用最多的驱动方式为双电动机结构。单电动机驱动形式：即一台电动机通过主皮带轮驱动转鼓，次级皮带驱动差速器的轴，从而产生差转速，调整差速时需要停机进行，属于简单驱动方式；或差速器输入轴固定，转鼓由单电动机驱动；双电动机驱动形式：即一台电动机通过皮带直接驱动转鼓产生转动，另一台电动机通过差速器驱动螺旋。而进口设备中往往可提供除常用的双电动机系统驱动方式外，还有多种驱动方式的选择，常用驱动方式是采用液压驱动，即转鼓及螺旋分别由独立的液压系统驱动，具有其他驱动方式所不可比拟的优点：更大的驱动转矩、更为简便的速差控制方式以及更低的速差。这种驱动方式的缺点是设备成本较高，对液压系统以及电控系统要求极高，由于液压联接点较多，存在泄漏的机会也较多。因此这种驱动方式对液压元件的质量和可靠性均有严格的要求。
     螺旋与转鼓绕同轴向旋转，但两者之间有一个转速差。若以nb表示转鼓的绝对转速，以ns表示螺旋的绝对转速，Δ=nb -ns，若螺旋超前转鼓，即为正差转速，反之螺旋滞后转鼓，为负差转速。采用正差转速，有利于沉降分离，采用负差转速时，有利于沉渣的输送，而且可以减少由差速器传递的功率，所以，现代螺旋沉降离心机多采用负差低转速的右旋螺旋。不同驱动方式最终会导致不同的差速，差速是影响滤饼含湿量的关键因素，低差速可产生更干的滤饼，对螺旋的磨损也相应减少，从而可大大延长螺旋的使用寿命。另外增大差速不仅增加固体流量，而且还增大机器澄清区内的搅动，从而使澄清效率下降，这时就必须将体积流量降低。增大差速还会减少固体颗粒在机器内的停留时间、增大排出固体的含水量。国产设备的差速一般最低值都在数转/分钟，仅有少数厂家可达0.5r/min，而国外的最低差速可达到0.2r/min，相差10余倍，即滤饼的停留时间可增加十余倍。
     (5)差速器 在卧螺离心机运转过程中，滤饼在转鼓表面的移动全靠差速器产生的螺旋对转鼓的相对运动来实现，由于卧螺离心机的转鼓与螺旋之间速差小而转矩大，产量越大，螺旋输送器所受转矩愈大，如图2所示。
                     
     由于差速器转速高，需传递的转矩大，润滑条件又差，当转矩达到一定值时，对差速器寿命影响很大，故对各零件在组装过程中的间隙调整要求特别高，公差要求非常精密，间隙太大或太小均不利于差速器的运行。一般差速器采用周转轮系结构，常采用行星摆线针轮、
    渐开线齿轮差速器优点是体积小，重量轻和传动比大，效率高达90%～99%以及承载能力大等。国内及国外离心机所采用的差速器结构形式基本相同，一般多为双级2K—H、3K及K—H—V等形式行星渐开线齿轮差速器，或采用行星摆线针轮及渐开线齿轮差速器的组合形式。离心机生产厂家往往需要专门设计及加工，国内很多厂家进行过差速器的国产化尝试，部分厂家的机械加工精度以及某些性能基本达到国际水平，但从整体来看，尤其是在装配精度和装配经验上仍存在一定差距，加之主要部件选用材质不当或受材料质量的制约，往往造成差速器达不到设计要求，效率较低和寿命短。因此国产差速器的关键不仅取决于制造质量，更重要的是装配质量和材料的选择。
    三、物料理化特性参数
     生产过程中物料的理化特性参数在卧螺沉降式离心机选型中必须仔细而又慎重，因物料理化特性考虑不全面影响机器性能不在少数。诸如有些机器常常发生扭振造成主轴承振动过大或过载保护装置动作就是这方面的表现。物料的理化特性参数有颗粒的大小、形状、性质、固液相密度差和黏度等。当离心机结构参数确定，离心机生产能力取决于物料的物理性能与化工操作条件根据下式可以判断：
                
     在分离过程中，颗粒沉降速度VR越大，分离效果越显著；颗粒直径愈小，沉降速度愈慢，愈难分离，离心母液中的含固量也相应增加，反之，颗粒直径愈大，沉降速度愈快，越易分离，离心母液含固量越少，如图3所示。固液相密度差的增大，颗粒沉降速度VR越大，分离效果越显著，滤饼含湿量越少，如图4所示。悬浮液黏度取决于液相黏度和悬浮液的浓度，黏度越小，颗粒沉降速度VR越大，分离效果越显著；由下式判断：
                
                        
      四、工艺路线
    卧螺沉降式离心机的分离要求是根据企业工艺路线状况而定，受进料口悬浮液压力、温度、悬浮液浓度和均匀性、转鼓液池深度制约和影响。
    （1）进料压力对分离要求的影响 在很多生产工艺中，一般利用高位槽的物料位差进入离心机，进料压力始终变化。进料压力的变化导致进料的不均匀性，对于过滤式离心机还能适应，但对卧螺沉降式离心机则不利。特别是当进料的压力突然增大和遥控阀门的滞后，大量的物料进入机器，就会造成进料管扭断和螺旋输送器内腔发生堵塞，机器产生不平衡，主轴承振动加大，处理不及时机器就会严重受损。所以在国内外大型化装置中，已摒弃这一传统进料工艺而改为泵进料定量输送工艺。           
   （2）进料温度对分离要求的影响 物料温度的提高可以降低悬浮液的黏度μ，黏度μ的降低可以增加颗粒沉降速度VR，从式（1）可以看出，可以提高离心机的分离量。但温度过高，会对机器的轴承和密封造成影响，增加螺旋输送器的阻力，所以进料温度要适宜。
    （3）进料浓度和均匀性对分离要求的影响 由于悬浮液中的固液很容易发生分层，料槽物料的浓度不均匀，尽管在料槽中增设搅拌装置，但在料槽底部或出料快结束时，物料浓度变稠，也容易使机器产生不平衡力，在进料管和螺旋输送器内发生沉淀堵塞，造成进料管扭断和机器严重损坏，所以，经常在离心机入口管线上加补充水，料槽搅拌装置设计力求保证物料均匀，输送泵能力要保证一定的物料回流至料槽。
    （4）转鼓的液池深度对分离要求的影响 调节离心母液出口的堰板，可调节液池的深度h。池越深，脱水区的长度越短，产品含湿量越大，母液含固量愈小，反之，产品含湿量减少，母液中含固量增加。在一定分离因素下，不同的机器有不同的脱水区的长度，滤饼的含湿量和母液含固量能根据转鼓的液池深度达到最佳工艺要求，工程技术人员可根据后处理生产状况进行合理选择转鼓的液池深度。
    五、结束语
    在实际生产应用中，离心机的选型关系到工程项目成功与否，选用了合理的机型，从而使能耗降低，控制简单，产品质量之高；选用机型不当，使生产不能继续，造成极大的经济损失。在近几十年的发展中，卧螺沉降离心机在结构、性能和参数上发生了很大的变化，分离质量、生产能力也比以前有了较大的提高，应用的范围也在不断地扩大。特别是国内工矿企业都面临着节能减排的巨大压力，在企业污水处理方面，污泥脱水是一个关键技术，而卧螺沉降离心机正是具有自动、高效、密闭和连续等诸多优点，在这个技术关键中起着举足轻重的作用。