摘要：根據(jù)立式螺旋煤泥過濾離心機的工作特點，提出了靜態(tài)過濾時間和動態(tài)過濾時間的概念，推導(dǎo)了靜態(tài)過濾時間、動態(tài)過濾時間與主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，分析了主要參數(shù)的影響趨勢并進行了驗證．結(jié)果表明：沉降成餅時間是螺旋頭數(shù)和相對速差的函數(shù)，對濾層厚度、阻力及濾層截留效應(yīng)影響顯著；動態(tài)過濾時間是螺旋升角、回轉(zhuǎn)速差、過濾轉(zhuǎn)鼓半錐角及過濾轉(zhuǎn)鼓半徑的函數(shù)，對濾層運動行為及脫水效果影響顯著．采用小升角螺旋、降低轉(zhuǎn)速差、增大轉(zhuǎn)鼓高度有利于延長動態(tài)過濾時間、改善脫水效果．建立的模型對細煤泥過濾離心機的設(shè)計、優(yōu)化具有指導(dǎo)意義．
    關(guān)鍵詞：細煤泥脫水；過濾；過濾離心機；脫水時間
    中圖分類號：TD926.2  文獻標識碼：A
    煤炭深度洗選脫硫降灰是控制燃煤污染、提高煤炭利用效率的主要途徑．細粒煤泥脫水技術(shù)是濕法選煤工藝深度脫硫降灰的前提．連續(xù)作業(yè)、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠的細煤泥脫水技術(shù)與裝備研發(fā)一直受到國內(nèi)外研究者的高度關(guān)注．離心力場易于實現(xiàn)，所產(chǎn)生的過濾推動力遠高于真空、加壓等過濾方式．離心過濾對所分離的固相和液體之間沒有密度差的要求，對帶泡末的浮選精煤懸浮液脫水具有*性．連續(xù)、動態(tài)是相對于靜態(tài)、間歇作業(yè)的壓濾機、三足離心機的過濾方式提出的，目標是高固體回收和低濾餅水分，難點是沉降行為、濾餅結(jié)構(gòu)、沉降及過濾時間控制，關(guān)鍵在于過濾轉(zhuǎn)鼓、螺旋的結(jié)構(gòu)參數(shù)與配合．國外相關(guān)領(lǐng)域的研究工作主要圍繞改善入料性質(zhì)、改進篩籃、篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)等改善脫水效果，如通過預(yù)先濃縮、絮凝、分級等提高入料濃度、改善入料粒度來加速濾餅層的形成、改善濾層結(jié)構(gòu)、改進脫水效果等［１２］．根據(jù)臥螺離心機、沉降離心機及沉降過濾離心機的研究及應(yīng)用實踐，影響物料脫水的因素除了入料性質(zhì)、篩籃、篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)外，螺旋結(jié)構(gòu)與速差也有重要影響，主要體現(xiàn)在對濾層結(jié)構(gòu)和停留脫水時間的影響上［３５］．文獻［６］對影響振動卸料離心機和錐型轉(zhuǎn)鼓離心力卸料離心機的物料停留時間的因素進行了研究．國內(nèi)關(guān)于煤泥離心機的文獻主要圍繞粗煤泥回收的應(yīng)用實踐．本文基于動態(tài)過濾的實現(xiàn)、控制及優(yōu)化，從時間控制的角度，對螺旋離心機中影響濾層沉降行為、濾層結(jié)構(gòu)和脫水效果的主要結(jié)構(gòu)因素及關(guān)系進行了研究探討．
    １立式螺旋離心機動態(tài)過濾原理
    連續(xù)、動態(tài)是相對于靜態(tài)、間歇作業(yè)的壓濾機及三足離心機過濾提出的，利用螺旋結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)和控制濾層動態(tài)化的有效手段．圖１是立式螺旋離心機動態(tài)過濾原理圖，圖２是離心過濾的基本原理圖．入料懸浮液從上部連續(xù)給入，在螺旋與過濾轉(zhuǎn)鼓構(gòu)成的空間內(nèi)分離；沉降到過濾轉(zhuǎn)鼓（稱之固有過濾介質(zhì)）表面的粗顆粒被截留并形成顆粒床層（稱之次生過濾介質(zhì)），對后續(xù)沉降的顆粒進行截留，顆粒層厚度和過濾阻力不斷增加．固有介質(zhì)和次生介質(zhì)構(gòu)成復(fù)合介質(zhì)；液體因離心作用透過復(fù)合過濾介質(zhì)的孔隙進入濾液室；與過濾轉(zhuǎn)鼓之間保持一定轉(zhuǎn)速差的螺旋體將沉積在固有介質(zhì)表面的顆粒層向排料端方向輸送并持續(xù)脫水，實現(xiàn)了次生濾層的動態(tài)化．
    根據(jù)立式螺旋煤泥過濾離心機的工作進程特點，把分離空間沿轉(zhuǎn)鼓母線方向劃分為飽和脫水區(qū)和非飽和脫水區(qū)．飽和脫水區(qū)的主要特點是顆粒沉降形成次生過濾介質(zhì)及自由液體的分離（如圖２），液體自由液面半徑狉０小于顆粒床層表面半徑，流體壓差大、過濾速度較快，脫水阻力主要源于次生過濾介質(zhì)阻力犚犮．
    用αc表示次生過濾介質(zhì)的過濾比阻（忽略其沿半徑方向的變化），rb為過濾轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面半徑，那么半徑r處厚度為dr的單位高度環(huán)狀濾層單元的過濾阻力可表示為:
　                 
    對式（１）積分可得單位高度環(huán)狀濾層的過濾阻力為
                  
    根據(jù)達西定律，顆粒床層厚度增加必然導(dǎo)致犚犮１狉增大，相應(yīng)的是過濾速度的降低．由式（２）可知，控制濾層厚度或降低過濾比阻可以有效降低次生過濾介質(zhì)阻力．沉降行為與時間控制的意義在于前者，動態(tài)化的意義在于后者．意義在于改善顆粒層的孔徑分布、降低殘余飽和度．
           
    ２立式螺旋過濾離心機的脫水時間
    在持續(xù)作業(yè)過程中控制顆粒層的增長時間是控制濾層厚度、降低次生過濾介質(zhì)阻力的有效途徑，動態(tài)化過濾時間控制是改善次生介質(zhì)層結(jié)構(gòu)、降低過濾比阻和殘余飽和度的有效途徑．
    ２.１沉降成餅靜態(tài)過濾時間
   根據(jù)式（２），飽和滲流脫水區(qū)顆粒層厚度對脫液阻力具有很大影響，而沉積厚度是沉積時間的函數(shù)．將過濾轉(zhuǎn)鼓表面犇犻處沉積顆粒層的形成、增長、脫液時間定義為該處的沉降成餅靜態(tài)過濾時間，用犜狊表示．用犺狊表示輸渣螺旋的頭數(shù)，用Δ狀表示過濾轉(zhuǎn)鼓與螺旋之間的轉(zhuǎn)速差，那么螺旋在犇犻處的刮料頻率可表示為
               
    Tsi，fi由螺旋頭數(shù)犺狊和轉(zhuǎn)速差Δ狀確定．初始階段，懸浮液中的固體顆粒發(fā)生離心沉降，粒度大于固有過濾介質(zhì)孔徑的顆粒通過架橋的方式沉積、形成次生過濾介質(zhì)，對后續(xù)沉積的顆粒進行截留，圖２中的狉狊逐漸減小、濾層厚度和過濾阻力增加．濾層表面被液體覆蓋，屬于飽和滲流過濾，過濾壓差大、脫除大部分液體．犜狊犻，犳犻決定顆粒在該區(qū)域的持續(xù)沉積時間及靜態(tài)過濾脫水時間，即決定次生介質(zhì)層厚度，影響顆粒層滲流阻力、脫水速度和細粒截留效果［１］．結(jié)構(gòu)設(shè)計時，若著眼于降低過濾阻力、提高脫水速度，可考慮適當提高飽和脫水區(qū)的刮料頻率、降低濾層厚度；若著眼于借助濾層截留效應(yīng)、提高細粒回收效果，可考慮適當降低飽和脫水區(qū)的刮料頻率．
    ２２動態(tài)過濾脫水時間
    濾層動態(tài)化由回轉(zhuǎn)螺旋實現(xiàn)，濾層由過濾轉(zhuǎn)鼓的小端向大端的運動軌跡為螺旋線，該過程即動態(tài)過濾歷程．將該過程經(jīng)歷的時間稱為動態(tài)過濾脫水時間，用犜犳表示．用α表示過濾轉(zhuǎn)鼓的半錐角，用狏狕，表示濾餅沿過濾轉(zhuǎn)鼓母線方向的移動速度，用犛表示輸料螺旋的螺距，用β表示輸料螺旋的升角，用φ表示濾餅相對于過濾轉(zhuǎn)鼓的角速度，用Δω表示螺旋與轉(zhuǎn)鼓的相對角速度，那么濾渣與輸料螺旋間的相對角速度可表示為Δω－φ．
            
    沉積顆粒層在螺旋推動下，沿過濾轉(zhuǎn)鼓母線方向移動一個螺距犛所需要的時間為
            
   式（１２）給出了螺旋輸渣的動態(tài)連續(xù)離心過濾過程的動態(tài)過濾脫水時間與主要影響因素之間的關(guān)系．因細煤泥濾餅粘性較大，且動態(tài)過程源于螺旋強制刮料，因此可認為Δω－φ≈Δω，那么式（１２）可簡化為
                     　
    式（１３）從時間控制的角度為細煤泥離心動態(tài)過濾裝置的參數(shù)選擇與優(yōu)化提供了重要信息．
    ２.３影響動態(tài)過濾時間的主要因素分析
    根據(jù)前面分析，影響沉降成餅靜態(tài)過濾時間和動態(tài)過濾脫水時間的因素主要有螺旋升角、轉(zhuǎn)鼓半錐角、轉(zhuǎn)速差、過濾轉(zhuǎn)鼓半徑及螺旋頭數(shù)．
    ２.３.１螺旋升角
    由式（１３），其它條件不變、輸料螺旋升角β增大時，動態(tài)過濾脫水時間犜犳縮短，原因是升角增大導(dǎo)致螺旋的導(dǎo)程增大、濾渣沿轉(zhuǎn)鼓母線方向的速度加快．從延長過濾時間、改善細煤泥脫水效果的角度，采用小升角螺旋是有利的．表１是本文用小型實驗離心過濾機對＜０５mm細煤泥脫水的結(jié)果．其它條件相同的情況下，配用升角５０°的螺旋比配用升角５５°的螺旋動態(tài)過濾時間延長了約０.１１s，濾渣水分低了４％．
               
    ２.３.２轉(zhuǎn)鼓半錐角
    過濾轉(zhuǎn)鼓的半錐角α同時影響顆粒層的運動方式與停留時間，過濾轉(zhuǎn)鼓的半錐角與物料和過濾轉(zhuǎn)鼓的摩擦角越接近，有利于降低輸渣功率、減少設(shè)備磨損［３］．半錐角的確定應(yīng)主要著眼于減小輸渣功率．煤與金屬篩網(wǎng)間的摩擦系數(shù)一般在０３５～０５５之間，對應(yīng)的摩擦角范圍為１９～２９°．由式（１３），當半錐角增大時，動態(tài)過濾時間犜犳減小．選煤領(lǐng)域用于粗煤泥回收脫水的FC１２００粗煤泥離心機的半錐角為２０°，LLL１２００粗煤泥離心機的半錐角為３０°．本文所用小型實驗機的半錐角是２０°．
    ２.３.３回轉(zhuǎn)速差
    由式（６），（１３），犜犳，犜狊均與Δω成反相關(guān)系，Δω減小，犜犳增大，有助于改善脫液效果．選煤領(lǐng)域用于粗煤泥脫水的FC１２００離心機的Δω＝０.９７，LLL１２００型離心機的Δω＝０.５９．本文所用小型實驗機的Δω＝２２．
    ２.３.４螺旋頭數(shù)
    螺旋頭數(shù)犺狊與速差Δω一起決定沉降成餅及靜態(tài)過濾時間，犜狊犻與犺狊成反相關(guān)系．如果著眼于提高微細粒回收效果，可適當減少螺旋頭數(shù)、縮小相對速差以相應(yīng)延長沉降成餅時間；如果著眼于提高脫水速度、增加通過能力，那么可以采取相反的做法．
    ２.３.５轉(zhuǎn)鼓高度
    在半錐角α和轉(zhuǎn)鼓小端直徑確定的情況下，轉(zhuǎn)鼓高度的適當增大意味著大端直徑的相應(yīng)增加，既延長了動態(tài)過濾時間，又增加了zui大離心因數(shù)，對降低濾渣的殘余水分是有利的．
    ３結(jié)論
    １）控制顆粒層的增長時間即靜態(tài)沉積時間是控制濾層厚度、降低次生過濾介質(zhì)阻力的有效途徑；動態(tài)化過程的實現(xiàn)與控制是改善次生介質(zhì)層結(jié)構(gòu)、降低過濾比阻和殘余飽和度的有效途徑．
   ２）建立了沉降成餅靜態(tài)過濾時間與螺旋頭數(shù)和相對轉(zhuǎn)速差的函數(shù)關(guān)系，靜態(tài)過濾時間與轉(zhuǎn)速差和螺旋頭數(shù)成反比．控制靜態(tài)過濾時間可有效控制次生介質(zhì)層的厚度和過濾阻力，改善脫水效果．
    ３）建立了動態(tài)過濾時間與輸料螺旋的升角、螺旋頭數(shù)、回轉(zhuǎn)速差、轉(zhuǎn)鼓的半錐角等的函數(shù)關(guān)系，對細煤泥動態(tài)過濾離心機的設(shè)計、優(yōu)化具有指導(dǎo)意義．從改善細煤泥脫水效果的角度看，采用小升角螺旋、降低轉(zhuǎn)速差、采用２０°左右的小錐角轉(zhuǎn)鼓、增大轉(zhuǎn)鼓高度是有利的．