卧式螺旋卸料沉降离心机节能研究

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欢迎访问e展厅 展厅 3 压缩机/分离/过滤机械展厅 压缩机, 空气压缩机, 过滤器, 滤清器, 滤油机, ... 卧式螺旋卸料沉降离心机(简称卧螺离心机)具有分离性能好、适应性较强及能连续自动操作等优点，已广泛应用于石油化工、能源、食品以及环保等行业1[一Zj。随着能源利用、资源开发及环保等工业装置向大型化发展及其要求的不断提高，对大规格卧螺离心机需求也越来越大，其目的在于提高单机生产能力并降低设备资金投人，一6〕。卧螺离心机的结构尺寸增大后，如何降低其单位处理量的能耗是一个越来越受到关注的问题。近年来，国内外已有不少学者对此进行了研究。文中对卧螺离心机的能耗概念进行了简单介绍，并从改进结构形式和传动方式两个方面进行了降低能耗的综合介绍，旨在对卧螺离心机的能耗机制进行定量、系统的研究提供帮助。 1、卧螺离心机能耗概念 卧螺离心机由于螺旋的存在，使其转鼓内部的流体动力学特性十分复杂，因此影响其能耗的因素是多方面的。一般来说，卧螺离心机所消耗的功率包括正常启动所需要的功率和正常运转所需要的功率，其数值大小与操作方式及具体结构形式有关。正常启动所需要的功率主要是指启动转鼓等转动部件所需的功率;正常运转所需要的功率主要是指启动物料达到操作转速所需要的功率、克服支撑轴承摩擦所需的功率、克服转鼓以及物料与空气摩擦所需的功率、卸出物料所需要的功率等几方面〔2一4〕。因此，要进行节能研究，必须从功率消耗的特点出发，从结构形式和传动方式两方面进行深人研究，以降低卧螺离心机启动和操作时的功率消耗。 2、改进结构衫式 1987年日本SUZUKISOUROKU研制了双锥卧螺离心机[7一9〕，见图1。这种双锥卧螺离心机的能耗可以比普通卧螺离心机低很多，与普通卧螺离心机不同的是其转鼓小端为双锥形状的转鼓。双锥形状的转鼓使物料在双锥卧螺离心机中有效滞留时间变长，增强了分离效果，甚至在低转速下也可以获得很好的分离效果。因此，物料加速功耗随转速减小而降低，故可以极大地节约能量，同时由于采用双锥形状的转鼓，使离心机的液池深度加大。这就意味着转鼓旋转中心到液池表面的距离变短，这时滤液排放时带走的速度动能减小，节约了能耗. 卧螺离心机的分离效果取决于液池表面积和分离因数。因此，当分离因数一定时，增加分离能力的有效方法是加大卧螺离心机的长度，大长径比的卧螺离心机弯曲通道内的流动比普通卧螺离心机更接近理想的柱塞流动状态，也有利于分离。1992年丹麦的NielsFI.Madsen进行了大长径比卧螺离心机的理论和实践的研究，证明大长径比卧螺离心机的能耗优于与之相当的小长径比的大直径卧螺离心机，当分离因数一定时，两种可替换的卧螺离心机能耗比与转鼓直径之比成正比[10」。但是由于卧螺离心机长径比的增加，带来了制造和设计的困难。在设计中可采用柔性悬置主轴承、浸没式螺旋卸料器、分离式差速器等改进方法来克服长径比增加带来的困难，使卧螺离心机的长径比超过4.2以上，从而降低了投资成本和运行费用。 1997年日本TsukishimaKikai公司开发了一种新型节能卧螺离心机，在相同的处理能力下，其操作能耗比传统的卧螺离心机降低20%一04%[1’一‘3口，见图2。此种新型卧螺离心机与传统卧螺离心机一样，转鼓与螺旋输送器以一定的差转速高速旋转，将沉渣推向排渣口。传统设计中的滤液是通过溢流堰从排渣口的对侧排出，由于溢流挡板顶部的滤液具有较高的动能，所以在排液过程中有较大的能量损失。新设计的卧螺离心机设置了中心轴周围的排液机构，并改进了排渣阀的结构，使滤液从动能较低的中心轴处排出，并采用排渣阀来调节压力的变化，从而避免了排液过程中的能量损失，减少了能量的消耗。 传统的卧螺离心机因为其圆锥型圆筒的构造，性能无法大幅度提高。为了使沉渣在液面以上排出，就必须让沉渣通过有斜度的锥段。而沉渣在该段的滑移削弱了排渣过程，结果有时候沉渣和清液一起通过排渣口排出。此外，传统的卧螺离心机由于直筒段中心线附近的沉渣有相当高的含湿量，为了降低沉渣的含湿量，必须要提高转鼓的转速，因此要耗费很大的功率。20o3年日本OHINATATETSUO等学者开发了直筒压榨式卧螺离心机，见图3川一51)。这种新型的卧螺离心机采用直筒式圆筒再加上特殊的压榨结构，实现了在含湿率最低的位置即紧贴转鼓壁的位置排出沉渣，并且通过特殊的压榨结构，使含湿率进一步降低，提高了分离效率，达到了最大的分离效果。由于采用了直圆筒形式，使离心机的制造更加便利，延长了使用寿命，而且实现了同样分离效果的情况下转鼓转速的降低，从而降低了能耗。 2004年美国Leung等学者在卧螺离心机上设计了一种能量回收装置l0[一9)1，见图4。其设计特点是在位于转鼓端口上的每个排液口都会安装一个特殊的排液装置，此装置由管状构件和多个弯头部分组成，且管状构件的截面可以有多种形式，安装方向是与转鼓的转向相对。装置中构件的接口处采用渐缩截面，用来减少压力损失从而加速滤液的排放速度。此项设计是基于反力矩的原理，充分利用所排放的滤液具有较高动能的特点来推动转鼓的转动，从而降低了能耗。 3、改进传动方式 卧螺离心机是利用螺旋与转鼓的转速差达到连续卸料的目的。因此，为了保证转鼓和螺旋以不同的角速度回转并得到最佳的转差值，卧螺离心机从电动机到转鼓和螺旋中间需要一个差速器传动装置。通常的差速器传动装置采用封闭功率的差速器，以减小电动机容量和避免大量的能量损耗。为了实现卧螺离心机的安全启动和高效率操作，1994年ALFALAVAL公司开发了一种带双电机驱动的传动装置的卧螺离心机，见图5。该传动装置有双电机交替配合工作，提供启动阶段所需的功率，同时可以降低电机上启动的热负荷。在启动卧螺离心机时，加速转动部件达到指定的操作速度后，第一个电机继续驱动卧螺离心机在规定的操作速度下运转，而第二个电机空闲下来。根据操作条件的变化调整2个电机，以保证2个电机在最大的操作效率情况下进行工作，并为卧螺离心机提供所需的功率。通过采用双电机启动的方法，有效避免了为安全启动而选用大功率电机导致正常操作时大功率电机低效率工作的问题。 1998年意大利贝亚雷斯公司设计的电一机械的自固体回收率，减少了单位处理量的能量消耗。动差速器，可以实现控制并连续调节卧螺离心机的螺2000年四川大学开发研制的液压控制的卧螺旋和转鼓之间转速差，并可以将吸收的能量归还给主离心机，采用的全液力传动可以实现转鼓转速以及电机，减少了能量的损耗，其结构示意见图6。此装螺旋输送器差转速无级调速，见图7。在电机与转置通过特有的方法连接到一个直流电机，其定子与转鼓之间采用调速型液力偶合器，利用液力传递功率鼓制成一体，转子与另一个传动装置制成一体，从而和扭矩来实现转鼓的驱动。螺旋输送器驱动则采用用来驱动螺旋，同时还增加了检测转子和定子转速的液压马达驱动，液压马达壳体与转鼓相联接，而液压控制单元，根据预定的运行条件对卧螺离心机的参数马达的转子与螺旋输送器相联接。这项设计实现了进行调整。差速器可以实时监测离心机内部扭矩的在重负荷下无需为安全启动而选用大功率电机，配变化，不仅保证离心机的扭矩在允许最大值范围内，用的电机功率比普通的行星差速传动装置所需电动而且还可以实现连续全自动调节螺旋和转鼓之间的机功率小02%一03%，而且在过载情况下可实现自转速差，以保证离心机获得最佳的脱水效果和较高的动保护，从而达到了安全、节能的目的〕。 4、讨论 综上所述，国内外学者们在卧螺离心机一些具体的节能措施与设想方面已做出了可喜的成绩，但是大多数结构形式的节能研究中均未涉及流场结构的改变对卧螺离心机分离性能的系统影响，而流场结构的改变势必影响其分离分级性能指标。鉴于以往对卧螺离心机能量耗散机理的认识是基于流体力学的基础知识，因此，对其进行定性的推测与探讨，还缺乏系统、深人的研究。此外，卧螺离心机中能量的耗散决定了其内部流动状态，并且能量耗散会引起剧烈的表层流，因此进行理论研究十分困难。目前数值模拟的发展和应用为采用计算流体力学方法进行卧螺离心机分离性能的系统研究提供了帮助，从而可以进行卧螺离心机结构形式的节能研究的定量分析。 卧螺离心机传动方式的选择直接决定着整个机器的工作性能和可靠性，因此必须正确选择传动类型，精确合理地进行传动装置的结构设计和强度计算。目前对传动方式的改进方面进行的研究较少，并且也未能对整个卧螺离心机系统进行经济和能耗的总体评价，仍处于定性分析的阶段。 到目前为止，对卧螺离心机的流动机理的认识基本上还是定性的，对其还缺乏深入的研究特别是定量研究，尚未获得可以从理论上指导卧螺离心机在不同工艺条件要求下进行节能优化设计的系统研究结果。 5、结语 进一步对卧螺离心机的能耗机制进行深人、定量及系统的研究，并在此基础上系统地提出卧螺离心机的节能原理具有重大的意义。对卧螺离心机进行节能设计或改造，不仅能降低其运行成本、提高生产效益，而且可以提高能源利用率，从而获得显著的经济效益和社会效益。

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