臥式螺旋卸料沉降離心機節(jié)能研究進展
行業(yè)動態(tài)
臥式螺旋卸料沉降離心機（簡稱臥螺離心機）具有分離性能好、適應性較強及能連續(xù)自動操作等優(yōu)點，已廣泛應用于石油化工、能源、食品以及環(huán)保等行業(yè)。隨著能源利用、資源開發(fā)及環(huán)保等工業(yè)裝置向大型化發(fā)展及其要求的不斷提高，對大規(guī)格臥螺離心機需求也越來越大，其目的在于提高單機生產(chǎn)能力并降低設備資金投入。臥螺離心機的結構尺寸增大后，如何降低其單位處理量的能耗是一個越來越受到關注的問題。近年來，國內外已有不少學者對此進行了研究。文中對臥螺離心機的能耗概念進行了簡單介紹，并從改進結構形式和傳動方式兩個方面進行了降低能耗的綜合介紹，旨在對臥螺離心機的能耗機制進行定量、系統(tǒng)的研究提供幫助。
1 臥螺離心機能耗概念
臥螺離心機由于螺旋的存在，使其轉鼓內部的流體動力學特性十分復雜，因此影響其能耗的因素是多方面的。一般來說，臥螺離心機所消耗的功率包括正常啟動所需要的功率和正常運轉所需要的功率，其數(shù)值大小與操作方式及具體結構形式有關。正常啟動所需要的功率主要是指啟動轉鼓等轉動部件所需的功率；正常運轉所需要的功率主要是指啟動物料達到操作轉速所需要的功率、克服支撐軸承摩擦所需的功率、克服轉鼓以及物料與空氣摩擦所需的功率、卸出物料所需要的功率等幾方面。因此，要進行節(jié)能研究，必須從功率消耗的特點出發(fā)，從結構形式和傳動方式兩方面進行深入研究，以降低臥螺離心機啟動和操作時的功率消耗。
2 改進結構形式
1987年日本SUZUKI SOUROKU研制了雙錐臥螺離心機。這種雙錐臥螺離心機的能耗可以比普通臥螺離心機低很多，與普通臥螺離心機不同的是其轉鼓小端為雙錐形狀的轉鼓。雙錐形狀的轉鼓使物料在雙錐臥螺離心機中有效滯留時間變長，增強了分離效果，甚至在低轉速下也可以獲得很好的分離效果。因此，物料加速功耗隨轉速減小而降低，故可以極大地節(jié)約能量，同時由于采用雙錐形狀的轉鼓，使離心機的液池深度加大。這就意味著轉鼓旋轉中心到液池表面的距離變短，這時濾液排放時帶走的速度動能減小，節(jié)約了能耗。
臥螺離心機的分離效果取決于液池表面積和分離因數(shù)。因此，當分離因數(shù)一定時，增加分離能力的有效方法是加大臥螺離心機的長度，大長徑比的臥螺離心機彎曲通道內的流動比普通臥螺離心機更接近理想的柱塞流動狀態(tài)，也有利于分離。1992年丹麥的Niels Fl. Madsen進行了大長徑比臥螺離心機的理論和實踐的研究，證明大長徑比臥螺離心機的能耗優(yōu)于與之相當?shù)男￠L徑比的大直徑臥螺離心機，當分離因數(shù)一定時，兩種可替換的臥螺離心機能耗比與轉鼓直徑之比成正比。但是由于臥螺離心機長徑比的增加，帶來了制造和設計的困難。在設計中可采用柔性懸置主軸承、浸沒式螺旋卸料器、分離式差速器等改進方法來克服長徑比增加帶來的困難，使臥螺離心機的長徑比超過4.2以上，從而降低了投資成本和運行費用。
1997年日本Tsukishima Kikai公司開發(fā)了一種新型節(jié)能臥螺離心機，在相同的處理能力下，其操作能耗比傳統(tǒng)的臥螺離心機降低20%～40%。此種新型臥螺離心機與傳統(tǒng)臥螺離心機一樣，轉鼓與螺旋輸送器以一定的差轉速高速旋轉，將沉渣推向排渣口。傳統(tǒng)設計中的濾液是通過溢流堰從排渣口的對側排出，由于溢流擋板頂部的濾液具有較高的動能，所以在排液過程中有較大的能量損失。新設計的臥螺離心機設置了中心軸周圍的排液機構，并改進了排渣閥的結構，使濾液從動能較低的中心軸處排出，并采用排渣閥來調節(jié)壓力的變化，從而避免了排液過程中的能量損失，減少了能量的消耗。
傳統(tǒng)的臥螺離心機因為其圓錐型圓筒的構造，性能無法大幅度提高。為了使沉渣在液面以上排出，就必須讓沉渣通過有斜度的錐段。而沉渣在該段的滑移削弱了排渣過程，結果有時候沉渣和清液一起通過排渣口排出。此外，傳統(tǒng)的臥螺離心機由于直筒段中心線附近的沉渣有相當高的含濕量，為了降低沉渣的含濕量，必須要提高轉鼓的轉速，因此要耗費很大的功率。2003年日本OHINAAT TETSUO等學者開發(fā)了直筒壓榨式臥螺離心機。這種新型的臥螺離心機采用直筒式圓筒再加上特殊的壓榨結構，實現(xiàn)了在含濕率低的位置即緊貼轉鼓壁的位置排出沉渣，并且通過特殊的壓榨結構，使含濕率進一步降低，提高了分離效率，達到了較大的分離效果。由于采用了直圓筒形式，使離心機的制造更加便利，延長了使用壽命，而且實現(xiàn)了同樣分離效果的情況下轉鼓轉速的降低，從而降低了能耗。
2004年美國Leung等學者在臥螺離心機上設計了一種能量回收裝置。其設計特點是在位于轉鼓端口上的每個排液口都會安裝一個特殊的排液裝置，此裝置由管狀構件和多個彎頭部分組成，且管狀構件的截面可以有多種形式，安裝方向是與轉鼓的轉向相對。裝置中構件的接口處采用漸縮截面，用來減少壓力損失從而加速濾液的排放速度。此項設計是基于反力矩的原理，充分利用所排放的濾液具有較高動能的特點來推動轉鼓的轉動，從而降低了能耗。
3 改進傳動方式
臥螺離心機是利用螺旋與轉鼓的轉速差達到連續(xù)卸料的目的。因此，為了保證轉鼓和螺旋以不同的角速度回轉并得到較佳的轉差值，臥螺離心機從電動機到轉鼓和螺旋中間需要一個差速器傳動裝置。通常的差速器傳動裝置采用封閉功率的差速器，以減小電動機容量和避免大量的能量損耗。
為了實現(xiàn)臥螺離心機的安全啟動和高效率操作，1994年ALFA LAVAL公司開發(fā)了一種帶雙電機驅動的傳動裝置的臥螺離心機。該傳動裝置有雙電機交替配合工作，提供啟動階段所需的功率，同時可以降低電機上啟動的熱負荷。在啟動臥螺離心機時，加速轉動部件達到指定的操作速度后，第一個電機繼續(xù)驅動臥螺離心機在規(guī)定的操作速度下運轉，而第二個電機空閑下來。根據(jù)操作條件的變化調整2個電機，以保證2個電機在較大的操作效率情況下進行工作，并未臥螺離心機提供所需的功率。通過采用雙電機啟動的方法，有效避免了為安全啟動而選用大功率電機導致正常操作時大功率電機低效率工作的問題。
1998年意大利貝亞雷斯公司設計的電-機械的自動差速器，可以實現(xiàn)控制并連續(xù)調節(jié)臥螺離心機的螺旋和轉鼓之間轉速差，并可以將吸收的能量歸還給主電機，減少了能量的損耗。此裝置通過特有的方法連接到一個直流電機，其定子與轉鼓制成一體，轉子與另一個傳動裝置制成一體，從而用來驅動螺旋，同時還增加了檢測轉子和定子轉速的控制單元，根據(jù)預定的運行條件對臥螺離心機的參數(shù)進行調整。差速器可以實時監(jiān)測離心機內部扭矩的變化，不僅保證離心機的扭矩在允許范圍內，而且還可以完全連續(xù)全自動調節(jié)螺旋和轉鼓之間的轉速差，以保證離心機獲得較佳的脫水效果和較高的固體回收率，減少了單位處理量的能力消耗。
2000年四川大學開發(fā)研制的液壓控制的臥螺離心機，采用的全液力傳動可以實現(xiàn)轉鼓轉速以及螺旋輸送器差轉速無級調速。在電機與轉鼓之間采用調速型液力耦合器，利用液力傳遞功率和扭矩來實現(xiàn)轉鼓的驅動。螺旋輸送器驅動則采用液壓馬達驅動，液壓馬達殼體與轉鼓相聯(lián)接，而液壓馬達的轉子與螺旋輸送器相聯(lián)接。這項設計實現(xiàn)了在重負荷下無需為安全啟動而選用大功率電機，配用的電機功率比普通的行星差速傳動裝置所需電動機功率小20%～30%，而且在過載情況下可實現(xiàn)自動保護，從而達到了安全、節(jié)能的目的。
4 討論
綜上所述，國內外學者們在臥螺離心機一些具體的節(jié)能措施與設想方面已作出了可喜的成績，但是大多數(shù)結構形式的節(jié)能研究中均未涉及流場結構的改變對臥螺離心機分離性能的系統(tǒng)影響，而流場結構的改變勢必影響其分離分級性能指標。鑒于以往對臥螺離心機能量耗散機理的認識是基于流體力學的基礎知識，因此，對其進行定性的推測與探討，還缺乏系統(tǒng)、深入的研究。此外，臥螺離心機中能量的耗散決定了其內部流動狀態(tài)，并且能量耗散會引起劇烈的表層流，因此進行理論研究十分困難。目前數(shù)值模擬的發(fā)展和應用為采用計算流體力學方法進行臥螺離心機分離性能的系統(tǒng)研究提供了幫助，從而可以進行臥螺離心機結構形式的節(jié)能研究的定量分析。
臥螺離心機傳動方式的選擇直接決定著整個機器的工作性能和可靠性，因此必須正確選擇傳動類型，精確合理地進行傳動裝置的結構設計和強度計算。目前對傳動方式的改進方面進行的研究較少，并且也未能對整個臥螺離心機系統(tǒng)進行經(jīng)濟和能耗的總體評價，仍處于定性分析的階段。
到目前為止，對臥螺離心機的流動機理的認識基本上還是定性的，對其還缺乏深入的研究特別是定量研究，尚未獲得可以從理論上知道臥螺離心機在不同工藝條件下進行節(jié)能優(yōu)化設計的系統(tǒng)研究結果。
5 結語
進一步對臥螺離心機的能耗機制進行深入、定量及系統(tǒng)的研究，并在此基礎上系統(tǒng)地提出臥螺離心機的節(jié)能原理具有重大的意義。對臥螺離心機進行節(jié)能設計或改造，不僅能降低其運行成本、提高生產(chǎn)效益，而且可以提高能源利用率，從而獲得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
