臥式螺旋沉降離心機選型因素研究
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臥式螺旋卸料沉降離心機簡稱臥螺離心機，是國際上20世紀50年代出現的分離機械。具有連續(xù)操作、處理量大、單位產量耗電量低、適應性強等特點。影響離心機運行及處理效果的因素有很多。首先有離心機機械因素，如轉速、轉速差、轉鼓長徑比、半錐角、螺旋葉片以及螺旋類型等。其次還有工藝及系統(tǒng)設計因素，如污泥性質與預處理方法、配套輔助設備、脫水系統(tǒng)中離心機備用率等。這兩類因素都直接或間接地影響著污泥的離心脫水效果及處理能力。另外，對于使用方來說，離心機不僅要脫水效果好、處理能力高，還要運行維修方便經濟，因此離心機選型還要考慮離心機的易損件的耐磨性、主要部件的維修便捷、能耗指標等方面內容。
1 臥螺離心機工作原理及結構簡介
臥螺離心機是采用離心沉降法來分離懸浮液的機器，它將細小顆粒（粒徑d≤5μm）的懸浮液經過固液分離，使懸浮液變?yōu)橄鄬Ω蓛舻囊后w和固體狀泥渣。其分離原理是利用固液兩相的密度差，在離心力的作用下，加快固相顆粒的沉降速度來實現固液分離。臥螺離心機主要由轉鼓、螺旋、差速系統(tǒng)、液位擋板、驅動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成。
臥螺離心機分離過程為：污泥和絮凝劑藥液經入口管道被送入轉鼓內混合腔。轉鼓前方設計有一個錐段，根據物料性質的不同，物料在轉鼓內壁以設計速度高速旋轉，沿著轉鼓殼體形成一個同心液層，稱為液環(huán)層。物料內所含的固體在離心力的作用下沉積到轉鼓壁上，再通過螺旋的運轉將干物料推至轉鼓錐端，上清液則從轉鼓大端排出，實現固液分離。在機殼內，轉鼓和螺旋輸送器由兩個同心軸承相連接，主電動機通過V帶輪帶動轉鼓旋轉，轉鼓通過左軸承處的空心軸與差速器的外殼相連接，差速器的輸出軸帶動螺旋輸送器與轉鼓同向轉動，但轉速不同。
2 與臥螺離心機脫水效果有關的因素
轉鼓轉速、污泥投配速率與停留時間是影響污泥脫水效果的主要因素，即脫水后的污泥含水率是分離因數和時間的函數。當離心時間恒定時，污泥含水率是分離因數的函數，污泥含水率隨分離因數增大而變小。
2.1 分離因數及轉速
2.1.1 分離因數
分離因數的含義：在同一萃取體系內兩種溶質在同樣條件下分配系數的比值。分離因數愈大，說明兩種溶質分離效果愈好。分離因數等于1，這兩種溶質就分不開了。
臥螺離心機是利用固液兩相的密度差，在離心力的作用下，加快固相顆粒的沉降速度來實現固液分離的。在澄清過程中，懸浮固體受到離心力以及與此相反的浮力和流動阻力的作用，而澄清速度是上述各個力綜合作用的結果。衡量離心分離機分離性能的重要指標是分離因數（相對離心力），它表示被分離物料在轉鼓內所受的離心力與其重力的比值，即實際離心力轉化為重力加速度的倍數。分離因數越大，通常分離也越迅速，分離效果越好。
分離因數與轉鼓轉速的平方成正比，轉速越高，分離因數越大，離心機的分離效果越好。因此，對固體顆粒小、液體粘度大的和難分離的懸浮液或乳濁液，要采用分離因數大（轉速高或直徑較大）的離心機。需要指出的是，分離因數不是臥螺離心機分離能力的唯一決定性參數，而是理想條件下計算出的理論值，所以分離因數相同的不同臥螺離心機，在不同的實際應用中會有很大差別。
2.1.2 轉鼓轉速
要提高離心機的分離因數，通常提高轉速的辦法比增加轉鼓直徑的方法更為直接有效（修改轉鼓直徑要修改一系列與之有關的配件尺寸），所以提高轉速的方法在實際的應用中相對更容易操作一些。但是分離因數的提高是有限度的，其極限值取決于轉鼓材料的強度和密度。另外轉速過高，也會使得固相出料過于堅硬而堵塞螺旋，需要經常停機清洗，影響離心機的運轉。
總之，轉鼓轉速越高，則脫水效果越好，但是，高轉速對材料的要求高，機械的磨損亦增大。所以在滿足使用要求時，盡可能采用較低轉速。一般地，大直徑離心機轉速都較低，分離因數也低，而一些小規(guī)格的離心機轉速高，分離因數高。
2.2 轉速差、扭矩和差速器
轉速差是轉鼓與螺旋輸送器的絕對轉速之差。轉速差大，輸渣量大，但也帶來轉鼓內流體攪動量大，污泥停留時間短，分離液中含固量增加，出泥濕度增大的問題。轉差太小，會使螺旋的輸渣量降低，同時差速器的扭矩會明顯增大（通常臥螺離心機的推料扭矩在3400～3500N·m）。所以，當分離易分離的物料時，轉速差可適當大些；當分離難分離物料時（如市政污泥，轉速差以5～20r/min為宜）。通常要實現離心高干度脫水，可通過兩個途徑獲得：
（1）提高轉鼓轉速來加大分離因數。但高轉速帶來高功耗、高噪音和高磨損，并會降低絮凝劑效率。
（2）減少轉鼓與螺旋輸送器之間的轉速差。但降低轉速差會增大輸送器的推料扭矩。
差速器：差速器是臥螺離心機中最復雜、最重要的部件，其性能高低、制造質量等決定了整臺離心機的正常運行。差速器結構形式很多，有機械式、液壓式、電磁式（已漸被淘汰）。目前臥螺離心機差速器已經由原來不可調速的機械差速器發(fā)展為可調速的雙驅動機械差速器（簡稱雙電機型）。目前臥螺離心機最常用的是雙電機型和液壓型。差速器類型不同，離心機的驅動方式也不同，因此對差速器類型的選擇決定了離心機驅動方式的選擇。
2.3 轉鼓長徑比
轉鼓直徑越大，有效長度越長，其有效沉降面積越大，處理能力也越大，物料在轉鼓內的停留時間也越長，在相同的轉速下，其分離因數就越大，分離效果越好。但受到材料的限制，離心機的轉鼓直徑不可能無限制地增加，因為隨著直徑的增加可允許的最大速度會隨材料堅固性的降低而降低，從而離心力也相應降低。通常轉鼓直徑在200～1000mm，長徑比在3～4。據了解，對于市政污水處理行業(yè)用的離心機，目前國外離心機廠家最大長徑比可為4.8，但較多的機型長徑比多為4；國內離心機廠家最大長徑比可為4.4，但大多數機型長徑比在4.2～4.4?，F在臥螺離心機的發(fā)展有傾向于高轉速大長徑比的趨勢，這種設備更加能夠適應低濃度污泥的處理，泥餅干度更好。
另外，在相同處理量的情況下，大轉鼓直徑的離心機可以以較低的轉速差運行，原因是大轉鼓直徑的螺旋輸渣能力較大，要達到相同的輸渣能力，小轉鼓直徑的離心機必須靠提高轉速差來實現。
2.4 轉鼓半錐角
轉鼓半錐角是指轉鼓錐體部分母線與軸線之間的夾角。錐角大，沉渣在干燥區(qū)所受到的離心壓力大，有利于沉渣脫水，所以，對于粗粒子、高濃度物料的脫水，轉鼓的錐角可以大些。錐角大，雖然有利于固相脫水，但螺旋的推料功率會增大，螺旋的葉片磨損速率會增加。轉鼓半錐角是離心機設計中較為重要的參數。從澄清效果來講，要求錐角盡可能大一些。而從輸渣和脫水效果來講，要求錐角盡可能小些。由于輸渣是離心機正常工作的必要條件，因此最佳設計必須首先滿足輸渣條件。對于難分離的物料如活性污泥半錐角一般在6°以內，以便降低沉渣的回流速度。對一般物料半錐角在10°以內就能保證沉渣的順利輸送。
2.5 溢流內徑
溢流半徑小，機內液池深，有利于固相粒子沉降，但過小的溢流內徑使得沉降區(qū)增加，致使干燥區(qū)長度減小，沉渣在干燥區(qū)停留時間縮短，沉渣含濕量增加。所以溢流口內徑改變需根據工藝綜合考慮。
2.6 螺旋葉片及類型
螺旋葉片是離心機主要構件，作用是輸送沉降的固體并順利排渣，它不僅是卸料裝置，也決定設備的生產能力、使用壽命和分離效果。螺旋葉片可以是單頭、雙頭，也可以是多頭。當螺旋頭數增加，輸渣效率增加，但會增加對沉降區(qū)流體的擾動，從而使得分離液含固量增加。臥螺離心機大多數采用單頭螺旋。螺旋類型根據液體和固體在轉鼓內相對移動的方式不同，分為逆流式和順流式。
逆流式離心機的加料腔在螺旋中部，也就是位于干燥區(qū)和沉降區(qū)之間的邊界附近，以保證液相有足夠的沉降距離，但固相僅能停留其通過圓錐部位所需的時間，因此要求有較高的離心力。
順流式離心機由于進料口在轉鼓端部，避免了逆流式的湍流，保證沉渣不受干擾，離心機全長都起到了沉降作用，懸浮液在機內停留時間增長，從而使分離效果得到提高。由于沉降時間延長和沒有干擾，可有效地減少絮凝劑的使用量，使機內流體的流動狀態(tài)得到了很大改善，并且可加大轉鼓直徑來提高離心力，因此轉速可顯著降低，節(jié)省電力消耗，同時減少噪音，延長機器的壽命。順流式螺旋結構的離心機特別適用于固液密度差小，固相沉降性能差，固相含量低的難分離物料。但順流式離心機的濾液是靠撇液管排出，濾液通過撇液管時未分離出的固相顆粒會再分離而沉積在撇液管內，日久會堵塞撇液管通道，需定期沖洗。
2.7 液環(huán)層厚度
液環(huán)層厚度是工藝優(yōu)化的一個重要參數，直接影響離心機的有效沉降容積和干燥區(qū)長度。一般是停機狀態(tài)下通過手動調節(jié)液位擋板的高低來實現，調整時必須確保各個液位擋板的高低一致，否則會導致離心機運行時劇烈振動，也有部分國外廠商可以實現液環(huán)層厚度的自動調節(jié)。液環(huán)層厚度增加，沉降面積增大，物料在機內停留時間也相應增加，其結果是濾液質量提高，但同時機內的干燥區(qū)長度縮短，導致泥餅干度降低；相反，減少液環(huán)層厚度可獲得較高的泥餅含固率，但要以犧牲濾液質量為代價。因此應合理地調節(jié)液位擋板的高低使泥餅干度與濾液質量達到最佳組合。
3 與臥螺離心機處理能力有關的因素
臥螺離心機實際處理能力與銘牌標稱處理能力并不完全一致，其實際處理能力與進泥含水率、污泥性質以及污水處理工藝有關。因此，除了上文所述運用技術參數考慮臥螺離心機的選型外，對整套系統(tǒng)而言，要確定污泥總處理量、離心機總臺數以及離心機備用率等。確定這些問題，需要考慮以下因素。
3.1 含水率
臥螺離心機處理能力與進泥含水率有關。不同的污泥有不同的特性，含水率差異很大。污泥中的水分存在三種形式：游離水、毛細水、內部水，而通常情況下污泥濃縮或離心脫水主要是去掉游離水的一部分，對于毛細水及內部水主要通過物理方法分離及干化分離。污泥處理工藝中二沉池的污泥（剩余污泥或消化污泥）比初沉池的污泥揮發(fā)性固體含量偏低，有機物成分高，污泥中的毛細水和內部水多，含水率高且不易離心脫除。另外根據污泥體積、相對密度與含水率的關系：當污泥含水率由99%降到98%，由97%降到94%，或由95%降到90%，其污泥體積均能減少一半。
3.2 干固體負荷
離心機處理能力包括離心機的干固體負荷和水力負荷。固體負荷數直接和廠家的離心機型號掛鉤。干固體負荷是指每小時處理的不揮發(fā)固體（干污泥，DS）質量，以kgDS/h表示。水力負荷指進入離心機的污泥流量，以m3/h表示，它與離心機進泥濃度（MLSS，kg/m3）的乘積即為干固體負荷。在實際運行中，必須通過調整水力負荷來保證進入離心機干固體負荷不超過離心機的最大承受能力，否則多余的干固體負荷將從上清液中排出，上清液的懸浮物會急劇增多，并增加離心機電機的負荷。
由于初沉池污泥的濃度高（35g/L），離心機的干固體負荷可以達405kgDS/h，二沉池污泥因沒有污泥濃縮池，進泥濃度低（7.5g/L），干固體負荷只能達到85～120kgDS/h，離心機幾乎等于空轉，單位時間內的處理能力大大降低，而且運行時必須增加PAM的投加量，才能取得良好的脫水效果。與污泥處理工藝有關的污泥含水率高低關系到離心機處理能力大小，因此確定離心機處理能力時，還要重點考慮污水處理廠的污泥處理工藝，是否已經設置污泥濃縮環(huán)節(jié)，以及離心機進料含水率的變化情況。故對于低濃度的污泥，如二沉池未濃縮污泥最好經過濃縮處理（如濃縮機濃縮后處理），或者與高濃度污泥（如一沉池污泥）混合后進行脫水處理。
離心機的污泥處理能力中的水力負荷與污水處理廠總處理規(guī)模關聯(lián)，而干固體負荷與污泥處理工藝、污泥進泥濃度關聯(lián)。在確定離心機處理能力時都應重點考慮以上關聯(lián)因素。因此，確定離心機處理能力時要綜合考慮以下幾點：
（1）必須保證離心機具有較高的進泥濃度。
（2）在正常污泥濃度情況下，應保證最大處理干固體負荷在設備廠商標定的設備理論負荷的70%～90%為宜。
（3）要避免設備利用率過低（如果進入離心機的干固體負荷小于離心機的最大承受能力的70%，離心機幾乎等于空轉，處理量相對降低），同時也要避免離心機長期在高負荷下運轉而造成設備損耗加快，維護周期縮短。
4 與運營維護有關的因素
臥螺離心機選擇是否得當，除了考慮與脫泥效果、處理能力有關的技術因素外，還要考慮與運營維護管理有關的因素。離心機在污水處理廠投入運行后，電耗、藥耗、配件備件采購費、維護費用等也是衡量離心機綜合使用情況優(yōu)劣的重要指標。對使用方來說，運營費用、維修費用、配件備件采購成本、維護維修及時性等都是需要密切關心的內容。
4.1 能耗
關于臥螺離心機的能耗研究：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的多方面的。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所需要的功率；正常運轉所需要的功率主要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要的功率、卸料所需要的功率等幾個方面。臥螺離心機的能耗研究，涉及到離心機流場結構的改變對離心機分離性能的系統(tǒng)影響，必須從功率消耗的特點、結構形式和傳動方式進行深入研究。
目前，對臥螺離心機能耗的研究僅停留在一些流動機理的定性研究上，還缺乏深入的定量研究。在臥螺離心機選型中，關于機械差速器離心機和液壓差速器離心機能耗孰高孰低問題，不同的廠家因為所處立場不同，說法莫衷一是。根據國內有關資料的研究結論來看，到目前為止，對臥螺離心機消耗功率的研究，尚未獲得系統(tǒng)的研究結果。因此，廠家提供的不同類型臥螺離心機能耗的比較經驗，其研究分析數據僅居于對啟動功率的比較基礎上，不能涵蓋實際所消耗的全部功率。
4.2 維修維護
4.2.1 主要部件——差速器的修復
差速器是臥螺離心機的重要部件，也是維修費用最高的部件。根據差速器的修復情況，有如下經驗可供臥螺離心機選型時參考。
4.2.1.1 機械差速器
（1）常規(guī)保養(yǎng)的內容：
①定期更換輸入、輸出軸的軸承。
②齒輪箱內部清潔。
③偏心軸承檢查，如有必要，則需更換。通常，如果保養(yǎng)得當，偏心軸承的使用壽命要長得多。
④齒輪盤、偏心軸、針輪、輸入/輸出軸與殼體探傷檢測和表面磨損情況檢查。
（2）造成齒輪箱損壞的原因分析：
①潤滑不當，沒有按時加油（油脂潤滑）。
②沒有按時更換油。
③軸封損壞，造成齒輪箱進水或進雜質。
④排渣口堵塞，引起脫水機扭矩沖擊過大。
⑤長期停機，沒有對脫水機進行必要的防腐維護，造成軸承、齒輪盤等部件銹蝕。
總的來說，其使用壽命約16000h，大小齒輪箱的常規(guī)保養(yǎng)費用大約10萬元人民幣，廠家維修時間2～4周。
4.2.1.2 液壓差速器
（1）進口設備。德國HILLER、英國CENTPIQUIP、瑞典NOXON等都推出了液壓驅動技術，這些公司的離心機是各公司自己生產的，液壓差速器是從VISCOTHERM公司采購的。目前國產離心機如上海離心機研究所用差速器也是VISCOTHERM品牌，該類液壓差速器在整個國際上有上千臺在使用，在國內約有30臺在使用，故障率低。進口液壓差速器轉速在3000r/min以下時，理論使用壽命20000h。但是一旦損壞修理和更換的價格較高（約30萬元人民幣），維修周期較長（6個月以上），通常離心機廠家有備貨。
（2）國產設備。國產液壓差速器故障率比進口設備（VISCOTHERM）高，轉速在3000r/min以下時理論使用壽命5000h。國產差速器必須在需要高速分離才能達到分離的情況下使用。其損壞表現：
①液壓馬達定期更換。
②液壓馬達磨損和密封損壞。差速器采購成本是進口液壓差速器的約1/10，維修費用也低，廠家維修時間約3～4周。以上比較選取了轉鼓直徑為530mm的離心機，轉速3000r/min，分離因數2650，以96%進料污泥含水率計，單機處理能力40m3/h，脫水后泥餅含固率≥25%。
4.2.2 螺旋的磨損及修復
離心機的葉片（尤其是葉片的外部邊緣）是離心機應力最集中的地方，也是最易磨損的部件。尤其是當進泥物料中泥沙含量大（如羅芳污水處理廠），沉渣與螺旋葉片的摩擦力大于沉渣與轉鼓內表面的摩擦力，則沉渣就粘附在螺旋葉片上并和螺旋一起旋轉，這樣就發(fā)生轉鼓堵料、螺旋葉片嚴重磨損的情況。為防止這種情況發(fā)生，對離心機葉片材料必須要求具有高的硬度和耐磨性（通常要求螺旋葉片材料與轉鼓材料一致，至少是S31608或S31603）。一般廠家為提高螺旋葉片表面的硬度和耐磨性，主要采用了三種方法進行處理，可供用戶參考選擇。
①螺旋葉片表面堆焊硬質合金。
②可更換的耐磨扇形片（國內外主要廠家的離心機在與污泥接觸的螺旋葉片外緣采用了燒結耐磨合金片或陶瓷片鑲嵌工藝，可方便更換）。
③表面噴涂耐磨層。從使用經驗和效果來看，螺旋葉片表面堆焊硬質合金多用碳化鎢材料，成本較低；而可更換的耐磨扇形片是用埋頭螺釘固定在支撐螺旋葉片上，使得螺旋的修復大大簡化，方便單個局部更換，但整體更換成本相對較高。
5 結語
通過以上討論和分析可以看出，與離心機選型相關的因素很多，并且因素間又相互影響，交叉作用。因此想要達到臥螺離心機分離效果好、選型得當，就應當深入研究臥螺離心機機械性能技術理論，綜合考慮污水處理工程項目的實際情況，并結合臥螺離心機運行維護情況以及國內外各廠家離心機的使用性能和經濟成本綜合考慮。
在實際生產應用中，離心機的選型關系到工程項目的成功。選用了合理的機型，從而使能耗降低，控制簡單，產品質量高。選用機型不當，使得生產不能繼續(xù)，造成極大的經濟損失。離心機選型中機械方面的因素主要對離心機的脫水效果有所影響，而工藝及設計方面的因素則影響到離心機的脫水處理能力，而作為離心機的使用者來說，更要考慮離心機今后的使用運行維護情況。如果既能將每個問題都考慮得全面具體，又能很好地協(xié)調各方面的相互配合和制約關系，就能讓臥螺離心機更好地服務于市政污水處理行業(yè)。
