摘要：根據立式螺旋煤泥過濾離心機的工作特點，提出了靜態過濾時間和動態過濾時間的概念，推導了靜態過濾時間、動態過濾時間與主要結構參數之間的函數關系，分析了主要參數的影響趨勢并進行了驗證．結果表明：沉降成餅時間是螺旋頭數和相對速差的函數，對濾層厚度、阻力及濾層截留效應影響顯著；動態過濾時間是螺旋升角、回轉速差、過濾轉鼓半錐角及過濾轉鼓半徑的函數，對濾層運動行為及脫水效果影響顯著．采用小升角螺旋、降低轉速差、增大轉鼓高度有利于延長動態過濾時間、改善脫水效果．建立的模型對細煤泥過濾離心機的設計、優化具有指導意義．
    關鍵詞：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．細粒煤泥脫水技術是濕法選煤工藝深度脫硫降灰的前提．連續作業、結構緊湊、可靠的細煤泥脫水技術與裝備研發一直受到國內外研究者的高度關注．離心力場易于實現，所產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、動態是相對于靜態、間歇作業的壓濾機、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、濾餅結構、沉降及過濾時間控制，關鍵在于過濾轉鼓、螺旋的結構參數與配合．國外相關領域的研究工作主要圍繞改善入料性質、改進篩籃、篩網結構等改善脫水效果，如通過預先濃縮、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、改善濾層結構、改進脫水效果等［１２］．根據臥螺離心機、沉降離心機及沉降過濾離心機的研究及應用實踐，影響物料脫水的因素除了入料性質、篩籃、篩網結構外，螺旋結構與速差也有重要影響，主要體現在對濾層結構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．國內關于煤泥離心機的文獻主要圍繞粗煤泥回收的應用實踐．本文基于動態過濾的實現、控制及優化，從時間控制的角度，對螺旋離心機中影響濾層沉降行為、濾層結構和脫水效果的主要結構因素及關系進行了研究探討．
    １立式螺旋離心機動態過濾原理
    連續、動態是相對于靜態、間歇作業的壓濾機及三足離心機過濾提出的，利用螺旋結構是實現和控制濾層動態化的有效手段．圖１是立式螺旋離心機動態過濾原理圖，圖２是離心過濾的基本原理圖．入料懸浮液從上部連續給入，在螺旋與過濾轉鼓構成的空間內分離；沉降到過濾轉鼓（稱之固有過濾介質）表面的粗顆粒被截留并形成顆粒床層（稱之次生過濾介質），對后續沉降的顆粒進行截留，顆粒層厚度和過濾阻力不斷增加．固有介質和次生介質構成復合介質；液體因離心作用透過復合過濾介質的孔隙進入濾液室；與過濾轉鼓之間保持一定轉速差的螺旋體將沉積在固有介質表面的顆粒層向排料端方向輸送并持續脫水，實現了次生濾層的動態化．
    根據立式螺旋煤泥過濾離心機的工作進程特點，把分離空間沿轉鼓母線方向劃分為飽和脫水區和非飽和脫水區．飽和脫水區的主要特點是顆粒沉降形成次生過濾介質及自由液體的分離（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阻力犚犮．
    用αc表示次生過濾介質的過濾比阻（忽略其沿半徑方向的變化），rb為過濾轉鼓內表面半徑，那么半徑r處厚度為dr的單位高度環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狀濾層的過濾阻力為
                  
    根據達西定律，顆粒床層厚度增加必然導致犚犮１狉增大，相應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阻力．沉降行為與時間控制的意義在于前者，動態化的意義在于后者．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
    在持續作業過程中控制顆粒層的增長時間是控制濾層厚度、降低次生過濾介質阻力的有效途徑，動態化過濾時間控制是改善次生介質層結構、降低過濾比阻和殘余飽和度的有效途徑．
    ２.１沉降成餅靜態過濾時間
   根據式（２），飽和滲流脫水區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．將過濾轉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過濾時間，用犜狊表示．用犺狊表示輸渣螺旋的頭數，用Δ狀表示過濾轉鼓與螺旋之間的轉速差，那么螺旋在犇犻處的刮料頻率可表示為
               
    Tsi，fi由螺旋頭數犺狊和轉速差Δ狀確定．初始階段，懸浮液中的固體顆粒發生離心沉降，粒度大于固有過濾介質孔徑的顆粒通過架橋的方式沉積、形成次生過濾介質，對后續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域的持續沉積時間及靜態過濾脫水時間，即決定次生介質層厚度，影響顆粒層滲流阻力、脫水速度和細粒截留效果［１］．結構設計時，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的刮料頻率、降低濾層厚度；若著眼于借助濾層截留效應、提高細粒回收效果，可考慮適當降低飽和脫水區的刮料頻率．
    ２２動態過濾脫水時間
    濾層動態化由回轉螺旋實現，濾層由過濾轉鼓的小端向大端的運動軌跡為螺旋線，該過程即動態過濾歷程．將該過程經歷的時間稱為動態過濾脫水時間，用犜犳表示．用α表示過濾轉鼓的半錐角，用狏狕，表示濾餅沿過濾轉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鼓的角速度，用Δω表示螺旋與轉鼓的相對角速度，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連續離心過濾過程的動態過濾脫水時間與主要影響因素之間的關系．因細煤泥濾餅粘性較大，且動態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過濾裝置的參數選擇與優化提供了重要信息．
    ２.３影響動態過濾時間的主要因素分析
    根據前面分析，影響沉降成餅靜態過濾時間和動態過濾脫水時間的因素主要有螺旋升角、轉鼓半錐角、轉速差、過濾轉鼓半徑及螺旋頭數．
    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，動態過濾脫水時間犜犳縮短，原因是升角增大導致螺旋的導程增大、濾渣沿轉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°的螺旋動態過濾時間延長了約０.１１s，濾渣水分低了４％．
               
    ２.３.２轉鼓半錐角
    過濾轉鼓的半錐角α同時影響顆粒層的運動方式與停留時間，過濾轉鼓的半錐角與物料和過濾轉鼓的摩擦角越接近，有利于降低輸渣功率、減少設備磨損［３］．半錐角的確定應主要著眼于減小輸渣功率．煤與金屬篩網間的摩擦系數一般在０３５～０５５之間，對應的摩擦角范圍為１９～２９°．由式（１３），當半錐角增大時，動態過濾時間犜犳減小．選煤領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回轉速差
    由式（６），（１３），犜犳，犜狊均與Δω成反相關系，Δω減小，犜犳增大，有助于改善脫液效果．選煤領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
    螺旋頭數犺狊與速差Δω一起決定沉降成餅及靜態過濾時間，犜狊犻與犺狊成反相關系．如果著眼于提高微細粒回收效果，可適當減少螺旋頭數、縮小相對速差以相應延長沉降成餅時間；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轉鼓高度
    在半錐角α和轉鼓小端直徑確定的情況下，轉鼓高度的適當增大意味著大端直徑的相應增加，既延長了動態過濾時間，又增加了zui大離心因數，對降低濾渣的殘余水分是有利的．
    ３結論
    １）控制顆粒層的增長時間即靜態沉積時間是控制濾層厚度、降低次生過濾介質阻力的有效途徑；動態化過程的實現與控制是改善次生介質層結構、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過濾時間與螺旋頭數和相對轉速差的函數關系，靜態過濾時間與轉速差和螺旋頭數成反比．控制靜態過濾時間可有效控制次生介質層的厚度和過濾阻力，改善脫水效果．
    ３）建立了動態過濾時間與輸料螺旋的升角、螺旋頭數、回轉速差、轉鼓的半錐角等的函數關系，對細煤泥動態過濾離心機的設計、優化具有指導意義．從改善細煤泥脫水效果的角度看，采用小升角螺旋、降低轉速差、采用２０°左右的小錐角轉鼓、增大轉鼓高度是有利的．