从真空带滤机结构特性分析其应用优势

丁超然

(江苏井神盐化股份有限公司 淮安碱厂,江苏 淮安 223200)

专论与综述

从真空带滤机结构特性分析其应用优势

丁超然

(江苏井神盐化股份有限公司 淮安碱厂,江苏 淮安 223200)

根据与国外带滤机制造商技术交流所掌握的带滤机的信息,介绍并分析了带滤机的结构与技术性能,以供纯碱行业在未来的装置技术更新时参考。

真空带滤机;结构特性;应用优势

在欧洲索尔维纯碱厂,水平真空带滤机已经成为重碱过滤的主要设备。而在中国纯碱行业中,真空带滤机用于重碱过滤还没有得到广泛推广应用。这主要是国内纯碱设备制造商对带滤机结构设计和材质的选用还没有更多的研究和试验条件,真空带滤机的制造技术也存在差距。近年来,随着与国外带滤机制造商的技术交流和设备的引进,逐渐对带滤机有所了解。过滤装置是纯碱生产的关键设备。过滤工序的工况优劣,直接影响纯碱生产的若干工艺技术指标及消耗定额。因此,如何选用技术成熟、工艺指标优秀的过滤装置,是纯碱生产装置配置极其重要的环节。

由于纯碱生产过程中其物料物化性质的特殊性,传统的纯碱生产过滤装置一般都采用真空转鼓过滤机。尽管真空转鼓过滤机经过几代的改进,但终不尽如意。业内的工程技术人员致力于开发能够用于纯碱生产的新型过滤装置以及为真空转鼓过滤机弥补其工艺缺陷的技术措施。如开发用推料离心机直接分离重碱。尽管推料离心机的分离效率可大大提高分离效果,但其对结晶质量的要求和上下工序的工艺配合条件较为苛刻。目前用于纯碱行业的过滤装置仍然以真空转鼓过滤机为主要装置配置。

为改善真空过滤机的性能及弥补其技术不足,在真空转鼓滤碱机后配置推料离心机,以进一步降低重碱水分并力求取得洗水的分离及得到二次利用。目前此工艺流程在纯碱行业中基本得到认可并逐渐得到推广。但此工艺流程的配置不尽合理,不仅工艺流程相对复杂,且投资的增加也成为各纯碱企业较为关注的问题。

而国际上发达国家对纯碱生产过滤装置的改进在本世纪初基本得以完成。如索尔维欧洲的一些纯碱厂,在上世纪末或更早的时间已经用水平带式真空过滤机替代了真空转鼓过滤机。2002年,中国纯碱协会组织行业技术考察团赴欧洲索尔维部分纯碱厂进行技术交流,并对水平真空带滤机应用进行考察。此后中国纯碱协会也致力于推荐使用水平真空带滤机。

由于中国的纯碱厂对真空带滤机尚不甚了解以及国内制造技术不能满足技术条件,使此项技术未能在国内碱厂采用。随着与国外真空带滤机制造商的技术交流,真空带滤机逐渐被认识,因此真空带滤机的配套应用将逐步在国内纯碱行业实现。

本文是通过与国外多家带滤机生产商的技术交流中对真空带滤机的了解,从带滤机的结构及使用效果阐述其优势,以供业内人士参考。

1 真空带滤机简介

真空带滤机其工作原理仍然是利用真空的推动力在过滤介质两侧产生推动力,以分离固液料浆。与真空转鼓过滤机不同的是,过滤介质的托架是有足够穿透空气通道的橡胶皮带,而且整个过滤过程是在水平运行轨迹上完成的,因此称为水平真空带滤机(见图1)。

图1 真空带滤机外观图

由于真空带滤机的干燥区域可随皮带的延长而增加干燥停留时间,不受转鼓周长的限制,因此其干燥时间充分,其分离物的水分指标相对较低。如氨碱法生产工艺的一般结晶质量,经带滤机过滤后的重碱水分可在15%～16%,较差状态也可以达到17%左右。

带滤机的能力取决于过滤面积。与真空转鼓过滤机不同的是,带滤机的有效面积相对较大,其中吸碱部分相对较短,且在瞬间完成吸碱,因此其干燥区域相对增加;另外带滤机的滤布再生过程是在非作业区域内完成,因此不占用过滤作业面积。

图2为现场的带滤机示意图。

图2 现场的带滤机

带滤机的工艺指标如表1:

表1 真空带滤机工艺指标

真空带滤机的最大优点是可以将洗水分离并进行二次利用。这可以降低洗涤水的用量,对降低母液当量和后续工序的能耗及再制品平衡至关重要。这是转鼓过滤机非常难以实现的技术。

2 真空带滤机结构

真空带滤机的主要结构分为:机架及驱动装置、真空管、真空盘、过滤皮带、滤布、进料布料装置、滤

饼洗涤装置、卸料装置、滤布洗涤装置、皮带纠偏装

置等。

2.1 机架及驱动装置(见图3)

图3 机架及驱动装置

机架除支撑结构外,还配置皮带的头尾轮及驱动装置。在纯碱生产工序中,机架的材质可选用碳钢防腐和不锈钢材质。根据国外的使用经验,采用316不锈钢材质更适合纯碱的生产环境。各生产厂商采用不同的机架连接方式,或全螺栓连接或焊接。螺栓连接形式利于检修和校正;焊接连接使得机架的稳定性更好,一旦调试合格后,更利于真空装置的长周期运行。无论哪种连接方式,都是现场安装施工,关键是现场的安装质量和调试水平。

国外制造商给中国客户的带滤机机架,往往是在国内生产,包括材料的选用。但也有国外制造厂商是在原产地制造的。因此材料的内在质量还是有一定差异的,这也是选购带滤机时比质比价的内容之一。

驱动装置包含驱动电机、变速箱及皮带轮。生产厂商一般都配置变频电机及变频装置,以满足带速的调节。变速箱为滚筒式变速箱(见图4),这使得驱动装置结构更紧凑,且利于防水、防潮。50 m2带滤机配置的电机功率为37～75 kW不等,这与各制造厂的配置有关。因此在选用带滤机时,从节能角度考虑,在满足过滤能力的前提下,应尽量选用功率消耗更低的品牌。

变速箱的质量是带滤机长周期运行的保证。因此国外的制造商均配置名牌减速机,如BREVINI (布雷维尼)品牌。但有制造厂商为降低成本,机架及驱动装置部分采用国内制造和配置,电机和变速箱的配置应予以重视。

图4 滚筒式变速箱

皮带轮是应引起足够重视的部件。关键是皮带轮的直径。各制造厂商的皮带轮的直径不一,如50 m2带滤机的皮带轮直径从φ1 000到φ1 300。不同的直径的皮带轮,与其造价有关系,但大直径的皮带轮更利于延长过滤皮带的寿命和稳定带滤机的带速。因此在选用带滤机时应尽量选用大直径皮带轮。

2.2 过滤装置

过滤部分包括真空盒、支撑及密封盘、过滤皮带、滤布、耐磨带。这是真空带滤机的核心部分。

2.2.1 真空盒(见图5)

真空盒是连接过滤皮带和真空系统的关键部件。真空盒的制造水平反映了该制造厂商带滤机的水平。在运行中与运动的皮带摩擦密封过程中不能有真空的泄漏。因此真空盒要求加工和安装精细,调试水平很高。在各国外带滤机的供货中,真空盒的制造一般都是国外原产地生产,以保证制造质量。因此在选购进口带滤机时,要特别关注真空盒的生产地。

图5 真空盒

真空盒的安装和检修,各生产制造商均在其结构上采用了一些细节技术。如气动升降装置,以方便真空盒的检查和检修。如图6:

图6 真空盒的气动升降装置

没有安装气动升降装置的真空盒在检查、检修时需要人工升降真空盒。因此在选用带滤机时应关注真空盒升降装置的配置。

真空盒的密封也是关键技术。为防止过滤皮带运行过程中的真空损失,制造厂商在真空盒的上面安装超高分子聚乙烯片,即起到真空密封的作用,同时又降低了摩擦系数,对皮带起到保护作用。

2.2.2 过滤皮带

过滤皮带也是核心部件。过滤皮带的设计和制造都是关键技术。其技术含量决定着带滤机的产能工艺技术指标。过滤皮带需保证足够的透气性、透水性;须保证足够的强度、硬度和韧性;

皮带材质为天然橡胶,皮带分为四层,内衬聚酯编织物加强层(见图7)。因此皮带的强度和硬度一般达到邵氏硬度A65。用于纯碱生产的不同规格的带滤机的带宽不等,一般为2.4～3 m,带厚各制造厂不等,一般厚度为35～38 mm。皮带上开有凹槽,凹槽宽度为15～19 mm,凹槽深7～18 mm。凹槽区开有圆孔或方孔排水孔。凹槽及排水孔完全按照出碱液的固液比、出碱当量等参数进行计算设计,以满足纯碱生产的工艺要求。为提高过滤运行过程中在过滤皮带上的排水效率,有带滤机制造厂商将皮带的凹槽设计为倾斜状,使得过滤排水性能更好。对于宽型皮带,这种凹槽的设计其效果更加明显。如图8:

皮带接头为硫化黏接,为保证黏接质量和皮带的平行度,好的制造商在生产厂内进行硫化黏接。运输到使用现场的是完整的环形皮带。也有在带滤机安装现场进行硫化黏接的厂家,但黏接的质量和调整条件相对差一些。因此在选用带滤机皮带时,应尽量选用在生产厂家完成黏接的整条过滤皮带。

过滤皮带边沿黏接裙边(见图9),裙边的设计、质量也是关键技术。有带滤机生产厂商对裙边的研究获得专利技术。裙边材质区别与主体皮带材质,是特殊橡胶材料。其特点是柔韧性高、强度高。裙边的作用主要是挡堰功能,在进料时形成槽型布料区,防止料浆从皮带边缘外泄。一般裙边的高度为120～130 mm。裙边为易损件,使用寿命取决于裙边材质和裙边的结构设计。裙边的使用寿命一般为1～5 a。裙边的黏接是在施工现场剩黏接,因此要求较高的黏接技术。

图9 过滤皮带黏接裙边

过滤皮带底部有一层耐磨带,其材质为聚丙烯机织物。耐磨带可有效地保护过滤皮带的磨损,提高过滤皮带的使用寿命。耐磨带的寿命一般为1年。耐磨带可以拆下更换,只需气动降低真空盒即可进行拆除更换耐磨带。

2.2.3 滤布

滤布的材质为聚丙烯或聚酯材料。一般为2层机织编织布。其使用寿命1～2 a。目前与带滤机配套的滤布均产于欧洲,如德国、瑞典等。滤布与过滤皮带同步运行。但在洗涤过程,滤布与过滤皮带分开,用高压喷头的洗涤水进行冲洗滤布,以保证滤布的穿透性,使得带滤机能够连续运行,无须进行单独的清洗滤布操作。

滤布清洗完全是自动进行的。因此带滤机配置了独立的清洗水泵,清洗水通过喷头产生的压力水流对滤布进行冲洗(见图10)。滤布冲洗水量一般为5～10 m3/h。冲洗水收集后可作为第一道洗水使用。滤布洗涤装置一般由制造厂商作为辅助装置配套供应。

图10 滤布清洗

带滤机配有自动纠偏装置及滤布张紧装置。自动纠偏装置在传感器的检测下进行自动纠偏,以防止滤布运行走偏。滤布张紧装置是滤布清洗后在即将进行过滤前,对滤布进行平整张紧,以保持滤布的平整。张紧装置有重力滚张紧(图11),有气动控制自动张紧(图12)。均衡气动滤布纠偏系统比传统的压紧轮或滤布纠偏系统下滤布的使用寿命要长。这些辅助装置都是带滤机的细节技术研究成果,甚至是专利或专有技术。进口的带滤机生产厂商这些技术研究成果,对带滤机的技术性能和滤布的使用寿命的改善起到了显著的作用。

2.3 带滤机进料及洗涤装置

带滤机的进料和洗涤对带滤机的技术性能影响很大。因此各带滤机制造厂商的进料和洗涤均采用不同的技术。

2.3.1 进料装置

带滤机的进料关键是要均匀地将料浆分布在较宽的过滤皮带上。布料不均匀会导致真空度的分配不均匀,洗涤和干燥会受到严重的影响。带滤机的进料装置关键是布料器的设计(图13)。有顺流布料形式和逆流布料形式之分。布料器的卸料方向与皮带运行方向一致为顺流布料,反之为逆流布料。

图13 带滤机进料装置

皮带裙边在布料时起到很好的围堰作用,使得料浆更均匀地在滤布上形成料层(图14),这对洗涤和干燥是十分重要的。对重碱的过滤,更注重对盐分的控制,因此碱饼的厚度和均匀程度对盐分的控制是至关重要的。带滤机制造厂对进料装置的技术研究,形成各自专有技术或专利技术,在选取真空带滤机时应对其予以重视。

图14 滤布上均匀的料层

2.3.2 洗涤装置(见图15)

带滤机的洗涤方式决定了其技术优势。带滤机可分为多级洗涤,一般重碱的洗涤可分为2段或3段洗涤。而各段的洗涤在独立的真空区域进行,因此洗涤液可独立分离,并可再循环使用。如末段的洗涤液可返回用作第一段的洗涤用水。这使得洗涤用水量和母液当量大大降低。

由于洗涤水的分离和循环使用,带滤机需要配置母液和洗涤水分离器,如果是三级洗涤,则需要配置3个气液分离器及各自的洗涤液泵。带滤机的制造厂商一般将气液分离器和洗涤液泵作为带滤机的辅助设备配套供应,这主要是针对洗涤液的流量要求合理设计。

目前带滤机生产厂家配置的洗涤洒水大多是堰式洒水槽。也有改为喷头洗涤方式。两段堰式洒水槽的洗水当量在盐分≤0.3%(纯碱)时,为≤0.65 t/t碱。喷头洗涤方式,其洗水当量会进一步降低。但需要对喷头的选用和分布需要进行必要的研究,以防止重碱盐分波动和水雾造成的操作环境恶化。

图15 洗涤装置

2.4 带滤机的辅助装置

用于重碱过滤的带滤机是根据碳化出碱液的料浆固液比、碳化结晶质量、出碱流量、盐分、水分等工艺指标选取带滤机的面积。但带滤机仍然有一定的操作弹性。其操作弹性取决于带滤机的带速和碱饼厚度的控制。正常工况下,进碱量需满足碳化出碱液的工艺要求。在出碱液流量波动时,需要控制带滤机的带速及碱饼厚度,并在允许的工艺指标条件下通过辅助装置的调节进行操作控制。

2.4.1 超声波测厚仪

重碱滤饼的厚度对工艺指标的影响是显著的。尤其是对盐分和水分的稳定控制,滤饼的厚度尤为重要。因此进口带滤机都配置了超声波测厚仪,相对准确地测定滤饼的厚度,并将其信号反馈给DCS控制系统,以完成对碱饼厚度的控制。用于重碱的带滤机正常的滤饼厚度以3～3.5 cm为宜,超出指标范围的厚度,可通过带速的调节调整滤饼厚度,而不是通过控制进料流量控制滤饼厚度。

2.4.2 带速变频调节

带速的调节也是带滤机操作弹性控制手段之一。带滤机的驱动电机配置了调频器,使得带速可以无级变速调节。带速调节范围为4～24m/min,各厂家的产品不尽相同。如此大的带速调节范围使得带滤机的负荷能力和技术指标的操作弹性得以扩展。

2.4.3 压辊

带滤机配置了压辊,其作用主要是平整滤饼,尤其是结晶质量不是太好的时候,滤饼表面出现龟裂时,靠压辊予以平整,以防止龟裂纹处漏真空,降低真空效率。压辊的材质为聚氨酯或PVC材料,重量较轻,耐磨且摩擦系数较小。压辊配有单独的驱动装置,电机功率一般为2.2 kW,并配置变频调速。压辊的转速通过变频调节使压辊的线速度与过滤皮带线速度同步,以防止压辊黏碱。压辊配有气囊式压紧调节装置,可根据实际生产条件调节压辊的压紧状态,以减少对皮带滤布的磨损。

2.4.4 卸料装置(图16)

带滤机的卸料装置有多个部分组成。皮带尾轮和滤布卸料托辊形成一倾斜卸料面,卸料托辊将原平整的滤饼产生变形对滤饼产生松散作用,以方便滤饼的卸料。

图16 带滤机的卸料装置

带滤机制造商在卸料区配置了卸料毛刷辊(图17),对滤布表面残存的滤渣进行清理,以减少重碱对刮刀的磨损同时提高滤布的再生效果。毛刷滚由单独的电机驱动,产生不同步的线速度,达到清理的效果。

卸料的末端还配置了卸料刮刀(图18),以清除吸附在滤布上残存的滤饼残渣。刮刀材质一般为聚氨酯等非金属材料。

图17 卸料毛刷辊

图18 卸料末端的刮刀

2.4.5 进料排气罩(图19)

带滤机在进料区域配置了排气罩,进料过程中曝空释放出来的氨气、CO2通过排气罩排放,避免了对滤过操作环境的影响。排放气体可通过喷淋回收装置回收氨,减少滤过的曝空氨损失。洗涤与干燥区域,因处于真空状态,因此带排气罩的带滤机整个作业环境相对洁净,更符合清洁生产的要求。

2.4.6 滤液管及气液分离器

带滤机在过滤区与干燥区配置了若干滤液管,滤液通过滤液支管汇集到滤液总管,并经气液分离器分离滤液。滤液管的材质为钢骨耐压管。由于滤液的组成不同,滤液在不同的气液分离器中分离。一级滤液回到母液桶,二级滤液回滤液桶,并通过滤液泵返回到第一级洗涤。因此,带滤机配置2～3个气液分离器。在带滤机选型时,要考虑气液分离器的占地空间及滤液流程。气液分离器由供货厂家作为配套附件提供,根据带滤机能力由供货厂商进行设计,其材质为不锈钢材质(图21)。

图19 进料排气罩

图20 滤液管

图21 气液分离器

2.4.7 带滤机的操作控制系统

带滤机的操作控制基本实现了自动调节控制。制造商为带滤机配置了PLC可编程控制柜,并留有DCS控制系统的信号输出。带滤机的操作可实现DCS控制。如滤饼厚度控制、带速控制、进料量控制、洗水量控制、滤布洗涤、滤布张紧、皮带纠偏、真空盒升降等操作均可通过DCS进行控制。由于带滤机的水平安装及运行,使得盐分在线检测有望成功,因此盐分检测与自控可在带滤机得以实现。

3 对带滤机的总体评价

通过对带滤机的结构了解,带滤机用于纯碱生产还是具有相当的技术优势的。其主要技术特点是:

①设备能力相对与真空转鼓过滤机要大。

②操作弹性也相对较大,适合配置于碳化出碱液生产需要。

③滤液可部分循环再利用,洗水当量小,母液当量减少,有利于节能,并能获得更低盐分指标,质量稳定。

④干燥区域相对更大,在薄碱饼作业状态下,较低的真空度下获得低水分重碱。但相对于转鼓过滤机真空当量相对较大。

⑤滤布自动清理,再生效果好,避免了停车、洗车操作,装置运行周期长。

⑥皮带的自动纠偏和滤布的自动张紧装置有利于过滤机的长周期运行。

⑦自动化控制程度高,减少了人工操作强度。

⑧无须配置吹风泵,使得能耗降低。

⑨进料可实现密封罩封闭,作业区环境状况较好。

⑩气动升降真空盒使得检修方便,检修工作量小。

带滤机的结构与技术优点,取代真空转鼓过滤机是一种趋势。在欧洲索尔维纯碱厂,真空带滤机已经成为重碱过滤的主要装置。增加对真空带滤机的了解和认识有利于中国纯碱制造设备的更新,更有利于纯碱生产工艺技术的提升。随着带滤机在纯碱行业的应用扩大,也将推动带滤机的技术改进和升级。我们期盼着国产带滤机的研究和制造在不久的将来达到国际先进水平。

TQ 114.15

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1005-8370(2010)03-03-08

2010-04-06