无水腿真空多圆盘过滤设备

苏惠阳

(1.福建省轻工机械设备有限公司,福建福州,350100；2.泉州华中科技大学智能制造研究院；福建泉州，362000)



·无水腿真空过滤机·

无水腿真空多圆盘过滤设备

苏惠阳1，2

(1.福建省轻工机械设备有限公司,福建福州,350100；2.泉州华中科技大学智能制造研究院；福建泉州，362000)

介绍了无水腿真空多圆盘过滤设备的基本结构、工作原理以及工艺流程；探讨了其关键技术,包括采用负压发生装置的真空发生系统和离心通引风机产生正压空气剥浆以及多段洗涤；对该类设备的优势特点进行了分析,并对其实践情况做简要介绍。

真空过滤机；无水腿；多段式；正压剥浆

真空多圆盘过滤设备用于制浆造纸行业浆料的浓缩和过滤洗涤[1],无论是用于浆料浓缩还是过滤洗涤,其真空几乎多由“水腿管”产生落差形成,然而,由于“水腿管”的存在,对设备安装有严格要求。多圆盘过滤设备往往由多台串联使用以提高浆料的洗净程度[2-3],但由于多圆盘过滤设备体积庞大,且由多台多圆盘过滤设备组成的过滤洗涤系统对中间设备有一定的要求,占地面积大、设备采购及基础建设费用高。针对这一现象,福建省轻工机械设备有限公司(简称本公司)研发出一类无水腿真空多圆盘过滤设备用于浆料浓缩或多次过滤洗涤，本文对此进行介绍。

1　无水腿真空多圆盘过滤设备

由本公司研发的无水腿真空多圆盘过滤设备主要有无水腿真空多圆盘浓缩机和多段式多圆盘洗浆机两种,前者采用无水腿的真空系统,后者采用多段式洗涤方式更是实现了一机多段洗涤功能。

1.1无水腿真空多圆盘浓缩机

无水腿真空多圆盘浓缩机主要用于浆料的浓缩,即把浓度0.8%的浆料浓缩至8%～10%,同时在浓缩过程中对浆料进行洗涤。

1.1.1设备基本结构

无水腿真空多圆盘浓缩机的基本结构如图1所示,主要是由机架、传动装置、洗网装置、进浆箱、机罩、槽体、出浆螺旋输送装置、圆盘轴和分配阀及真空发生装置等组成。

1.1.2设备工作原理

无水腿真空多圆盘浓缩机是通过过滤脱水的原理对纸浆进行浓缩的,其过滤脱水过程是在过滤盘片表面两侧压力差作用下,使悬浮液中的固相物体与水分离,水流过过滤盘片表面,而固相物体因为负压附着在过滤盘片表面上形成滤饼[1]。过滤盘片上的滤饼同样是在其表面两侧压力差的作用下被剥离。无水腿真空多圆盘浓缩机的过滤脱水原理如图2所示。

图1　无水腿真空多圆盘浓缩机的基本结构

图2　无水腿真空多圆盘浓缩机的过滤脱水原理

滤盘表面两侧形成的压力差主要由自然形成的压力差和负压形成的压力差组成。自然形成的压力差是指当滤盘转动进入槽体内纸浆液面以下时,由滤盘表面两侧介质(滤盘外表面为纸浆悬浮液,滤盘内表面为空气)不同形成的压力差；负压形成的压力差是指当转动的滤盘内外表面不存在自然形成的压力差时,通过借助外部力量让滤盘内表面产生负压力,使滤盘内外表面形成压力差。

滤饼的剥离过程是借助正压形成的压力差将滤盘上浓缩后的浆料剥离,即采用正压空气对浆料进行剥离。

1.2多段式多圆盘洗浆机

多段式多圆盘洗浆机主要是用于浆料的多次洗涤。

1.2.1设备基本结构

图3　多段式多圆盘洗浆机的基本结构

多段式多圆盘洗浆机的基本结构如图3所示,主要是由机架、传动装置、洗网装置、进浆箱、机罩、槽体、分段洗涤过渡系统、圆盘轴和分配阀等组成。其中,进浆箱、槽体通过不同形式的隔板形成三段区域,而分段洗涤过渡系统则是起到对一段至二段、二段至三段间的浆料输送过程中的稀释和均匀混合作用。

1.2.2设备工作原理

多段式多圆盘洗浆机在工作原理上,过滤脱水过程与无水腿真空多圆盘浓缩机区别在于前者全程过滤脱水都是利用重力脱水,与重力多圆盘浓缩机的过滤脱水工作原理相同。而在浆料的剥离方式上,多段式多圆盘洗浆机与无水腿真空多圆盘浓缩机则完全不同,它保留了原有设备的剥浆方式,即采用高压水枪剥离浆料。

1.2.3设备工艺流程

多段式多圆盘洗浆机的段数是根据工艺要求设定的,并且为了保证每段过滤洗涤的效果,要求每段过滤洗涤的进浆浓度都须保持在0.8%～1.2%范围内。多段式多圆盘洗浆机的工作流程是：工艺流程上道工序的浆料经处理得到浓度0.8%～1.2%的浆料后进入一段洗涤,一段过滤洗涤后的浆料进行稀释，搅拌均匀后进入二段洗涤；同样的操作过程进入第N段洗涤。为了保证每段洗涤的进浆浓度，需在每段进浆箱处安装在线浓度检测仪,每段洗涤间浆料的输送是通过浆泵来完成的。多段式多圆盘洗浆机的工作流程如图4所示。

2　关键技术

无水腿真空多圆盘过滤设备主要有两个关键技术,分别是无水腿负压浓缩过滤正压剥浆和多段洗涤。

图4　多段式多圆盘洗浆机的工作流程

图5　无水腿真空多圆盘过滤设备的真空系统

图6　真空发生装置结构示意图

2.1无水腿负压浓缩过滤正压剥浆技术

无水腿真空多圆盘过滤设备的分配阀根据功能的不同将真空系统分为负压过滤浓缩脱水区和正压浆料剥离区。负压区的负压是由负压发生装置形成的。正压区的正压则是由离心通引风机抽取的空气注入形成的。图5是无水腿真空多圆盘过滤设备的真空系统示意图。

2.1.1负压发生装置

真空系统中的负压发生装置，即真空发生装置，主要有负压罐、抽浆泵、水封池、引水管、分配阀、圆盘轴以及设备槽体等组成,其结构简易示意图如图6所示。

2.1.2负压发生的工作原理

泵启动前(图6(a)),往注水管A注水后,将A封闭。负压罐内水位处于其截面1-1处,不注水空间构成一个气体系统,压力为P1(P1为1个标准大气压,即0.1013 MPa),体积为V1,其中该系统气体体积V1包括负压罐内不贮水空间Vab及引水管内不贮水空间Vg。而此时,水封池内液位处于3-3截面处,其上方的不贮水空间同样构成一个气体系统,压力为P2(P2同样为1个标准大气压,即0.1013 MPa),体积为V2,其中该系统气体体积V2包括水封池内不贮水空间V2-3及水封池2-2截面处上方至设备槽体间不贮水空间Vj。

当泵启动后,负压罐内液面下降至1′-1′,不贮水空间体积增至V1′,罐内压力为P1′,此时,负压罐内的这一物理变化在温度T不变的情况下符合气体状态方程式：

P1·V1=P1′·V1′

(1)

假设,负压罐内不贮水空间体积增加变化量为ΔV1,则有：

V1′=V1+ΔV1

(2)

将式(2)代入式(1)中,则有：

(3)

因此,泵启动后负压罐内水位下降至于截面1′-1′处时，不贮水气体系统压力P1′为负压。水封池内液位由原来的截面3-3处降至截面3′-3′处,水封池内上方不贮水空间体积增至V2′,上方压力为P2′,此时,水封池内的这一物理变化在温度T不变的情况下同样符合气体状态方程式：

P2·V2=P2′·V2′

(4)

假设,水封池内不贮水空间体积增加变化量为ΔV2,则有：

V2′=V2+ΔV2

(5)

将式(5)代入式(4)中,则有：

(6)

因此,泵启动后水封池内水位下降至截面3′-3′处时，不贮水气体系统压力P2′为负压。

由此可知,整个负压发生装置可看作一个二级负压发生装置。

2.1.3真空度的确定

水封池内气体系统的工作压力P2′可以根据工艺要求选取,而负压罐内气体系统的工作压力P1′则是根据流动液体的能量守恒方程——伯努利方程式计算而得。伯努利方程式如式(7)所示。

(7)

式中：ρ为输送液体密度(kg/m3)；g为重力加速度(9.81 m/s2)；v1为水封池液面下降速度(m/s)；v2为负压罐液面下降速度(m/s)；h为液体输送高度(m)；hw为液体输送过程中的能量损失(m)。

由于水封池液面下降的速度v1远小于v2,故v1可近似为0,且液体输送高度h为(H1-H2),因此式(7)可简化为：

(8)

所以负压罐所需的真空度Pz为

(9)

2.1.4负压稳定性控制

负压罐及水封池的设计依据是ΔV1和ΔV2,即将式(3)和式(6)代入式(9)分别计算可得。根据计算所得的ΔV1和ΔV2数据,确定负压罐及水封池相应的液面控制截面1′-1′和3′-3′位置,通过液位传感器实时监测负压罐及水封池内液面变化情况,通过调节负压罐内截面1′-1′的位置，即调节负压罐内的负压值以保证水封池内截面3′-3′的位置在误差可控范围内。

2.1.5正压剥浆技术

正压剥浆技术是借助于离心通引风机工作过程中的吸气及呼气的原理实现的。离心通引风机吸气口与过渡水箱上方相连接,可与负压发生装置共同用于调节设备脱水所需的真空度,而将其呼气口与分配阀正压区相连接,则离心通引风机从过渡水箱吸取的空气可用于过滤洗涤后浆料的剥离。现场设备工作图如图7所示。

图7　现场设备工作图

2.2多段洗涤

多段洗涤主要是针对多段式多圆盘洗浆机提出的,要实现这一功能需要解决分段洗涤后浆料的稀释和均匀混合的问题,此外还有分段洗涤时洗涤液位的控制。

2.2.1分段过滤洗涤后的浆料稀释

多段式多圆盘洗浆机对浆料分段过滤洗涤后，浆料的稀释主要通过加水稀释达到下一段过滤洗涤所需的进浆浓度要求。这虽然是该设备的关键技术，但较容易实现。主要是在每段过滤洗涤后的浆料剥离处直接加水，以及在之后的均匀混合中加水稀释至下一段洗涤的浆料进浆浓度(0.8%～1.2%)。

2.2.2分段过滤洗涤后浆料稀释过程中的均匀混合

分段过滤洗涤后浆料的稀释并不能得到均匀混合的浆料,因此需要增加均匀混合的装置使下一段进浆的浆料混合均匀,匀浆装置结构原理图如图8所示。

图8　匀浆装置结构原理图

从图8可看到,进浆箱中浆料入口位于匀浆盘中的中心位置,而浆料出口位于匀浆盘中的偏心位置。浆料在进入匀浆盘后由于出口位置偏心,浆料撞击匀浆盘顶部得到第一次匀浆。清水沿匀浆盘切线位置进入,对浆料稀释的同时,更使匀浆盘中的浆料因为清水注入产生切向速度的带动得到第二次匀浆。

3　设备优势分析及应用实践

3.1优势特点分析

无水腿真空多圆盘过滤设备相比于其他纸浆过滤浓缩和洗涤设备具有以下几点优势：

(1)无水腿真空系统无水腿真空多圆盘过滤设备采用负压发生装置产生负压的方式使滤盘内外产生一定的压差用于纸浆的脱水,避免了因为“水腿管”而产生的设备基础的特殊要求。

(2)正压剥浆通过对离心通引风机抽取空气的回收,用于滤盘上浆料的剥离,对于无水腿真空多圆盘浓缩机则是减少了高压水的使用。

(3)多段洗涤由于多段式多圆盘洗浆机是通过多次滤水把纸浆中的杂质清洗干净,因此相较其他过滤洗涤设备能达到更好的洗涤效果。

总之，无水腿真空多圆盘过滤设备主要有设备基础要求低、环保(用水少)、一机复用(高洗涤性能)等特点。因此,该类设备在基础建设费用、环保用水费用以及设备购置(用于多段洗涤的相关设备)费用明显大幅降低,使纸厂在选购该类设备有了更经济的选择。

3.2应用实践及效果

目前,由本公司研发的ZNP3612A多段式多圆盘洗浆机已在福建聚辉纸业有限公司正式投产使用,是该纸厂35 t/d新型脱墨浆生产工艺流程上的洗涤设备之一,用于浮选脱墨后浆料的过滤洗涤。

35 t/d新型脱墨浆生产工艺流程为：皮带输送机→水力碎浆机→双圆网压浆机→成熟塔→圆筒筛→高浓除渣器→杂质分离机→压力缝筛→圆形脱墨浮选槽→多段式多圆盘洗浆机→灭菌塔→圆网浓缩机→三段低浓除渣系统→网前筛→3500 mm卫生纸机。

作为浮选槽后浆料的过滤洗涤设备,最初的多段式多圆盘洗浆机的脱水采用真空脱水的原理实现,后来在试机过程中发现,采用真空(真空度为0.03 MPa)脱水后的浆浓太高(10%～12%)不利于浆料的洗涤以及多段洗涤过程中的稀释和混合,经多次改造后,现在采用重力脱水实现了工艺浓度的要求,浆料白度经过多段洗涤后得到明显提高。表1是ZNP3612A设备现场运行的主要参数。

表1　ZNP3612A多段式多圆盘洗浆机主要技术参数

4　结　语

无水腿真空多圆盘过滤设备其创新的二级负压发生装置和离心通引风机产生正压的真空系统，解决了该类设备长期以来因“水腿管”高度要求存在的设备基础要求高的问题；而浓缩后浆料剥离方式则完全有别于高压水枪剥离浆料的方式,减少了高压水的使用,保证了浆料浓缩后的浓度,提高了设备整体的工艺性能；特有的多段洗涤功能使该类设备的洗涤能力强于其他单段洗涤的设备,实现了一机复用的功能。

[1]华南工学院, 天津轻工业学院. 制浆造纸机械与设备[M]. 北京： 中国轻工业出版社, 1993.

[2]梁实梅, 张静娴, 张松寿. 制浆技术问答[M]. 2版. 北京： 中国轻工业出版社, 2004.

(责任编辑：常青)

A Multi-disc Vacuum Filter without Water Leg

SU HUI-yang1,2

(1.FujianLightIndustrialMachineryEquipmentCo.,Ltd.,Fuzhou,FujianProvince, 350100;2.Quanzhou-HUSTIntelligentManufacturingInstitute,Quanzhou,FujianProvince, 362000)

Basic structure, working principle and technology of a multi-disc vacuum filter without water leg were introduced; the key technologies, included the vacuum system without water leg, the washed pulp peeling off by blowing of centrifugal fan and multi-disc washing were discussed; then the characteristics and advantages of the equipment were analyzed; finally its practical application was also briefly introduced.

vacuum filter; without water leg; multistage type; stripping pulp by positive pressure

苏惠阳先生,硕士,工程师；主要从事制浆造纸设备、智能化制造设备的研发设计工作。

2016- 01-13(修改稿)

TS733+.4

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.05.012

(E-mail: suhuiyang2013@163.com )