大长径比卧螺离心机在工业化运行中存在的问题

2021-02-10张东，范佳

设备管理与维修 2021年24期

张东，范佳

（神华鄂尔多斯煤制油分公司煤气化生产中心，内蒙古鄂尔多斯 017209）

1 卧螺离心机

LW760×3120NS 型卧螺离心机是中国神华鄂尔多斯煤制油分公司35 万吨/年煤液化残渣萃取工业化示范装置建设及运行项目关键设备之一，用于油渣萃取液分离。针对油渣萃取液温度高、黏度大、含有高比例磨蚀性颗粒等特点，参考神华煤制油上海研究院中试离心机装置的运行数据，特别设计了该套大长径比的LW760×3120NS 型卧螺离心机。

LW760×3120NS 型号的意义：LW 代表卧式螺旋离心机，转鼓直径760 mm，转鼓工作长度3120 mm，长径比4.1，NS 代表双电机结构。物料温度120 ℃，萃取液含固质量分数12.2%，单台处理量23.2 t/h，液相含固质量分数≤4.3%，干相出料含液质量分数≤35%，主电机功率132 kW，辅电机功率55 kW。

2 离心机结构

2.1 主要部件

LW760×3120NS 卧螺离心机为大头进料离心机，整套机器由罩壳、转鼓、螺旋、轴承座、机架、主辅电机、差速器、进料管、减振器等部件组成（图1）。从差速器端方向看，离心机为逆时针方向转动；清液出口位于转鼓大头下方，固相出口位于转鼓小头下方。离心机的核心部件转鼓和螺旋筒身采用2205 双相不锈钢制造，均由离心浇铸完成，转鼓直径760 mm，转鼓出渣口喷涂碳化钨耐磨合金涂层，有效防止固相出口磨损。螺旋叶片由机械一次性压制成型，叶片边缘镶嵌可更换碳化钨合金耐磨块，确保螺旋长时间高速旋转的推料效果。离心机主轴承座为循环水冷轴承座结构，为确保轴承座承受高转速带来的动载荷。差速器采用渐开线行星齿轮传动差速器，该差速器具有承载能力高、直径小、传动效率高、差速比范围大等优点，适合较大功率和较大扭矩的离心机。

图1 离心机结构

2.2 工作原理

来自煤液化的油渣经洗油按照一定比例混合后，形成悬浮液经进料管、螺旋出料口进入转鼓内侧。在转鼓的高速旋转下产生离心力场形成固液分离，比重较大的固相颗粒沉积在转鼓内壁上，与转鼓作相对运动的螺旋叶片，不断地将沉积在转鼓内壁上的固相颗粒刮下并推出排渣口。分离后的清液或悬浮物经分离叶片进一步澄清，由转鼓溢流孔、液相收集罩壳排出。螺旋与转鼓之间的相对运动靠差速器来实现，差速器的外壳与转鼓相连，输出轴与螺旋相接。主电机带动转鼓旋转的同时也带动差速器外壳旋转，差速器由多级行星轮组成，输入轴由辅电机控制，辅电机驱动行星轮带动输出轴旋转，并按一定的速比将扭矩传递给螺旋，使螺旋与转鼓之间发生相对运动，进而实现离心机对物料的连续分离过程。

3 主要参数选择

根据萃取液的物料特性、分离后液相与固相的含固要求及处理能力等因素，选择合适的处理量、离心力场所需的转速、清液的排出量、转鼓与螺旋的差转速等至关重要。

3.1 离心力场

离心机的离心力场靠转鼓的转速形成，随着转鼓转速的升高，分离因素上升，固液分离效果提高。为增加处理能力，需要不断提高差转速，使分离后的物料进快脱离机器，同时不可避免地会出现电流、振动、噪声等，并且不是转速越高越好，需要根据物料特性选择，分离太干易发生堵料、死机等风险。此机型转鼓最大转速为2200 r/min，根据实验数据工作转速建议选用在1400～2000 r/min。

3.2 处理量

进料流量小，料液在转鼓内的轴向流速小，物料在机器内停留时间长，分离效果提高；进料流量大，轴向流速也大，物料在机器内停留时间短，分离效果下降；进料流量还受到螺旋排渣能力的限制。当物料含固量较高，进料量过大时，会造成分离后的沉渣因不能及时排出而引起转鼓堵料，影响分离，极端状态甚至不能分离，造成机器堵料故障。因此在使用本机器时，应按物料的特性选择适当的进料量，一般可在各种流量和浓度下进行分离效果比较，确定最佳的进料流量。

3.3 清液排放口

清液排放口在转鼓大端，设有对称的6～8 个口，每个口都有溢流板调节清液排放口的大小，根据清液的含固量调整。溢流板能改变转鼓沉降区和干燥区的有效长度，溢流板直径大，排放口则小，沉降区增大，干燥区减少，转鼓的液池深度增加，分离后液相中含固量降低，但固相沉渣的含湿量增加，反之相反。在实际使用时应根据分离要求综合考虑，经操作试验后选用合适的溢流板直径。

3.4 转鼓与螺旋的差转速

离心机差转速是转鼓与螺旋的相对运动速度：差转速小，螺旋相对转鼓的运动速度慢，螺旋对流体扰动小，分离效果变好，固相沉渣在干燥区的停留时间长，固相含湿量减少，但固相排渣能力下降负荷低易产生堵料；反之差转速大，螺旋对流体扰动加大，螺旋相对转鼓速度快，分离效果变差，固相沉渣在转鼓中停留时间减少，固相沉渣的含湿量会增大，但固相排渣能力增加，负荷高。差转速一般是根据物料含固量多少、物料特性、分离要求、处理能力等因素确定。差转速的调整可通过变频器实现，用在油渣萃取的此型离心机差转速的范围在35～40 r/min。

3.5 物料特性

物料特性与离心机的分离因素有很大关系：物料中固相粒子越大，则越易分离，反之相反；液固两相的重度差越大，则分离越容易，悬浮液的黏度越小则越易分离，反之则难分离。为了提高分离效果可适当提高物料进料温度或采用絮凝方法，提高温度可以降低黏度以改善分离条件，增加絮凝剂可加快自由沉降速度，以达到预先处理的目的。

4 实际运行过程中存在的问题及解决办法

4.1 离心机进料管与螺旋间泄漏

（1）原因分析。进料管与螺旋轴套间有约1 cm 的间隙没有设置密封隔断，导致螺旋内120 ℃的热萃取液大量外泄，引起环境污染，危及人员和设备安全。

（2）材料选择。聚四氟乙烯（PTFE）在-196～260 ℃的较广温度范围内均能保持优良的力学性能，全氟碳高分子的特点之一是在低温不变脆，完全能适应北方寒冷气候及介质的高温特点；它的自润滑性又能保证即使与螺旋有摩擦也不会损坏设备；它的表面不粘性及抗酸抗碱性、抗各种有机溶剂的特点，完全可以避免黏稠的沥青及洗油粘接和腐蚀；其独特的耐大气老化性，即使长期暴露于大气中，表面性能仍保持不变。同时，PTFE 具有良好的热膨胀系数。

（3）密封结构设计。进料管与螺旋轴套内径间有约1 cm 间隙，进料管与螺旋轴套外端面间约有2 cm 间隙，考虑到现场实际间隙及物料特性，在进料管与螺旋轴套之间增加1 个迷宫密封套，但需要保证迷宫套有稳定气体保护，利用氮气保护形成稳定气膜阻挡内部气体外泄（图2）。因间隙有限，在制作迷宫密封套时将气体注入口对称设置在迷宫密封凸台上，并向内延伸至进料管外壁，然后在迷宫密封套内侧挖出深1.5 mm、宽5 mm、长66 mm 的条形浅槽后，再沿轴向抠出宽5 mm、深1.5 mm 的环形槽，均布4～6 个直径为4 mm 的孔；气体通过环形槽孔进入迷宫密封套与螺旋轴套之间；迷宫密封套外侧的迷宫槽设计有一定的旋向及台高差，使凸台高度由外向内逐级递减，这样气体从中间的环形槽出来后，绝大多数延旋向进入到螺旋内，一小部分气体存在于靠外侧迷宫槽内，因迷宫槽的凸台是逐级递减的，所以向外的气体会逐级减压至几乎压力为零。整个迷宫密封套总长设计为120～140 mm，因迷宫密封单边最薄处只有5.75 mm，所以太长易造成安装损坏，太短会使气流行程不足，影响密封效果。

图2 迷宫密封套

（4）安装要求。设计时考虑到四氟乙烯的可塑性及自润滑性，密封套与进料管采用过盈配合以增加摩擦力，防止运行过程中因机器振动导致松动；迷宫密封套与进料管安装时，需要将其放入开水中浸泡20～30 min，待其热胀后快速套在进料管指定位置，等彻底冷却后再回装至机器上。进料管采用悬臂式固定，进料管长1500 mm，迷宫密封套与螺旋轴套最小间隙1 mm、最大2.5 mm，对同心度要求极高，安装时既要保证同心，还要考虑迷宫密封套与螺旋轴套内圈间隙均匀，防止机器振动时损坏迷宫密封套。

4.2 离心机转鼓与罩壳前后端密封面漏油气

（1）原因分析。神华鄂尔多斯煤制油油渣萃取项目的核心设备LW760×3120NS 型卧螺离心机，在正压3 kPa 环境下运行，因转鼓与罩壳之间密封间隙大，往外泄漏高温油气：原转鼓与罩壳之间设置了2 道轴向剖分式迷宫槽，槽深5 mm，迷宫槽与轴之间存在2 mm 间隙，密封氮气沿罩壳顶部进气；当投用密封氮气后，迷宫槽浅、间隙大，导致大量的气体沿上部迷宫槽与轴的间隙逃逸，下部迷宫槽几乎没有气体通过，不能形成密闭气环或气膜，无法达到密封的效果。借助转鼓与罩壳间的现有空间布局，设计合适的密封装置，能有效阻隔高温油气外泄，依据洗油及油渣的特性、温度、设备振动及材料等因素，材料选择和密封结构设计的工作尤为重要。

（2）材料选择。主介质是洗油，需选用一种即耐高温、耐油，又有力学性能的材料。考虑当设备操作不当时，堵料会使振动增加等特点，用聚四氟乙烯即耐高温、耐油又有一定的力学性能，可以满足需要。

（3）迷宫密封设计。罩壳由上下两部分组成，为方便维修及安装，密封形式选用轴向剖分式较为合适（图3）。采用剖分式迷宫密封环，首先根据轴径尺寸确定内径，配合间隙控制在0.1 mm之内。因轴上设有2 道挡环，挡环高10 mm、宽3 mm、挡环间距10 mm，所以迷宫槽深设置12 mm、槽宽8 mm、槽台厚5 mm、槽间距至少13 mm，且轴受热后会延伸8～10 mm。迷宫密封外径的尺寸受上下罩壳的限位槽限制固定不变，上下两半迷宫密封槽衔接部位设置诱导柱销，避免安装时错位。

图3 迷宫密封环

（4）气道设计。考虑到罩壳内部压力及迷宫槽与轴之间的配合，由外到内设置3道迷宫密封槽：密封氮气进气口设置侧面错位进气，在上下两半迷宫密封的端面各设置1 道进气口，上部进气口深入到一级迷宫槽内，使一级迷宫槽形成气环或气膜；下部进气口直接深入到二级迷宫槽内，使气体在径向沿迷宫槽形成气环或气膜；两级气膜如果有一级受到破坏，另一级及时补充，使内部的油气封闭在罩壳内随介质一起排出；在三级迷宫槽的槽底部设有排气孔且侧面设有两道轴向迷宫槽，侧面的轴向迷宫槽与转鼓挡液板相贴合，二级的密封气穿过轴向密封槽与转鼓挡液板形成一定的气膜；密封氮气沿排气孔源源不断流向罩壳内，形成稳定的动态气膜或气环。

（5）安装要求。设计好密封形式并制作样件现场调试：在迷宫密封环上涂抹红丹，将转子落在轴承座上把紧，盘车后吊起转子检查贴合度，如果有高点则手工研磨，研磨后再次进行盘车检查贴合度，直到完全贴合；通过塞尺、压铅丝或压医用胶带等手段，将间隙控制在0.1～0.2 mm。

4.3 避免离心机堵料的措施

离心机原设计值：原液含固质量分数10%～12%，温度110～120 ℃。离心机分离效果目标是：液相含固质量分数＜4.3%，固相含固质量分数＞65%。特定物料通过连续运行调试的运行数据见表1。

表1 离心机运行数据

（1）辅电机正接。差转速计算式：（主-辅）×0.8。阀位24%，转鼓28 Hz，螺旋8 Hz，差速16 r/min，运行102 min 堵料，停止进料，高温油冲洗后正常备用。

（2）辅电机反接。差转速计算式：（主+辅）×0.8。阀位24%，转鼓20～27 Hz，螺旋8 Hz，差速22.4～28 r/min，运行31 h 未堵料，分离效果不明显。

（3）辅电机反接，阀位24%不变。转鼓28～31 Hz，螺旋10～13 Hz，差速29.6～35.2 r/min，运行24 h 未堵料，原液含固质量分数11.65%～10.84%，清液含固质量分数4.53%～5.7%，逐渐有分离效果。

（4）辅电机反接，转鼓31 Hz，螺旋13 Hz，差速35.2 r/min不变。阀位由24%逐渐开至40%，已经满负荷运行，连续运行36 h，原液含固质量分数10.5%左右，清液含固质量分数4.54%～4.16%，基本达到分离效果。

通过数据对比分析，在原设定的差速范围内无法实现固液的有效分离。在离心场形成的情况下，如果差转速偏小、螺旋推动速度滞后，就会导致后续的沉积物料增多，引起螺旋电流的快速上升，同时机组的振动也在升高、出现堵料迹象。采取的有效办法是增加差速，通过辅电机调相使电机反向输出。依据（主+辅）×0.8 设计计算式，通过差速器实现螺旋增速，在离心场形成的情况下，靠螺旋的快速推动不断推出分离的物料，实现连续稳定生产的目的。