板框隔膜式过滤机在灰水处理中的应用

李伟硕

华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

在世界能源储量中，煤炭约占79%，石油与天然气约占12%[1]。世界能源储量的特点决定了世界能源利用的主题在很长一段时间内是煤炭，煤炭技术的研究和开发是能源战略的重要内容之一。煤气化技术是煤炭清洁转化的核心技术之一，是发展煤基化学品(氨、甲醇、乙二醇等)、煤基液体燃料、先进的IGCC发电、多联产系统、制氢、燃料电池等过程工业的基础[2]。

目前主流的煤气化技术以气流床煤气化为主。气流床技术根据进料条件的不同分为两类：水煤浆气化和干粉气化，其中水煤浆气化工艺是国内合成氨、甲醇、乙二醇等化学产品的主要技术之一。水煤浆气化一般分为三个装置，分别是煤浆制备、气化和灰水处理。煤浆制备装置的目的是制备合格的煤浆，为气化装置做好准备；气化装置的目的是发生加压部分氧化反应，产生粗煤气；出气化装置的灰水中含有一定的细灰，因此需要灰水处理装置对灰水进行进一步处理。

灰水处理装置作为气化装置的后续装置，其作用包括：将气化装置的灰水进一步处理，同时回收灰水所含的热量。来自气化装置的灰水经过减压，送入澄清槽自然沉降，澄清槽底部的灰水含固量高(通常10%以上)。通过泵送入过滤机中进行固液分离，其中固体滤饼通过汽车或皮带送至界外，液体滤液自流至滤液槽，经滤液泵输送返回至澄清槽中。该流程实现了水的重复利用，起到了节约能源、保护环境等作用。

在灰水处理装置中，实现固液分离功能的最常用的方法是真空带式过滤机[3]。从多个化工厂了解，真空带式过滤机在实际应用中，滤饼的含水率能达到50%甚至更低，但随着运行周期变长，滤饼的含水率会逐渐升高。而随着环保越来越严格，滤饼的含水量变大，无法满足排放要求。因此，不少化工厂将重点放在板框隔膜式过滤机上。真空带式过滤机和板框隔膜式过滤机对比见表1。

表1 真空带式过滤机和板框隔膜式过滤机对比

1 板框隔膜式过滤机

1.1 设备概述

本文介绍的板框隔膜式过滤机为全自动隔膜过滤机，是一种间歇性的加压过滤设备，依靠压紧装置将滤板压紧，再将物料用过滤机给料泵压入滤室，通过滤布对固相截留来实现将固体颗粒和液体物料分离的目的。

1.2 工作原理

板框隔膜式过滤机由交替排列的滤板和滤框构成一组滤室。由过滤机进料泵将介质压入滤室中，在滤布中形成滤饼，直至充满滤室。滤液会通过滤布沿滤板沟槽流出。滤液通过板框两侧的排出水孔直接排出机外的为明流式；若滤液通过板框和后顶板的暗流孔排出的形式称为暗流。压滤过程完毕，打开压榨水，压榨水进入隔膜滤板，挤压滤饼，降低水分。过滤结束后通过拉板电机将滤板拉开，滤饼从滤板上掉下，过滤结束。

1.3 设备组成

板框隔膜式过滤机包括机架部分、过滤部分、自动拉板部分、液压部分等。

1.3.1 机架部分

机架部分主要由压紧板、止推板、油缸座、主梁以及止推板支腿、油缸座支腿等组成。

(1)压紧板、止推板、油缸座以及止推板支腿、油缸座支腿均采用碳钢。

(2)主梁设计为复合结构梁，材质为碳钢板。

1.3.2 过滤部分

滤板是过滤机的核心部件，主要由滤板、水嘴、手柄等组成，最高可承受过滤压力1.2 MPa(G)。

(1)厢式滤板在设计加工方面，通过合理的滤点排布、过滤面支撑点排布、流道设计、排液孔开孔角度等综合性设计，使滤板过滤过程中，进水流速快，对滤板的冲击小，滤料分布均匀。

(2)高压隔膜滤板的制造分为主体与膜片，膜片在隔膜滤板中起到至关紧要的作用，直接关系到隔膜板的使用寿命，通常采用聚丙烯，经特殊工艺加工制作而成，鼓膜试验压力最高可达4.0 MPa(G)。

1.3.3 自动拉板部分

自动拉板系统主要由变频电机、拉板器、链轮、链条、链槽、防护罩等组成，它的主要作用就是当过滤完成以后逐块拉开滤板，实现自动卸除滤饼。

1.3.4 液压部分

液压系统主要由液压站、液压缸、各种压力表、阀件等构成。液压站采用开式结构，整个过程均在无尘恒温车间装配完成。液压系统为集成块式设计，配合电气控制系统顺序完成油缸的自动压紧、自动保压、自动补压、自动松开、前进后退到位自停等基本动作。

2 板框隔膜式过滤机在灰水处理装置的流程描述

板框隔膜式过滤机的工作流程在整个固液分离装置中通常有五步：物料过滤，滤饼的压榨，过滤机反吹，卸料，以及滤布的清洗。

2.1 物料过滤

来自澄清槽的灰水进入过滤机缓冲槽，过滤机缓冲槽设有搅拌器，防止固体沉降，保证灰水均相。同时缓冲槽设置溢流口及排污口。过滤机运行时，打开过滤机进料阀同时启动过滤机给料泵，将灰水打入板框隔膜式过滤机，进入过滤程序，过滤过程中，过滤机给料压力逐渐升高，当压力上升到0.6～0.7 MPa(G)，明流水嘴无液体再排出时，说明过滤机已经装满，则停止进料，进入压榨程序。此时的滤饼在滤框中，含水量约在60%，滤液通常会采用明流集合的方式，通过观察明液的透明度，可以判断过滤机是否正常工作，若滤液变黑，则说明滤布有破损，需要及时进行停车处理，更换滤布。滤液通常会排入到集液槽中，依靠重力作用最终自流至滤液槽中。进料时，过滤机的程控阀保持开启状态，直至进料结束，进料程控阀关闭。

2.2 滤饼的压榨

过滤过程完毕后，打开压榨入水阀及启动过滤机压榨泵，将储水罐中清水打入过滤机隔膜板储水腔，随着水量的增加，隔膜板储水腔压力逐渐升高，并鼓膜，挤压滤饼，降低水分。当压力升高到1.2 MPa(G)时，保压。压榨时间约10 min左右,确保滤饼水分有效降低。此时滤饼的含水量可降至50%及以下。压榨时，压榨水入口程控阀门开启;压榨结束，入口程控阀门关闭，出口程控阀门打开，隔膜滤板的压榨水依靠余压和重力作用返回压榨水箱，完成整个循环。

2.3 过滤机反吹

压榨完毕后，在卸饼之前，通常需要进行反吹。反吹的目的是希望通过压缩空气将过滤机给料泵未能经压榨降低水分的灰水吹回缓冲槽，保证在卸饼时，这一部分稀料不掺入滤饼当中。启动反吹阀，压缩空气经过储罐，进入过滤机，进行反吹。压缩空气的压力通常为0.8 MPa(G)，反吹时间一般不超过5 min。反吹开始时，过滤机出料程控阀开启，反吹压缩气进口程控阀打开，反吹结束后，两程控阀门关闭。

2.4 卸料

当反吹完毕后，启动过滤机卸饼程序，拉板系统启动，打开翻板，松开压紧油缸，启动皮带机，拉板小车进行卸料，拉板可以采用1拖1式、一拖2式、一拖3式以及1拖4式，拉板电机为变频电机，因此可以有效控制拉板速度和力度。当滤板打开后，滤饼自动掉入储泥斗中，储泥斗设置液压翻板阀，等滤饼到一定料位，翻板阀打开，通过汽车送出界外。

2.5 滤布的清洗

过滤机在使用一段时间后，滤布表面会磨损，逐渐粗糙，挂渣现象会逐渐严重。结合现场使用情况，一般几天或一周需要对滤布进行清洗，减轻挂渣现象。由于洗布是间歇操作，可采用自动冲洗和人工冲洗。人工冲洗通常采用公用工程的加压原水，通过软管，直接冲洗。自动冲洗采用双链条驱动装置，配合一拖四式拉板方式，每移动一次，冲洗4块滤板。自动冲洗具有滤布冲洗彻底，不留死角，用水量小，冲洗速度快，保证滤布的过滤效果和含水率的稳定的特点。

过滤系统工艺流程图见图1。

图1 板框隔膜式过滤机在灰水处理中的流程图

3 板框隔膜式过滤机过滤面积的计算

选取板框隔膜式过滤机，首先要计算过滤面积，过滤面积直接决定过滤机的尺寸，对过滤机的价格有直接影响。合适的过滤面积，既可以有效的实现固液分离，又可以节约成本。下面以内蒙某化工厂选取板框隔膜式过滤机举例，计算过滤面积。

内蒙某化工厂新厂需要增加三台过滤机，以满足全厂工艺要求。板框隔膜式过滤机两开一备，需要同时处理一期和二期的全部灰水，因此单台过滤机处理量为一期和二期总量的一半。

(1)进料量。见表2。

(2)粒度分布情况。见表3。

表3 进料粒度与固含量关系

(3)水中含有少量NH3、H2S、Cl-、Fe2+，PH值约6～8。

(4)灰水进料最高操作温度为90℃。

(5)细渣中残碳含量为25～50%，其它为细灰。

(6)细渣的真实密度按2400 kg/m3设计。滤饼的含水量和滤饼比重见表4。

表4 滤饼比重表

要求如下：① 滤液中固体含量应小于80 mg/l，最大不超过200 mg/l，过滤后的细渣含水量应小于50%(wt);② 设计能力应能满足正常工况50%～110%和最大流量工况/最大浓度工况的100%。

根据上述数据和要求分析，首先要满足滤液中含固量的要求，只要滤布足够细，便可以满足要求。其次关于工况的选取，通过计算可知，以上三种工况中，工况2流量最大为113532.3 kg/h；含固量最大为13623.9 kg/h，因此工况2为最为苛刻的。采用工况2的数据，计算过滤面积。

3.1 采用过滤方程计算

过滤的操作方式通常有两种，恒压过滤和恒速过滤。

恒压过滤方程为：

V2+2VeV=K42t

(1)

式中，V为t时间内得到的过滤体积；Ve为过滤介质的当量滤液体积；K为过滤常数；A为过滤面积；t为得到滤液量V所需的过滤时间。

恒速过滤方程为：

V2+VVe=KA2t/2

(2)

恒压过滤方程或者恒速过滤方程，都与过滤面积相关。但对于过滤机给料泵送入过滤机这个过程来讲，既非恒速过滤也非恒压过滤过程。开始时，滤室中无液体，阻力小，物料可以迅速充满过滤机，但随着物料将滤室充满，过滤也在同步进行，阻力增大，流速减小，滤室中的压力随之升高，因此这一复杂过程不能简化成为一个单一方程进行计算，其次，若解两方程，还必须知道过滤常数，但对于过滤常数，供货商或者专利商都很难给出一个准确的数值，因此无法通过过滤方程计算过滤面积。

3.2 采用体积法计算

灰水进入过滤机中，滤液通过滤布流出，而细渣被截留至滤框中，形成滤饼，此时滤饼被两侧滤布包住，可以理解滤饼的体积与过滤机体积有一定的关系。

与供货商进行沟通确认过滤及压榨时间为t1=20 min，过滤机的辅助工作时间为t2=10 min；故板框隔膜式过滤机的工作循环时间预估为t=30 min。因此单台过滤每小时可以处理n=2次，滤室的利用率z选用0.65，选用工况2进行计算：

工况2的总干基量(板框隔膜式过滤机2+1)：

m2=13.62 t/h

单台板框隔膜式过滤机单次干基处理量m4：

m4=m2/2/n=13.62/2/2=3.40 t

过滤完滤饼的含水量为50%，滤饼的质量m5：

m5=m4/0.5=3.40 t/0.5=6.80 t

单台板框隔膜式过滤机滤室容积V：

V=m5/z/ρ=6.80 t/h÷0.65÷1.41≈7.42m3

当滤室深度选用d=40mm，由于滤室两侧为滤布,因此过滤面积为：

A=2×V/d=7.42 m3÷0.04 m×2=371 m2

根据板框隔膜式过滤机选型表，选用400 m2的过滤机即可满足要求。最终板框隔膜式过滤机面积选型见表5。

表5 板框隔膜式过滤机面积选型表

4 结语

(1)与灰水处理装置中常用的真空带式过滤机相比，板框隔膜式过滤机的滤饼的干度要远好于真空带式过滤机，真空带式过滤机理想最大压差为0.1 MPa。而板框隔膜式过滤机不仅可以通过过滤机给料泵进料压滤，还可以通过隔膜滤板对滤饼进一步压缩，以实现滤饼含水量可观性地降低。另外，由于环评日益严格、后期滤饼处理困难等影响，越来越多的化工厂逐渐考虑采用板框隔膜式过滤机来处理灰水。因此，板框隔膜式过滤机在灰水处理装置中具有广阔的市场前景。

(2)在板框隔膜式过滤机过滤面积的计算中，可以明确地发现，影响板框隔膜式过滤机过滤面积的两大因素分别为干基量和循环时间。因此在工艺上缩短循环时间，能够有效的降低压滤机过滤面积。

(3)在灰水处理装置中，选用板框隔膜式压滤机最主要的优点是能够显著降低滤饼的含水量，满足日益严格的环保要求。同时板框隔膜式过滤机存在缺点:第一对滤饼的粘度有一定的要求，在灰水处理装置中，滤饼的粘度不大，滤饼较易分离；对于粘度较大的滤饼，极易沾到滤布上，导致无法自动分离，需要人工处理；第二，相对于真空带式过滤机来说，板框隔膜式过滤机的成本会偏高一些；第三板框隔膜式过滤机在灰水处理装置中实例运用较少，实践经验不多。因此灰水处理装置在选取过滤机上，要综合考虑成本、物料特性、技术要求等多个方面，选取一个最佳的方案。