大宗固废硅铝高效分离和过滤设备的技术创新

周志诚

（湖州核华环保科技有限公司，浙江 湖州 313000）

1 引言

受地域资源禀赋和经济发展水平影响，我国的山西、内蒙古、陕西等地区在工业经济发展的过程中，产生各种的大宗工业固体废物（简称“大宗固废”），包括尾矿、煤矸石、粉煤灰、冶炼渣、工业副石膏、赤泥和电石渣等。这些大宗固废，对环境影响很大，堆存成本高，利用率低，同时存在安全隐患，其中粉煤灰最为突出。大宗固废的综合利用是节能环保战略性新兴产业的重要组成部分，是解决大宗固废不当处置与堆存所带来的环境污染和安全隐患的治本之策，是当前实现工业转型升级的重要举措，更是确保我国工业可持续发展的一项长远的战略方针。

我国铝土矿资源储量很少、品位很差，绝大部分为高硅含量的一水硬铝石型铝土矿，还已经面临枯竭。氧化铝生产企业大多需要采用进口软铝石型铝土矿与国产的硬铝石型铝土矿配合，采用拜耳法与碱-石灰烧结法相结合使用的“联合法”进行氧化铝生产，生产技术落后，生产成本较高。为了保证国家氧化铝工业（铝工业）安全，政府出台了一系列鼓励寻找新的替代铝土矿的铝矿资源的政策。其中，最重视也最可行的是利用在蒙西（鄂尔多斯）、晋北（朔州）地区发现的大宗固废高铝煤矸石与高铝粉煤灰代替铝土矿提取氧化铝，优化高铝粉煤灰综合利用工艺技术，降低综合成本，提高粉煤灰利用率和效益，完善产业链，促进高铝粉煤灰综合利用产业化，实现消耗粉煤灰固废的存量、节约资源、改善环境、获得经济效益的战略目的。

获得国家发明专利的JSTK氧化铝生产技术，充分结合橡胶带式真空过滤机的特点和优势，将该设备运用于大宗固废硅铝高效分离和过滤，可以开发利用的原料包括各种煤矸石、各种粉煤灰、高岭土、黏土、黄砂以及各种氧化铝含量的铝土矿渣等大宗固废。JSTK技术不受原料中二氧化硅含量（铝硅比）影响，彻底解决了困扰全球氧化铝工业近160年的“二氧化硅对氧化铝提取过程的干扰问题”，能从含有氧化铝与二氧化硅的原料中同时提取出氧化铝与二氧化硅，两者的净提取率均达到95%以上，是目前全球氧化铝提取率最高的技术。

JSTK氧化铝技术的主要工艺环节包括配料、两次湿磨、烧碱碱熔、硅铝溶出及分离和过滤、铝溶出及分离和过滤、稀释水解、二氧化硅分离和过滤、碳化、氢氧化铝分离和过滤、苛化及分离与过滤、废水处理系统等。其中的关键环节之一就是各个工艺线路中的料浆的高效分离和快速过滤。

2 橡胶带式真空过滤机的工作原理

橡胶带式真空过滤机（DU型）以滤布为过滤介质。料浆经进料装置均匀分布在移动的滤布上，经过真空室的真空抽吸，料浆中的水分依次通过滤布、真空室、橡胶带的排液孔等进入排液总管，并最终经过汽水分离器等排出；同时料浆抽滤后形成的滤饼向前行进接受洗涤，并再经真空抽吸，直至在卸料辊处由刮刀卸除，从而实现料浆的固液过滤分离。橡胶带式真空过滤机的工作原理如图1所示。

图1 橡胶带式真空过滤机的工作原理

3 橡胶带式真空过滤机的结构特点和优势

橡胶带式真空过滤机的结构组成主要包括橡胶带及柔性裙边、过滤布、真空室（包括真空箱、真空滑台、摩擦带及密封胶垫、真空滑台密封润滑水系统等）、驱动辊、从动辊、进料槽、驱动装置、滤布自动纠偏装置、滤布张紧装置、滤布清洗再生装置、滤布舒展装置、滤饼洗涤装置、压布辊装置、挡料板装置、卸料装置（包括刮板、重锤、转动支架等）、橡胶带上托辊、橡胶带下托辊和机架等，其结构简图如图2所示。

图2 橡胶带式真空过滤机结构简图

橡胶带式真空过滤机的结构特点和工艺优势体现在过滤面为水平开敞式，上面加料，过滤效率高；有效过滤长度和宽度可以根据料浆的性质、工艺的特性、场地的大小等因素调整；过滤长度上可以设置淋洗、过滤、抽干等区间，以满足料浆的分离和过滤要求。通过设置多级淋洗，达到充分洗涤的工艺要求。过滤速度采用变频控制，滤饼厚度可调。滤布可正反两面同时清洗再生，保证滤布的过滤性能，提高滤布的使用周期。全过程都在真空负压状态下分离和过滤，连续运行，效率高。

正是具备上述这些特点和优势，使得橡胶带式真空过滤机在JSTK氧化铝技术的工艺选择中不可替代的脱颖而出，诸如离心过滤机、厢式压滤机、加压过滤机、叶滤机、圆盘脱水机、立式压滤机、转台翻盘过滤机等都不适合，都不能很好地满足JSTK氧化铝技术的工艺要求。

4 运用于大宗固废硅铝高效分离和过滤的橡胶带式真空过滤机的技术创新

采用JSTK氧化铝技术，综合利用各种含有硅和铝成分的大宗固废，实现硅铝高效分离和过滤，有着特殊的工艺条件，需要对橡胶带式真空过滤机的常规设计和配置进行改进和创新。

4.1 真空箱加设检修视窗

橡胶带式真空过滤机真空箱，常规设计和制作都是采用钢板折弯焊制陈棱形箱体，不设置观察视窗。在橡胶带式真空过滤机工作过程中，一般情况下是满足使用要求的。JSTK技术工艺中可能存在滤液遇降温容易结晶或起垢，配套一种带视窗的真空箱，在真空箱箱体的合适部位开设窥视窗，一方面可以观测内部水位，防止满水运行，另一方面可以方便检查箱体内侧表面是否有结晶或结垢，并对其进行冲洗清理，提高设备运行的安全性，确保其脱水效果。带视窗真空箱如图3所示。

图3 带视窗真空箱（单位：mm）

带视窗真空箱的技术特点有：①采用长方孔形式设计视窗；②真空箱内部设加强筋条，确保箱体上开孔后的耐负压强度；③采用足够厚度的有机玻璃作为可视媒介，既可以有效观察真空箱内部情况，又有足够的耐负压能力；④采用橡胶密封垫密封视窗的四周，防止真空泄漏；⑤采用密布式螺栓组固定视窗压板，确保视窗的密封性能。

4.2 非标加宽挡料板装置（两侧挡板及裙边双作用）

橡胶带式真空过滤机的橡胶带通常采用柔性裙边作为滤布两侧的支撑，在过滤面上形成一定的空间，让料浆以一定的体积流量正常的在设备上布料、分离和过滤。JSTK技术工艺要求一段时间内在过滤机上方存储一定数量的料浆，缓慢抽滤，充分淋洗。为了防止料浆在过滤机的上部四周外溢，需在过滤机机架两侧设置非标加宽挡料板装置，同时增加滤布宽度，结合柔性裙边的作用，在现场将柔性裙边粘结在过滤机橡胶带的两侧无沟槽部位上，一方面在过滤机上方堆放一定容积的物料，同时可以防止挡板装置底部漏真空。非标加宽挡料板装置如图4所示。

图4 非标加宽挡料板装置

非标加宽挡料板装置的结构部件主要有加宽型PP挡板、左右对称式PP挡板安装斜撑、左右对称式PP挡板、左右对称式PP挡板固定角铁、安装螺栓组件等。采用螺栓组件将PP挡板固定在挡板固定角铁上，再用螺栓组件将他们安装在挡板安装斜撑上，再用螺栓组件将他们安装在机架两侧横挡上。

4.3 气缸式自动挡料装置（进料端为固定式挡料板）

为了防止料浆在过滤机的上部四周外溢，除了需在过滤机机架两侧设置非标加宽挡料板装置外，还需要在过滤机运行方向的前后位置设置挡料装置，即分别在进料端设置固定式挡料板（如图5所示），出料端尾部设置气缸式自动挡料装置，以便在过滤机上方堆放一定容积的物料，停放一定的时间，对滤饼进行充分的喷淋和洗涤，从而提高硅铝分离的效率。同时，在需要卸料的时候，自动开启气缸式挡料装置，进行滤饼输出。气缸式挡料装置如图6所示。

图5 固定式挡料板装置

图6 气缸式自动挡料装置

气缸式自动挡料装置的结构部件主要有推拉气缸、自动挡料架、自动挡料架固定架、自动挡料架转轴、自动挡料架挡板、插销、安装螺栓组件等。自动挡料架挡板及推拉气缸分别采用螺栓组件及插销等安装在自动挡料架上，用螺栓组件转轴等将他们安装在挡料架固定架上，再用螺栓组件将他们安装在机架横梁上。

4.4 出料端夹布装置

参照水平带式真空过滤机行业标准的有效宽度系列，常规橡胶带式真空过滤机配套滤布的总宽度一般比有效宽度多200～300 mm不等。而在JSTK氧化铝技术的工艺中运用的橡胶带式真空过滤机，需要加宽滤布宽度，这样就增加了滤布的抗皱性要求。为了防止加宽型滤布在出料端展开时因落差较大出现褶皱，在滤布的两侧机架上设置夹布装置，使滤布在一定夹力的作用下适时舒展。夹布装置的位置和加紧力可根据实际需要进行调整，以实现最佳舒展效果，确保滤布工作状态正常。出料端夹布装置如图7所示。

图7 出料端夹布装置

出料端夹布装置的结构部件主要有夹辊、夹辊安装块、夹辊调节板、可调式固定支架和安装螺栓组件等。

4.5 异型压布辊及安装龙门架

常规橡胶带式真空过滤机配套的压布辊结构采用的是两侧圆锥体，中间圆筒。两端轴头安装轴承座，固定在机架横梁上。因为滤布的宽度是常规尺寸，压布辊中间筒体的直径比较小，在两侧圆锥体的挤压下，滤布边缘不会对压布辊两端的轴头产生接触磨损。

滤布加宽型橡胶带式真空过滤机的压布辊则需要进行技术优化。如果沿用常规的结构设计，则需要将压布辊的中间筒体直径增加很多，从成本和整体机构比例上都不是合理的选择。为了防止加宽型滤布运行过程中对压布辊轴头产生接触磨损，采用龙门架结构固定异形压布辊及轴承座，有效满足了滤布正常运行的要求，同时节省了制作压布辊的成本。

异型压布辊及安装龙门架的结构部件主要有压布辊、轴承座、异型压布辊安装龙门架和安装螺栓组件等。异型压布辊及安装龙门架如图8所示。

图8 异型压布辊及安装龙门架

4.6 特种工艺滤布

利用JSTK氧化铝技术从固废中提取氧化铝和二氧化硅，需要经过湿式球磨、烧碱碱熔、高温反应釜溶出等工艺工序，对橡胶带式真空过滤机配套的滤布提出了非常严格的技术要求：高温（耐温140℃）、强碱（PH＞＞14）、粒度细（最小2 500～3 000目），常规的普通滤布性能无法满足。采用特殊材料制作、特殊方法编织的特种工艺滤布，性能满足了高温强碱过滤精度细的复杂条件，成功实现了氧化铝和二氧化硅等混合溶液的高效分离和快速过滤。

常规滤布的接头处或不设盖布，或在过滤面上设盖布。特种滤布接头的下部增加软托布，防止了接头处泄露真空，避免了卸料刮刀对滤布接头上盖布的阻力，提高了过滤效率，延长了滤布寿命。特种工艺淲布如图9所示。

图9 特种工艺滤布

4.7 组合式滤布再生装置

一般情况下，橡胶带式真空过滤机的滤布清洗再生装置，设置正反面冲洗水管，采用一定流量和压力的工艺水，即可达到滤布的清洗再生效果。由于利用JSTK氧化铝技术从固废中提取氧化铝和二氧化硅的工艺受水耗量及水平衡限制，不能靠单纯的用大水量冲洗再生滤布，橡胶带式真空过滤机采用组合式的滤布清洗再生装置：增设一套电动刷辊装置对滤布进行滚刷再生；增设一套高压压缩空气管路，利用压缩空气吹扫滤布；增设一套超声波清洗装置对滤布进行超声波微震再生；调小滤布冲洗喷嘴的型号规格，既降低了对工艺水的用量，满足系统的水平衡要求，又确保了滤布的过滤性能，提高了滤布的使用寿命。

4.8 全自动智能控制系统

综合运用各类仪表控制设备运行的工艺数据，实现设备的全自动和高度智能化。

采用智能绝对压力变送器检测和控制橡胶带式真空过滤机的运行负压；采用超声波料位变送器检测和控制橡胶带式真空过滤机的滤饼厚度及运行速度；采用电磁流量计分别检测和控制橡胶带式真空过滤机滑台密封润滑水、滤布清洗水、滤饼淋洗水等的工作流量；采用滤布纠偏开关、滤布过偏开关、橡胶带过偏开关、急停开关、拉线开关和张紧/松弛开关等，自动控制设备的正常和安全运行。采用“PLC+触摸屏+通信接口”系统，实现橡胶带式真空过滤机的自动化、智能化控制。

4.9 其他技术改进

1）为了满足内蒙古和山西等大宗固废存量庞大的地方的高海拔要求，橡胶带式真空过滤机配套的真空泵选型系数适当加大，提高真空泵的抽气量和运行负压。

2）为了提高滤饼的剥离效率，减小硬质刮刀对滤布的磨损，卸料刮刀采用牛筋板材质。

3）针对氢氧化铝滤饼上层开裂导致真空泄漏的问题，在滤饼上部加设覆盖布，以保持过滤所需的真空负压。

5 结束语

通过对橡胶带式真空过滤机的技术创新和改进，科学运用于JSTK大宗固废硅铝高效分离和过滤工艺，结合山西和内蒙古两个万吨试验线项目的实际投产运行情况，总体上达到了预期的目标，为后续工业化扩大规模积累了经验数据和技术准备。这些创新和改进的技术及装置，已经得到了相关专利的保护，如专利：CN 20172 0436809.8“一种带视窗真空箱”、202120165113.2“一种输送带式真空抽滤机”、202120325208.6“一种带有视窗真空箱的水平过滤机”、202120722688X“一种固废硅铝高效分离和过滤的橡胶带式真空过滤机”等。

大宗固废高铝粉煤灰等应用JSTK技术能直接生产的硅铝产品市场规模约为3 600亿元；连同副产品，产品市场总规模近4 200亿元。

有理由相信，随着不断的技术创新和优化，橡胶带式真空过滤机运用于JSTK大宗固废硅铝高效分离和过滤，必将实现消耗粉煤灰固废的存量、节约资源、改善环境、获得经济效益的目的，实现国家保护能源安全的战略目标。