臥式螺杆離心機在煤化工裝置上的應用
本文節選自王德勝的《臥式螺杆離心機在煤化工裝置上的應用》，原文刊載於《化肥工業》2019年第2期
作者簡介：王德勝（1991—），男，助理工程師，從事煤氣化裝置的操作工作。
摘 要：介紹了臥式螺杆離心機的工作原理、結構、主要特點，並與帶式壓濾機進行對比。探討了臥式螺杆離心機在調試運行期間出現振動大、軸溫高、過載現象等問題的原因，通過優化操作和嚴格執行操作規程使問題得到了解決。
多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置中的渣水系統是對水煤氣初步淨化過程中產生的黑水進行處理，使其中所含的固體和溶解的氣體分離出來，並部分回收黑水熱量。國內煤氣化裝置含渣水的煤灰濃縮（脫水）絕大部分採用帶式壓濾機，而寧波中金石化有限公司採用了臥式螺杆離心機。
1、離心機選擇的依據
煤氣化裝置產生的灰渣主要含有 SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 等成分，一部分較細的灰渣進入後系統形成含渣黑水。經採樣分析，寧波中金石化有限公司氣化裝置的黑水含渣質量濃度為117.3～208.8 g/L，粒度分布如表1所示。
黑水可看作懸浮液，其中固相的粒徑和懸浮液的濃度是選擇分離設備的2個重要指標，分離設備的選擇原則如圖1所示。
由表1和圖1可看出，含渣黑水濃度不高，顆粒尺寸大部分在50 μm以下，符合離心機分離要求。
2 、臥式螺杆離心機結構
臥式螺杆離心機主要由轉鼓、螺旋推進器、差速器、溢流擋板、軸承及軸承座、機座、進料和排渣系統、驅動系統、控制系統等組成，其主要技術參數如表2所示。
機殼內有2個裝在主軸承上的同心迴轉部件，外部是無孔轉鼓，內部是螺旋推進器，轉鼓和螺旋推進器同心安裝在左端軸承和右端軸承上。正常工作時，轉鼓與螺旋推進器以一定差速同向高速旋轉，轉速差通過差速器實現，通常為轉鼓轉速的0.2%～3.0%，差速器一般為行星齒輪箱。
轉鼓由主電動機驅動大端帶輪轉動，差速器由副電動機驅動小端帶輪轉動，差速器帶動螺旋推進器轉動。物料由進料管連續引入輸料螺旋內筒，加速後進入轉鼓，懸浮液中的固相密度較大，所受慣性離心力也較大，在離心力的作用下，較重的固相沉積在轉鼓壁的內壁上形成沉渣層。螺旋推進器將沉積的固相物連續不斷地推至轉鼓錐端，經排渣口排出機外。較輕的液相則形成內層液環，由轉鼓大端蓋上的溢流口連續溢出轉鼓，經排液口排出機外。
如圖2所示：來自前系統的含渣黑水進入沉降槽，在重力和絮凝作用下，沉降槽底部得到高含固量的黑水，沉降槽底流泵將該黑水送入臥式螺杆離心機；在黑水管線上設置衝洗水，以便清洗泵、管線和離心機；絮凝劑通過絮凝劑自動投配裝置配成溶液，由絮凝劑泵注入黑水管線，與黑水混合後一起進入臥式螺杆離心機；經臥式螺杆離心機處理後，泥餅通過無軸螺旋輸送機送至渣車，分離液返回渣水系統重複利用。
圖2 含渣黑水處理工藝流程
3 、與帶式壓濾機對比
（1）臥式螺杆離心機利用離心沉降原理使固液分離，由於沒有濾網，不會出現堵塞現象；帶式壓濾機利用濾帶使固液分離，為防止濾帶堵塞，需高壓水不斷進行衝刷。
（2）在脫水過程中，當進料濃度發生變化時，臥式螺杆離心機的轉鼓和螺旋的轉速差和扭矩會自動跟蹤調整，無需安排專人操作；而同樣情況下的帶式壓濾機的帶速、帶的張緊度、加藥量、衝洗水壓力均需進行調整，操作要求較高。
（3）在臥式螺杆離心機內，細小的顆粒也能與水分離，絮凝劑投加量較少；而帶式壓濾機由於濾帶不能織得太密，為防止細小顆粒的漏網，需投加較多的絮凝劑以使汙泥形成較大的絮團。
（4）臥式螺杆離心機佔用空間小，安裝調試簡單，配套設備僅有加藥裝置和進出料輸送機，整機全密封操作，操作環境好；而帶式壓濾機佔地面積大，需要配備風機和水環式真空泵，整機密封性差，產生的水霧和臭味會汙染環境，如果管理不善，會造成泥漿四溢。
（5）臥式螺杆離心機易損件為軸承和密封件，卸料螺旋的維修周期一般在3年以上；而帶式壓濾機易損件除軸承、密封件外，濾帶也需更換，價格昂貴。
如表3所示，在相同進料量的情況下，臥式螺杆離心機具有濾液清、加藥量少、系統水質好等優點，而且由於濾餅外運對含水量要求不高，濾餅水分含量略偏高也可接受。
4 、調試運行中出現的問題
4.1 操作參數優化
臥式螺杆離心機是通過對主機轉速（轉鼓轉速）和差速的調整來操作，主機轉速越高對物料分離越有利。一般高速旋轉設備的轉速越高其使用壽命越短，所以在滿足生產工藝要求的前提下，主機轉速越低越好。對於密度大且黏度大的物料，轉速越高，物料在轉鼓中沉降得越結實，螺旋推料的功率就越大。為了使物料分離後能夠從轉鼓中排出，差速越大物料排出的速度越快，差速達到一定程度時，排出的泥餅含水率會提高；如果差速過小，運行過程中可能會因物料聚集在轉鼓中而造成主機過載。
經現場檢測和處理效果評定，設置主機操作轉速為2 000～2 300 r／min，差速為16～25 r／min。如果泥餅含水量較高，可適當減小差速、增大轉速（不得超過2 300 r／min）；如果進料濃度增大，副電機電流相應增大，此時允許對差速進行調整，增大差速可加快主機排渣（最大不超過30 r／min）。
當主機轉速為2 100 r／min、分離因數為2 200、進料量為17～22 m3/h 、進料質量濃度為117.3～208.8 g/L時，對絮凝劑添加量進行了試驗，試驗結果如表4所示。
由表4可看出，在其他參數都基本不變的情況下，絮凝劑用量越大，分離效果越好。為了降低生產成本，絮凝劑日用量控制在12.5～15.2 kg。在主機轉速、分離因數和絮凝劑用量不變的情況下，分離效果隨差速下降變好。當差速為18 r／min時，降低轉速對濾餅水分和濾液濃度的影響不明顯，而離心機扭矩達3 kN·m，接近設定的扭矩聯鎖停車值（5 kN·m）。因此，差速設置為18 r／min。
4.2 機身振動大
在運行初期，臥式螺杆離心機經常出現因機身振動大而跳車的現象，而引起離心機振動的直接原因是轉鼓內部存在不平衡。通過現場觀察和分析，認為其原因是：
①短時間內進料量或物料濃度突然增大，進料流動性差，導致進料後物料在主機內布料不均勻，並且主機中的沉渣無法在短時間內排出。
②停機清洗不徹底，主機沒有完全清洗乾淨，在運行狀態下，水和渣受到不同的離心力，在主機內部形成一個固體環和一個液體環，引起不平衡。
因此，應制訂停車衝洗規程並要求操作人員嚴格遵守。當煤質灰分含量高或氣化爐鎖鬥系統發生故障時，會導致黑水含固量增加，此時可在沉降槽底流泵前通入灰水以降低進料濃度。
4.3 軸溫高
加注潤滑油脂時未遵循「按時加注不過量的原則」（表5），超期不加注或一次性加注過量都會造成軸溫偏高而引發報警。潤滑油脂具有潤滑散熱的作用，一次性加注過量將造成軸承座油腔內短時間充滿油脂，經高速旋轉後油脂被甩開，散發出很大的熱量，油腔又重新被油脂充滿，短時間內熱量無處散發而造成軸溫偏高。
4.4 過載現象
臥式螺杆離心機的主機採用ABB變頻器，在發生功率過載的情況下會自動降低轉速以得到更大的輸出力矩。在執行降速後，如果能夠控制在額定的功率或設定的保護轉速範圍內，則轉速自動提高至原有狀態，如果降速後仍不能滿足使用要求則跳車保護。出現該問題的原因在於進料量或物料濃度出現波動，需要在進料後的30 min內觀察主、副電機電流，通過調整進料量將其控制在操作規程要求的範圍內，給主機留下足夠的調整空間。
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