臥螺沉降式離心機選型分析
一、前言
臥式螺旋沉降式離心機是采用離心沉降法來分離懸浮液的機器，它是將含細小顆粒（粒徑d≥5μm）的懸浮液，經過固液分離，使懸浮液變為相對干凈的液體和固體狀的泥渣，由于無濾布和濾網、單位產量的耗電量較少，單機生產能力大，適合工廠大型化與自動集中控制的要求，沒有操作周期，連續運行，連續進出料，操作簡便，母液含固量少，澄清度高，結構緊湊，占地面積小和易于密閉等特點，現已廣泛應用于環保、石油、化工、冶金、醫藥食品和輕工等領域，結構示意圖如圖1所示，主要部件有轉鼓、螺旋輸送器、差速器、過載保護裝置和卸渣裝置。其工作原理為：在機殼內，轉鼓和螺旋輸送器由兩個同心軸承相連接，主電動機通過V帶輪帶動轉鼓旋轉，轉鼓通過左軸承處的空心軸與行星差速器的外殼相連接，行星差速器的輸出軸帶動螺旋輸送器與轉鼓作同向轉動，但轉速不一樣。懸浮液從右端的中心進料管連續送入轉鼓內，在離心力的作用下轉鼓內形成一環形液池，重相固體粒子離心沉降到轉鼓內表面而形成沉渣，由于螺旋葉片與轉鼓的相對運動，沉渣被螺旋葉片推送到轉鼓的小端的干燥區，送出液面并從排渣孔甩出。在轉鼓的大端蓋上開設有若干溢流孔，液相便從此處流出，從而完成固液分離。
臥螺沉降式離心機選型和很多因素相關，如設計理念、物料理化特性參數和工藝路線等是選型過程中應十分注意的問題。
二、設計理念
國內外臥螺沉降式離心機的設計主要技術特點基本相同，但在技術細節上設計理念存在很大差異，主要表現在技術參數的選擇、材料的選擇、起動方式、驅動方式和差速器等方面有很大的不同。
(1)技術參數的選擇 轉鼓直徑和長徑比、分離因素和螺旋頭數是臥螺沉降式離心機主要技術參數。轉鼓直徑越大，生產能力也越大，但受材料強度和加工難度的限制，轉鼓直徑不能大到一定數值。同樣，長徑比大，生產能力也越大，對于易分離的物料，長徑比取1~2，對于難分離的物料，長徑比取3~4，所以盡量選用長徑比大的機器，可以增加沉降區長度和干燥區長度，既利于沉降，有利于減少濾餅的含濕量，但制造較難，成本增加。分離因素Fr=ω2R/g和轉鼓轉速直接有關，它的選擇取決于懸浮液中固相顆粒的分離難易，轉鼓的轉速受到材料和軸承限制，所以在滿足使用要求時，盡可能采用較低轉鼓轉速，一般地，大直徑臥螺離心機分離因素都很低。螺旋頭數可以是單頭、雙頭和多頭，難分離的物料一般采用單頭螺旋；需要產量大又易分離的物料，多采用多頭，但母液含固量會增加，在污水處理行業，一般采用單頭螺旋。
此外，還有轉鼓的半錐角和溢流口內徑都是在設計離心機時需要考慮的技術參數。半錐角對固體流量的性能具有重要影響，由于離心力的作用，當顆粒到達轉筒內壁并被螺旋向前輸送的同時也具有向后流動的趨勢，而向后流動的速度與螺旋斜角有關，最后體現在錐角上。兩者對固體顆粒的輸送性能產生直接的影響，即隨著回流速度的增加則固體輸送速度下降。溢流口內徑和液層厚度有關，液體在機內停留時間的增加則液層的厚度也增加，其結果是澄清效率提高，但同時機內的干燥區間縮短會使離開液面的固體含水量也增大，即脫水效果反而有所降低。因此，液層厚度的調節會直接影響到沉降速度、流量以及固體排出量。臥螺離心機還需要根據使用經驗和試驗結果進行分析研究，才能確定機器的類型和結構。
(2)材料的選擇 材料的強度性體現在離心機的轉速上，它也直接對體積流量和質量流量產生影響，此外離心機的腐蝕也與其材料結構有關。轉鼓和螺旋輸送器通常用不銹鋼鑄造和焊接，或用高強度的不銹鋼和鈦鋼制造，也可用玻璃鋼制造。目前國內與國外設備中，主要部件都采用不銹鋼制造，尤其是轉鼓與螺旋部分全部采用不銹鋼，只有少數國外廠家可針對不同的處理對象及介質的要求，采用合適的材質。如對于污水處理和無腐蝕性場合，采用高強度碳鋼防腐，避免了過度設計，大大降低了制造成本，通過10余年的實踐證明，在污水處理中采用碳鋼防腐的材質是完全可行的。在外殼方面更是盡量考慮節省材料，降低成本，如采用玻璃鋼外殼。轉鼓和螺旋的材料選擇時要考慮到耐磨性，為了有效保護轉鼓，在排渣孔設置耐磨套，在轉鼓內表面設置筋條或在內表面拉槽；螺旋輸送器的葉片易受到物料的嚴重磨損，為了減少或避免葉片的磨損，對螺旋葉片外緣進行碳化鎢熱噴涂處理，焊接合金塊。
(3)起動方式 國內外離心機廠家在離心機起動方面有不同的考慮，國外機器多帶有液力偶合器，而國內機器由于制造技術原因大多是直接起動。液力偶合器有兩種作用：一是具有使電動機輕載起動功能，能改善電動機的起動能力，確保電動機沉重負載輕快起動，降低電動機起動電流，實現軟加速，降低對電網的沖擊；二是具有過載保護功能，能有效地保護電動機和離心機在起動和超載時不受損壞，降低機器故障率，延長零部件和整機使用壽命。液力偶合器的充油量應有一個最佳值。如充油量太滿，會造成起動電流長時間過高，引起停機。如果液力偶合器內工作液較少，則液力偶合器滑差增大，傳遞的功率或轉矩會減少，使輸入轉速遠低于輸出轉速，而且液力偶合器溫度會升高。另外，工作液的選擇也比較重要，工作液密度越高，傳遞能力越強。工作液黏度越高，傳遞特性越不利。液力偶合器一般安裝有兩個易熔塞，在易熔塞的中心有一軟焊，在一定的溫度下會熔化。在離心機過載情況下，液力偶合器中的工作液會過熱，達到設定值時，易熔塞熔化，工作液噴出，功率的傳遞即被中斷，離心機聯鎖跳車。
(4)驅動方式 在驅動方式上，國內外有較大的差異，國外機型有多種不同的驅動方式，而國內離心機驅動方式通常較為單一，采用最多的驅動方式為雙電動機結構。單電動機驅動形式：即一臺電動機通過主皮帶輪驅動轉鼓，次級皮帶驅動差速器的軸，從而產生差轉速，調整差速時需要停機進行，屬于簡單驅動方式；或差速器輸入軸固定，轉鼓由單電動機驅動；雙電動機驅動形式：即一臺電動機通過皮帶直接驅動轉鼓產生轉動，另一臺電動機通過差速器驅動螺旋。而進口設備中往往可提供除常用的雙電動機系統驅動方式外，還有多種驅動方式的選擇，常用驅動方式是采用液壓驅動，即轉鼓及螺旋分別由獨立的液壓系統驅動，具有其他驅動方式所不可比擬的優點：更大的驅動轉矩、更為簡便的速差控制方式以及更低的速差。這種驅動方式的缺點是設備成本較高，對液壓系統以及電控系統要求極高，由于液壓聯接點較多，存在泄漏的機會也較多。因此這種驅動方式對液壓元件的質量和可靠性均有嚴格的要求。
螺旋與轉鼓繞同軸向旋轉，但兩者之間有一個轉速差。若以nb表示轉鼓的絕對轉速，以ns表示螺旋的絕對轉速，Δ=nb -ns，若螺旋超前轉鼓，即為正差轉速，反之螺旋滯后轉鼓，為負差轉速。采用正差轉速，有利于沉降分離，采用負差轉速時，有利于沉渣的輸送，而且可以減少由差速器傳遞的功率，所以，現代螺旋沉降離心機多采用負差低轉速的右旋螺旋。不同驅動方式最終會導致不同的差速，差速是影響濾餅含濕量的關鍵因素，低差速可產生更干的濾餅，對螺旋的磨損也相應減少，從而可大大延長螺旋的使用壽命。另外增大差速不僅增加固體流量，而且還增大機器澄清區內的攪動，從而使澄清效率下降，這時就必須將體積流量降低。增大差速還會減少固體顆粒在機器內的停留時間、增大排出固體的含水量。國產設備的差速一般最低值都在數轉/分鐘，僅有少數廠家可達0.5r/min，而國外的最低差速可達到0.2r/min，相差10余倍，即濾餅的停留時間可增加十余倍。
(5)差速器 在臥螺離心機運轉過程中，濾餅在轉鼓表面的移動全靠差速器產生的螺旋對轉鼓的相對運動來實現，由于臥螺離心機的轉鼓與螺旋之間速差小而轉矩大，產量越大，螺旋輸送器所受轉矩愈大，如圖2所示。
由于差速器轉速高，需傳遞的轉矩大，潤滑條件又差，當轉矩達到一定值時，對差速器壽命影響很大，故對各零件在組裝過程中的間隙調整要求特別高，公差要求非常精密，間隙太大或太小均不利于差速器的運行。一般差速器采用周轉輪系結構，常采用行星擺線針輪、
漸開線齒輪差速器優點是體積小，重量輕和傳動比大，效率高達90%～99%以及承載能力大等。國內及國外離心機所采用的差速器結構形式基本相同，一般多為雙級2K—H、3K及K—H—V等形式行星漸開線齒輪差速器，或采用行星擺線針輪及漸開線齒輪差速器的組合形式。離心機生產廠家往往需要專門設計及加工，國內很多廠家進行過差速器的國產化嘗試，部分廠家的機械加工精度以及某些性能基本達到國際水平，但從整體來看，尤其是在裝配精度和裝配經驗上仍存在一定差距，加之主要部件選用材質不當或受材料質量的制約，往往造成差速器達不到設計要求，效率較低和壽命短。因此國產差速器的關鍵不僅取決于制造質量，更重要的是裝配質量和材料的選擇。
三、物料理化特性參數
生產過程中物料的理化特性參數在臥螺沉降式離心機選型中必須仔細而又慎重，因物料理化特性考慮不全面影響機器性能不在少數。諸如有些機器常常發生扭振造成主軸承振動過大或過載保護裝置動作就是這方面的表現。物料的理化特性參數有顆粒的大小、形狀、性質、固液相密度差和黏度等。當離心機結構參數確定，離心機生產能力取決于物料的物理性能與化工操作條件根據下式可以判斷：
在分離過程中，顆粒沉降速度VR越大，分離效果越顯著；顆粒直徑愈小，沉降速度愈慢，愈難分離，離心母液中的含固量也相應增加，反之，顆粒直徑愈大，沉降速度愈快，越易分離，離心母液含固量越少，如圖3所示。固液相密度差的增大，顆粒沉降速度VR越大，分離效果越顯著，濾餅含濕量越少，如圖4所示。懸浮液黏度取決于液相黏度和懸浮液的濃度，黏度越小，顆粒沉降速度VR越大，分離效果越顯著；由下式判斷：
四、工藝路線
臥螺沉降式離心機的分離要求是根據企業工藝路線狀況而定，受進料口懸浮液壓力、溫度、懸浮液濃度和均勻性、轉鼓液池深度制約和影響。
（1）進料壓力對分離要求的影響 在很多生產工藝中，一般利用高位槽的物料位差進入離心機，進料壓力始終變化。進料壓力的變化導致進料的不均勻性，對于過濾式離心機還能適應，但對臥螺沉降式離心機則不利。特別是當進料的壓力突然增大和遙控閥門的滯后，大量的物料進入機器，就會造成進料管扭斷和螺旋輸送器內腔發生堵塞，機器產生不平衡，主軸承振動加大，處理不及時機器就會嚴重受損。所以在國內外大型化裝置中，已摒棄這一傳統進料工藝而改為泵進料定量輸送工藝。
（2）進料溫度對分離要求的影響 物料溫度的提高可以降低懸浮液的黏度μ，黏度μ的降低可以增加顆粒沉降速度VR，從式（1）可以看出，可以提高離心機的分離量。但溫度過高，會對機器的軸承和密封造成影響，增加螺旋輸送器的阻力，所以進料溫度要適宜。
（3）進料濃度和均勻性對分離要求的影響 由于懸浮液中的固液很容易發生分層，料槽物料的濃度不均勻，盡管在料槽中增設攪拌裝置，但在料槽底部或出料快結束時，物料濃度變稠，也容易使機器產生不平衡力，在進料管和螺旋輸送器內發生沉淀堵塞，造成進料管扭斷和機器嚴重損壞，所以，經常在離心機入口管線上加補充水，料槽攪拌裝置設計力求保證物料均勻，輸送泵能力要保證一定的物料回流至料槽。
（4）轉鼓的液池深度對分離要求的影響 調節離心母液出口的堰板，可調節液池的深度h。池越深，脫水區的長度越短，產品含濕量越大，母液含固量愈小，反之，產品含濕量減少，母液中含固量增加。在一定分離因素下，不同的機器有不同的脫水區的長度，濾餅的含濕量和母液含固量能根據轉鼓的液池深度達到最佳工藝要求，工程技術人員可根據后處理生產狀況進行合理選擇轉鼓的液池深度。
五、結束語
在實際生產應用中，離心機的選型關系到工程項目成功與否，選用了合理的機型，從而使能耗降低，控制簡單，產品質量之高；選用機型不當，使生產不能繼續，造成極大的經濟損失。在近幾十年的發展中，臥螺沉降離心機在結構、性能和參數上發生了很大的變化，分離質量、生產能力也比以前有了較大的提高，應用的范圍也在不斷地擴大。特別是國內工礦企業都面臨著節能減排的巨大壓力，在企業污水處理方面，污泥脫水是一個關鍵技術，而臥螺沉降離心機正是具有自動、高效、密閉和連續等諸多優點，在這個技術關鍵中起著舉足輕重的作用。
