幾種常見(jiàn)液固過(guò)濾方法的能耗與物耗及改進(jìn)方向

宋顯洪 宋志黎

（上海市東甌微孔過(guò)濾技術(shù)研究所)

過(guò)濾與分離

幾種常見(jiàn)液固過(guò)濾方法的能耗與物耗及改進(jìn)方向

宋顯洪*宋志黎

（上海市東甌微孔過(guò)濾技術(shù)研究所)

液固過(guò)濾過(guò)程中能耗與物耗相當(dāng)可觀，對(duì)我國(guó)節(jié)能減排任務(wù)的負(fù)面影響不可忽視。分析了四種常見(jiàn)的過(guò)濾方法 （循環(huán)過(guò)濾、多級(jí)過(guò)濾、真空過(guò)濾和錯(cuò)流過(guò)濾）的高能耗與三種常見(jiàn)的過(guò)濾裝置與方法 （手動(dòng)板框壓濾機(jī)，分散的深層過(guò)濾器與助濾過(guò)濾）的高物耗的概況，并簡(jiǎn)單敘述了改造的大致方向。

過(guò)濾 循環(huán)過(guò)濾 多級(jí)過(guò)濾 助濾過(guò)濾 澄清度 濾餅過(guò)濾

Abstract:In the process of the liquid-solid filtration,energy and material consumption is considerable,the negative impactof the task on energy saving and emission reduction could notbe ignored in our country.Analyzed high energy consumption of four common filterationmethods（circulating filtration,multi-stage filtration,vacuum filtration and cross-flow filtration)and three common types of filtration devices andmethods(manual plate-and-frame filter press,dispersing deep filter,filter-aid filtration),and given abriefdescription of the generaldirection of themodification.

Key words:Filtration;Circulating filtration;Multi-stage filtration;Filter-aid filtration;Clarity;Cake filtration

不可再生的能源與資源日益枯竭，氣候與環(huán)境日益惡化，人口數(shù)量日益增加，如果我們還不認(rèn)真地、堅(jiān)決地貫徹執(zhí)行節(jié)能減排、節(jié)能減耗、節(jié)能增效的國(guó)策，不把低碳綠色經(jīng)濟(jì)作為各行各業(yè)的最高準(zhǔn)則，那就是在加速自挖墳?zāi)?，加速地球早日毀滅。為了貫徹?jié)能減排的要求，各行各業(yè)必須摸清本行業(yè)的能耗與物耗的現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上找到節(jié)能減排的途徑。

液固過(guò)濾是各工業(yè)生產(chǎn)部門，尤其是化工、制藥、食品、冶金、能源、電子、礦山、機(jī)械及環(huán)保等工業(yè)部門，不可缺少的、量大面廣的單元操作，有的甚至還是關(guān)鍵操作，因此工業(yè)生產(chǎn)上的液固過(guò)濾操作其能源消耗與資源消耗相當(dāng)大。長(zhǎng)期的不嚴(yán)密設(shè)計(jì)與粗放操作，企業(yè)管理中能耗指標(biāo)與物耗指標(biāo)長(zhǎng)期不重視、不考核，使得大家對(duì)高能耗與高物耗的現(xiàn)狀熟視無(wú)睹，習(xí)以為常。筆者迄今尚未看到有人對(duì)各種過(guò)濾裝置的能耗與物耗作系統(tǒng)與詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，找出哪些能耗與物耗是必須的消耗，哪些是額外的或多余的消耗。現(xiàn)在，殘酷的現(xiàn)實(shí)迫使我們要作這方面的統(tǒng)計(jì)與分析。這需要專門的人才與研究課題。筆者作為一名精密微孔過(guò)濾技術(shù)的研發(fā)者，從事研究、開(kāi)發(fā)及推廣應(yīng)用已有四十多年，與各種企業(yè)接觸較多，對(duì)各企業(yè)使用的各種過(guò)濾裝置有一定了解，為了響應(yīng)節(jié)能減排的要求，特對(duì)幾種常見(jiàn)的過(guò)濾技術(shù)的能耗與物耗作一分析，目的是引起管理部門與廣大過(guò)濾技術(shù)工作者關(guān)心這些問(wèn)題、研究這些問(wèn)題，使工業(yè)生產(chǎn)上過(guò)濾操作的高能耗與高物耗現(xiàn)狀有所改善，或有較大幅度的下降。

1 幾種常見(jiàn)的過(guò)濾技術(shù)的能耗分析

所有的過(guò)濾技術(shù)通過(guò)特定的過(guò)濾機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。所有的過(guò)濾機(jī)由特殊的機(jī)體結(jié)構(gòu)與過(guò)濾濾材兩部分組成。工業(yè)生產(chǎn)上的過(guò)濾機(jī)其機(jī)體結(jié)構(gòu)多種多樣，過(guò)濾濾材的種類也不少。這些機(jī)體結(jié)構(gòu)與濾材的應(yīng)用歷史都相當(dāng)久，因此現(xiàn)在所使用的各種過(guò)濾技術(shù)都屬于實(shí)用技術(shù)。但是如用低碳與綠色經(jīng)濟(jì)來(lái)評(píng)判，用節(jié)能減排、節(jié)能減耗和節(jié)能增效的要求來(lái)對(duì)照，就可發(fā)現(xiàn)許多被認(rèn)為是正常的、可行的、實(shí)用的過(guò)濾技術(shù)應(yīng)盡速革新，不然的話，目前使用的不少過(guò)濾技術(shù)就將成為消耗能源與資源的 “敗家子技術(shù)”。許多所謂的 “循環(huán)過(guò)濾”、 “多級(jí)過(guò)濾”、 “真空過(guò)濾”及 “錯(cuò)流過(guò)濾”，其實(shí)就是典型的多能耗技術(shù)。

（1） 循環(huán)過(guò)濾

現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)上大多數(shù)過(guò)濾機(jī)，當(dāng)過(guò)濾操作啟動(dòng)后，并不能立即得到澄清度合格的濾液，往往需將濾液全部返回重新過(guò)濾。如果這種循環(huán)過(guò)濾僅進(jìn)行一次或二次，也許還屬正常操作，因?yàn)椴簧龠^(guò)濾機(jī)的濾液出口管道上常會(huì)殘留少許懸浮物，利用濾液循環(huán)過(guò)濾一二次，可將這些殘留固體去除。但是目前許多企業(yè)選用濾材前，未作科學(xué)試驗(yàn)與計(jì)算，僅作粗淺估算，甚至盲目選擇，導(dǎo)致過(guò)濾濾液的澄清度低，無(wú)法滿足生產(chǎn)工藝要求。為了提高澄清度，幾乎所有企業(yè)都采用循環(huán)過(guò)濾這一方法，循環(huán)1～2 h已成為正常操作，有的甚至循環(huán)3～4 h。不計(jì)能耗，不計(jì)勞動(dòng)生產(chǎn)率，用長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)過(guò)濾的方法來(lái)提高濾液的澄清度已成為許多企業(yè)一個(gè)常規(guī)手段。

如果某種物料中固體顆粒極細(xì)，沒(méi)有一個(gè)較好的辦法用一次高效過(guò)濾就解決問(wèn)題，而需要用長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)過(guò)濾才能解決其澄清度，這是不得已而采用的辦法。對(duì)絕大多數(shù)物料，只要放棄粗放設(shè)計(jì)與粗放操作，完全可以做到 “不循環(huán)”或 “極短時(shí)間循環(huán)”就達(dá)到要求。

全國(guó)工業(yè)企業(yè)每天過(guò)濾的液體量極大，每天究竟循環(huán)多少液體？循環(huán)多少時(shí)間？根本沒(méi)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，但其數(shù)量必定是天文數(shù)字。單舉全國(guó)氯堿工業(yè)，據(jù)說(shuō)2010年產(chǎn)量可達(dá)3 000萬(wàn)t，每產(chǎn)1 t燒

式中Q——液體流量，m3/s;

H——泵的揚(yáng)程，m；

ρ——液體的密度，kg/m3;

η——離心泵的效率，對(duì)大型離心泵，η=0.8。

如果每小時(shí)過(guò)濾量為1億m3，則Q=27 777.8 m3/s。當(dāng)循環(huán)過(guò)濾時(shí)，其啟動(dòng)揚(yáng)程一般為5m，最高為25m，平均H=15m，對(duì)大多數(shù)液料，其密度為 1 000～1 100 kg/m3， 一般可取 ρ=1 050 kg/m3；對(duì)大型離心泵，η=0.8。將以上數(shù)據(jù)代入式 （1），得出1億m3料液，每天循環(huán)1 h，其所耗功率N=5 361 533.4 kW，即每天循環(huán)1 h，多耗電力536萬(wàn)kW·h，每天循環(huán)2 h，則多耗電力1 072萬(wàn)kW·h。如果全國(guó)有1 000億m3料液，每天循環(huán)1 h，每天就多耗電力53.6億kW·h；如果每天循環(huán)2 h，每天就多耗電力107.2億kW·h。上面只是初步估算。實(shí)際情況是國(guó)內(nèi)企業(yè)長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)過(guò)濾現(xiàn)象非常普遍，許多企業(yè)將此作為經(jīng)典操作手段，其能耗浪費(fèi)可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)我們的估算。

（2） 多級(jí)過(guò)濾

對(duì)一些質(zhì)量要求很高的工業(yè)部門，如藥品、食品、微電子工業(yè)等，為了確保產(chǎn)品質(zhì)量萬(wàn)無(wú)一失，在液體過(guò)濾工序中，需設(shè)多道防線，即使前一級(jí)的液體的澄清度已滿足，往往后面再加一至二級(jí)精度更高的精過(guò)濾，目的是使產(chǎn)品出現(xiàn)紕漏的概率降至零。但是許多企業(yè)將這一特殊產(chǎn)品的特殊處理方法堿，電解所需的鹽水每小時(shí)為10多t，3 000萬(wàn)t燒堿，每小時(shí)所需的鹽水為3億t，這些鹽水電解前需作1～2次精過(guò)濾。因此單氯堿的鹽水每小時(shí)至少需精濾3億t。全國(guó)化工、制藥、食品、冶金、礦山、環(huán)保等部門，產(chǎn)品非常多，有的產(chǎn)量非常大，每小時(shí)需過(guò)濾的液體總量至少為幾千億m3以上。由于大多數(shù)企業(yè)液體過(guò)濾的濾材至今絕大多數(shù)仍用很傳統(tǒng)甚至很落后的濾材，都需要長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)過(guò)濾，其濾液質(zhì)量才能達(dá)到工藝要求。大多數(shù)企業(yè)每天循環(huán)過(guò)濾時(shí)間至少為1 h，有的超過(guò)2 h。

液體過(guò)濾的動(dòng)力有加壓與真空兩大類。加壓操作有氣壓與泵壓兩種，泵壓中采用離心泵最普遍，并且進(jìn)行循環(huán)過(guò)濾也最簡(jiǎn)便。因而凡是采用離心泵進(jìn)行加壓過(guò)濾的幾乎都進(jìn)行循環(huán)過(guò)濾。離心泵加壓過(guò)濾時(shí)，其能耗可按下式計(jì)算：移植到含固量多的濾餅過(guò)濾操作中。先用一至二級(jí)粗級(jí)過(guò)濾或其他分離方法將絕大多數(shù)較粗固體先去除，剩下的極少量的細(xì)顆粒再用效率很高的精過(guò)濾去除。以為這樣多級(jí)串聯(lián)過(guò)濾既能確保好的濾液質(zhì)量，又能以較小的過(guò)濾面積獲得大量的固體濾餅。這種有違液固過(guò)濾基本知識(shí)的方法，往往并不能達(dá)到希望者的初衷，甚至適得其反，弄巧成拙。筆者曾遇到過(guò)很多這樣的案例。本來(lái)原先設(shè)計(jì)的一臺(tái)過(guò)濾機(jī)，其濾液的澄清度與處理能力都能滿足要求，只是原料液含固量較多，每天需幾次卸除濾餅，操作上稍麻煩些。為了減少卸濾餅的次數(shù)，就在該過(guò)濾機(jī)之前增加一級(jí)預(yù)處理機(jī)，有的采用重力沉降，有的用離心機(jī) （如臥式螺旋離心機(jī)），有的用加壓過(guò)濾機(jī)或真空過(guò)濾機(jī)。前級(jí)去除95%以上甚至99%的固體，剩下5%甚至1%的固體再用原來(lái)的過(guò)濾機(jī)過(guò)濾。本以為原料液中固體已大幅減少，再用這一臺(tái)過(guò)濾機(jī)就可輕而易舉地完成剩下的固體的過(guò)濾任務(wù)。結(jié)果卻是，別說(shuō)原來(lái)那臺(tái)過(guò)濾機(jī)，即使再把過(guò)濾面積放大幾倍，也往往難以勝任。為什么會(huì)發(fā)生這種 “不可思議”的 “怪事”呢？只要用 “濾餅過(guò)濾”的基本理論分析，就可一目了然。

假設(shè)料漿中固體顆粒為不可壓縮固體。按不可壓縮濾餅過(guò)濾的基本理論，濾餅過(guò)濾的平均濾速可按下式計(jì)算：

式中W——濾液的平均濾速；

Rm——濾材的阻力；

ΔP——過(guò)濾壓差；

μ——濾液黏度；

α——濾餅層的平均比阻；

c——濾餅體積與濾液體積之比。

當(dāng)Rm、ΔP、μ，t不變時(shí)，W僅與αc有關(guān)。

如采用二級(jí)過(guò)濾，經(jīng)第一級(jí)過(guò)濾后，c可大幅減??；第二級(jí)過(guò)濾時(shí)，如形成的濾餅的α仍等同于第一級(jí)過(guò)濾的α，則第二級(jí)的αc會(huì)大幅減小，按式 （2）計(jì)算，第二級(jí)的W會(huì)大幅增加。實(shí)際上，希望第二級(jí)的α等同于第一級(jí)的α，這是不可能的，因?yàn)榈谝患?jí)過(guò)濾后，料液中粗的或較粗的顆粒都被濾除，剩下的都是細(xì)的，這些細(xì)顆粒組成的濾餅，其α?xí)蠓黾印?/p>

根據(jù)Kozeny-carman公式，各種顆粒堆積層的比阻α計(jì)算式為：

式中J——與顆粒層固體顆粒形狀有關(guān)的系數(shù)；S0——顆粒層的比表面積，m2/m3;

ε——顆粒層的孔隙率。

有限元法的基本思想是：假定接觸狀態(tài)，求出接觸力，檢驗(yàn)接觸條件，若與假定的接觸狀態(tài)不符，則重新假定接觸狀態(tài)，直至迭代計(jì)算得到的接觸狀態(tài)與假定狀態(tài)一致為止。具體做法是：

顆粒堆積層的孔隙率ε可用下式計(jì)算：式

中B——顆粒層的堆積密度，g/cm3；

γ——固體顆粒的真密度，g/cm3。

顆粒堆積層的比表面積S0與平均顆粒粒徑d0存在以下關(guān)系：

式中d0——顆粒堆積層中固體顆粒的平均粒徑，m;

Ω——顆粒的球形度。

將式(4)與式(5)代入式(3)，則α的計(jì)算式為：

顆粒層的平均粒徑計(jì)算方法有多種，有按重量分布的平均粒徑，有按面積分布的平均粒徑，有按直徑分布的平均粒徑，有按個(gè)數(shù)分布的平均粒徑。作為濾餅比阻計(jì)算，通常使用按個(gè)數(shù)分布的平均粒徑。

顆粒層的堆積密度B也與d0有關(guān)，d0愈小，B愈大。B與d0呈何種定量關(guān)系，目前尚無(wú)人研究，但至少是呈一次反比關(guān)系。分析式 （7）可以看出，α與B為五次方正比關(guān)系。如果B與d0至少為一次方反比關(guān)系，那么α與d0至少為七次方反比關(guān)系。

假如二級(jí)過(guò)濾中前一級(jí)已將固體顆粒去除90%，則第二級(jí)的c幾乎只有第一級(jí)的10%，且顆粒的d0一般會(huì)減少至1/3（假如第一級(jí)d0=2μm，則第二級(jí)d0=0.67μm），如果比阻與d0呈七次方反比關(guān)系，則α增加37=2 187倍，αc增加218.7倍。根據(jù)式 （2）計(jì)算，平均濾速減少至1/14.8，即濾速只有原來(lái)的6.76%。采用二級(jí)過(guò)濾，第一級(jí)將固體去除90%，固體只剩下10%，但濾液體積減少不多，仍有90%以上的濾液需通過(guò)第二級(jí)過(guò)濾，而第二級(jí)的平均濾速已降至原來(lái)的6.76%，因此第二級(jí)過(guò)濾面積需增加15倍，否則無(wú)法達(dá)到過(guò)濾要求。

總之，采用二級(jí)或更多級(jí)的多級(jí)過(guò)濾，徒增加能耗與物耗，徒增加成本，對(duì)改善過(guò)濾操作毫無(wú)好處。

（3） 真空過(guò)濾

真空過(guò)濾在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用很廣泛，尤其是連續(xù)鼓式、連續(xù)轉(zhuǎn)盤式與連續(xù)帶式的真空過(guò)濾機(jī)應(yīng)用非常普遍。除非某些易揮發(fā)性物料或有嚴(yán)重腐蝕性物料不適宜，對(duì)大多數(shù)顆粒粒徑大于10μm的物料，連續(xù)真空過(guò)濾機(jī)很實(shí)用，使用也很方便。連續(xù)真空過(guò)濾需要三種能耗、一是液固過(guò)濾過(guò)程本身的能耗，二是過(guò)濾機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械傳動(dòng)能耗，三是產(chǎn)生真空系統(tǒng)的能耗。第一項(xiàng)與第二項(xiàng)能耗都很小，只有第三項(xiàng)能耗很高，但是很少有人關(guān)注真空過(guò)濾的能耗為什么相當(dāng)高？

真空系統(tǒng)的能耗除了少量用于液固過(guò)濾本身的能耗外，主要消耗于產(chǎn)生真空與維持真空這兩方面。產(chǎn)生真空的能耗即是將承受濾液的真空容器在過(guò)濾啟動(dòng)前從常壓狀態(tài)抽至真空狀態(tài)所需能耗；維持真空的能耗是在正常過(guò)濾時(shí)，為了維持真空容器所需的真空，并使過(guò)濾濾液順利進(jìn)入真空容器，將與濾液等體積的真空容器內(nèi)殘余氣體抽出、壓縮并將其排至大氣所需的能耗。

抽真空的能耗按氣體單級(jí)絕熱壓縮功率計(jì)算：

式中p1——吸入氣體的壓力 （絕對(duì)壓力）；

V——吸入狀態(tài)下氣體的體積流量；p2/p1——?dú)怏w壓縮比；

K——?dú)怏w絕熱指數(shù)， 對(duì)空氣K=1.4。將真空容器從大氣狀態(tài)抽至真空狀態(tài)，p1是不斷變化的，從大氣壓 （p2）逐漸減小至最后達(dá)到真空狀態(tài) （p1），應(yīng)將式 （8） 以變量p1進(jìn)行積分， 最后得到產(chǎn)生真空的能耗公式：

維持真空的能耗按式 （8）計(jì)算。

假如某一連續(xù)真空過(guò)濾機(jī)，真空過(guò)濾時(shí)，過(guò)濾濾液量為 60 m3/h，即 V=1 m3/m in，p1=5 066.25 Pa， 大氣壓力 p2=101 325 Pa， 壓縮比 p2/p1=20，K=1.4，假如真空泵效率為0.75。

按式(8)計(jì)算，其維持真空的能耗為10.8 kW。

按式(9)計(jì)算，其產(chǎn)生真空的能耗為10.9 kW。

液固過(guò)濾本身能耗不高 （按H=9.5 m算，Q=60m3/h=0.017m3/s，η=0.75），以離心泵功率計(jì)算，其過(guò)濾本身能耗只有2.1 kW。

如不考慮連續(xù)真空過(guò)濾機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)能耗，其過(guò)濾本身能耗與真空系統(tǒng)能耗總計(jì)為23.8 kW，過(guò)濾本身能耗只占8.8%，91.2%能耗都是真空系統(tǒng)的能耗。真空系統(tǒng)能耗共為21.7 kW，如果每天過(guò)濾20 h，每天真空系統(tǒng)耗電為434 kW·h，全年 （按330天計(jì)）共需耗電14.33萬(wàn)kW·h。如果每年這種真空過(guò)濾機(jī)有一萬(wàn)臺(tái)運(yùn)行，則全年多耗電14億度。如果全國(guó)這類過(guò)濾機(jī)有十萬(wàn)臺(tái)，全年就多耗電140億度。

（4） 錯(cuò)流過(guò)濾

如果物料中固體顆粒非常細(xì)，都小于0.1μm，形成濾餅后其比阻非常大，致使濾餅過(guò)濾時(shí)的平均濾速非常小；由于顆粒細(xì)，顆粒表面能大，顆粒與濾材之間的粘合力也相當(dāng)大。對(duì)于這類物料，為了使其能獲得較滿意的平均濾速，無(wú)濾層的錯(cuò)流過(guò)濾方法就為許多人選用。料漿在濾材表面高速流動(dòng)，可將過(guò)濾時(shí)形成的濾餅層及時(shí)沖刷掉，可使平均濾速大幅提高。料漿在濾材表面的線速度必須很高，一般要超過(guò)5～10m/s。顆粒愈細(xì)，線速度愈大。料漿高速流動(dòng)要耗很大的能量。其實(shí)只有在濾材表面附近一層的高速流動(dòng)的能耗是有效能耗，離表面稍遠(yuǎn)的高速流動(dòng)的能耗均是無(wú)效能耗。

錯(cuò)流方法最先用于超濾、納濾、反滲透等均相分離的操作中，是為減少均相膜表面附近的濃差極化而采取的措施。由于料液中沒(méi)有固體顆粒，兩相鄰膜之間的間隙可以非常小，因而無(wú)效能耗也非常少。此方法如用于含有一定量細(xì)顆粒的非均相過(guò)濾，兩濾材之間的空間不可能非常小，否則該空間會(huì)被濃縮后的細(xì)顆粒堵塞，因此非均相分離的錯(cuò)流過(guò)濾器很少制成易堵塞的卷膜式，絕大多數(shù)制成不易堵塞的管束式。

錯(cuò)流管束過(guò)濾器只能起增稠作用，不能產(chǎn)生較干濾餅。過(guò)濾管直徑必須很小，其無(wú)效能耗才較少。這類過(guò)濾器的單位體積內(nèi)可獲得很大的過(guò)濾面積。但無(wú)論直徑多小，其無(wú)效能耗比過(guò)濾本身能耗都要大很多倍。

例如一臺(tái)過(guò)濾面積為50m2的錯(cuò)流管束過(guò)濾器，如果過(guò)濾管內(nèi)徑為4mm，長(zhǎng)為1m，過(guò)濾機(jī)內(nèi)管數(shù)為3 979根，如要保持料漿在過(guò)濾管內(nèi)的平均流速為6 m/s，料漿的循環(huán)流量必須為1 080 m3/h。如果料漿在過(guò)濾管進(jìn)出口壓差為0.1MPa，假如循環(huán)離心泵的效率為0.8，按式 （1）計(jì)算，其循環(huán)泵的功耗為36.8 kW，每天耗電882 kW·h，全年 （按330天計(jì)）需耗電29萬(wàn)kW·h；如果將過(guò)濾管內(nèi)徑制為2mm，這么細(xì)難制成1m長(zhǎng)，只能制成0.5m長(zhǎng)，一臺(tái)50m2的錯(cuò)流過(guò)濾器需安裝7 958根過(guò)濾管。由于過(guò)濾管內(nèi)孔太細(xì)，需將料漿在過(guò)濾管中的平均濾速提至10m/s，循環(huán)流量為900m3/h，如過(guò)濾管進(jìn)出口壓差需為0.13MPa，其每小時(shí)耗電近40 kW·h，每天960 kW·h，全年近32萬(wàn)kW·h。

一臺(tái)50m2的管束型錯(cuò)流過(guò)濾器，如過(guò)濾超細(xì)的小顆粒，其平均過(guò)濾濾速最多只有約1 m3/(m2·h)，總的濾液量也只有約50m3/h。過(guò)濾時(shí)過(guò)濾管內(nèi)外壓差約0.1MPa，其過(guò)濾本身能耗也只有1.36 kW。如果泵效率為0.8，實(shí)際過(guò)濾本身能耗只有1.7 kW，即全年耗電只有1.35萬(wàn)kW·h。而采用錯(cuò)流方式，雖提高了平均濾速，循環(huán)能耗卻比過(guò)濾本身能耗高20多倍。

從減排效果看，高精度的錯(cuò)流過(guò)濾器是一種很高效的過(guò)濾器?？蛇z憾的是它的高效與減排是建立在高耗能基礎(chǔ)上的。除非細(xì)顆粒100%是小于0.1 μm的微粒，目前暫時(shí)還找不到更好的方法而不得不采用錯(cuò)流過(guò)濾。如果顆粒稍微大些，應(yīng)盡可能用更節(jié)能的過(guò)濾方法。

2 幾種常用的過(guò)濾裝置與過(guò)濾方法的物耗分析

某些常見(jiàn)的過(guò)濾裝置與過(guò)濾方法，其直接能耗雖不高，但間接能耗卻不低。這就是一些高物耗的過(guò)濾裝置與過(guò)濾方法。

（1）低效又多耗材的手動(dòng)板框壓濾機(jī)或廂式壓濾機(jī)

板框壓濾機(jī) （包括廂式壓濾機(jī)）是一類有一百五十年歷史的古老過(guò)濾機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，占地面積小，過(guò)濾面積大。自采用增強(qiáng)聚丙烯作基礎(chǔ)材料，其防腐性能明顯提高，價(jià)格又相對(duì)較低，因而在發(fā)展中國(guó)家獲得大規(guī)模推廣應(yīng)用；自采用彈性皮膜擠壓濾餅的技術(shù)后，明顯降低能耗，又進(jìn)一步擴(kuò)大了其應(yīng)用領(lǐng)域。

目前板框壓濾機(jī)，尤其大量手動(dòng)板框壓濾機(jī)存在的突出問(wèn)題是其濾材均選用編織的柔性濾布或非編織的柔性濾氈。由于濾布的孔徑比較大，過(guò)濾效率較低，過(guò)濾啟動(dòng)后需要長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)過(guò)濾，即使是毛細(xì)孔徑較小的非編織濾氈，如遇到平均粒徑為1μm的細(xì)顆粒，仍需相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)過(guò)濾，只是循環(huán)時(shí)間比編織濾布要短一些。嚴(yán)重的弊病是這些濾布或?yàn)V氈使用壽命都很短。其連續(xù)壽命絕大多數(shù)不超過(guò)半年，有的甚至不超過(guò)三個(gè)月。使用壽命短的原因除部分是機(jī)械損壞外，大多數(shù)是由于濾布或?yàn)V氈被細(xì)顆粒堵塞后無(wú)法用物理方法再生，而循環(huán)過(guò)濾又最易導(dǎo)致嚴(yán)重堵塞。濾布或?yàn)V氈目前價(jià)格雖不太貴，但卻需大量化工原料與能耗加工而成，加工過(guò)程又易伴生環(huán)境污染問(wèn)題。全國(guó)手動(dòng)板框壓濾機(jī)或廂式壓濾機(jī)至少有十多萬(wàn)臺(tái)在使用，每年易耗的濾布或?yàn)V氈肯定是個(gè)天文數(shù)字，只是目前還無(wú)人作這方面的統(tǒng)計(jì)。每年大批的廢棄濾布或?yàn)V氈，雖可部分回收廢物利用，但其資源成本、能源成本與環(huán)境成本是觸目驚心的。

除了板框壓濾機(jī)等過(guò)濾機(jī)所用的濾布與濾氈是短壽命的易耗品，某些澄清過(guò)濾濾材，如噴融濾芯、濾紙或?yàn)V膜折疊濾芯等濾材，都是一次性使用的易耗品。雖然每個(gè)過(guò)濾器內(nèi)濾芯不多，但這種濾芯的應(yīng)用面極廣。由于其無(wú)法再生，每年消耗量也是個(gè)天文數(shù)字。

（2）分散型濾材的深層澄清過(guò)濾器

分散型濾材有分散顆粒型 （如石英砂、無(wú)煙煤粒、泡沫微球等）與分散纖維型 （如纖維球與纖維束等）兩大類。這些分散濾材主要用于澄清過(guò)濾。濾材層厚度相當(dāng)厚，一般達(dá)1m左右。這些過(guò)濾器是傳統(tǒng)古老的裝置，尤其顆粒型，從古代就已存在。分散型濾材的深層澄清過(guò)濾器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，操作容易。濾層內(nèi)容渣量很大，料液經(jīng)過(guò)過(guò)濾層，其液體線速度也很大，因而這類過(guò)濾器的處理能力均很大。這些深層過(guò)濾器的濾材基本均可長(zhǎng)期使用，壽命相當(dāng)長(zhǎng)，每年消耗量相當(dāng)少。

分散型濾材的深層澄清過(guò)濾器雖有這么多優(yōu)點(diǎn)，卻不屬節(jié)能減排型，因?yàn)檫@些濾器有兩大致命傷。第一，由于深層濾器內(nèi)濾材相當(dāng)厚，濾材層孔隙中積留大量細(xì)顆粒，這些細(xì)顆粒大多與濾材粘吸在一起。物理再生時(shí)，需用相當(dāng)動(dòng)力的清洗液對(duì)過(guò)濾器內(nèi)的濾材層進(jìn)行劇烈攪動(dòng)與翻騰，才能將濾材層內(nèi)的細(xì)顆粒與濾材分開(kāi)，隨清洗液流走。翻動(dòng)時(shí)須劇烈，時(shí)間要長(zhǎng)，因此不僅翻動(dòng)的動(dòng)力消耗大，清洗液消耗量更大。一般再生清洗液的耗量可達(dá)過(guò)濾液的10%～20%。如果回用這部分清洗液，需另設(shè)置高效精密濾餅過(guò)濾器，其所能過(guò)濾的濾餅量就是深層過(guò)濾層內(nèi)全部截留的細(xì)顆粒。由于顆粒相當(dāng)細(xì)，此清洗液過(guò)濾器投資費(fèi)與動(dòng)力費(fèi)都不小。如果清洗液不回收，直接排放，將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。尤其當(dāng)分散型濾材的深層過(guò)濾器過(guò)濾的料液不是中性液體，而是酸性、堿性或其他有毒有害液體，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。第二，此類過(guò)濾器過(guò)濾效率不穩(wěn)定，尤其當(dāng)固體顆粒是較黏性的物料時(shí)，或者經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間過(guò)濾，濾層內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一些粘附性物質(zhì)，這時(shí)就會(huì)在分散濾材中局部發(fā)生 “板結(jié)”現(xiàn)象。濾層內(nèi)多處產(chǎn)生板結(jié)就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)濾層產(chǎn)生“局部溝流”，以致整體過(guò)濾效率大幅惡化。

（3） 助濾過(guò)濾

對(duì)難濾物料，投加固體助濾劑助濾，是一種很普遍很傳統(tǒng)的方法。助濾分為 “表面預(yù)涂助濾”與“本體助濾”兩種。前者可提高過(guò)濾精度與過(guò)濾效率，又可改善濾餅的卸除效率；后者可改善濾餅層的孔隙率，提高平均濾速。前者的操作相對(duì)麻煩；后者操作簡(jiǎn)便。對(duì)許多難濾物料，兩種助濾方法可同時(shí)使用。

固體助濾劑有兩大類。一類是地礦產(chǎn)品，如硅藻土、珍珠巖 （石棉、滑石粉也可被用作助濾劑）；另一類是植物加工產(chǎn)品，如纖維素、炭粉等。助濾劑是一次性使用的易耗品，很少有人使用后進(jìn)行再生與復(fù)用。地礦產(chǎn)品是不可再生資源，只會(huì)愈來(lái)愈少；植物加工產(chǎn)品是可再生資源，但加工過(guò)程的能耗、物耗及對(duì)環(huán)境的破壞要比地礦產(chǎn)品高。

固體助濾劑只能用于只要濾液，不回收固體濾餅的那類物料。如固體顆粒非常細(xì)、非常黏，濾餅的壓縮性很大，對(duì)這類難濾物料，加固體助濾劑是一種比較簡(jiǎn)便又有效的方法。這一技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用很普遍，因而助濾劑的消耗量相當(dāng)大。但從節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)、保護(hù)地球等要求來(lái)評(píng)判，采用助濾劑助濾卻是耗能耗材的技術(shù)。根據(jù)大量應(yīng)用研究，助濾劑的最佳投加量應(yīng)與被過(guò)濾的固體重量相等。按這一指標(biāo)去使用，每年使用的助濾劑必然是個(gè)天文數(shù)字。制取地礦產(chǎn)品的助濾劑需消耗大量能源與化學(xué)原料；制取有機(jī)助濾劑，能耗與物耗往往更多，價(jià)格更貴。如果在助濾劑的制造、應(yīng)用及回收再生上不作研究，仍按目前的習(xí)慣與方法發(fā)展下去，那對(duì)我國(guó)節(jié)能減排的阻礙，對(duì)環(huán)境的破壞也是相當(dāng)殘酷的。

3 改變液固過(guò)濾操作中耗能又耗材的落后面貌

目前生產(chǎn)上既節(jié)能又減排的液固過(guò)濾技術(shù)已出現(xiàn)幾個(gè)，但大多是既不節(jié)能，又不減排；有的雖然減排，卻不節(jié)能；有的表面看雖屬節(jié)能，卻不減排。本文特重點(diǎn)列出四種耗能型與三種耗材型過(guò)濾技術(shù)，都是目前工業(yè)生產(chǎn)上普遍使用的，但其能耗與物耗至今并未被重視的過(guò)濾技術(shù)，目的是拋磚引玉，以引起更多人關(guān)心與重視。

3.1 積極推廣現(xiàn)有的既節(jié)能又減排的過(guò)濾裝置

(1）連續(xù)陶瓷真空過(guò)濾機(jī)

由芬蘭Valmetoy公司與Auto Kumpom intec等研究試制成功的連續(xù)陶瓷真空過(guò)濾機(jī)，已獲得廣泛應(yīng)用。它的過(guò)濾推動(dòng)力不是流體壓差，而是毛細(xì)效應(yīng)。真空作用只是將已吸入陶瓷板毛細(xì)孔內(nèi)的濾液拉引出來(lái)，不需多大功率，因而屬節(jié)能型過(guò)濾裝置。

這種連續(xù)陶瓷真空過(guò)濾機(jī)我國(guó)已有幾家制造廠仿制，并已在國(guó)內(nèi)不少企業(yè)獲得成功應(yīng)用。

由于過(guò)濾原理是毛細(xì)效應(yīng)，只要固體顆粒為憎液型的，其毛細(xì)效應(yīng)就非常顯著，可以過(guò)濾很細(xì)小的顆粒。對(duì)親液型顆粒，它只適宜較粗顆粒，即只能過(guò)濾大于10μm的顆粒。如顆粒小于10μm，其濾餅層中毛細(xì)孔的毛細(xì)吸引就相當(dāng)大。陶瓷盤上的毛細(xì)吸力難以吸引濾餅層內(nèi)的濾液，因而對(duì)親液型顆粒，該機(jī)只適宜過(guò)濾較粗的顆粒，這是該過(guò)濾機(jī)的主要缺陷。此外，陶瓷濾盤的機(jī)械性能有待提高，目前發(fā)現(xiàn)某些陶瓷濾盤易損壞，壽命較短。

（2）剛性高分子精密微孔過(guò)濾機(jī)

這是我們獨(dú)立自主研發(fā)成功的過(guò)濾機(jī)，國(guó)外至今還沒(méi)有這種完整技術(shù)的新型液固過(guò)濾裝置。

該過(guò)濾技術(shù)最大特點(diǎn)是過(guò)濾精度與過(guò)濾效率非常高，水溶液類液體中，0.3μm微粒幾可100%濾??；采用壓力氣體快速反吹法可很快卸除濾材表面較干的濾餅，且時(shí)間短，又很方便?？捎脷庖嚎焖俜创捣▽?duì)被堵塞濾材進(jìn)行高效物理再生，簡(jiǎn)單又便捷；濾材的化學(xué)性能非常優(yōu)越，可耐大多數(shù)酸、堿、鹽及大多數(shù)有機(jī)溶劑，濾材壽命2～5年以上，屬于長(zhǎng)效濾材。過(guò)濾機(jī)的結(jié)構(gòu)有多種，既可用于含固量多的物料的濾餅過(guò)濾，以及洗滌、壓干和自動(dòng)快速卸除濾餅，也可用于含固量少、液體量大的液體澄清過(guò)濾；既可用于有腐蝕性物料的過(guò)濾，也可用于醫(yī)藥、食品等高要求物料的精密過(guò)濾。該過(guò)濾機(jī)已大規(guī)模用于化工、制藥、冶金、食品、機(jī)械、環(huán)保等工業(yè)部門，全國(guó)已有6 000多臺(tái)各種規(guī)格的過(guò)濾機(jī)在各工業(yè)部門使用，最長(zhǎng)應(yīng)用歷史已有30多年。這種過(guò)濾機(jī)是高效長(zhǎng)效、節(jié)能減排、完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的液固過(guò)濾機(jī)。

3.2 大力改造高耗能或高耗材的過(guò)濾裝置

在四種高耗能與三種高耗材的過(guò)濾裝置與過(guò)濾方法中，循環(huán)過(guò)濾與真空過(guò)濾耗能量巨大，板框壓濾機(jī) （或廂式壓濾機(jī)）的耗材也極為驚人。

（1）生產(chǎn)上之所以廣泛采用循環(huán)過(guò)濾，其原因不僅僅是由于濾材規(guī)格選擇不合理，也與整個(gè)過(guò)濾工程的設(shè)計(jì)有關(guān)。若濾材選擇正確，過(guò)濾工程設(shè)計(jì)也比較合理，可使循環(huán)時(shí)間明顯減少，能耗顯著下降。但由于濾布 （或?yàn)V氈）都是難高效物理再生的柔性材質(zhì)，循環(huán)時(shí)間的明顯減少往往會(huì)導(dǎo)致其堵塞速度大幅上升，使用壽命更短，耗能型成為耗材型。最近二十多年，許多板框或廂式壓濾機(jī)增加了皮膜擠壓裝置，使許多濾餅壓干操作節(jié)能顯著，但高耗材的弊病并沒(méi)有多少改觀。

研制能高效簡(jiǎn)易物理再生的柔性濾布，是解決柔性濾布短壽命的唯一途徑。但這是一項(xiàng)需長(zhǎng)期努力的艱難任務(wù)，目前短時(shí)間內(nèi)難有快速突破的希望。對(duì)一些新用戶企業(yè)或需重點(diǎn)改造的用戶企業(yè)，要減少過(guò)濾操作中的高能耗與高物耗，只能用已成熟的節(jié)能又減排的過(guò)濾技術(shù)與裝置，而在原來(lái)的老裝置上進(jìn)行小修小改，很難取得較大改觀。

（2）真空過(guò)濾是耗能非常高的傳統(tǒng)過(guò)濾裝置，全國(guó)在用臺(tái)數(shù)又非常多，如要減低能耗，不必花大代價(jià)改造過(guò)濾機(jī)本身結(jié)構(gòu)，最佳途徑是改造其真空系統(tǒng)。

（3）分散型深層澄清過(guò)濾器再生時(shí)耗液 （或水）非常大，占地面積也大，過(guò)濾效率又不穩(wěn)定。若物料處理量大，料液含有毒有害成分，盡量不要選用這類過(guò)濾裝置，可采用大過(guò)濾面積的 “剛性濾材的自動(dòng)薄層過(guò)濾”。這種過(guò)濾技術(shù)既可保證高過(guò)濾精度與高過(guò)濾效率，又不需大量再生液 （包括再生水）；既可節(jié)約土地面積，又不污染環(huán)境，能耗也不明顯增加。

（4）錯(cuò)流過(guò)濾是一種耗能相當(dāng)大的過(guò)濾技術(shù)，不應(yīng)提倡選用。其高過(guò)濾精度與高過(guò)濾效率完全可用 “剛性濾材的自動(dòng)薄層過(guò)濾”取代，雖然其平均濾速比錯(cuò)流過(guò)濾低些，但一般只有20%～40%的降低，而能耗卻大幅下降。

（5）現(xiàn)在許多工業(yè)生產(chǎn)廣泛使用一些非過(guò)濾的分離裝置。如自然沉降（如濃密機(jī)等）、斜板、斜管等，雖屬節(jié)能型，操作也很簡(jiǎn)便，但分離效率卻很低，占地面積大，一次性投資往往也不低。自然沉降型的分離裝置對(duì)1μm以下的微粒幾乎無(wú)法回收，會(huì)造成大量寶貴資源流失，資源成為環(huán)境的污染源。這類落后的非過(guò)濾分離裝置完全可以用 “剛性自動(dòng)薄層過(guò)濾”取代，雖然其動(dòng)力消耗比重力沉降大些，但卻可完全解決細(xì)顆粒等資源的回收問(wèn)題，占地面積可大幅減少，也不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。

（6）多級(jí)過(guò)濾一般不宜使用。但如遇到處理量很大，料液中含固濃度又非常高，在此特殊條件下，可采用二級(jí)過(guò)濾，但第一級(jí)過(guò)濾效率不能高，只能將料液中60%～70%固體過(guò)濾掉，要留下30%～40%固體供第二級(jí)過(guò)濾。若能達(dá)到這一條件，第二級(jí)過(guò)濾就不必增加很多過(guò)濾面積。但實(shí)際操作中這往往比較困難，因?yàn)榈谝患?jí)過(guò)濾時(shí)，一旦形成較厚的濾餅，其過(guò)濾效率與過(guò)濾精度會(huì)明顯提高，很難會(huì)留下30%～40%的固體供第二級(jí)過(guò)濾。

（7）助濾過(guò)濾雖是解決某些難濾物料過(guò)濾的好方法，但不宜廣泛采用，應(yīng)盡量少用，使用后盡可能以較低代價(jià)進(jìn)行再生與回用。其實(shí)在不少的助濾過(guò)濾應(yīng)用中，是可以讓相當(dāng)大比例的無(wú)機(jī)助濾劑達(dá)到回用要求的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文只是對(duì)工業(yè)生產(chǎn)上目前常見(jiàn)的過(guò)濾技術(shù)其能耗與物耗作一些分析，還缺乏統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的支持，只希望以此拋磚引玉，能引起各有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)與廣大過(guò)濾行業(yè)科技人員關(guān)心能耗與物耗問(wèn)題，為落實(shí)我國(guó)節(jié)能減排的戰(zhàn)略任務(wù)作一些貢獻(xiàn)。

Energy and M aterialConsum ption of Some Common M ethodsof Liquid-solid Filtration and ItsDirection of Im provements

Song Xianhong Song Zhili

TQ 051.8

2010-11-23）

*宋顯洪，男，1938年10月生，教授。上海市，200060。