煤用壓濾機及濾板和濾布的選擇

朱 謙 徐志強

（1.德國連恩舍過濾有限公司上海代表處，上海市楊浦區(qū)，200082；2.中國礦業(yè)大學 （北京）化工和環(huán)境工程學院，北京市海淀區(qū)，100083）

隨著我國選煤技術(shù)的飛速發(fā)展，選煤廠廠型越來越大、分選效率不斷提高、細粒級煤炭量增加、煤質(zhì)變差以及煤泥增多等問題也隨之而來，這就對煤泥水處理系統(tǒng)的把關(guān)設(shè)備——壓濾機提出了更高要求。從20世紀末開始，廂式壓濾機因為其可靠的性能開始代替加壓過濾機，成為了煤泥脫水的主力設(shè)備。從2002 年起，隔膜壓濾機又因產(chǎn)能大、高效率、經(jīng)濟實用、性價比高以及更優(yōu)越的脫水效率進入了選煤行業(yè)。2005 年后，由于要求商品煤水分小于9%，使得隔膜壓濾機迅速在選煤行業(yè)內(nèi)應(yīng)用，并極大地推動了壓濾機的改進和更新，涌現(xiàn)出一批以快開式壓濾機和2.5 m 大型濾板為代表的新型高效壓濾機。

本文就煤用壓濾機的基本要求和特征以及目前選煤行業(yè)在壓濾機應(yīng)用方面的關(guān)注點和發(fā)展趨勢，結(jié)合壓濾機濾板和濾布的選擇因素進行了綜合闡述。

1 煤用壓濾機的基本要求和特征

（1）設(shè)備大型化。采用大型濾板和短配置不僅可以減少占地，同時由于濾板組件變短導致壓差傳遞次數(shù)減少，壓差容易被阻斷，在增加處理量的同時還可以減少因成餅不均勻所產(chǎn)生的危險壓差?？扉_式壓濾機在濾板組件中間增加了金屬驅(qū)動板，可徹底阻斷壓差的傳遞，延長濾板和整個壓濾機的壽命。

（2）運行快速化。要求壓濾機入料快、排液快、卸餅快以及更換濾布快，這就有利于大型壓濾機采用多端口入料、明暗流同時排液、過濾面設(shè)計優(yōu)化、縮短隔膜擠壓技術(shù)的過濾周期以及帶入料靴的板布分離結(jié)構(gòu)等措施的實現(xiàn)。而對于特大型的壓濾機，采用高位槽入料法更為合適。在過濾初期，選用高位自流的方法向壓濾機無障礙入料，實現(xiàn)快速過濾，無需進料泵可以大大節(jié)省能耗；過濾后期則采用小流量高壓泵，可降低成本。

（3）系統(tǒng)可靠性。在使用壓濾機時，除了要求液壓系統(tǒng)、拉板系統(tǒng)、洗布系統(tǒng)和集液翻板系統(tǒng)等可靠之外，及時知道濾布的損壞情況和發(fā)現(xiàn)損壞濾布的確切位置對整個工藝的穩(wěn)定運行也是非常重要的。將德國連恩舍過濾有限公司發(fā)明的三通取樣閥應(yīng)用到壓濾機中，可以在不影響工藝流程的情況下，精確發(fā)現(xiàn)損壞濾布的確切位置，避免濾布損壞帶來的一系列問題。

2 煤用壓濾機及濾板選擇

2.1 廂式壓濾機

廂式壓濾機主要依靠入料泵提供的液壓驅(qū)動力進行脫水，懸浮液泵入壓濾機后，首先在濾腔兩側(cè)的濾布表面形成濾餅，然后不斷向濾腔中間增厚。連續(xù)液相的存在是保持液壓驅(qū)動力的前提，所以濾餅中心始終存在一個濃度高于入料濃度、并以液體為連續(xù)相的固液混合體，俗稱 “囊心”。“囊心”的大小與煤泥的性質(zhì) （如顆粒大小、灰分、泥化程度等）有著很大的關(guān)系?！澳倚摹钡拇嬖跁绊憺V餅的水分，并阻礙卸餅。對于相同的煤泥，采用高壓入料可減小 “囊心”的存在，然而提高入料的壓力在很大程度上會導致危險壓差的出現(xiàn)。

現(xiàn)有兩個途徑可以減少危險壓差出現(xiàn)的幾率，一是通過增加濾板基板的厚度，二是通過增加濾板支撐凸臺的數(shù)量或直徑。選擇壓力時，通常要考慮濾板的承壓，目前濾板的壓力等級分為0.8 MPa、1.6MPa和更高壓力3個額定壓力檔次。這些等級均是在常溫下進行分類定義的，忽略了溫度對濾板承壓能力的影響，1.6 MPa額定壓力下箱式濾板溫度和過濾／水洗壓力曲線見圖1。

圖1 1.6 MPa額定壓力下箱式濾板溫度和過濾／水洗壓力曲線

由圖1可以看出，在固定濾板支撐凸臺數(shù)量的情況下，隨著溫度的升高，其抵抗危險壓差的能力下降，這是因為濾板材料 （聚丙烯）隨著溫度升高會變軟，流動性增強，剛性下降。因此，選擇壓濾機和濾板時，需綜合考慮其耐壓范圍和操作溫度，單方面考慮耐壓或耐溫能力是不恰當?shù)?。一般均聚級聚丙烯濾板的工作溫度在15 ℃～100 ℃之間，當濾板工作溫度處于15 ℃以下時，必須將材料變更為共聚級聚丙烯，以克服低溫時聚丙烯玻璃化而使濾板變脆等缺點。

2.2 隔膜壓濾機

與廂式壓濾機的區(qū)別在于隔膜壓濾機中濾板有2個可前后移動的過濾面 （隔膜），當過濾工序完成后，在隔膜與基板之間形成的擠壓腔中，通入擠壓介質(zhì) （如壓縮空氣或液體），可對濾餅進行二次擠壓，使得 “囊心”在二次擠壓的作用下均勻脫水，形成含水率更低和更加均勻的濾餅。由于隔膜濾板擠壓的壓力與相鄰的隔膜濾板的工作壓力相等，二者壓力可以相互抵消，所以隔膜濾板即使在更高的二次擠壓作用下對濾餅進行深度脫水時也不會形成壓差，不會造成濾板的基板變形。

一般情況下，隔膜濾板的擠壓介質(zhì)采用壓縮空氣或不可壓縮液體 （例如水）。當擠壓壓力低于0.8 MPa時，選用壓縮空氣較多，主要原因是由于0.8 MPa的空壓機價格相對低廉，選擇余地大，而且壓縮空氣單元的控制系統(tǒng)簡單且成本較低；當擠壓壓力大于1.6MPa，使用壓縮空氣作為擠壓介質(zhì)的安全隱患較大，為了安全考慮，不可壓縮液體成為首選。但是使用不可壓縮流體作為擠壓介質(zhì)時也有一個缺點，特別是在高壓擠壓完成前，由于濾餅的壓縮性近乎消失，擠壓壓力會迅速升高，為了控制壓力，設(shè)計的壓榨單元較為復雜，成本較高。

與廂式濾板類似，隔膜濾板的強度和剛性也會受到溫度的影響，所能承受的過濾／水洗壓力以及擠壓壓力也因此受到影響，0.8 MPa額定壓力下隔膜濾板的溫度和過濾／水洗壓力關(guān)系曲線以及溫度和擠壓壓力的關(guān)系曲線如圖2和3所示。但由于隔膜擠壓壓力不產(chǎn)生壓差，所以在同等溫度下，擠壓壓力比過濾／水洗壓力大很多。

圖2 0.8 MPa額定壓力下隔膜濾板的溫度和過濾／水洗壓力關(guān)系曲線

圖3 0.8 MPa額定壓力下隔膜濾板的溫度和擠壓壓力的關(guān)系曲線

此外，隔膜擠壓壓力的升高速率與溫度也有明顯的關(guān)系，0.8 MPa額定壓力下隔膜擠壓壓力的升高速率與溫度的關(guān)系曲線見圖4。這是由于低溫時濾板材料脆性比較大，材料響應(yīng)時間長，擠壓壓力升高不能太快。當溫度高了以后，濾板材料強度減弱，也不宜升壓太快，但由于高溫時隔膜材料變軟，升壓速率可以比低溫時高。

綜合考慮壓力與溫度是正確使用高分子材料濾板的必要條件。為了節(jié)約設(shè)備投資成本，目前全球普遍采用廂式濾板和隔膜濾板相間排列的組合方式，稱之為 “混合組件”?；旌辖M件對濾餅施加的壓力與純隔膜濾板配置一樣，但隔膜的位移比純隔膜濾板配置增加了一倍，會影響部分隔膜濾板的壽命。

圖4 0.8 MPa額定壓力下隔膜擠壓壓力的升高速率與溫度的關(guān)系曲線

2.3 干燥壓濾機

隨著對濾餅含水率的要求越來越低，僅靠提高隔膜擠壓壓力這種機械脫水方法已經(jīng)很難達到要求，此時干燥壓濾機應(yīng)運而生。干燥壓濾機是將隔膜壓濾機和熱力干燥合二為一的一種設(shè)備，某些情況下可以將濾餅水分脫至1%以下，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

由圖5 可見，干燥壓濾機由機架、干燥濾板（混合組件）、加熱系統(tǒng)以及真空冷凝等系統(tǒng)組成。干燥濾板組中的隔膜濾板不作任何改變，而其中廂式濾板的材料換成了導熱系數(shù)更高的金屬材料。由于聚丙烯隔膜濾板的最大工作溫度為100℃，為了提高干燥的溫差驅(qū)動力，通常采用真空泵將過濾腔室抽至-10～-20kPa的真空狀態(tài)，降低濾液的沸點。同時采用加熱系統(tǒng)循環(huán)加熱水至80 ℃～95℃，并從下端將水泵入干燥濾板，帶盤形的熱水流道的干燥濾板見圖6，以保證干燥板處于較高的傳熱溫度，并采用熱力學的方法降低濾餅水分。在干燥階段，必須保持隔膜處于擠壓狀態(tài)，保證濾餅始終完全緊貼干燥濾板，沒有空氣縫隙，保證傳熱效率。如果隔膜沒有對濾餅進行擠壓，就會隨著不斷脫水而收縮變薄，濾餅則有可能與干燥濾板脫離，導致濾餅處于懸空狀態(tài)，干燥并不充分。所以干燥時，壓濾機必須處于擠壓、加熱、真空三者同時工作的狀態(tài)見圖7。

壓濾機干燥可分為兩個階段：

（1）熱間歇泉階段。熱間歇泉階段是熱力學和機械脫水的過渡階段，在正常機械脫水后的濾餅中含有許多毛細管，當緊貼干燥濾板一側(cè)的濾餅被加熱時，該側(cè)毛細管中的液體會隨著溫度的升高汽化形成氣泡，當氣泡中的壓力大于毛細管壓力時，氣泡猶如柱塞一般可將毛細管中其余液體頂出毛細管，類似于熱間歇泉的自然現(xiàn)象，形成氣／液兩相瞬間噴發(fā)。與蒸發(fā)干燥消耗的熱能相比，壓濾機干燥僅在汽化一側(cè)濾餅毛細管中的水分時消耗熱能，而大部分水分無需汽化就會被脫除，因此能耗顯著減小。在利用熱間歇泉階段脫水時，需注意濾餅可以達到水分，這是干燥／脫水的經(jīng)濟點，可以達到此點能耗小、效率高。物料不同經(jīng)濟點也不同，精煤大約在14%左右。

圖5 干燥壓濾機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 帶盤形的熱水流道的干燥濾板

（2）真空熱傳導干燥。在-20kPa真空度時，水的沸點約為60 ℃，此時若能將干燥濾板的溫度控制在95 ℃左右，那么可以產(chǎn)生約35 ℃的溫差驅(qū)動對濾餅進行接觸干燥。溫差越大效果越好，但受到濾板材料以及濾板耐化學腐蝕性能的限制。提高干燥濾板材料的導熱系數(shù)是提高熱傳導干燥效率的一個途徑，但干燥濾板的選擇也需根據(jù)化學性能要求進行綜合評估。在真空環(huán)境下干燥效率高于常壓條件，但要維持高真空度，對設(shè)備也提出了更高的要求。目前世界上干燥濾板的形式多種多樣，材料以金屬（不銹鋼、鋁）和高分子材質(zhì)（聚丙烯）為主，形式上有平板型和廂式板型，功能上也從單一干燥功能向干燥和過濾多功能轉(zhuǎn)換。此外，為了提高熱效率，很多金屬干燥板安裝在聚丙烯的框架內(nèi)，這種做法不僅保證隔熱效果，同時解決了不同材料由于熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的濾板變形的問題。

圖7 干燥濾餅處于擠壓、加熱、真空的工作狀態(tài)圖

2.4 濾板與壓濾機的壓緊力

當濾板組件在壓濾機中壓緊時，塑料的濾板及濾布會被壓縮，并且操作溫度的變化也會造成濾板及濾布材料的熱膨脹和冷收縮。由于有很大的伸縮量，所以壓緊力在長度方向上應(yīng)有伸縮的補償功能，這個伸縮補償功能主要由壓濾機的壓緊裝置來完成。壓濾機的壓緊裝置所產(chǎn)生的壓力不僅要抵消過濾壓力和擠壓壓力，而且還必須保證過濾腔室的密封性，所以在壓濾機工作時，必須保證有一個有效的最小壓緊力Fmin，同時為了防止濾板的永久變形和機架的過載損壞，根據(jù)操作壓力和溫度的不同，必須將壓緊力限制在最大壓緊力Fmax以下。壓濾機的操作壓緊力必須介于Fmin和Fmax之間。壓緊力太小，會導致板間漏液，物料擠出，而極端情況下會導致設(shè)備損壞，還有可能影響人身安全。

在常溫下操作壓力不大于1.6 MPa時，最小壓緊力Fmin和最大壓緊力Fmax見式 （1）和式 （2）：

式中：AF——濾板過濾面積，m2；

AG——濾板面積，m2；

P——操作壓力，Pa；

S——安全系數(shù)，1.3。

當壓濾機的操作壓力高于1.6 MPa時，壓緊力則必須隨著工作壓力的提高而逐級提高，減壓時則逐級遞減，以免損壞設(shè)備。

3 濾布的選擇

從材質(zhì)上講，聚丙烯的使用范圍最廣，耐酸堿性優(yōu)良，而且在市場上作為可選的透氣率范圍也最廣；尼龍濾布有更好的耐磨蝕性能，所以在煤泥和精煤過濾中，一般尼龍布作為首選；滌綸布則能在150 ℃的溫度下工作，當然PEEK 的耐溫性更好，可以達到200 ℃。一般情況下精煤過濾的濾布透氣率在600～700L／m2·s，而原生煤泥則選用透氣率在250～400L／m2·s的單絲尼龍濾布。在濾布背面安裝大透氣率的底布，可延長濾布的壽命10%～25%。對濾布做砑光處理可以減小其與濾餅的實際接觸面積，從而降低濾餅在濾布上的附著力，有利于自動卸餅，同時砑光處理還可以將濾布的透氣率向下做一些調(diào)整。然而盡管過度的砑光處理可以使濾布的表面更加光滑，但對濾布的強度和壽命明顯有害。

4 結(jié)語

壓濾機作為煤泥水處理系統(tǒng)的把關(guān)設(shè)備，必須具有設(shè)備大型化、運行快速化和系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等基本特征。隨著對泥餅含水率越來越低的要求，對煤用壓濾機的要求也逐步提高，干燥壓濾機應(yīng)運而生并逐漸在煤泥脫水中推廣應(yīng)用。濾板是壓濾機的核心部件，過濾中起到非常重要的作用，因此選擇濾板時，一定要綜合考慮溫度和壓力的影響。正確的壓緊力是保證壓濾機系統(tǒng)正常工作和使用壽命的一個前提，尼龍單絲濾布是煤礦用壓濾機的首選。

［1］ Franz Heckl.Operating Manual-Membrane Filter Elements［M］.Munich：Bergwolf GmbH，2007

［2］ 趙選選.快開式隔膜壓濾機在浮精脫水中的應(yīng)用［J］.中國煤炭，2009 （9）

［3］ 朱謙，汪劍萍.隔膜濾板在染料行業(yè)的應(yīng)用與展望［J］.上海染料，2001（4）

［4］ 王輝峰，朱謙，韓鍇.GM 型脫水干燥壓濾機處理市政污泥［J］.通用機械，2008（10）

［5］ J.-C.艾格爾丁格，E.霍夫曼.生產(chǎn)濾餅的方法［P］.中國專利.CN 93121145.X.2000

［6］ 胡鵬飛，徐初陽，周歡歡等.高灰細粒煤泥壓濾中助濾機的應(yīng)用研究［J］.中國煤炭，2014（2）