大長徑比臥螺離心機在工業(yè)化運行中存在的問題

張 東，范 佳

（神華鄂爾多斯煤制油分公司煤氣化生產(chǎn)中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209）

1 臥螺離心機

LW760×3120NS 型臥螺離心機是中國神華鄂爾多斯煤制油分公司35 萬噸/年煤液化殘渣萃取工業(yè)化示范裝置建設(shè)及運行項目關(guān)鍵設(shè)備之一，用于油渣萃取液分離。針對油渣萃取液溫度高、黏度大、含有高比例磨蝕性顆粒等特點，參考神華煤制油上海研究院中試離心機裝置的運行數(shù)據(jù)，特別設(shè)計了該套大長徑比的LW760×3120NS 型臥螺離心機。

LW760×3120NS 型號的意義：LW 代表臥式螺旋離心機，轉(zhuǎn)鼓直徑760 mm，轉(zhuǎn)鼓工作長度3120 mm，長徑比4.1，NS 代表雙電機結(jié)構(gòu)。物料溫度120 ℃，萃取液含固質(zhì)量分數(shù)12.2%，單臺處理量23.2 t/h，液相含固質(zhì)量分數(shù)≤4.3%，干相出料含液質(zhì)量分數(shù)≤35%，主電機功率132 kW，輔電機功率55 kW。

2 離心機結(jié)構(gòu)

2.1 主要部件

LW760×3120NS 臥螺離心機為大頭進料離心機，整套機器由罩殼、轉(zhuǎn)鼓、螺旋、軸承座、機架、主輔電機、差速器、進料管、減振器等部件組成（圖1）。從差速器端方向看，離心機為逆時針方向轉(zhuǎn)動；清液出口位于轉(zhuǎn)鼓大頭下方，固相出口位于轉(zhuǎn)鼓小頭下方。離心機的核心部件轉(zhuǎn)鼓和螺旋筒身采用2205 雙相不銹鋼制造，均由離心澆鑄完成，轉(zhuǎn)鼓直徑760 mm，轉(zhuǎn)鼓出渣口噴涂碳化鎢耐磨合金涂層，有效防止固相出口磨損。螺旋葉片由機械一次性壓制成型，葉片邊緣鑲嵌可更換碳化鎢合金耐磨塊，確保螺旋長時間高速旋轉(zhuǎn)的推料效果。離心機主軸承座為循環(huán)水冷軸承座結(jié)構(gòu)，為確保軸承座承受高轉(zhuǎn)速帶來的動載荷。差速器采用漸開線行星齒輪傳動差速器，該差速器具有承載能力高、直徑小、傳動效率高、差速比范圍大等優(yōu)點，適合較大功率和較大扭矩的離心機。

圖1 離心機結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

來自煤液化的油渣經(jīng)洗油按照一定比例混合后，形成懸浮液經(jīng)進料管、螺旋出料口進入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)側(cè)。在轉(zhuǎn)鼓的高速旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生離心力場形成固液分離，比重較大的固相顆粒沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，與轉(zhuǎn)鼓作相對運動的螺旋葉片，不斷地將沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的固相顆粒刮下并推出排渣口。分離后的清液或懸浮物經(jīng)分離葉片進一步澄清，由轉(zhuǎn)鼓溢流孔、液相收集罩殼排出。螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間的相對運動靠差速器來實現(xiàn)，差速器的外殼與轉(zhuǎn)鼓相連，輸出軸與螺旋相接。主電機帶動轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)的同時也帶動差速器外殼旋轉(zhuǎn)，差速器由多級行星輪組成，輸入軸由輔電機控制，輔電機驅(qū)動行星輪帶動輸出軸旋轉(zhuǎn)，并按一定的速比將扭矩傳遞給螺旋，使螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間發(fā)生相對運動，進而實現(xiàn)離心機對物料的連續(xù)分離過程。

3 主要參數(shù)選擇

根據(jù)萃取液的物料特性、分離后液相與固相的含固要求及處理能力等因素，選擇合適的處理量、離心力場所需的轉(zhuǎn)速、清液的排出量、轉(zhuǎn)鼓與螺旋的差轉(zhuǎn)速等至關(guān)重要。

3.1 離心力場

離心機的離心力場靠轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速形成，隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的升高，分離因素上升，固液分離效果提高。為增加處理能力，需要不斷提高差轉(zhuǎn)速，使分離后的物料進快脫離機器，同時不可避免地會出現(xiàn)電流、振動、噪聲等，并且不是轉(zhuǎn)速越高越好，需要根據(jù)物料特性選擇，分離太干易發(fā)生堵料、死機等風險。此機型轉(zhuǎn)鼓最大轉(zhuǎn)速為2200 r/min，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)工作轉(zhuǎn)速建議選用在1400～2000 r/min。

3.2 處理量

進料流量小，料液在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的軸向流速小，物料在機器內(nèi)停留時間長，分離效果提高；進料流量大，軸向流速也大，物料在機器內(nèi)停留時間短，分離效果下降；進料流量還受到螺旋排渣能力的限制。當物料含固量較高，進料量過大時，會造成分離后的沉渣因不能及時排出而引起轉(zhuǎn)鼓堵料，影響分離，極端狀態(tài)甚至不能分離，造成機器堵料故障。因此在使用本機器時，應(yīng)按物料的特性選擇適當?shù)倪M料量，一般可在各種流量和濃度下進行分離效果比較，確定最佳的進料流量。

3.3 清液排放口

清液排放口在轉(zhuǎn)鼓大端，設(shè)有對稱的6～8 個口，每個口都有溢流板調(diào)節(jié)清液排放口的大小，根據(jù)清液的含固量調(diào)整。溢流板能改變轉(zhuǎn)鼓沉降區(qū)和干燥區(qū)的有效長度，溢流板直徑大，排放口則小，沉降區(qū)增大，干燥區(qū)減少，轉(zhuǎn)鼓的液池深度增加，分離后液相中含固量降低，但固相沉渣的含濕量增加，反之相反。在實際使用時應(yīng)根據(jù)分離要求綜合考慮，經(jīng)操作試驗后選用合適的溢流板直徑。

3.4 轉(zhuǎn)鼓與螺旋的差轉(zhuǎn)速

離心機差轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)鼓與螺旋的相對運動速度：差轉(zhuǎn)速小，螺旋相對轉(zhuǎn)鼓的運動速度慢，螺旋對流體擾動小，分離效果變好，固相沉渣在干燥區(qū)的停留時間長，固相含濕量減少，但固相排渣能力下降負荷低易產(chǎn)生堵料；反之差轉(zhuǎn)速大，螺旋對流體擾動加大，螺旋相對轉(zhuǎn)鼓速度快，分離效果變差，固相沉渣在轉(zhuǎn)鼓中停留時間減少，固相沉渣的含濕量會增大，但固相排渣能力增加，負荷高。差轉(zhuǎn)速一般是根據(jù)物料含固量多少、物料特性、分離要求、處理能力等因素確定。差轉(zhuǎn)速的調(diào)整可通過變頻器實現(xiàn)，用在油渣萃取的此型離心機差轉(zhuǎn)速的范圍在35～40 r/min。

3.5 物料特性

物料特性與離心機的分離因素有很大關(guān)系：物料中固相粒子越大，則越易分離，反之相反；液固兩相的重度差越大，則分離越容易，懸浮液的黏度越小則越易分離，反之則難分離。為了提高分離效果可適當提高物料進料溫度或采用絮凝方法，提高溫度可以降低黏度以改善分離條件，增加絮凝劑可加快自由沉降速度，以達到預(yù)先處理的目的。

4 實際運行過程中存在的問題及解決辦法

4.1 離心機進料管與螺旋間泄漏

（1）原因分析。進料管與螺旋軸套間有約1 cm 的間隙沒有設(shè)置密封隔斷，導(dǎo)致螺旋內(nèi)120 ℃的熱萃取液大量外泄，引起環(huán)境污染，危及人員和設(shè)備安全。

（2）材料選擇。聚四氟乙烯（PTFE）在-196～260 ℃的較廣溫度范圍內(nèi)均能保持優(yōu)良的力學(xué)性能，全氟碳高分子的特點之一是在低溫不變脆，完全能適應(yīng)北方寒冷氣候及介質(zhì)的高溫特點；它的自潤滑性又能保證即使與螺旋有摩擦也不會損壞設(shè)備；它的表面不粘性及抗酸抗堿性、抗各種有機溶劑的特點，完全可以避免黏稠的瀝青及洗油粘接和腐蝕；其獨特的耐大氣老化性，即使長期暴露于大氣中，表面性能仍保持不變。同時，PTFE 具有良好的熱膨脹系數(shù)。

（3）密封結(jié)構(gòu)設(shè)計。進料管與螺旋軸套內(nèi)徑間有約1 cm 間隙，進料管與螺旋軸套外端面間約有2 cm 間隙，考慮到現(xiàn)場實際間隙及物料特性，在進料管與螺旋軸套之間增加1 個迷宮密封套，但需要保證迷宮套有穩(wěn)定氣體保護，利用氮氣保護形成穩(wěn)定氣膜阻擋內(nèi)部氣體外泄（圖2）。因間隙有限，在制作迷宮密封套時將氣體注入口對稱設(shè)置在迷宮密封凸臺上，并向內(nèi)延伸至進料管外壁，然后在迷宮密封套內(nèi)側(cè)挖出深1.5 mm、寬5 mm、長66 mm 的條形淺槽后，再沿軸向摳出寬5 mm、深1.5 mm 的環(huán)形槽，均布4～6 個直徑為4 mm 的孔；氣體通過環(huán)形槽孔進入迷宮密封套與螺旋軸套之間；迷宮密封套外側(cè)的迷宮槽設(shè)計有一定的旋向及臺高差，使凸臺高度由外向內(nèi)逐級遞減，這樣氣體從中間的環(huán)形槽出來后，絕大多數(shù)延旋向進入到螺旋內(nèi)，一小部分氣體存在于靠外側(cè)迷宮槽內(nèi)，因迷宮槽的凸臺是逐級遞減的，所以向外的氣體會逐級減壓至幾乎壓力為零。整個迷宮密封套總長設(shè)計為120～140 mm，因迷宮密封單邊最薄處只有5.75 mm，所以太長易造成安裝損壞，太短會使氣流行程不足，影響密封效果。

圖2 迷宮密封套

（4）安裝要求。設(shè)計時考慮到四氟乙烯的可塑性及自潤滑性，密封套與進料管采用過盈配合以增加摩擦力，防止運行過程中因機器振動導(dǎo)致松動；迷宮密封套與進料管安裝時，需要將其放入開水中浸泡20～30 min，待其熱脹后快速套在進料管指定位置，等徹底冷卻后再回裝至機器上。進料管采用懸臂式固定，進料管長1500 mm，迷宮密封套與螺旋軸套最小間隙1 mm、最大2.5 mm，對同心度要求極高，安裝時既要保證同心，還要考慮迷宮密封套與螺旋軸套內(nèi)圈間隙均勻，防止機器振動時損壞迷宮密封套。

4.2 離心機轉(zhuǎn)鼓與罩殼前后端密封面漏油氣

（1）原因分析。神華鄂爾多斯煤制油油渣萃取項目的核心設(shè)備LW760×3120NS 型臥螺離心機，在正壓3 kPa 環(huán)境下運行，因轉(zhuǎn)鼓與罩殼之間密封間隙大，往外泄漏高溫油氣：原轉(zhuǎn)鼓與罩殼之間設(shè)置了2 道軸向剖分式迷宮槽，槽深5 mm，迷宮槽與軸之間存在2 mm 間隙，密封氮氣沿罩殼頂部進氣；當投用密封氮氣后，迷宮槽淺、間隙大，導(dǎo)致大量的氣體沿上部迷宮槽與軸的間隙逃逸，下部迷宮槽幾乎沒有氣體通過，不能形成密閉氣環(huán)或氣膜，無法達到密封的效果。借助轉(zhuǎn)鼓與罩殼間的現(xiàn)有空間布局，設(shè)計合適的密封裝置，能有效阻隔高溫油氣外泄，依據(jù)洗油及油渣的特性、溫度、設(shè)備振動及材料等因素，材料選擇和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作尤為重要。

（2）材料選擇。主介質(zhì)是洗油，需選用一種即耐高溫、耐油，又有力學(xué)性能的材料?？紤]當設(shè)備操作不當時，堵料會使振動增加等特點，用聚四氟乙烯即耐高溫、耐油又有一定的力學(xué)性能，可以滿足需要。

（3）迷宮密封設(shè)計。罩殼由上下兩部分組成，為方便維修及安裝，密封形式選用軸向剖分式較為合適（圖3）。采用剖分式迷宮密封環(huán)，首先根據(jù)軸徑尺寸確定內(nèi)徑，配合間隙控制在0.1 mm之內(nèi)。因軸上設(shè)有2 道擋環(huán)，擋環(huán)高10 mm、寬3 mm、擋環(huán)間距10 mm，所以迷宮槽深設(shè)置12 mm、槽寬8 mm、槽臺厚5 mm、槽間距至少13 mm，且軸受熱后會延伸8～10 mm。迷宮密封外徑的尺寸受上下罩殼的限位槽限制固定不變，上下兩半迷宮密封槽銜接部位設(shè)置誘導(dǎo)柱銷，避免安裝時錯位。

圖3 迷宮密封環(huán)

（4）氣道設(shè)計?？紤]到罩殼內(nèi)部壓力及迷宮槽與軸之間的配合，由外到內(nèi)設(shè)置3道迷宮密封槽：密封氮氣進氣口設(shè)置側(cè)面錯位進氣，在上下兩半迷宮密封的端面各設(shè)置1 道進氣口，上部進氣口深入到一級迷宮槽內(nèi)，使一級迷宮槽形成氣環(huán)或氣膜；下部進氣口直接深入到二級迷宮槽內(nèi)，使氣體在徑向沿迷宮槽形成氣環(huán)或氣膜；兩級氣膜如果有一級受到破壞，另一級及時補充，使內(nèi)部的油氣封閉在罩殼內(nèi)隨介質(zhì)一起排出；在三級迷宮槽的槽底部設(shè)有排氣孔且側(cè)面設(shè)有兩道軸向迷宮槽，側(cè)面的軸向迷宮槽與轉(zhuǎn)鼓擋液板相貼合，二級的密封氣穿過軸向密封槽與轉(zhuǎn)鼓擋液板形成一定的氣膜；密封氮氣沿排氣孔源源不斷流向罩殼內(nèi)，形成穩(wěn)定的動態(tài)氣膜或氣環(huán)。

（5）安裝要求。設(shè)計好密封形式并制作樣件現(xiàn)場調(diào)試：在迷宮密封環(huán)上涂抹紅丹，將轉(zhuǎn)子落在軸承座上把緊，盤車后吊起轉(zhuǎn)子檢查貼合度，如果有高點則手工研磨，研磨后再次進行盤車檢查貼合度，直到完全貼合；通過塞尺、壓鉛絲或壓醫(yī)用膠帶等手段，將間隙控制在0.1～0.2 mm。

4.3 避免離心機堵料的措施

離心機原設(shè)計值：原液含固質(zhì)量分數(shù)10%～12%，溫度110～120 ℃。離心機分離效果目標是：液相含固質(zhì)量分數(shù)＜4.3%，固相含固質(zhì)量分數(shù)＞65%。特定物料通過連續(xù)運行調(diào)試的運行數(shù)據(jù)見表1。

表1 離心機運行數(shù)據(jù)

（1）輔電機正接。差轉(zhuǎn)速計算式：（主-輔）×0.8。閥位24%，轉(zhuǎn)鼓28 Hz，螺旋8 Hz，差速16 r/min，運行102 min 堵料，停止進料，高溫油沖洗后正常備用。

（2）輔電機反接。差轉(zhuǎn)速計算式：（主+輔）×0.8。閥位24%，轉(zhuǎn)鼓20～27 Hz，螺旋8 Hz，差速22.4～28 r/min，運行31 h 未堵料，分離效果不明顯。

（3）輔電機反接，閥位24%不變。轉(zhuǎn)鼓28～31 Hz，螺旋10～13 Hz，差速29.6～35.2 r/min，運行24 h 未堵料，原液含固質(zhì)量分數(shù)11.65%～10.84%，清液含固質(zhì)量分數(shù)4.53%～5.7%，逐漸有分離效果。

（4）輔電機反接，轉(zhuǎn)鼓31 Hz，螺旋13 Hz，差速35.2 r/min不變。閥位由24%逐漸開至40%，已經(jīng)滿負荷運行，連續(xù)運行36 h，原液含固質(zhì)量分數(shù)10.5%左右，清液含固質(zhì)量分數(shù)4.54%～4.16%，基本達到分離效果。

通過數(shù)據(jù)對比分析，在原設(shè)定的差速范圍內(nèi)無法實現(xiàn)固液的有效分離。在離心場形成的情況下，如果差轉(zhuǎn)速偏小、螺旋推動速度滯后，就會導(dǎo)致后續(xù)的沉積物料增多，引起螺旋電流的快速上升，同時機組的振動也在升高、出現(xiàn)堵料跡象。采取的有效辦法是增加差速，通過輔電機調(diào)相使電機反向輸出。依據(jù)（主+輔）×0.8 設(shè)計計算式，通過差速器實現(xiàn)螺旋增速，在離心場形成的情況下，靠螺旋的快速推動不斷推出分離的物料，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。

5 改造效果

通過以上的改造優(yōu)化，設(shè)備安全穩(wěn)定地達到性能考核指標，實現(xiàn)滿負荷運行。離心機的穩(wěn)定運行為整個油渣項目穩(wěn)步有序推進奠定基礎(chǔ)，通過優(yōu)化改造和提高操作水平，使大長徑比臥螺離心機在油渣萃取應(yīng)用中得到很好的驗證。