摘要：根据立式螺旋煤泥过滤离心机的工作特点，提出了静态过滤时间和动态过滤时间的概念，推导了静态过滤时间、动态过滤时间与主要结构参数之间的函数关系，分析了主要参数的影响趋势并进行了验证．结果表明：沉降成饼时间是螺旋头数和相对速差的函数，对滤层厚度、阻力及滤层截留效应影响显著；动态过滤时间是螺旋升角、回转速差、过滤转鼓半锥角及过滤转鼓半径的函数，对滤层运动行为及脱水效果影响显著．采用小升角螺旋、降低转速差、增大转鼓高度有利于延长动态过滤时间、改善脱水效果．建立的模型对细煤泥过滤离心机的设计、优化具有指导意义．
    关键词：细煤泥脱水；过滤；过滤离心机；脱水时间
    中图分类号：TD926.2  文献标识码：A
    煤炭深度洗选脱硫降灰是控制燃煤污染、提高煤炭利用效率的主要途径．细粒煤泥脱水技术是湿法选煤工艺深度脱硫降灰的前提．连续作业、结构紧凑、可靠的细煤泥脱水技术与装备研发一直受到国内外研究者的高度关注．离心力场易于实现，所产生的过滤推动力远高于真空、加压等过滤方式．离心过滤对所分离的固相和液体之间没有密度差的要求，对带泡末的浮选精煤悬浮液脱水具有*性．连续、动态是相对于静态、间歇作业的压滤机、三足离心机的过滤方式提出的，目标是高固体回收和低滤饼水分，难点是沉降行为、滤饼结构、沉降及过滤时间控制，关键在于过滤转鼓、螺旋的结构参数与配合．国外相关领域的研究工作主要围绕改善入料性质、改进筛篮、筛网结构等改善脱水效果，如通过预先浓缩、絮凝、分级等提高入料浓度、改善入料粒度来加速滤饼层的形成、改善滤层结构、改进脱水效果等［１２］．根据卧螺离心机、沉降离心机及沉降过滤离心机的研究及应用实践，影响物料脱水的因素除了入料性质、筛篮、筛网结构外，螺旋结构与速差也有重要影响，主要体现在对滤层结构和停留脱水时间的影响上［３５］．文献［６］对影响振动卸料离心机和锥型转鼓离心力卸料离心机的物料停留时间的因素进行了研究．国内关于煤泥离心机的文献主要围绕粗煤泥回收的应用实践．本文基于动态过滤的实现、控制及优化，从时间控制的角度，对螺旋离心机中影响滤层沉降行为、滤层结构和脱水效果的主要结构因素及关系进行了研究探讨．
    １立式螺旋离心机动态过滤原理
    连续、动态是相对于静态、间歇作业的压滤机及三足离心机过滤提出的，利用螺旋结构是实现和控制滤层动态化的有效手段．图１是立式螺旋离心机动态过滤原理图，图２是离心过滤的基本原理图．入料悬浮液从上部连续给入，在螺旋与过滤转鼓构成的空间内分离；沉降到过滤转鼓（称之固有过滤介质）表面的粗颗粒被截留并形成颗粒床层（称之次生过滤介质），对后续沉降的颗粒进行截留，颗粒层厚度和过滤阻力不断增加．固有介质和次生介质构成复合介质；液体因离心作用透过复合过滤介质的孔隙进入滤液室；与过滤转鼓之间保持一定转速差的螺旋体将沉积在固有介质表面的颗粒层向排料端方向输送并持续脱水，实现了次生滤层的动态化．
    根据立式螺旋煤泥过滤离心机的工作进程特点，把分离空间沿转鼓母线方向划分为饱和脱水区和非饱和脱水区．饱和脱水区的主要特点是颗粒沉降形成次生过滤介质及自由液体的分离（如图２），液体自由液面半径狉０小于颗粒床层表面半径，流体压差大、过滤速度较快，脱水阻力主要源于次生过滤介质阻力犚犮．
    用αc表示次生过滤介质的过滤比阻（忽略其沿半径方向的变化），rb为过滤转鼓内表面半径，那么半径r处厚度为dr的单位高度环状滤层单元的过滤阻力可表示为:
　                 
    对式（１）积分可得单位高度环状滤层的过滤阻力为
                  
    根据达西定律，颗粒床层厚度增加必然导致犚犮１狉增大，相应的是过滤速度的降低．由式（２）可知，控制滤层厚度或降低过滤比阻可以有效降低次生过滤介质阻力．沉降行为与时间控制的意义在于前者，动态化的意义在于后者．意义在于改善颗粒层的孔径分布、降低残余饱和度．
           
    ２立式螺旋过滤离心机的脱水时间
    在持续作业过程中控制颗粒层的增长时间是控制滤层厚度、降低次生过滤介质阻力的有效途径，动态化过滤时间控制是改善次生介质层结构、降低过滤比阻和残余饱和度的有效途径．
    ２.１沉降成饼静态过滤时间
   根据式（２），饱和渗流脱水区颗粒层厚度对脱液阻力具有很大影响，而沉积厚度是沉积时间的函数．将过滤转鼓表面犇犻处沉积颗粒层的形成、增长、脱液时间定义为该处的沉降成饼静态过滤时间，用犜狊表示．用犺狊表示输渣螺旋的头数，用Δ狀表示过滤转鼓与螺旋之间的转速差，那么螺旋在犇犻处的刮料频率可表示为
               
    Tsi，fi由螺旋头数犺狊和转速差Δ狀确定．初始阶段，悬浮液中的固体颗粒发生离心沉降，粒度大于固有过滤介质孔径的颗粒通过架桥的方式沉积、形成次生过滤介质，对后续沉积的颗粒进行截留，图２中的狉狊逐渐减小、滤层厚度和过滤阻力增加．滤层表面被液体覆盖，属于饱和渗流过滤，过滤压差大、脱除大部分液体．犜狊犻，犳犻决定颗粒在该区域的持续沉积时间及静态过滤脱水时间，即决定次生介质层厚度，影响颗粒层渗流阻力、脱水速度和细粒截留效果［１］．结构设计时，若着眼于降低过滤阻力、提高脱水速度，可考虑适当提高饱和脱水区的刮料频率、降低滤层厚度；若着眼于借助滤层截留效应、提高细粒回收效果，可考虑适当降低饱和脱水区的刮料频率．
    ２２动态过滤脱水时间
    滤层动态化由回转螺旋实现，滤层由过滤转鼓的小端向大端的运动轨迹为螺旋线，该过程即动态过滤历程．将该过程经历的时间称为动态过滤脱水时间，用犜犳表示．用α表示过滤转鼓的半锥角，用狏狕，表示滤饼沿过滤转鼓母线方向的移动速度，用犛表示输料螺旋的螺距，用β表示输料螺旋的升角，用φ表示滤饼相对于过滤转鼓的角速度，用Δω表示螺旋与转鼓的相对角速度，那么滤渣与输料螺旋间的相对角速度可表示为Δω－φ．
            
    沉积颗粒层在螺旋推动下，沿过滤转鼓母线方向移动一个螺距犛所需要的时间为
            
   式（１２）给出了螺旋输渣的动态连续离心过滤过程的动态过滤脱水时间与主要影响因素之间的关系．因细煤泥滤饼粘性较大，且动态过程源于螺旋强制刮料，因此可认为Δω－φ≈Δω，那么式（１２）可简化为
                     　
    式（１３）从时间控制的角度为细煤泥离心动态过滤装置的参数选择与优化提供了重要信息．
    ２.３影响动态过滤时间的主要因素分析
    根据前面分析，影响沉降成饼静态过滤时间和动态过滤脱水时间的因素主要有螺旋升角、转鼓半锥角、转速差、过滤转鼓半径及螺旋头数．
    ２.３.１螺旋升角
    由式（１３），其它条件不变、输料螺旋升角β增大时，动态过滤脱水时间犜犳缩短，原因是升角增大导致螺旋的导程增大、滤渣沿转鼓母线方向的速度加快．从延长过滤时间、改善细煤泥脱水效果的角度，采用小升角螺旋是有利的．表１是本文用小型实验离心过滤机对＜０５mm细煤泥脱水的结果．其它条件相同的情况下，配用升角５０°的螺旋比配用升角５５°的螺旋动态过滤时间延长了约０.１１s，滤渣水分低了４％．
               
    ２.３.２转鼓半锥角
    过滤转鼓的半锥角α同时影响颗粒层的运动方式与停留时间，过滤转鼓的半锥角与物料和过滤转鼓的摩擦角越接近，有利于降低输渣功率、减少设备磨损［３］．半锥角的确定应主要着眼于减小输渣功率．煤与金属筛网间的摩擦系数一般在０３５～０５５之间，对应的摩擦角范围为１９～２９°．由式（１３），当半锥角增大时，动态过滤时间犜犳减小．选煤领域用于粗煤泥回收脱水的FC１２００粗煤泥离心机的半锥角为２０°，LLL１２００粗煤泥离心机的半锥角为３０°．本文所用小型实验机的半锥角是２０°．
    ２.３.３回转速差
    由式（６），（１３），犜犳，犜狊均与Δω成反相关系，Δω减小，犜犳增大，有助于改善脱液效果．选煤领域用于粗煤泥脱水的FC１２００离心机的Δω＝０.９７，LLL１２００型离心机的Δω＝０.５９．本文所用小型实验机的Δω＝２２．
    ２.３.４螺旋头数
    螺旋头数犺狊与速差Δω一起决定沉降成饼及静态过滤时间，犜狊犻与犺狊成反相关系．如果着眼于提高微细粒回收效果，可适当减少螺旋头数、缩小相对速差以相应延长沉降成饼时间；如果着眼于提高脱水速度、增加通过能力，那么可以采取相反的做法．
    ２.３.５转鼓高度
    在半锥角α和转鼓小端直径确定的情况下，转鼓高度的适当增大意味着大端直径的相应增加，既延长了动态过滤时间，又增加了zui大离心因数，对降低滤渣的残余水分是有利的．
    ３结论
    １）控制颗粒层的增长时间即静态沉积时间是控制滤层厚度、降低次生过滤介质阻力的有效途径；动态化过程的实现与控制是改善次生介质层结构、降低过滤比阻和残余饱和度的有效途径．
   ２）建立了沉降成饼静态过滤时间与螺旋头数和相对转速差的函数关系，静态过滤时间与转速差和螺旋头数成反比．控制静态过滤时间可有效控制次生介质层的厚度和过滤阻力，改善脱水效果．
    ３）建立了动态过滤时间与输料螺旋的升角、螺旋头数、回转速差、转鼓的半锥角等的函数关系，对细煤泥动态过滤离心机的设计、优化具有指导意义．从改善细煤泥脱水效果的角度看，采用小升角螺旋、降低转速差、采用２０°左右的小锥角转鼓、增大转鼓高度是有利的．