袁夫彩　王立柱　孫光華

(河南工業大學機電工程學院,　河南鄭州　450007)

    摘要：為了保護水資源環境,節能降耗,研制了污水處理離心機。分析了離心機的國內外現狀,確定了離心機的設計指標;提出了基于帶式差速的新型污水處理沉降離心機的構型,建立了離心機結構和工藝參數的數學模型,進行了優化求解;設計了離心機的轉鼓、螺旋輸送器和帶式差速器等關鍵部件,試驗表明其各項性能指標滿足了設計要求。

    關鍵詞：污水　離心機　差速器　轉鼓

    0　引言

    隨著環境保護、“三廢”治理發展的需要,對于工業廢水和污泥脫水處理的要求都很高,因此促使臥式螺旋卸料沉降離心機、碟式分離機和三足式下部卸料沉降離心機有了進一步的發展,特別是臥式螺旋卸料沉降離心機的發展尤為迅速[1]。1954年國際上出現了真正具有現代實用價值的第一臺螺旋卸料沉降式離心機[2]。近幾年離心污泥脫水機在結構上有了許多改進,出現了一些新的構型。例如瑞典阿爾法公司新開發的NX型螺旋卸料沉降式離心機,其結構尺寸可根據污泥顆粒大小、形狀的不同而調整,它的輸入和輸出口設計,有效地防止物料阻塞,其自動裝置充分保障了工作安全[3]。自80年代起,國內開始重視螺旋卸料沉降式離心機的發展,一些科研工作者開始研究國外離心機的發展動態。例如,重慶江北機械廠引進法國堅納公司技術,生產出了D(LW)系列離心機產品[4];上海離心機研究所與德國洪堡公司的密切合作,已生產出大長徑比的螺旋卸料沉降式離心機系列產品,使轉鼓的沉降區域物料分離時間延長,從而顯著提高固液分離效果[5]。縱觀國內的離心機生產廠家,他們大多數走與國外合作生產的道路,其主要技術知識產權缺少獨立性,受制于國外的大公司,缺少一定的自主性。為此,結合污水處理廠的實際,圍繞螺旋卸料沉降離心機的相關技術進行了設計研究。

    1　離心機原理和組成及設計要求

    1.1　離心機工作原理和組成

    螺旋卸料沉降離心機是一種環保的污水處理設備,它利用轉鼓高速旋轉形成的離心力場,使懸浮液中密度不同的固相和液相分離開,然后利用轉鼓和螺旋間的轉速差排出固相。它是一種連續進料、分離和卸料的離心機,主要由轉鼓、螺旋卸料器、液位調節裝置、差速器和驅動電機等組成,結構如圖1所示。

    1.2　離心機的技術指標

    (1)處理的物料為工業和生活污水,其液固相密度差大于等于0.05g/cm3,固相顆粒當量直徑大于等于3,體積濃度比小于等于70%;

    (2)污水處理量為20m3/h;

    (3)脫水后的污泥含濕率為70%以下。

    2　離心機主要參數的優化研究

    螺旋卸料沉降離心機參數的優化設計,就是要在預定的工況下,找到合理的參數,使得螺旋轉矩(M)最小,從而使機器的功率消耗最小,達到節能的目的。

    2.1　設計常量

    根據設計的需要,把轉鼓最大內徑(D)、轉鼓總長(L)、轉鼓轉速(n)(或離心分離因數Fr)作為設計常量。根據污水處理量Q=20m3/h,按照螺旋離心機的生產能力范圍,選擇轉鼓最大的內徑(D)為600mm。轉鼓體的全長同最大直徑的比,稱為長徑比(λ),轉鼓總長(L)一般就是按照這個長徑比(L/D)值來確定的,轉鼓總長(L)取為3000mm,設轉鼓轉速(n)為2400r/min。

    2.2　設計變量

    離心機的沉降區長度、脫水區長度和渣停留時間受液池深度比(k0)、出渣口與轉鼓最大內徑(D)之比(k1)、轉鼓錐角(α)、螺旋升角(β)、轉鼓與螺旋之間的轉速差(Δn)的影響,所以用它們作為設計變量。

    2.3　數學模型建立

    螺旋轉矩(M)和輸渣功率成正比,故以M最小作為目標函數。建立的優化數學模型,如式(1)~式(3)所示。該模型由目標函數、設計變量和約束條件組成。在滿足約束條件的情況下,通過優化設計變量,從而使得目標函數趨向于最小。

    式中,f1為污泥與轉鼓摩擦系數;δ1為沉渣滑動方向角;G為沉渣處理量;Frm為平均分離因數;LG為脫水區軸向長度;Δω為轉鼓與螺旋角速度差;u1方向角系數;uu時間系數。

    2.4　優化結果及分析

    優化前后螺旋轉矩(M)值的比較,令相對下降幅度為ε,則

    ε=(M0-Mmin)×100%/M0=33%

    輸渣功率(P)和螺旋轉矩(M)成線性關系。當轉速一定時,優化前后輸渣功率相對相對下降了33%。

    3　離心機關鍵部件的設計

    3.1　轉鼓的設計

    轉鼓是離心機的主要部件,其結構形狀和技術參數在很大程度上體現了離心機的特點和使用效果。設計采用柱—錐形結構,該結構能增加離心機內液池容量,提高處理能力和澄清效果,也有利于增大長徑比,其結構如圖2所示。

    轉鼓材料選為1Crl8Ni9Ti,取轉鼓壁厚為12mm。為了保護轉鼓,在轉鼓的內表面拉槽,利用沉降在轉鼓內壁的污泥,減少轉鼓與螺旋推料器之間的摩擦。

    3.2　螺旋推料器設計

    螺旋推料器的作用是利用螺旋與轉鼓之間的轉速差,將沉降在轉鼓壁上的沉渣輸送到轉鼓小端的出渣口排出。它由左右軸頸、螺旋葉片、螺旋筒體、進料倉等組成。螺旋葉片采用連續式整體葉片,結構示意圖如圖3所示。

    3.3　帶式差速器設計

    目前世界上應用最廣泛的差速器有機械式行星傳動差速器、電磁變頻調速差速器和液壓馬達差速器。變頻調速差速器有大量滑動,效率大致與輸出轉速呈線性變化,低輸出轉速時,效率極低,發熱嚴重,應采取冷卻措施,價格較高。液壓馬達調速差速器雖具有體積緊湊、慣性小的優點,但制造精度高、容易泄漏、噪聲大,不宜用于高溫及低溫場合。機械式行星傳動差速器中使用最廣泛的當屬漸開線行星齒輪差速器。漸開線行星齒輪差速器具有承載能力高、體積小、結構緊湊的優點,但價格貴、制造精度高、噪聲大。綜合上述情況,結合本課題的實際,設計帶式差速器,帶式差速器結構示意圖如圖4所示[6]。

    帶式差速器的工作原理為,轉鼓和電機帶輪直徑不變,螺旋帶輪直徑可調。螺旋增速時,逆時針轉動手柄,讓動片往外拉,從而使螺旋帶輪直徑變小,使螺旋轉速增高;螺旋減速時,順時針轉動手柄,讓動片往里推,從而使螺旋帶輪直徑變大,使螺旋轉速降低。特別是由于采用配重張緊,工作中也可自動調整差速。

    4　結論

    分析了螺旋卸料沉降離心機的國內外發展現狀,運用優化設計方法確定了臥式螺旋卸料離心機的結構和工藝參數,基于技術指標的要求設計了離心機的轉鼓、螺旋和帶式差速器等部件,其具體結論如下:

    (1)提出了基于帶式差速的新型污水處理離心機的構型,該離心機具有自動差速和過載保護功能;

    (2)通過優化設計,優化后輸渣功率比優化前相對下降了33%,達到了節能降耗的效果;

    (3)研制的該離心機樣機已在石化廠污水處理車間進行了試驗,各項性能指標達到了設計的要求。下一步工作,即有待于進一步產業化運作。

    參考文獻

[1]　顧世剛,趙文梅.我國污泥處理處置的現狀與發展[C]∥2009國際水協污泥會議論文集.哈爾濱:國際水協與哈爾濱工業大學主辦,2009:410-416.

[2]　孫啟才,金鼎五.離心機原理結構與設計計算[M].北京:機械工業出版社,1983:2-16.

[3]Anon.Ensuring centrifuge efficiency[J]. MER-Marine Engineers Re-view,

2006:30-33.

[4]　李瑜,張劍鳴.臥螺離心機在低濃度市政污泥脫水中的應用[J].過濾與分離,2006(3):39-41.

[5]　熊誠,楊小紅.低能耗高干度污泥脫水離心機[J].中國給水排水,2005(1):104-108.

[6]　袁夫彩. WL-600臥螺離心機的研究[D].哈爾濱:哈爾濱建筑大學,1999:71-73.基金項目:河南工業大學校人才基金(2009BS003)作者簡介:袁夫彩(1964- ),男,江蘇新沂人,副教授,博士