（机械电子工程专业论文）带式压滤机的研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着经济的发展，日益严重的水污染治理问题越来越受到人们的关注。目前， 己出现了多种污水处理设备，带式压滤机是比较理想的污水处理设备之一。带式 压滤机由于具有结构简单、操作方便、能耗少、噪音低、处理量大、连续作业等 优点，发展较快，已广泛应用于食品、化工、造纸，特别是环保等领域。 但是，因压滤机产生的时间不长，在设计上常采用经验或者类比方法，至今 尚无成熟的理论指导。当前流行的厢式压滤机由于受两侧板的限制，机器的安装、 维护难度较大，而且造价高，难以满足多种污水处理的要求，因此有必要研究开 发新型的带式压滤机。 本课题结合某污水处理厂的设计开发项目，研究设计了框架式带式压滤机。 分析了压榨和过滤理论；提出了带式压滤机重力脱水区、压榨脱水区、滤带清洗、 滤带选择、滤带纠偏等要点及其对策，详细推导了压滤机比例放大的公式；总结 了设计时用到的带式压滤机处理能力、过滤面积、功率、滤带有效宽度等计算公 式，对压滤机的主要零部件进行了设计计算；以传动辊为例叙述了使用s o l i d w o r k s 软件进行全关联设计的过程，并结合工程实际、国家标准介绍了制造中机架、辊 筒、滤带等的特殊要求，并给出了解决方案。 实际运行结果表明，该机具有运行费用低，稳定可靠，处理效果好，易于操 作维护等诸多优点。 本文总结了带式压滤机迄今为止大部分理论和经验成果，注意应用国家标准 指导设计生产，提出了使用三维设计软件进行压滤机系列化设计、分析的方法， 对理论研究和实践都有一定的意义。 关键词：污泥；脱水；带式压滤机；结构设计 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n dg r o w i n gc o n c e r nf o rt h ee n v i r o n m e n t ， m o r ea t t e n t i o ni sb e i n gg i v e nt ot h ep r o b l e mo fw a t e rp o l l u t i o n t h e r ea r ec u r r e n t l y m a n yd i f f e r e n tt y p e so fe q u i p m e n tm a n u f a c t u r e df o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t h eb e l t f i l t e rp r e s si so n eo fi d e a le q u i p m e n t su s e df o rd e w a t e r i n g w i t ht h ea d v a n t a g eo f s i m p l es t r u c t u r e ，e a s eo fu s e ，l o wn m n i n gc o s t s ，l o wn o i s e ，l a r g e c a p a c i t ya n d c o n t i n u o u so p e r a t i o n , i th a sb e e nd e v e l o p i n gv e r yq u i c k l y , w i d e l yu s e di nf o o d ， l a b o r a t o r y , a n dp a p e r m a k i n g ，e s p e c i a l l yi n t h ef i e l do fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n b e c a u s eb e l tf i l t e rp r e s sa p p e a r sn o tal o n ga g o ，m a n yd e s i g n sa r eb e i n gg u i d e d u n d e re x p e r i e n c ea n da n a l o g yw i t h o u t m a t u r et h e o r e t i c o nt h eo t h e rh a n dp o p u l a rv a n b e l tf i l t e rp r e s sa s s e m b l ya n dm a i n t a i n sa r ev e r yd i f f i c u l tb e c a u s ei t sf r a m ep l a n e sl i m i t f u r t h e rm o r e ，i ti se x p e n s i v e ，o n l ya d a p tt oc e r t a i nw a s t e w a t e r , s oi t sn e c e s s a r yt o r e s e a r c ha n dd e s i g nn e wb e l tf i l t e rp r e s s t h i sp r o j e c tw i l lr e s e a r c ha n dd e s i g nt w of r a m eb e l tf i l t e rp r e s s e sw i t ht h et a s kf o r as e w a g ep l a n t a n a l y z e st h e o r yo nd e w a t e r i n ga n ds q u e e z e ；a d v a n c e st h ek e yp o i n t s a n ds o l u t i o n st og r a v i t yz o n e ，s q u e e z ez o n e ，b e l tc l e a n i n g ，b e l tc h o i c e ，b e l ta d j u s t i n go n b e l tf i l t e rp r e s s ；s u m m a r i z e sa n du s et h ef o r m u l a ef o rd e s i g n ，s u c ha st r e a t m e n ta b i l i t y , e f f e c t i v ef i l t e ra r e a ，p o w e r , e f f e c t i v ef i l t e rw i d t h ，e t c t a k e sd r i v i n gs h a f tf o re x a m p l e t od e p i c tt h ep r o c e s so ft o t a la s s o c i a t e dd e s i g nu s e ds o l i d w o r k s ，i n t r o d u c e sa n ds o l v e s t h es p e c i a ld e m a n di nb e l tf i l t e rp r e s sm a n u f a c t u r ec o m b i n e de n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n d n a t i o n a ls t a n d a r d ( g b ) i tc a l lb es e e nc l e a r l yf r o mt h ef e e d b a c k so ft h a ts e w a g ep l a n tt h a tt h e s em a c h i n e h a v em a n ya d v a n t a g e s ，f o re x a m p l e ，l o wr t m n i n gc o s t s ，s t a b i l i z a t i o n , p e r f e c t d e w a t e r i n ge f f e c t ，a n ds oo n t h i se s s a ys u m m a r i z e sm o s ta c a d e m i ca n dp r a c t i c a la c h i e v e m e n t so nb e l tf i l t e r p r e s su n t i ln o w , g i v e sg ba t t e n t i o nt og u i d ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e ，a d v a n c e st h e m e t h o do fd e s i g na n da n a l y s i sb y3 ds o f t w a r e t h e r ea r es o m em e a n i n g sf o rt h e o r y a n dp r a c t i c et ob e l tf i l t e rp r e s s i i i a b s t r a c t k e yw o r d s ：s l u d g e ；d e w a t e r i n g ；b e l tf i l t e rp r e s s ；s t r u c t u r ed e s i g n i v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示 了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 7 1 燧名：事 丢 ：否l 恒 d 唱年6 月h 第一奄绪论 1 1 污泥脱水现状 第一章绪论 片面追求经济的快速发展，忽视对环境造成的污染，待有经济实力后再进行污染治 理是大多数国家工业化的普遍经验。现在我国正面临着经济快速发展与环境保护、污染 治理之间平衡的重大课题。 造成环境污染的一个重要来源就是污水。我国是一个水资源极为紧张，水污染极其 严重的国家。伴随着环保意识的提高，自九十年代以来，我国城市污水处理事业得到了 迅速发展。截至2 0 0 5 年底，全国6 6 1 个设市城市中，已有3 8 3 个城市建成污水处理厂 7 9 2 座，污水处理率由2 0 0 0 年的3 4 提高到5 2 ，并形成了适合国情的污水处理技术 路线和管理机制。其中，有1 3 5 个城市的污水处理率己达到或接近7 0 ，单厂处理规模 达到每天1 0 0 万立方米【| o j 。正在运行中的城市污水处理厂，每天将要产生约1 0 0 0 余万 吨的污泥( 含水率在9 6 左右) ，对于产生的污泥，如果不予以有效的处理和处置，仍然 会污染环境，使污水处理厂的功能不能完全发挥【3 】。 然而在污水处理过程中会产生大量污泥，污泥是水处理过程中的固体废弃物，集中 了水体中的大量细菌、病原体、有毒有害物质f 3 j 。一个二级污水处理厂污泥的产量约占 污水量体积的0 3 0 5 ，如进行深度处理，污泥量则会增加0 5 l 倍。处理不当会造 成严重的二次污染，使水处理效果付诸东流。污泥处理和处置一直是水处理过程中的难 点。在我国污泥处理和处置技术才刚刚起步，与国外先进技术相比有很大差距。随着污 水厂的建设，原有污泥处理方式中存在的种种问题愈趋突出，技术与设备的改进己经成 为当务之急l 4 | 。 从污水处理厂排出的污泥由于含水量高、体积庞大、且易腐败发臭，不利于运输和 处置，所以常常需要进行脱水，这样可以降低污泥的含水率、减小污泥的体积、降低运 输成本，浓缩后污泥中的可利用物质含量会增加( 如农用的肥分、焚烧的热值等) ，且利 于污泥的后续处置和利用。常用的脱水方法有自然干燥和机械脱水两种睁l 。 污泥的自然干燥是把污泥放到一块场地上利用太阳能进行干燥，这种办法的优点是 节能，干燥成本低。缺点是占地面积大、臭味大、干燥时间长、受天气影响大，雨季和 广东f 业人学坝l ：学位论史 下雪天不可能干燥，空气湿度大也不能干燥。 机械脱水则是目前世界各国普遍采用的方法。用于泥水分离的常用机械从性质上讲， 多是滤饼过滤，通常也叫表面过滤；过滤时滤布表面截留悬浮颗粒，而后由逐渐增厚的 滤饼继续截留颗粒，这种脱水方式主要是针对悬浮颗粒含量在1 以上，直径在l u m 以 上的污泥。而属于这种过滤性质的过滤方式分为：真空过滤、加压过滤、离心过滤和压 榨过滤 1 。2 污泥脱水设备的研究现状 机械脱水使用的设备中品种较多，常用的有板框压滤机、带式压滤机、转鼓真空过 滤机和圆盘真空过滤机、螺压脱水机等。真空过滤法优点是操作简单，管理方便，缺点 则是压差有限且难于取得含水率较低的滤饼。8 0 年代以来，随着离心技术和有机高分子 絮凝剂的发展，离心脱水机的使用日益增多，但由于设备高速旋转，所以污泥中含有砂 砾时磨损快，而且当固液相对密度差别不大时不易分离；另外离心脱水机还有功耗高、 噪音大的缺点。污泥经过板框压滤机处理后泥饼的含水率较低，但运行时为间断运行， 效率低，不适合大批量处理。带式压滤机的工艺流程简单、自动化程度高、运行连续、 控制操作简便和工作过程可调节等一系列优点，以及省却了污泥浓缩池，在一定程度上 节省了建设资金，加之大量污泥处理的需要，使其近年来在国内外得到很大的发展| 6 | 。 带式压滤机是世晃上一种发展较快的污泥脱水设备，应用范围除了城市下水污泥处 理外，己普及到造纸和纸浆、冶金、烟草、选矿、选煤、化工、食品等行业的工业废水 污泥处理。带式压滤脱水机具有受污泥负荷波动的影响小，出泥含水率较低、工作稳定、 能耗少、管理控制相对简单、对运转人员的素质要求不高等特点【7 】。因此，带式压滤机 就以其结构简单、操作方便、能耗低的优点成为城市污水处理的首选设备。 1 2 1 国外发展现状 带式压榨过滤技术作为对传统固液分离技术的一种革命，最早是由西德人于1 9 6 3 年 首先研制成功的f 7 8 ，9 1 。由于带式压滤机具有生产能力大、自动化程度高、滤饼含水率低、 运行安全可靠等优点，引起了世界各国的重视，纷纷投入大量的人力、物力和财力对其 进行研究开发。 第一章绪论 奥地利的安德里茨( a n d r i t z ) 公司，在引迸西德原型机的基础上，于1 9 7 8 年首先推出 了c p f 2 1 0 0 1 型带式压滤机，并在亥姆希斯矿的浮选尾煤脱水中成功应用。至今，安德 里茨公司己经生产出滤带宽度在1 5 0 0 3 0 0 0 m m 范围内各种规格的带式压滤机1 3 0 0 0 多 台，应用到很多领域1 9 1 2 】。 日本是当今世界设计和生产带式压滤机最具特色的国家，它所设计和生产的带式压 滤机主要是以高压压榨型为主，即最后的脱水辊为高压压榨辊，可使滤饼的含水率达到 最低点 l o 】。 2 0 0 2 年澳大利亚的d a y c op t y 公司推出了名为v - f o l d 的新式带式压滤机，它的设 计简洁，易于安装、操作和维护，为带式压滤机的设计开辟了一条新的思路【】。 1 2 2 国内的情况 我国从19 8 2 年开始从事这方面的研究开发，目前从事带式压滤机研究和生产制造的 单位有2 0 多家，生产出各类机型2 0 多种，产量达数千台。在设备结构设计、产品质量、 应用范围和售后服务等方面也取得了比较好的成绩，可与国外同类型的进口产品相比， 尤其是在售后服务方面，更有着得天独厚的优势。无论是在带式压滤的理论研究还是制 造应用方面，我国均取得了较大的成就。目前我国形成普通( d y ) 型、压滤段隔膜挤压 ( d y g ) 型、压滤段高压带压榨( d y d ) 型、相对压榨( d y x ) 型及真空预脱水( d y z ) 等5 个系列产品，主要区别在于压榨脱水阶段| 1 2 , 1 3 】。带式压滤机主要用于造纸、印染、 制药、采矿、钢铁、煤炭、制革等行业，尤其在城市污水处理和工业污泥脱水中应用最 为普遍| 1 4 ，1 5 ，16 1 。 但是带式压滤机也存在不足。重力脱水区决定着带式压滤机单位时间内的处理量， 它主要分离絮凝后料浆的自由水，使料浆失去流动性。重力脱水时间与重力脱水区长度 与滤带行走速度有关。在通常情况下，重力脱水时间与挤压脱水时间之比为1 ：1 。对于 难脱水的料浆来说，重力脱水时间要求1 5 ：1 。但重力脱水段过长受到机械结构的限制， 对滤带跑偏有较大影响。带式压滤机重力脱水区完成预脱水一般仅依靠污泥自身重力， 因为过滤时间和重力脱水区长度的限制，导致污泥在这一部分脱水效果并不理想，一个 直接后果就是进入压榨区域的污泥仍然有着相当高的含水率。因此当压榨辊施加较大压 力时，滤带中的污泥很容易产生外溢；而施加较小压力时，最终脱水效果又受到影响。 广东丁业：学顾1 1 学位论文 要解决这一问题，可增加预脱水装置，如微真空吸滤或单独重力脱水带；还可以在 重力脱水区增加料浆分散、平整、翻料装置以提高重力脱水区的脱水效果。 1 2 3 相关的国家标准 为贯彻中华人民共和国水污染防治法，保障水污染治理设施质量，国家环保总局 于2 0 0 6 年颁布了环境保护产品技术要求一一污泥用带式压榨过滤机( h j t 2 4 2 2 2 0 0 6 ) ，规定了污泥脱水用带式压滤机的技术要求、试验方法和检验规则等。建设 部1 9 9 6 年推行了污泥脱水用带式压滤机( c j t8 0 1 9 9 9 ) 行业标准，规定了污泥脱 水用带式压滤机的基本参数、型号编制、技术要求、试验和检验规则、标志、包装、运 输、储存，适用于带式压滤机的设计、制造、检验和验收。本文参照以上两标准设计制 造。国家发改委与中国机械工业联合会2 0 0 5 年制定了浓缩带式压榨过滤机( 鹏t 1 0 5 0 2 2 0 0 5 ) 的机械行业标准规定了浓缩带式压榨过滤机的型式、基本参数、技术要求、 试验方法、检验、标志、包装、运输和贮存、质量保证等要求。还有国家机械工业局1 9 9 9 年发布的带式压滤机( j b t9 0 4 0 1 9 9 9 ) 行业标准，中国工程建设标准化协会颁布的 带式压滤机污水污泥脱水设计规范( c e c s7 5 ：9 5 ) 等。 可以看出，这些标准之间有很多重复之处，但是它们之间并没有原则上的冲突，生 产厂家可以根据自己提供的带式压滤机的性质选用最适合的标准，有时又要满足多个标 准。比如为污水处理厂设计、制造的带式压滤机就要符合j b t1 0 5 0 2 2 0 0 5 、h j t 2 4 2 2 2 0 0 6 和c e c s7 5 ：9 5 。虽然如此，我国还没有出台国家标准将上面的各个标准整 合在一起，所以，带式压滤机总的说来仍然作为非标机器来设计、制造，这给使用者的 维护、修理带来了诸多的不便。 1 3 带式压榨装置简介 带式压滤机是由两条无端滤带缠绕在一系列顺序排列、大小不等的辊轮上，利用滤 带间的挤压和剪切作用脱除料浆中水分的一种过滤设备。带式压滤机械大体上可分为卧 式和立式两种1 2 13 1 。 卧式压滤机，其共同的特点是环形滤布以低速移动在水平滤布表面，输入的悬浮液 被重力脱水，接着用压榨辊筒加压，使悬浮液在两块滤布之间过滤，然后再用卷在几根 4 第帚绪论 辊筒上的滤布利用其表面压力达到完全脱水。在卷有滤布的辊筒排列基础上，压缩滤饼 顺序反转，利用辊筒表面上内侧和外侧的速度差，切断压缩滤饼，这样可以得到更好的 脱水效果。 作为脱水中第一阶段的重力脱水，其有效性对之后的脱水效果有着重大影响，因此， 一般都采用高分子凝集剂进行悬浮粒子的凝集处理f 剐。现在的滤带宽度为o 5 7 m 【1 7 】， 排出滤饼的含水率根据物料的种类、性质不同而变化。一般河道污泥的机械脱水后含水 率3 0 - - 4 0 ，陶瓷厂的污泥3 0 左右，洗煤厂尾煤泥2 5 3 5 ，而污水处理厂的活性 污泥8 0 左右。 目前，依靠特有的带式压滤机压榨脱水，进行絮凝压榨脱水的装置也已实用化。和 悬浮液的单一的凝集处理不同，它是将悬浮粒子的絮凝作业置于脱水之前。首先，把悬 浮液和高分子凝集剂一起放入泡药槽，经过若干分钟的搅拌以后，把悬浮粒子絮凝成颗 粒状，然后再压榨。这种方法所使用的泡药箱一般为圆筒形、箱形，并采用多层重叠堆 积若干块搅拌叶片的搅拌机，一边从箱的下部输入悬浮液和高分子凝集剂，一边搅拌( 参 照5 2 6 节) 。悬浮液中的悬浮粒子，在搅拌叶片的作用下，旋回流动，逐渐变成稠密的、 含水率较低的颗粒，一次粒子和微型絮状物一边受到压密作用，一边在颗粒棱的上面吸 附，像滚雪球那样逐渐增大，最终成为较大颗粒。颗粒的生成速度受悬浮液的种类、浓 度、高分子凝集剂的种类、凝集剂添加量、泡药箱内的滞留时间、箱和搅拌叶的形状以 及搅拌速度、料浆温度的影响。 在处理污泥时，高分子凝集剂的注入量每单位固体质量通常为1 3 。生成颗粒， 比普通的絮凝物脱水性更好，装置的处理能力也有增加。压榨滤饼的含水率，在下水污 泥处理时为6 5 7 5 ，净水场污泥为6 0 7 0 。 1 4 带式压滤机的关键技术 带式压滤机的脱水过程一般分为重力脱水、挤压剪切脱水和高压压榨脱水三个区段。 为了使污泥在各脱水区段的水分含量、流动特性和抗压力( 与外力) 的平衡，提高固一液分 离效果，各国在研制带式压滤机时，对重力、压榨脱水区、高压脱水区三个区段的结构 进行了不同程度地改进。 广东- l - _ , l k 大学倾l ：b ”e 7 f i i 论文 1 4 1 重力脱水区 重力脱水是去除絮凝污泥中的游离水，使之失去流动性的过程。常见的重力脱水区， 滤带与水平方向夹角5 0 1 5 0 ，重力脱水时间与挤压剪切脱水和加压压榨脱水时间比为3 ： 4 。为了解决单一规格的滤带难以适应性状广泛的污泥在各脱水区段对滤带脱水性能的复 杂要求这一问题，出现了重力脱水滤带单独循环的( 三带式) 带式压滤机。单独循环的重 力脱水滤带只考虑其疏水性能，选用的目数较粗；挤压剪切、压榨脱水滤带则要兼顾其 抗拉受压强度，选用的目数要比前者细实。 1 4 2 压榨脱水区 挤压剪切脱水是使失去流动性的半固状污泥受压剪切脱水呈固状滤饼的脱水过程。 根据测试，挤压剪切脱水区滤带张力一般为1 9 6 5 8 8 ( 最高已达9 8 ) k n m ；脱水辊5 l o 个，直径一般为2 0 0 6 0 0 m m 。脱水辊筒的直径、滤带接触辊筒的时间和对辊筒的包角， 是结构合理布局的重要因素。 1 4 3 高压脱水区 目前，除了采用变径脱水辊，滤带作s 形行走外，多数带式压滤机还设有高压压榨 机构。采用高压带( 橡胶带或金属网带) 是典型的加压压榨手段。目前，压榨压力达0 8 m p a 。 此外，作为加压压榨手段，除了带压式外还有辊压式和板压式等型式。 1 5 带式压滤机的发展趋势 由于世界工业的发展面临如何节省能源，有效利用资源，加强环境保护，因此过滤 与分离机械方向正朝着以下几个方向发展f 1 8 ，1 9 ，2 0 1 。 1 大型小型两极化、参数化 由于能源、资源、环保等工业的发展都需要单机能力大，所以已经出现了最大带宽 7 m 的带式压滤机，重力脱水段也有7 m 之长。而一些需要间歇运行、处理量小的场合又 发展出了带宽只有3 0 0 m m 的小型机。 6 第辛绪论 在带式压滤机的设计方面采用p r o e n g i n e e r 、s o l i d w o r k s 、u g 等三维设计软件，对 于带式压滤机的系列化、参数化提供了很好的软件环境。而且，带式压滤机大都采用p l c 控制，运行参数可以根据实际需要在一定范围内设定，从而更好的发挥机器的性能，满 足生产的要求。 2 节能型与复合型 随着分离机械向大型化发展，如何降低单位处理量的能耗是当务之急。因此，过滤 机如何用最小的能耗提高其滤饼的脱水效果得到最干的滤饼，或为后续的干燥工艺节能。 表现在采用机械压榨力脱液，可以使加压过滤后的滤饼更干；普遍采用变频( 双变频) 或 液力传动，比干燥脱液大大节能，有适宜的分离因数，启动阶段的功耗合理；过滤、洗 涤加干燥的带式三合一。 3 增加强制干化手段 采用热干燥是最新出现的一种能够有效提高压榨效率和泥饼干度的新方法。也有应 用振动技术、电磁场技术在压滤的不同阶段以达到提高过滤效果的使用、试验问世。各 种新技术的运用刺激着带机生产厂家的不断改进，有效的延长了带机的使用寿命，扩大 了它的使用范围。 4 密封性的增强 污泥普遍带有异味，对操作人员和周围环境都有很大的影响。现阶段带机有向整体 密封与除臭结合发展的迹象。密封性的保证在于带机的设计阶段，加装密封盖板或者单 独为带机修建脱水机房都有着不错的效果。除臭方法常用的有强制通风和化学除臭。 5 新型过滤介质发展迅速 在织造过滤介质方面，近几年出现的有单丝滤布、双层复合滤布、涂膜滤布。为适 应不同特殊要求，由改造纤维编织成功能性滤布，孑l 径为0 5 1 5pm 的涂膜膜布相继 出现，对于织造滤布的热定型、砑光、精整工艺在加工设备及工艺技术上都十分先进， z b f 公司、s a i f a 公司尤为领先。 广东t 业人学坝l 学位论文 1 6 本课题来源、研究目的及意义 1 6 1 课题来源 佛山绿之源环保科技公司与河南某污水处理厂签订了两台带宽1 5 0 0 m m 的全自动带 式污泥脱水机的合同，要求脱水机能够处理含水率在9 8 以下的污泥，框架式结构。由 于厢式压滤机虽然密封性好，对于除臭非常有利，但是维护十分困难，某些辊筒的拆装 需要在墙板上开工艺孔、预留观察孔，对墙板的刚度、强度损伤很大。本机的研发较好 的解决了这两个问题。 公司只提供带式压滤机的压滤机部分，重力脱水段由污水厂使用自己的技术力量进 行配制。要求带式压滤机的主要技术参数符合相关的行业和国家标准。 1 6 2 研究目的 1 该课题直接为生产服务，目的是设计制造出符合客户要求的脱水机。当前国内市 场上销售的带式脱水机基本上都是框架式。框架式压滤机具有安装、维修方便，生产成 本底等优点，有着广泛的市场。 2 为了节省生产成本必须在结构上进行优化，重要的设计需有相应的理论指导，查 阅相关文献给出带式压滤机设计的主要参数的理论公式。 3 由于是第一次的设计制造，还要通过售后服务部门和使用厂家的反馈进行改善， 为今后的脱水机设计生产提供资料，积累经验。 1 6 3 研究意义 1 该机的生产改进了框架结构带式污泥脱水机，丰富了污泥处理行业在脱水机械上 的选择性，增强了脱水机制造企业的竞争力。 2 该机的低功耗可以为使用户节省运行费用，并且可以达到较好的处理效果。 3 另外，脱水机的理论计算还不系统，该机的设计生产对此提供了较好的实验环境。 4 首次生产会有很多理论上、实践中不可预料的困难，可以通过该机的生产积累设 计和生产经验。 第一章绪论 i i i i i 曼曼曼量曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼曼鼍皇曼曼曼曼曼皇曼鼍曼量曼曼皇 1 7 本课题研究内容、关键问题 1 7 1 研究内容 1 脱水机机械部分使用s o l i d w o r k s 进行结构设计。使用三维设计软件s o l i d w o r k s 先把脱水装置、辊筒、涨紧装置、挡泥装置、调偏装置、盖板、刮泥装置、机架、接液 盘、清洗装置、涨紧连轮机构等分别建模，并且组装成为子装配体，然后把各个子装配 体进行总装得到脱水机主机部分总装配体，在这些零部件的基础上生成全关联的工程图 供生产使用。 2 主要零部件的理论计算、校核。详见第四章。 3 重要零部件使用s o l i d w o r k sc o s m o s w b d 娼或者a n s y s 进行有限元分析，如4 5 0 辊筒的通轴、导向辊的轴头的刚度等。之所以选择这些零部件进行有限元的分析是因为 他们是机器各部分的支撑所在，它们的强度、刚度、稳定性对整机能否正常运行有影响。 4 探索在不影响使用性能的前提下合理降低生产成本的方法：1 ) 材料使用比a 3 1 4 、 a 3 0 4 便宜的2 0 1 或者2 0 2 ，通过表面处理达到防锈防腐的目的；2 ) 结构上更加合理精 简。 1 7 2 关键问题 1 使用s o l i d w o r k s 软件创建全参数化的带式压滤机的装配体、零件和工程图文件。 带式压滤机的零件有3 0 0 0 个左右，很多又是非标件需要创建的模型图和工程图的数量在 2 5 0 个左右。在整机装配体中大量使用的阵列命令应对子装配体进行，而且整列的实例 最好进行轻化或者压缩处理，这样对计算机的要求会降低，提高了工作效率。 2 虽然压滤机的相关文献很多，但是都没有给出主要技术参数系统的计算方法，本 课题拟总结、归纳、比较各种计算公式，结合运行实际情况，以获得比较全面的主要技 术参数计算公式。 3 用有限元的方法进行机械优化设计已经非常的普遍，本文对部分重要零部件进行 的分析一方面为节约成本，另一方面也在验证提供计算公式的正确性。 4 机械工业部的标准要求带式压滤机的主机寿命不低于1 0 年，探索使用a 3 1 4 、a 3 0 4 9 广东丁业大学坝l j 学化论文 等不锈钢以外的材料进行设计、生产对整个行业的发展都是一种有益的尝试。 1 8 本文的写作框架 本文共分七章，安排如下： 第一章，绪论。介绍了污泥脱水以及污泥脱水设备的现状，带式压滤机的关键技术 及其发展趋势，阐述了本课题的来源、研究目的和意义，研究内容和拟解决的关键问题。 第二章，过滤与压榨理论。简要的介绍了过滤与压榨理论及其主要成果。 第三章，带式压滤机的结构设计要点。概述了带式压滤机的工作原理，对重力脱水 区、压榨脱水区、滤带相关技术，以及结构设计对带式压滤机的性能影响做了较深入的 探讨。 第四章，带式压滤机主要零部件的设计计算。通过修改已有的压滤机理论计算模型， 本章给出了新的模型及其假设条件，进而推导出了新的理论公式。接着，给出了带式压 滤机设计中用到的主要公式，介绍了负荷试验的应用方法。 第五章，带式压滤机的设计制造。介绍了如何使用s o l i d w o r k s 软件进行整机的参数 化、全关联的设计，显示了三维设计的优越性。同时，针对带式压滤机特殊的要求，如 机架的防腐、异型件的加工、辊筒平行度的保证、滤带的选用、自动泡药装置做了重点 的说明。 第六章，样机及其运行结果。本章以图片和表格的形式展示了本课题的成果，说明 了设计制造该机的社会和经济效益，参照国家标准将该机命名为d v d q 15 0 0 s 5 。 总结与展望，总结了全文的内容，提出了带式压滤机进一步工作的建议。 1 0 第章过滤j j 卡榨理论 2 1 过滤理论简介 第二章过滤与压榨理论 过滤( f i l t r a t i o n ) ，是以某种多孔物质为介质，在外力作用下，使悬浮液中的液 体通过介质的孔道，将固体颗粒截留在介质上，从而实现固、液分离的操作，它 是实现液体非均相物系分离的最普遍和最有效的单元操作之一1 9 j 。 过滤操作采用的多孔物质称为过滤介质，所处理的悬浮液称为滤浆或料浆， 通过多孔通道的液体称为滤液，被截留的固体物质称为滤饼或滤渣。与蒸发、干 燥等非机械操作相比，属于机械分离操作的过滤，能量消耗比相对较低。 我国是世界上最早采用过滤技术的国家之一，早在十二世纪初即开始用布袋 过滤豆浆。但这项技术在工业生产中的运用却是从2 0 世纪六七十年代开始的。国 际上对过滤技术相当重视，首次世界过滤会议于1 9 7 4 年在巴黎召开，1 9 7 9 年又 在伦敦举行了第二届会议，由英国过滤学会主办的过滤技术会议和大型展览会也 规定每逢奇数年举行。 自从鲁思建立过滤方程以来，至今人们对过滤方程已进行了比较详尽地研究。 其中最著名的是以提勒( t i l l e r ) 等人为代表的西方学派，另一派是以白户纹平为首 的日本学派。这两派所用的过滤方程虽然都来自鲁思原始的过滤方程，但由于采 用的参数不同，因此过滤方程的形式也不一样。在方程的应用上也有很多差别。 这些方程对一些专门问题的研究，如一维压榨、二维压榨、二维过滤都有深远的 影响。 西方过滤方程的常用形式基本可以通过两种途径导出。一种是由著名的达西 ( d a c y ) 定律直接推出；另一种是将当量直径引进泊肃叶( p o i s e u l l e ) 方程得到柯兹尼 一卡尔曼( k o z e n yc a r m a n ) 方程，然后再由该方程得到过滤方程。 白户纹平在过滤方程中所用的参数与西方的参数则明显不一样，方程的形式 也不同。采用这种方程形式使得实际应用时参数测定更加容易，处理问题也更简 单方便。他所用的方程是基于下面两条假定建立的。 ( 1 ) 滤饼阻力是滤饼空隙率的函数； ( 2 ) 假设滤浆是均匀的，则滤出同体积的滤液就有相同质量的固体颗粒截留在 广东t 业人学硕j j 位论文 介质上。 以上面这两条假定为基础，可以把滤浆中固体含量作为滤饼阻力的基准。通 常己知滤浆中固分浓度，在过滤过程中可随时测定滤液量。为了将固分浓度和滤 液量联系起来，把“滤出同体积的滤液就有相同质量的固体颗粒截留在介质上” 这一假设用方程表示出来，就必须将残留在滤饼中的液体量也加入计算。因此引 入下面的参数。 滤饼湿干质量比m = 滤饼湿润状态质量滤饼干燥后的质量 假定滤浆是由固体颗粒和纯液体组成，没有互溶成分。一般过滤过程都假定 满足这一条件。 根据过滤的基本理论，在多数情况下，可用与流量、压差和过滤面积等参数 有关的微分方程式来描述。 d 2 t i d v 2 = k ( d t l d v ) p( 2 1 ) 若知t 时的流量q 和初始流量q o 就可得出方程式( 2 1 ) 的一般解； ( p 一1 ) k v = q o p 一一g j 口一1 ( 2 - 2 ) 在使用新过滤机前或估算用现有设备过滤新产品的生产能力时，最好采用叶 滤器或瓷漏斗来测定新悬浮液的过滤特性。若选用的过滤介质或滤纸的致密度适 宜，则渗入介质缝隙的固体颗粒可忽略不计( 即介质的阻力恒定) 。对适于这种“滤 饼规律”( c a k e 1 a w ) 的情况，参数p 可视为零，由方程式( 2 2 ) 可得出： a p = ( k 1 v + k 2 ) g ( 2 3 ) 式中p 为滤饼和介质两端的压差，参数k l ，和k 2 由下式求得：； k 1 = ( a c u ) a 2 k 2 = 肚彳 式中：口在实验压力范围内滤饼的平均阻力； c _ 固体物浓度( 考虑了滤饼含有滤液) ； 滤液粘度； a 过滤面积； r 介质阻力。 给定k l 值，就可估算出某一特定过滤速度所需的过滤面积。 流速与固体物的产量( 聊和浓度有关： ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 第二章过滤j 士榨理论 w = c 矿 式中：c = p s ( 1 一m s ) 式中：p 流体密度； ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) s 固体物的质量分数，即固体物的质量与滤浆质量之比； m 湿滤饼与干滤饼质量比。 若压差和流量选得合适，那计算结果可能与选用的过滤机( 如带式压滤机、真 空过滤机、板框压滤机和离心过滤机) 的操作方式有关。 2 2 过滤技术概述 实现过滤操作的外力有重力、离心力、机械力以及真空推动力等。 现代工业生产中通常会采用一种或多种力场共同作用，以“真空”、“真空+ 重力 、“重力+ 机械压力”、“真空+ 重力+ 机械压力四种组合方式进行过滤操作 来实现固液分离的分离机械统称为过滤机，而以离心力为外力的过滤分离机械统 称为离心机。 在工业生产中，实现固、液混合物分离的操作方法分沉降与过滤两大类，但 由于分离的推动力不同又可分为重力沉降、重力过滤，真空或加压过滤，离心沉 降、离心过滤，后者是利用离心力来实现的操作。一般说来，重力沉降或重力过 滤效率较低，现代工业生产己很少采用。真空或加压过滤操作的分离机械统称为 过滤机，离心沉降或离心过滤操作的分离机械统称为离心机，这两类分离机械是 现代工业中普遍用来分离固、液混合物的机械。 过滤的历史悠久，是一种重要的固液分离方法。人们对它投入大量的精力研 究，主要是因为： 第一、固液分离装置己成为一种量大面广的通用设备，广泛地应用于国民经 济的各个方面； 第二、固液分离的适用领域到目前为止仍在不断扩大并显示出巨大的经济效 益和社会效益。 过滤机是固液分离机械中的一个大类。带式过滤与其它滤饼过滤一样，是用 多孔过滤介质截留悬浮液中的固体粒子，在介质表面形成一层滤饼，滤饼一经形 成就成为后进入悬浮液的过滤介质。 广东t 业j 学坝l 学位论文 2 3 压榨理论简介 压榨是在机械压力作用下，使滤饼受到压缩，从中分离出滤液的一种脱水方 法。压榨从理论上可分为一维、二维和多维压榨几种。一维压榨指在某单一方向 外力作用下，使滤饼中的料浆沿该方向流动，主要应用于带压榨膜的厢式压滤机 和板框式压滤机。 压榨操作是高度脱液的一种重要手段。根据压榨装置和压榨机理的不同，压 榨操作又可分为机械压榨和水力学压榨( 或液压压榨) 两种。改变滤液流动方向的 过滤压密过程，以及改变滤饼内高空隙率处有效应力的反向流动过程，均属水力 学压榨操作。自动板框过滤机、带式压榨过滤机、水平带式压滤机和螺旋压榨机 等压榨操作，则均属机械压榨操作。 有关压榨的研究，首先开始于食品工业。为了知道滤液量和压榨速度的重要 特性，各国科学家及研究人员都做了很多相关工作。d e e r ( 1 9 0 8 1 9 1 2 ) 进行甘蔗的 压榨实验，研究了压榨后滤饼体积与压榨压力的关系，顾毓珍( 1 9 3 7 1 9 4 2 ) 研究了 植物油的压榨问题，g u r n h a n 和m a s s o n ( 1 9 6 4 ) 研究了纤维质物料的压缩平衡空隙 率问题，永井等人( 1 9 6 3 - 1 9 6 5 ) 研究了酿造醛的压榨问题，k o r m e n d y ( 1 9 6 4 ) 研究了 果汁的压榨问题。其中除了g u m h a na n dm a s s o n 的工作不是基于特定物料，上述 其他人的工作都是针对特定实验物料进行的，所得出的经验公式不适合于一般应 用。 由于没有从理论上对压榨过程进行一般化的分析，所以，无论是g u m h a n 和 m a s s o n 还是上述其他研究人员，他们的工作都是经验性的。从本世纪6 0 年代中 期开始，白户和村赖等人将土力学领域中的太沙基( t e r z a g h i ) 固结理论，移植到压 榨的研究中。经过多年的研究，机械压榨理论得到了比较系统和深入的发展，为 工业压榨装置的设计提供了理论基础。 2 4 压榨理论发展 t e r z a g h i 的压密理论是建立压榨理论的基础上。但压榨理论，是考虑了滤饼 的压缩与容积减少和滤饼内固体粒子的移动等因素，对台尔查西压密理论进行修 正之后得到的。 1 4 第- 二帝过滤2 j 肤榨理论 t e r z a g h i 固结理论以弹簧一活塞模型为基础，在该理论的建立过程中，作了 如下九条基本假定； ( 1 ) 粒状层是均质的； ( 2 ) 空隙完全被液体所饱和； ( 3 ) 固体颗粒和空隙内的液体都是不可压缩的； ( 4 ) 粒状层比重的影响可以忽略； ( 5 ) 粒状层内液体的流动是维的，并服从d a r c y 定律； ( 6 ) 物料的压密( 即固结) 是一维的，横向不产生压密； ( 7 ) 物料的性质，如透过率k 和容积变化率m v 等等，被假定在压密过程中维 持一定，不随滤饼压缩压力p 的改变而变化； ( 8 ) 压密所引起的物料厚度的变化可忽略； ( 9 ) 滤饼压缩压力p s 与空隙比e 之间存在比例关系，不受时间效应等因素的 影响。 根据上述九条基本假定条件，t e r z a g h i 推导出的地基固结微分方程式为： 斋- c q 豢 p 8 ， 一_ ： l z oj a e a x l j 正如我们之前提到的，由于地基的固结现象与物料的压榨现象十分相似，所 以，白户等人在1 9 6 5 年首次将t e r z a g h i 固结理论移植到压榨的研究中。根据 t e r z a g h i 固结微分方程式的初始条件的不同，压榨物料可分为两类：一是半固体 状饱和物料的压榨，另一是滤饼的压榨。 白户机械压榨理论公式分为两类：一类适用于半固体状饱和湿物料的压榨， 另一类适用于中等可压缩性过滤滤饼( 滤饼压缩指数n 大约在0 3 至0 8 之间) 的 压榨。这些公式都只适用于恒压压榨过程。 迄今为止，压榨理论的研究还远非完善。白户机械压榨理论的重点是放在压 榨公式的推导和修正上，而对压榨滤饼内部机理的探讨仍然明显不足。 因此，就压榨理论尚有许多问题有待深入研究解决，例如： ( 1 ) 为了深入了解滤饼内部的压榨机理，必须利用实验测定压榨滤饼内部各种 局部参数的分布，如压缩压力的分布( 或液压分布) 、空隙比的分布( 或空隙率的分 布) 、透过率的分布、局部比阻的分布以及局部流速分布等； ( 2 ) 高压缩性和低压缩性滤饼的压榨公式； 广东tq k ，：学硕i ! 位论文 ( 3 ) 对于非牛顿型流体的压榨、螺旋压榨机中的连续压榨、插入可渗透带的压 榨以及非一维压榨等课题，虽然已做了一些初步工作，但是，仍然有许多工作有 待进一步深入研究； ( 4 ) 不饱和湿物料的压榨，即固、液、气三相混合的压榨； ( 5 ) 各种水力学压榨机理的深入探讨，等等吼 1 6 第二章带匕压滤机的设计要点 第三章带式压滤机的设计要点 带式压滤机由脱水装置、辊筒、涨紧装置、挡泥装置、调偏装置、盖板、刮 泥装置、机架、接液盘、清洗装置、气动系统、液压系统、泡药箱等组成，是机、 电、液紧密结合一种新式脱水设备，关键零部件的设计时必须把握其要点。带式 压滤机主机结构见图3 1 。 1 主机架2 导向辊13