（机械电子工程专业论文）带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计.pdf

带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计 中文摘要 中文摘要 带式压榨过滤机是一种新型的污泥脱水和细微工业物料固液分离设备。由于其具 有结构简单、运行安全可靠、能耗少、噪音低、处理量大、可以连续作业等优点，近 年来在化工、造纸、环保等领域得到了快速推广应用。 但是，随着科学技术的进步与生产发展，带式压榨过滤机处理能力和脱水效果， 越来越不能够满足生产发展的需要。虽然，近年来国内外相关专家以及生产商对带式 压榨过滤机结构进行了改进与优化，但是，有关其带式压榨过滤脱水理论的研究较少， 以致多年来带式压榨过滤技术没有较大的进展。 由于带式压榨过滤机工作负载大，工作时机架受交变应力作用。经验设计方法设 计的带式压榨过滤机机架在工作过程中变形现象时有发生。怎样在不增加机架重量的 情况下，增加其结构稳定可靠性的问题也是本文主要研究内容之一。因此，本文以“带 式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计”两个方面问题为主要研究内容。具体研究 工作如下： ( 1 ) 本文针对课题研究内容，首先对带式压榨过滤机脱水机理及对影响带式压榨过 滤脱水效率的主要因素等问题进行了研究探讨：然后在学习研究的基础上，归纳总结 了有关压榨过滤理论，本课题为深入开展带式压榨过滤技术的研究奠定了理论基础。 ( 2 ) 运用压榨过滤理论，推导构建了带式压榨过滤脱水过程二维和三维压榨动力学 模型。并运用构建的理论模型对带式压榨过滤机进行的实例设计，提出了改进方案与 建议。 ( 3 ) 通过优化理论的学习研究，结合带式压榨过滤机主机架工作要求，利用有限元 对机架进行了模态分析与结构优化设计。通过优化设计，在使主机架重量增加3 的情 况下，使其结构稳定性较以前提高了2 5 3 0 。 该课题的研究为带式压榨过滤机技术的进一步发展奠定了理论和仿真实验基础。 关键词：带式压榨过滤；压榨动力学模型；有限元；机架优化设计 a b s t r a c t 、b e 1 t f i l t e r d e w a t e r i n gc r u s h i n $ m e c h a n i s m a n dh o s t - o p t i m i z e dd e s i g n a b s t r a c t b e l tp r e s sf i l t e ri san e wt y p eo fi n d u s t r i a ls l u d g ed e w a t e r i n gf i n em a t e r i a l sa n d o l i d - l i q u i ds e p a r a t i o ne q u i p m e n t b e c a u s e o ft h e i rs i m p l es t r u c t u r e ，c o n v e n i e n t o p e r a t i o n ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，l o wn o i s e ，l a r g ec a p a c i t y ，t h ea d v a n t a g e so f c o n t i n u o u so p e r a t i o n ，i nr e c e n ty e a r si nt h ec h e m i c a l ，p a p e r ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a n do t h e rf i e l d sh a v eb e e nq u i c ka p p l i c a t i o n h o w e v e r ，a ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o g r e s sa n dt h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o n ， b e l tf i l t e rp r e s sa n dd e h y d r a t i o ne f f e c t sp r o c e s s i n gc a p a b i l i t i e s ，m o r ep r o d u c t i o nc a n n o tm e e tt h en e e d so ft h ed e v e l o p m e n t a l t h o u g h ，i nr e c e n ty e a r s ，d o m e s t i ca n df o r e i g n e x p e r t s ，a sw e l l a sm a n u f a c t u r e r ss q u e e z eo nt h eb e l tf i l t e rs t r u c t u r eh a sb e e n i m p r o v e da n do p t i m i z e d ，h o w e v e r , t h es q u e e z e i t sb e l tf i l t e rd e w a t e r i n gm e c h a n i s mo f l e s s - p r e s s i n gs om a n yy e a r sw i t hn og r e a t e rf i l t e r i n gt e c h n o l o g yp r o g r e s s b e c a u s eo ft h ec r u s h i n gw o r k l o a d s ，t h er a c ki sw i t h s t o o db ya l t e r n a t i n gs t r e s s t h ef i g h tr a c kd e s i g n e db ye x p e r i e n c ed e f o r m a t i o no c c u r r e d w h i l en o ti n c r e a s et h e w e i g h to fr a c k ( o rr e d u c et h es t r u c t u r a lw e i g h t ) ，a n di n c r e a s ei t sr e l i a b i l i t ya n d s t a b i l i t yi sa l s ot h ei s s u eo ft h i sp a p e r t h e r e f o r e ，t h ep a p e r b e rf i l t e rd e w a t e r i n g c r u s h i n gm e c h a n i s ma n dh o s t - o p t i m i z e dd e s i g n ”嬲t h e m a i nc o n t e n ta n dr e s e a r c h s p e c i f i cr e s e a r c hw o r kc a r r i e do u tt h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) c o n t r a p o s et h es t u d yo ft h i sp a p e r ，t h r o u g hs t u d i e dt h em e c h a n i s mo ft h eb e l t f i l t e rd e w a t e r i n gc r u s h i n ga n dt h em a i nf a c t o r sw h i c hi m p a c tt h ee f f i c i e n c yo fb e l t f i l t e rd e w a t e r i n g ；t h e ns u m m a r i z e dt h et h e o r i e so fc r u s h i n gf i l t r a t i o n a l lo ft h o s e e s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n , f o rt h ei n - d e p t hs t u d yb e l tp r e s sf i l t e r i n g t e c h n o l o g y ( 2 ) t h r o u g ht h eb a s i so ff i l t e rp r e s st h e o r y ，i d e r i v e da n dc o n s t r u c t e dt h e3 d d y n a m i cm o d e lo ft h eb e l tf i l t e rd e w a t e r i n gp r o c e s s ( 3 ) t h r o u g hs t u d i e dt h eo p t i m i z a t i o nt h e o r y ，a n dc o m b i n e dw i t ht h er e q u i r e m e n t so f b e l tf i l t e rp r e s sm a i n f r a m e ，u s e df i n i t ee l e m e n to fam a i n f r a m e - mo d a la n a l y s i sa n d d e s i g no p t i m i z a t i o no fr o b u s tr e l i a b i l i t y b yo p t i m i z i n gd e s i g no ft h ec o n s o l e - w e i g h t b e l tf i l t e rd e w a t e r i n gc r u s h i n gm e c h a n i s ma n dh o s t - o p t i m i z e dd e s i g n a b s t r a c t t h a nt h ef o r m e rh o s t - o p t i m i z e da n dr e d u c e dt h ew e i g h tb y1 0t o1 5p e r c e n t ，a n di t s s t a b i l i t yb e t t e rt h a nb e f o r e t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e re s t a b l i s h e dt h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ed e v e l o p m e n to fb e l t f i l t e rp r e s s i n g k e y w o r d s ：b e l tf i l t e rp r e s s ；r o b u s tr e l i a b i l i t y ；f i n i t ee l e m e n t ；h o s t - o p t i m i z e dd e s i g n i i i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：幽垫 日 期：2 垒盘盘二2 二一 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：幽量垫 日 期：k 虹仝，窆芝 导师签名：、基芦黾厶孕一日 期：2 竺旦尘生 带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计 第一章概论 第一章概论 1 1 课题来源及研究意义 近十多年来，我国城市污水处理事业有了很大的发展，先后建设了城市污水处理 厂4 0 0 多座( 不包括企业污水处理厂) ，其中二级生化法污水处理厂3 0 0 多座。为进 一步控制水污染现状，国家正在规划建设中大型污水处理厂有5 0 6 0 个。在污水处理 过程中会产生大量的污泥。随着污水厂的建设，污泥处理问题也愈趋突出，一个二级 污水处理厂污泥产量约占污水量的0 3 0 5 ( 体积) ，如进行深度处理，污泥量会增 加0 5 1 倍“3 。 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，处理不当会造成严重的二次污染，使水处理效果付诸东流。污泥减量化和无 害化处理是今后污泥处理研究的重点。本文主要研究污泥减量化处理中带式压榨 过滤污泥脱水问题。 通常从污水处理池里排出的污泥含水量高，体积庞大，且易腐败发臭，不利于运 输和处置，所以常常需要对污泥进行脱水处理，这样不但可以减小污泥的体积，降低 运输成本，而且浓缩后污泥还可以用作农用的肥分、焚烧的热值等。多年来，污水处 理厂的污泥脱水主要采用机械脱水方式，其中带式压榨过滤机是目前国内外污泥脱水 普遍采用的设备。 带式压榨过滤机是一种高效率的污泥脱水和细微工业物料固液分离设备。由于其 具有结构简单、运行安全可靠、能耗少、噪音低、处理量大、可以连续作业等优点， 近年来在化工、造纸、煤炭、环保等领域得到了快速推广应用。 但是，随着科学技术的进步与生产发展，带式压榨过滤机一些性能指标，越来越 不能满足生产发展的需要。虽然，近年来国内外相关专家以及生产商对带式压榨过滤 机结构进行了一些改进与优化，但是，有关对带式压榨过滤脱水理论研究的还较少， 带式压榨过滤机的主机体结构稳定性还需进一步研究。以致多年来带式压榨过滤虽然 应用的较广泛，但是其技术没有取得较大的进展。本文以“带式压榨过滤脱水机理及 其主机架优化设计”为研究课题。期望通过本课题的研究能为推动带式压榨过滤技术 的发展做出一些贡献。 第一章概论 带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计 1 2 国内外研究现状 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。由于带式压榨过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。 奥地利安德瑞茨( h n d r i t z ) 公司，在引进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 0 型带式压榨过滤机，并在亥姆希斯矿的浮选尾煤脱水中成功应用。至今安 德瑞茨公司己生产出滤带宽度在0 5 - 3 1 5 m 范围内各种规格的带式压榨过滤机1 3 0 0 0 多 台，应用到很多领域，其中在尾煤脱水方面应用的较好。 法国得利满公司生产的带式压榨过滤机是目前公认的污泥脱水效果最好的设备之 一，我国引进的带式压榨过滤机中，有7 0 以上是该公司生产的产品，主要应用于城市 污泥脱水。 日本是当今世界上设计和生产带式压榨过滤机最具特色的国家，它所设计和生产 的带式压榨过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口，但是由于其结构复杂，高压压榨对滤带寿命影响很大。所以 日本生产的多种高压压榨型带式压榨过滤机推广应用的并不广泛。 表1 - 2 国外带式压滤机应用于污泥脱水的情况 国别 脱水污泥量带压机脱水 脱水污泥量带压机脱水 占污泥总量污泥量占脱占污泥总量污泥量占脱 国别 的水污泥总量的水污泥总量 的 的 比利时 2 52 5 英国 1 06 丹麦 1 51 4 法国 t 3 3 希腊9 79 7西德9 59 2 芬兰 4 23 7 瑞典2 82 5 意大利2 3 2 1 挪威2 01 5 卢森堡 9 37 4 捷克 72 爱尔兰 5 21 7 平均 3 6 8 3 1 6 荷兰 2 91 5 带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计第一章概论 表1 - 2 是国外使用带式压榨过滤机污泥的脱水情况，从表1 - 2 可以看出，希腊、西 德国家利用带式压榨过滤机进行脱水的污泥总量占脱水污泥总量分别达至1 j 9 7 9 2 。 按平均计算，西欧国家使用带式压榨过滤机进行脱水的污泥量占脱水污泥总量为三分 之一左右。 带式压榨过滤机脱水工作原理如图卜2 所示。 投药剂 自动张紧 图1 - 2 带式压榨过滤机结构原理 由图卜2 可见，待脱水的污泥首先由泵将其送入混凝反应器中，使污泥与化学絮凝 剂进行充分的化学絮凝反应，形成絮团后流入重力脱水段；在重力的作用下脱去大部 分自由水，而后污泥进入楔形预压段。在此阶段中，一方面使污泥平整，另一方面使 污泥受到轻度挤压，污泥逐渐受压脱水，为后面的压榨脱水作好准备；然后，污泥进 入s 形压榨脱水段，在此段污泥被夹在上下两层滤网中间，经过若干个由大到小辊筒的 反复压榨和剪切脱水，使污泥形成滤饼状，最后通过卸料装置将滤饼卸掉，卸料滤饼 的滤带经过自动清洗装置清洗后，再参加新的工作循环，即完成了整个污泥脱水工作。 由于滤带是一个柔性体，其工作中会因为多种原因产生跑偏问题，通常系统设计了自 动调偏装置。滤带长度是一定的，当滤饼厚度变化时，是通过自动张紧装置来保证滤 带的恒张力。 我国从1 9 8 2 年开始从事带式压榨过滤机的研究开发，目前从事带式压榨过滤机研 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，已生产出数干台带式压榨机 运用到很多行业，并取得了比较好的成绩，但是我国生产的带式压榨过滤机主要是以 技术引进和仿制为主，具有自主知识产权的技术较少。从总体水平上看，在技术上与 国外还有一定的差距，因此，开展带式压榨过滤脱水机理及关键结构的研究对推进我 3 第一章概论带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计 国带式压榨过滤技术的发展具有一定意义。同类型的进口产品接近，特别是在售后服 务方面，有着得天独厚的优势。 虽然，多年来带式压榨过滤机在应用方面发展的较快，但是，随着科学技术的进 步与生产发展，带式压榨过滤机处理能力和脱水效果，越来越不能满足现在污泥脱水 生产发展的需要。 近年国内外相关专家以及生产商针对带式压榨过滤机脱水发展要求对其结构进行 了一些改进与优化，例如，调整压榨脱水辊系尺寸与结构布置、增大重力脱水区、增 加高压压榨脱水区等方面做了很多工作，但是，对脱水辊系结构布局尺寸等与脱水效 果的关系从理论上研究的较少，以致带式压榨过滤机脱水能力，脱水效果的计算一直 是一个模糊值m 。 为了研究方便带式压榨过滤理论研究者用平带理论描述近似三维压榨方式的带式 压榨过滤过程。压榨力( 或辊压力) p 与带张力的关系由简单力平衡关系得到的。国内 有关压榨过滤理论研究的情况如下：沈阳化工学院的唐立夫等人对通用过滤机的一 维恒压压榨脱水理论进行了分析研究。假设滤饼单一方向上受力，滤液也只沿着该方 向流动，经过理论推导，得出一维压榨理论方程，该理论主要适用于箱式和板框式自 动压滤机。唐立夫等还对筒式压滤机的滤饼进行挤压分析，得n - 维恒压压榨脱水 性能参数，阐明二维加压过滤和二维压榨脱水优于一维操作，可以有效提高生产能力 并降低滤饼的最终湿含率。中国矿业大学的谢广元博士对精煤过滤脱水进行了理论 上的探讨，构造了对板框式压滤机脱水模型。 由于带式压榨过滤实际上是一个近似三维压榨过滤的过程，采用平带二维压榨模 型很难对其过滤过程进行正确的描述的。同时，多年的实际应用发现带式压榨过滤机 脱主机架稳定性方面还存在着问题，因此，对“带式压榨过滤脱水机理及其主机架优 化”课题开展研究是非常必要的，该课题的研究不但具有很好的理论意义，也有较好 的实际应用意义。 1 3 本课题主要研究内容 1 】拟通过对带式压榨过滤机脱水机理、影响主要因素的研究，探讨提高其脱水效 果的可能方法。再通过对压榨过滤理论的学习研究，为本课题的后序研究奠定好理论 基础。 【2 】以压榨过滤理论为基础，结合带式压榨过滤机脱水机理去推导构建带式压榨过 4 带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计第一章概论 滤机脱水过程动力模型，再通过对带式压榨过滤机工艺系统的分析，探讨带式压榨过 滤机结构改进方案。 【3 】针对带式压榨过滤机存在着主机架结构稳定性问题，运用限元的方法，对带式 压榨过滤脱水机主机架进行模态分析与优化设计。 1 4 本章小结 本章首先通过对我国污泥脱水及带式压榨过滤机应用现状的阐述，介绍了课题来 源及研究意义；通过国内外研究现状的调查，分别介绍了有关带式压榨过滤机研究现 状；在上述研究的基础上确立了本课题主要研究内容及基本研究方法，为后序研究指 明了方向。 第二章带式压滤机脱水机理 带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计 第二章带式压榨过滤脱水影响因素及压榨理论基础 2 1 带式压榨过滤过程机构对脱水效果的影响 从带式压榨过滤机结构原理已知，带式压榨过滤是借助于两条环绕在按顺序排列的 一系列辊筒上的滤带实现挤压脱水设备。设备系统主要包括：重力脱水区、楔形压榨区、 压榨脱水区、给料混凝系统、过滤压榨脱水系统、卸料装置、冲洗装置、接水装置、张 紧装置、纠偏装置等组成，影响其脱水效果的主要是过滤压榨脱水系统。因此，本章节 下面主要讨论过滤压榨段对脱水效果的影响。带式压榨脱水辊系结构布置原理如图2 - l 图2 - i 脱水辊系布局洗 由图2 i 所示带式压滤机的脱水过程一般分为三个区段进行。第一区段为重力脱水 区，经混凝后的料浆落到移动的滤带上，污泥或料浆在重力的作用下，自由水大部分穿 过滤带流走了。第二区段为楔形挤压区，两条滤带迭合前，滤带之间的空间逐渐减小形 成一个楔形区段，此时滤带开始对料浆施加挤压剪切作用，随着压力的逐渐增加，料浆 中的自由水和部分游离水被挤压脱掉水，但是此区段一般较短，一般是起到减少料浆流 动性目的。第三区段为挤压压榨区，重叠的滤带夹持着初步脱水的滤饼沿设计辊筒路线 作连续环绕运动，使迭合滤带的两个面都能受到多次反复挤压与剪切作用，压榨区段是 带压机的主要脱水区，也是不同型号带压机结构的主要变化之处，滤料通过压榨区段完 成最后脱水，形成滤饼。滤饼在重叠滤带分开处卸落，卸料后滤带经清洗进入下一循环。 带式压榨过滤机是开放式工作的，滤带两侧不密封，当待脱水的料浆含水率高时， 6 带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计第二章带式压滤机脱水机理 容易从滤带两侧溢出，其原因是料浆由液体向半固状的变化过程中，液状料浆流动性高， 没有抗压能力容易流动变形；半固状料浆随料浆中粒子充填密度的提高，即随着水分的 降低，其所能承受的抗压力增加。但是，在压榨脱水过程中，一旦与压力失去平衡，料 浆就会从滤网的两侧溢出。因此，带式压榨过滤机脱水三个脱水段长度分配、压榨脱水 段各压榨辊压力分布等，却必需考虑到料浆的这一力学特性。下面分别讨论各脱水过程 的结构型式对料浆脱水效果的影响。 1 重力脱水区对脱水效果的影响 重力脱水区主要是分离絮凝后料浆的自由水，使料浆失去流动性。它决定着带式压 滤机单位时间内的处理量。污泥在此区域停留时间通常1 2 m i n ，污泥的含水率可下降5 1 0 。常见的重力脱水区的滤带呈水平或向上倾斜3 5 度布置。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，重力脱水时间与压榨脱水时间之比要 1 2 5 。对于难脱水的料浆来说，重力脱水时间要求1 5 ，但重力脱水段过长受到机械结 构的限制，而且对滤带跑偏有较大影响。重力脱水段工作情况如图2 2 所示。 图2 - 2 重力脱水段工作情况 经过絮凝处理后的料浆，在流放到重力脱水带上进行重力脱水的过程中，过滤开始时， 滤液只需克服过滤介质的阻力，这时过滤速率较快，随着过滤时间的增加，絮块下沉， 粒子间隙缩小，充填密度增加，过滤速率减慢，特别是一些细微工业料浆在重力脱水过 程中很容易在滤带表面形成一层较为致密的滤层，过滤速率很快降至为零。这样自由水 滞留在粒子中间或析出料浆表面形成了“水池 。如图2 3 所示。 图2 - 3 重力过程中“脱水”现象 第二章带式压滤机脱水机理带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计 当料浆表面形成“水池”时，这时重力脱水就基本上停止了。解决的方法通常是在 重力脱水段设料浆的分散翻料和振动脱水装置。常见的分散装置有犁形，梳形，板形等 结构型式。如图2 4 所示。 犁形板整平板整平板梳形板 料 图2 - 4 常见的分散装置结构型式 增设这些装置的目的是把向前运动的料浆向前或向上推动，即使料浆运动起来，露 出滤带表面。以促进自由水方便的流过过滤介质。犁形和梳行分散装置与滤带是点接触， 料浆被分散后，随着滤带前进方向又很快弥合起来，滤带再生面积小，脱水效果不明显， 板状分散装置与滤带接触面积较大，滤带行走时可以露出较大的过滤介质空间或断层来， 其脱水效果较犁形和梳行分散装置好。 图2 - 5 振动分散器 8 散器 带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计第二章带式压滤机脱水机理 在重力脱水滤带向前移动时，料浆遇到分流板，由于分流板的作用在分流板背后形 成个空间( 滤带再生区) ，自由水便从空间处流过过滤介质。 可以采用振动式分散器的方式来提高重力脱水效果，如图2 5 所示。该装置设置在滤 带下部，利用振动气缸带动振动辊振动，使重力段沉淀在滤带上的料浆上升，起到疏通 滤带网孔的作用。这种新型的振动式分散器不但解决了滤层厚度不均匀的缺陷同时也加 速了重力脱水效率。图2 - 6 为带式压榨过滤机污泥脱水分散效果图。 含 i 水 | i|i j 弋 i bq 9 0 ：三 1 2 0 ( s ) 6 0图2 - 6 重力脱水分散效果图 由图2-6可以看出立了分散装置，重力脱水污泥含水率要比不设分散装置降低3 4，特别是采用了振分散装置是污泥含水率降低了57，这样重力过滤速率明显 的提高。不设分散装置时，重力脱水段能力约为026036m3m2min；设了分散 装置后，重力脱水段最大处理能力达0 ，0 。4 8m 3 m 2 m i n 。也就是说：处理能力大约提高 了6070。这样以在重力脱水满足压榨脱水要求的前提下，通过提高滤带工作速 度，来提高过滤机理能减短重力段长度来缩短整机长度， 量。2 预压脱水段对脱水效果的影响 预压脱水段，用上下滤带的楔形夹角的变化，对来自重力脱水段的污泥逐渐施 加预压力，以进一掉 第二章带式压滤机脱水机理带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计 去流动性。根据污泥特性。 图2 7 预压脱水结构简图 由图2 7 可见，当料浆从上滤带落到下滤带上后料浆随着上、下滤带的运动，逐渐被 带入到楔形预压脱水段，在上、下两条滤带作用下，料浆受到由小到大的压力作用。自 由水和游离又进一步去除，即料浆失去了流动性，为压榨脱水做好准备。预压脱水段的 长度以及楔形角口大小直接到预压脱水效果。 当然从理论上讲楔形预压脱水段越长越好，但是在结构上往往很难满足上述需求。 通常比较好的办法是采用柔性预压脱水，即能根据污泥性质自动调节预压力。目前多采 用楔角可调的方法来解决这个问题。 3 压榨剪切脱水区对脱水效果的影响 压榨剪切脱水的目的是对失去流动性的半固状料浆受压榨脱水，使其最后呈固状滤 饼。最普通的压榨脱水区的形式如图2 8 所示。由图2 - 8 可以看出滤网s 型缠绕辊筒行走， 滤带作用于滤饼上的作用力与辊筒曲率半径成反比。在运行过程中，由于辊筒直径的变 化导致滤带在辊筒上包角长度的变化，即在工作过滤中，上下两条滤带相互错位滑动， 滤饼在压榨区内不但受到压榨力作用，而且还受到剪切力的作用。通常滤带的线张力为 8 0 0 0 , 1 0 0 0 0 n m 。压榨脱水的辊筒一般分为：简易型和多辊型两种类型；简易型为3 5 个 辊筒，多辊型为5 1 2 个辊筒，对于一般料浆的脱水以5 - 7 个为好。对于一些对滤饼含 水率要求较低的料浆脱水，如矿浆可以采用多辊型，经大量生产实践经验证明：对尾煤， 尾矿等矿浆的脱水，压榨脱水的辊筒数9 个即可满足使用要求。一般不要轻易增设过多 的辊筒。因为辊筒数过多，会对滤带正常运行有很大的影响，同时当辊筒数多于9 个后 很难再脱去什么水份。辊筒的直径一般为0 2 0 0 - 0 9 0 0 m m ，从大到小顺序排列。 1 0 带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计第二章带式压滤机脱水机理 图2 - 8 压榨剪切脱水区 带 一般来说：滤带的线张力越大，相对压榨力也就越高；滤带对脱水辊包角越大，在 脱水工作过程中滤带对滤饼剪切变形量就越明显；压榨时间越长。脱水量也就越大。所 以说滤带张力越大，压榨时间越长，剪切变形量越明显，压榨脱水的效果相反就越好。 但是如果滤带线张力过大，滤带与脱水辊筒接触面过长，包角过大，就会对滤带正确运 行和滤带使用寿命影响很大，同时，也可能使滤饼的孔隙迅速闭塞，反而不利于压榨脱 水。因此，好的辊筒压力，是梯系机构。对此，日本石川岛播重工业( 株) 在特开昭5 8 2 9 5 9 专利中提出一种辊筒间距关系( 如图2 9 ) ： ( 1 ) 两辊间距关系： ( 2 ) 两辊垂直间距关系 图2 - 9 滚筒间距关系图 2 z , ( d , + 0 2 1 = 1 1 5 h 、气体( 气相) 三部分组成的，滤饼中的气体是指存在于滤饼孔隙 中未被水占据的部分。存在的形式有两种：一种与大气相通，不封闭，对滤饼的性质影 响不大：另一种则封闭在滤饼中的孔隙中，与大气隔绝，封闭气体不易逸出，增大了滤 饼的弹性和压缩性，减小了透水性。经过脱水过滤后，污泥的含水率迅速下降，假设进 入压榨辊压榨区时，滤饼已成为半固体状湿润饱和滤饼，即滤饼孔隙全部被水充满，气 体所占体积为零。由于带式压榨过程的研究是以半固体状湿润饱和滤饼为对象的。为了 更好地推导构造带式压榨过滤过程三维压榨模型、须定义一些参数来表征滤饼压榨的过 程和程度。 1 压缩系数口， 压缩系数口，用来表示滤饼的孔隙比随滤饼压缩压力的增加而改变的程度。半固体 状湿润饱和滤饼在压力作用下，孔隙中的水随时间的增长逐渐被排出，同时孔隙体积也 随之减小的过程，称为半固体状湿润饱和滤饼的压密。 根据太沙基( ( k t e r z a g h i ) 一维固结理论1 ，半固体状湿润饱和滤饼的压密，可用 图3 1 所示的“弹簧一液体一活塞”模型来说明：以弹簧模拟滤饼中的固体颗粒，容器中 的液体模拟孔隙中的液体，活塞孔模拟滤饼的透水性，活塞上作用着均布荷载p ，应用 土力学中的有效应力原理，均布载荷p 在系统中引起的总应力p o = + 弓，式中只即由 固体颗粒传递的有效应力，也称滤饼的压缩压力，由穿过滤饼固体颗粒的摩擦力产生： b 是由孔隙液体传递的应力，称之为孔隙中液体应力。 第三章带式压榨过滤脱水过程数学模型带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计 z 3 1 。弹簧掖体话塞”模型 在加载的瞬间，弹簧没有被压缩，所受的力只为零，总应力全部由孔隙中的液体承 担，即丘等于总应力。随着时间的增长，一方面，液体在压力作用下由活塞孔逐渐排 出，随着活塞下降，弹簧被压缩，孔隙体积减小；另一方面，孔隙中液体应力逐渐减小， 弹簧所受的力( 有效应力) 逐渐增加，直到总应力全部由弹簧承担，即有效应力只等于总 应力。可见，半固体状湿润饱和滤饼的压密过程，一方面是孔隙液体被排出，孔隙体 积减小的过程；另一方面是孔隙中液体应力逐渐减小，有效应力逐渐增加，孔隙中液体 应力逐渐转化为有效应的过程。半固体状湿润饱和滤饼压密过程完成的条件是有效应 力等于总应力，即n = 儿。 设压密过程中沿压榨方向滤饼的横截面积么保持不变，由于用弹簧来模拟固体颗 粒，由胡克定律可知，当压密过程结束之前滤饼的变形量( 弹簧的压缩量) x 与压缩压 力的增量尸s 成线性关系，即 鱼：c d 珊， p s 因为孔隙比p 表示滤饼中空隙体积圪与固体粒子的总体积k 的比， 肌2 彘2 去p = p 轴州均黼巍所= 等= 等， 带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计 第三章带式压榨过滤脱水过程数学模型 那么，堕：c o 嘶t 一= ，h j f 必 ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 说明滤饼孔隙比e 与滤饼压缩压力p 成线性关系。 令 以= 一赢a e ( s - z ) 即压缩系数吼为滤饼孔隙比e 变化量与滤饼压缩压力p s 的增量之比，负号表示随压缩压 力的增大滤饼的孔隙比逐渐减小。压缩系数为常数。 有时在理论推导中压缩系数口，要用孔隙率f 来表示，下面推导压缩系数口，与孔隙率 占的关系： 孔隙率g ，表示空隙体积与总体积的比值， 弘矗= 而e ( 3 - 3 ) 圪+ 屹 l + p 、7 对占= 两边对a 求偏导数，得 将上式带入式( 3 2 ) 得， 昙：忐鲁 ( 3 - 4 )一= 掣 - 4 - 犯( 1 一占) 2 皿 ”。 1a s q i f 矛丽 2 理论压密比以 为了表征滤饼压密进行的程度，引出压密比的概念m 1 。压密进程中某一时刻的压密 比就是该时刻孔隙比的变化与平衡时( 即压榨结束时) 孔隙比的变化之比。 u ：! 丛0 4 ) c f ， 由于滤饼孔隙比。与滤饼压缩压力p s 成线性关系，故( 3 5 ) 式可以写成： u 2 嚣= 毋小老 p 回 式中：乞压密初始滤饼的孔隙比： 2 7 第三章带式压榨过滤脱水过程数学模型带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计 e ，压密结束时滤饼的孔隙比： e 任一时刻t 滤饼的孔隙比： 兄任一时刻孔隙中液体压力： 乃压密初始孔隙中液体压力。 任一时刻滤饼的压密程度也可以用平均压密比来表示，平均压密比即滤饼的平均孔 隙比的变化之比，又因为压榨初始( ( ，= 0 时 孔隙中液体压力的平均值为 k 霎等 任一时刻，时孔隙中液体压力的平均值为 。譬等 所以平均压密比 严匕d z = 凳小每斗藩 p 力 。i 等9 一。 山 h 3 2 重力脱水和楔形预压脱水模型”2 加 如图3 - 2 所示，带式压榨过滤机的重力脱水，主要是依靠重力脱去浆料中的自由水和 游离水。由于带式压榨过滤机结构的特殊性，在重力脱水时一部分水的过滤按沉降过滤 计算；而另一部分水在过滤时，几乎没有滤饼的阻力，这部分水只需要克服过滤介质阻 力。其重力过滤方程为： ”= ”铲r 。p ：肛门一。2 ( 3 - 8 ) 图3 - 2 重力脱水结构简图 如图3 3 ，用过滤方式脱去毛细水必须依靠网带产生的、施加在过滤介质上的机械 力，即网带两侧产生的压力差大于毛细压力。由可压滤滤饼的过滤方程可知，过滤速率 带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计 第三章带式压榨过滤脱水过程数学模型 与滤饼的压强降成正比： u = d v a 出= 4 a p h 。h a 印c s ( 舛y 。) ( 3 - 9 ) 3 3 压榨过程简约模型 图3 3 楔形预压脱水结构简图 作为一个简单模型，带式压滤机压榨区模型可用平带理论近似描述( 如图3 - 4 ) 。 弋、 墨，回转时两层滤带必然会发生 相对滑动来补偿由于半径不同造成的多余带差。这样，就造成了料浆受剪，降低了过滤 阻力，提高了滤饼的渗透性，从而改善了压滤条件。原有模型对带压机结构设计上可能 造成的后果：受剪切力的影响，压榨压力的分配与实际不符，最大压力不在预期的位置， 达不到理想的压榨效果。 所以说，除压榨力外，上下带之间相对运动引起的剪切作用使颗粒重新分布对脱水 效果也有作用。由于压榨应力和剪切应力作用在滤饼上，致使滤饼结构遭到破坏，引起 孔隙率减小，流动阻力增大。因此，经带式压滤杌压榨后的可压榨滤饼其特性取决于： i 、无应力作用下带式压滤机上滤饼初始结构的特性： 2 、剪切力和压榨力作用下颗粒重新分布引起的结构变化。 颗粒的重新分布使得带式压滤机比单采用压榨作用的机器更有效。滤饼层上的剪切 作用可改善水的渗透性，但是剪切力本身不能降低滤饼含水量，因为滤饼含水量的减少 是体积改变弓l 起的，因此滤饼主要受压榨力的影响。上述体积改变可用滤饼的平均压密 比表示。可是，这种简单的二维压密模型用于描述带式压滤机的脱水机理是不合理的， 因为：第一，剪切力的作用没有考虑：第二，滤饼的实际变形实际上是近似三维的。因 此，必须建立一个新的模型来描述压榨过滤机理。 3 4 三维压榨模型删 i 数学模型的建立 在带式压滤机的脱水区段中，压榨区的滤饼在压榨压力p 的作用下，压缩压力只增 加，滤饼的孔隙减小，从而使液体压出滤饼，从过滤介质渗出，当压缩压力只与压榨压 力只相等时，压榨过程结束。由于滤饼的重力与压缩压力相比很小，因此忽略重力的影 响。并假设滤饼完全被液体所饱和，忽略质量的影响，固体颗粒及孔隙中的液相均是不 可压缩的；液体随物料前进方向进给，不发生回流。其三维压榨过程可以利用微元来描 带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计第三章带式压榨过滤脱水过程数学模型 述。 y 玑一盟 1 a y a 以 a x x y 一丝一d z。 昆2 圈3 - 5 游饼微分兀 首先介绍在三维坐标中推导出三维压榨方程如图3 5 所所示。在三维坐标中取一单 元体d x d y d z ，其中x ，y ，z 为中心坐标，圪，以，圪分别为中心点沿着z y ，z 方向 的渗流流速。 单位时间内流进与流出六面体的体积流量分别为g 与q 2 ，即 鸟= ( 圪一警叁撇+ ( 巧一等争砒+ c 圪一警争姗 q 吧+ 豢争撇也+ 等争砒也+ 警争撕 ( 3 - 1 0 ) 假定压榨区是完全饱和的，同时假定固相颗粒与水的压缩量略去不计，单位时间内 单元体的改变量等于流进g 与流出单元体的液体体积q 之差， 警：g 幺( 3 - 1 1 ) 将式( 3 - 1 0 ) 代入式( 3 - 1 1 ) 可得： 娶；( 冬+ 堡+ 丝) 出西出( 3 - 1 2 ) l d _ r d v d z一= f o + _ 二+ 一 所、缸 i 5 , a z 77 因为单元体体积等于圪和巧之和， 即 孔隙比为： 矿= k + 巧 矿 o = 占 y 生2 砂下 矿上x警等 第三章带式压榨过滤脱水过程数学模型 带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计 得 叶势哺= k 击 a v ， 1 如，a v va s 百2 i 而百或百5 五百 单元体体积矿= 出咖出代入( 3 - 1 4 ) 式得： 由( 3 - 1 2 ) 和( 3 - 1 5 ) 可得 a 矿a 占a x a y a z 一= = 岔西1 一s ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) 丝：( 1 一占) ( i a v x + i a v , + ( 3 - 1 6 ) a t 、“苏却昆7 因为作用在滤饼上的压榨压力只等于滤饼中的尸与压缩压力只( 即滤饼中的固体 粒子承受的压力) 之和，即只= 尸+ 只 所以 a s8 s8 p0 6a a sa p = 一= = 一一= ： 西劫西a ( p c p s ) a b蝎a t 假设滤饼中的压缩压力和空隙率之间存在线性关系，且不受时间等因数影响， 所以令 a = - 橐 则 等= q 百0 1 ( 3 - 1 7 ) 由于液体在滤饼中的运动处于渗流状态，设雷诺数r e 2 ，根据达西定律，即单元 体中任何方向液体的渗透速度，与该方向上液体中任何方向液体的渗透速度，和该方向 上液体的压力梯度成正比，与液体粘度成反比，则 p 警妒一等野一警 协 将( 3 1 8 ) 代入( 3 1 6 ) 中，得： 、 忐塑a t = 鲁窘毒害+ 鲁窘 泞 1 一s 口苏2咖。砧瑟2 带式压榨过滤脱水机理及其主机架优化设计 第三章带式压榨过滤脱水过程数学模型 令：刿，：k , ( 1 - e ) ，：k z ( 1 - 6 ) ( 3 - 2 0 ) a v l 2 。 唧芦a r i a 分别为x ，】，z 方向上的压榨系数由于各方向上的渗透系数疋，b 和砭不同，所 以其压榨系数也就不同。将( 3 - 2 0 ) 代入( 3 1 9 ) 得 o 钟p _ c ，0 萨2 p + c r y 矿2 p + 万0 2 p ( 3 2 1 ) 方程( 3 2 1 ) 即为三维压榨方程。 如果改用极坐标也可以描述为： ( 3 - 2 1 ) 可以等价于 o 口p = c e z 虿0 2 p + c 0 矿2 p + 三r 笃o t 吾軎 净2 2 ) c 易，c 0 ，c 品分别为z 、r 、口方向上的压榨系数，由于各方向上的渗透系数砭、墨 和不同，所以其压榨系数也就不同 2 三维压榨微分方程的解 采用分离变量的方法求解方程，设丁为时间f 的单值函数，则 p = g o ( x ，y ，z f ( t ) 得 i o p _ g 。r ( 3 - 2 3 ) 罢：r 孥睾：r 誓；芒：丁孥 ( 3 _ 2 4 ) 缸 缸7 却卸7 瑟瑟 警= 7 争；等= r 争；窘= r 争 浯2 5 ， 将( 3 - 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) ( 3 - 2 5 ) 式代入( 3 - 2 2 ) 式中得： 岛，= ( 争+ 争+ r ( 3 瑙) 则昙：垒釜：釜二! 釜伊2 7 ， 口口 s l 0 c s r r z l i = = 工 y z ，f，【 第三章带式压榨过滤脱水过程数学