（机械工程专业论文）40m2外滤式转鼓过滤机提产研究与实践.pdf

摘要 赤泥过滤是混联法生产氧化铝中拜尔法和烧结法相衔接的重要 环节。本文简述了中铝公司河南分公司氧化铝厂赤泥过滤工艺流程， 指出了流程中关键设备一过滤机存在的问题。过滤机生产现状为单机 产量7 6 讹，赤泥滤饼水分含量为5 3 ，其可溶性碱含量为1 6 7 。由 于过滤机产量低、水分大，随着氧化铝产量的大幅增加，过滤机的生 产能力已明显不足，并已成为严重制约氧化铝厂提产的瓶颈环节。 本论文以赤泥过滤工序1 3 4 过滤机为研究对象，通过理论分析与 现场生产测试，建立了过滤机生产状态的数学模型，提出了过滤机产 能翻一番的可行性方案并进行了工业生产实验。阮文具体在以下几方 面开展了深入研究。 。 1 论文分析介绍了国内外各种过滤技术的发展动向，特别是真空 过滤技术。它结构简单，占地面积小，处理量大，价格低，维修工作 量小，初期投资比其他脱水方式低等。分析比较了各类真空过滤机的 特点、应用范围和特性等。 2 对过滤理论的发展概况进行了分析介绍。卡曼一鲁思建立了固 定层滤饼过滤理论的基础，被现代工业设计和生产所广泛应用。同时 也对始于八十年代的多项过滤理论、滤饼压缩理论、非牛顿型流体过 滤、压密压榨等理论进行了简要阐述。 3 对过滤机技术状态进行了分析研究。应用过滤过程数学模型分 析了连续转鼓式真空过滤机的生产能力机理，对过滤效率进行了分 析。从转速和过滤压差两大因素方面对过滤机提产进行了可行性分 析。 4 本文就过滤机结构进行了改造设计。采用网框绳固定方式，解 决了滤布打滑、跑偏、漏水等问题；采用卸料辊排矿方式为过滤机提 速增产打下了基础；对过滤机真空系统的改造，使过滤机有效真空增h ， | 。 ， i r i 伽了o 0 2 m p a ；设计了强力滤饼洗涤系统；对过滤机提产的关键环节 l 一滤鼓驱动系统进行了改造设计，使滤鼓转速由2 r m i n 提高到5 2 4 r m i n ，为过滤机产能翻严番创造了极有利的条件。本文还对过滤介质 的选择进行了研究。 通过对赤泥过滤工序1 3 ”过滤机的改造测试，验证了转鼓过滤机 提产理论和改造方案的正确性，探索出了最佳设计改造及生产运行参 数，为转鼓真空过滤机提产改造开拓出了一条新途径，为氧化铝厂提 产增效创造了充分且必要的条件。且该技术极具市场应用前景。 关键词：过滤机，赤泥过滤，滤饼，氧化铝，卸料辊 a b s t r a c t i h ef i l t r a t l o no f 。r e dm u dl sa nl m p o r t a n t o p e r a t l o n t oc o n n e c tt h e b a y e rp r o c e s s a n dt h es i n t e r p r o c e s s w h e n p e o p l e u s em j x e d c o m b i n a t i o n p r o c e s s t o p r o d u c e a l u m i n a t h ea n i c l e e x p l i c a t e s t h e t e c h n i c a lp r o c e s so fr e dm u df i l t r a t i o ni nt h ea l u m i n ap l a mo fh e n a n b r a n c hc h i n aa l u m i n i u mc o l t d c o m p a l l y ，p o i n t so u tm ep r o b l e m s e x i s t i n gi nm ek e ye q u i p m e n t m en i t e r t h en i t e r s c u r r e n ts t a t ei st h a tt h e o u t p u to fe a c hm a c h i l l ei s7 6 “h ，r e dm u d 丘l t e r - c a l 【e sc o n t a i n5 3p e r c e m m o i s t u r ea n d1 6 7 p e r c e n t s o i v b l ea i k a l s b e c a u s eo ft h el o w p r o d u c t i o n，h i g h m o i s t u r e c o n t e m ，t h ef i l t e r s p r o d u c i n gc a p a c i t y i s o b v i o u s l yl a c k i n gw i 让lt h er a p i d l yi n c r e a s 王n gi na l 啪i n ap r o m l c t i o na n d m o r eo v e ri th a sb e e n 也eb o t t l en e c kf a c t o rt o s e r i o u s l yi m p e d et h e a l u m i n a p l a n t t oi n c r e a s em e p r o d u c t i o n t h ea r t i c l er e g a r d sr e dm u df i l 饥l t i o ns e q u e n c e1 3 拌t h e 国t e ra st h e r e s e a r c ho b j e c t a 矗e rt h em e o r e t i c a la n a l y s i sa n df i e l do p e r a t i o nt e s t ，w e e s t a b l i s h e dm em a t h e m a t i c a lm o d e la b o mm ef i l t e r s o p e r a t i o n s t a t e ，p r e s e n t e dt 1 1 ef e a s i b l es c h e m e t l l a tc a i ld o u b l em e f i l t e r s o u t p u ta n d d i dc o m m e r c i a lm e ) 【p e r i m e n t t h ea r t i c l ed e v e l o p sm e f i 盯t t l e rr e s e a r c h i nd e t a i l si nt l ef o l l o w i n gf a c t o r s ： 1 a n a l y s ea n di 1 1 仕o d u c et l l ed e v e l o p i n g 仃e n do f v a r i o u s 丘l t r a t i o n t e c h n o i o g y b o t ha th o m ea n d a b r o a d ，e s p e c i a l l y t h ev a c u a lf i l t r a t i o n t e c h n o l y g y t h ea d v a n t a g e i st l l a ti th a ss i r n p l e s e r v c t u r e ，h i 曲h a n d i n g c 印a c i 吼i o wp r i c e ，l o wm a i n t e n a i l c ew o r k i n gc 印a c i 饥n e e d sl e s sa r e a ，l e s s e a r l yi n v e s t m e n tm a to m e rd e w a t e rm e 也o da i l d s oo n t h ea n i c l ea l s o a n a l y s e sa 1 1 da m p a r e s 也ef e a t u r e s ，t h em g eo f 印p l i c a t i o na i l dp r o p e r t i e s w i t hv a r i o u sv a c u a lf i l t m t i o nt e c h n o l o g y 2 a n “y s ea n d i n t r o c l u c et h ed e v e l o p m e ma n dc o n d i t i o no ff i l t r a t i o n t h e o 叮c a r m a n - r _ u t h e s t a b l i s h e dm eb a s i so ft h ef i l t r a t i o n t 1 1 e o r y o f 6 x e d l a yf l l t e r c a k ew h i c h i s b r o o d l ya p p l i e di nm o d e m i n d u s t r i a ld e s i g n 【i i a n dp r o d u c t i o n ，a n dm e a n w h i l ee x p l a i n t h e h e t e r o g e n e o u s n l t r a t i o n t h e o r vp r e s e n t e dl n1 9 8 0 s ，矗l t e r i c a k e c o n t r a c t i o nt h e o r y ，n o n - n e w t o n i a n n u i df l l t r a t i o na n dp r e s s s q u e e z et h e o 够 3 a n a l v s ea n dr e s e a r c ht h es t a t eo ff i l t r a t i o nt e c 1 1 1 0 l o g y u s i n gt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo f 矗l t r a t i o np r o c e s sa n a l y s e st h ep r o d u c t i o nc a p a c i t y o ft h ec o n t i n u o u sr e v 0 1 v i n g d r u mv a c u a lf i l t e ra n dm ef i l t r a t i o n e m c i e n c y m a k ef e a s i b l ea n a l y s i sa b o u t h o wt oi n c r e a s et l ef i l t e r s o u t p u t 丹o mt w om a i nf a c t o r s ：r o t a t i o nr a t ea n df 1 1 订a t i o nd i 骶醯e n t i a lp r e s s u r e 4 m a k ea d 印t a b l ed e s i g l la b o u tt l l ef i l t e r s s t m c t u r e u s i n gs a s h c o r d f i x a t i o nm e t h o ds o l v e ss o m ep r o b l e m ss u c ha st h es l i p p i n g ，d e v i a t i n ga n d l e a l ( i n go f t h ef i l 饿【t i o nf 拍r i c ；a d o p t i n gd i s c h a r g er o l l e rt ov e n to r e sl a y s m n d a m e n tt oi n c r e a s ep r o d u c t i o na n da c c e l e r a t et h es p e e do ft h ef i l t e r t h ea d a p t i o no ff i n e r s v a c u a ls y s t e r nm a k e st 王1 ef i l t e re 伍c a c i o u sv a c u u m i n c r e a s eo 0 2 m p a ，a n dt h ea d 印t a b l ed e s i g i lt ot h ek e y 叩e r a t i o n ( 协c r e a s e t h ef i l t e rp r o d u c t i o n ) f i l t r a t i o nd r u md r i v es y s t e mm a k ei t sr o t a t i o nr a t e r a i s e 厅o m2 “m i nt o5 2 4 “m i nw h i c hc r e a t e saf a v o u r a b l ec o n d i t i o nt o d o u b l et h ep r o d u c t i o n d e v i s e 也ep o w e r e df i l t e r - c a k ew a s h i n gs y s t e m a 1 1 dr e s e a r c hm ec h o i c eo f t l l ef i l r a t i o nm e d i 嗽a s w e l l t h em o d i f i e dt e s tt ot h er e dn m df i l t r a t i o ns e q u e n c e13 4m ef i l t e r p r o v e dt h ea c c u m c yo ft h e o q a b o u th o wt oi n c r e a s et 1 1 ei n v o l v i n gd m m f i l e r s p r o d u c t i o na n dm o d i f i e ds c h e m e ，e x p l o r e dm e b e s tm o d i ：f i e da n d o p e r a t i n gp a r 鲫僦e r ，f o u n dan e w m e t l dt oi n c r e a s et h er e v o l v i n g 慨 v a c u a lf l l t e r s p r o c i u c t i o n ，c r e a t e dm es u f f i c i e r l ta n dn e c e s s a r ) ，c o n d i t i o n s t oi n c r e a s et h ep r o d u c i n gc 印a c 时a n de f ! f i c i e n c yi na 1 啪i n ap l a n t m o r e o v e r ，t h et e c h n o l o g ym u s tb e 咖s i v e l ya p p l i e d i nm em a r k e t k e yw o r d s ：f i l t e r t 1 1 e 矧t r a t i o nfr e dm u d ， f i l t e r c a k e ，a l u m i n a ，d i s c h a r g e r o l l e r 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名 日期：年月一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 导师签名日期：年月一日 硕士学伉论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1前言 当今世界是一个科学技术飞速发展的时代，过滤技术也不例外。在近百年的 科学技术发展历程中，过滤技术在原来简单的手工操作基础上，实现了大型化、 机械化和自动化生产，并被广泛应用于各个行业，如选矿、冶炼、造纸、医药卫 生、环境保护、食品加工等。过滤技术的发展已经影响到了各个工业部门和人们 的日常生活。近些年来，由于世界范围内资源趋于衰竭，矿石日趋“贫、细、杂” ，环境日益恶化，因此人类的生存正面对新的挑战。有效地利用现有资源、节省 能源、保护环境、保持生态平衡、实现可持续发展，已为世界各国所共识。在人 类迎接这一新的挑战过程中，过滤技术的应用领域也在迅速扩大。于是人们迫切 需要先进的过滤技术和高效率、高效能的过滤机，并倾注了很多心血去研究开发 新的过滤技术和设备 2 】。 在过滤技术中，占主导地位的是过滤、沉降、筛分、干燥和离心沉降等技术。 对于过滤，工业上基本使用各类真空过滤机，利用真空使固液分离成滤饼和滤液 呱 1 2 国内外转鼓过滤机概述 1 2 1 转鼓过滤机的发展概况 过滤机是使固液混合物分离成滤饼和滤液的一种设备。先前的过滤装置是用 于酒的澄清，在一个底部钻有小孔的大缸里铺一层席子，其上堆一层砂子，将需 要过滤的液体注入缸中，以实现固液分离的目的。过滤机在工业上应用已有一百 多年。早期的过滤机十分简单，主要在酿造行业应用。随着社会的发展，在十九 世纪后期相继出现了真空过滤设备，如箱式过滤裟置、圆筒式过滤装置和转鼓过 滤机等 4 】0 二十世纪初，各种类型的转鼓过滤机应运而生。目前，世界上使用的转鼓过 滤机种类较多，按供料方式可分为浸没式、内部给料式、侧部给料式和顶部给料 硕士学位论文第一章文献综述 式等。按滤饼卸除方式可分为刮刀卸料式、滤布行走式( 或称折带式) 、绳索卸 料式、螺线卸料式等。这里仅介绍几种常用的转鼓过滤机。 一折带卸料转鼓过滤机 折带式转鼓过滤机的最大特点是借助行走的滤布卸除滤饼，在转鼓外洗涤滤 布。折带式转鼓过滤机的结构和刮刀真空过滤机基本一样。 折带式转鼓过滤机的主要优点是，在滤饼很薄时也能容易地剥离，滤饼含湿量较 低，滤布洗涤再生较充分。所以它主要用于矿山、钢铁等行业中过滤速度中等或 较慢的滤浆。 折带式转鼓过滤机的工作原理如下。折带式真空过滤机脱水是借助于连接 在过滤机上的真空泵通过分配头，使过滤室形成内外压力差来实现的。 过滤机滤鼓表面分为三个工作区( 见图1 ) ：l 为过滤区，2 为脱水区，3 为 排矿区( 死区) 。 1 、筒体2 、滤布3 、分展辊 4 、导向辊5 、清水洗管 6 、卸饼辊7 、张紧辊8 、清洗槽 9 、搅拌器l o 、料浆槽 图l 外滤析带式真空过滤机结构图 过滤介质是一无端的封闭滤带，不与滤鼓固定，靠张紧力部分包覆在滤鼓的 圆柱面上，另一部分脱离滤鼓引到外部。滤带在滤鼓的带动下一起循环转动，因 而在转动过程中，有时和滤鼓接触，有时则离开滤鼓。滤带由卸料辊及导向辊支 承，并设有防止滤布跑偏的装置。 过滤时，滤鼓浸在料浆中，搅拌器可使料浆保持悬浮状态。随着滤鼓的运转， 当转入i 区时，滤浆槽内的悬浮液借着过滤室内外压力差的作用，使悬浮液中的 固体颗粒附着在过滤机简体滤布的表面上形成滤饼。滤液则渗过滤布进入真空受 2 硕士学位论文 第一章文献综述 液槽内。随着滤鼓的不断运转和真空的继续作用，当附着在滤鼓表面的滤饼进 入i i 区时，滤饼中的游离水分便被不断吸出。当滤饼进入i i i 区时，滤带离开滤鼓， 带着滤饼向卸料辊移动，利用在卸料辊处的突然转向卸除滤饼并进入滤饼槽内。 滤饼卸除后，滤带随即进入洗涤槽，在这里得到洗涤喷嘴的两面冲洗，然后经过 防偏装置又返回到滤鼓面，滤鼓不断地运转，进料、过滤、脱水、卸饼的工作过 程周而复始地进行着。形成了真空过滤机连续过滤的全过程。 二浸没刮刀式转鼓过滤机 该机型是转鼓真空过滤机中使用最多的代表机型之一，由奥利佛在2 0 世纪 初为矿业研制的，故也称奥利佛过滤机。其主要构成部分是转鼓、料浆槽、搅拌 器及分配头等。 转鼓的转速一般为o 1 3 “m i n ，有的转鼓过滤机转速可无级调节。转鼓的浸 没率视滤浆的过滤特性而定，对于极易生成滤饼的滤浆，浸没率可以很小，但对 于不易生成滤饼的滤浆浸没率可高达6 0 ，一般的浸没率为3 0 4 0 。有的过滤 机的料浆高度可调节，从而可以调节浸没率。 该机的优点是自动化，需要人工少；转鼓的转速可调节，适应性比较强，结 构较简单，运转和保养容易。该机的缺点是单位体积的过滤面积不大，过滤推动 力较小，滤饼的含水量较高。 三无格式转鼓过滤机 该机与浸没刮刀式转鼓过滤机不同之处是转鼓内腔不分格室和没有分度头。 该机转鼓转速在o 2 3 3 r m i n 之间；浸没滤为5 5 0 。该机的特点是转鼓内无格 室配管，无分度头，真空系统的压力损失小，单位面积的过滤能力大；卸料容易、 率布再生好，不易堵塞，寿命长；容易制成密闭结构。该机的不足之处是密封问 题较难解决；真空源的容量大，造价高。该机最适合于过滤性好的料浆，也常作 为预敷层的过滤。 四预敷层转鼓过滤机 为了解决转鼓过滤机在滤饼形成之前滤液中含固量较高，以及不适合稀浓度 的粘性物料的过滤，因此出现了预敷层真空过滤机。该机的特点是：在正式过滤 前，先在滤布上形成助滤剂层( 即预敷层) ，然后正式过滤过程便依靠预敷剂层 来完成。优良的助滤剂是硅藻土和膨胀珍珠岩以及其它各种代用材料，如纤维素、 炭粉等。 预敷层转鼓真空过滤机的结构和普通转鼓真空过滤机基本一样。不同之处是 刮刀很薄，卸料时将滤饼和一层预敷层一起刮掉。由于刮刀装置较复杂，在流程 里多了一个预敷层浆液槽。 预敷层过滤机可以稳定的获得澄清的滤液；能过滤浓度极稀薄的液体；过滤 硕士学位论文 第一章文献综述 始终在新鲜的预敷层上进行，过滤速度快；不会堵塞滤布，所以能过滤含细微颗 粒的料浆。但由于预敷层的费用高，一定程度上限制了它的使用。 上述几种转鼓过滤机，由于过滤推动力小，它们共同的不足之处是滤饼的残 留水分较高，产能较低。 五带蒸汽罩的转鼓过滤机 1 9 6 2 年出现了带蒸汽罩的真空转鼓过滤机。b u m n 首次将有1 0 0 0 c 过滤蒸 汽直接施加到用于浮选精煤的旋转真空过滤机的脱水区，可使细粒滤饼水分含量 减少一半，每除去1 k g 水约o 7 5 k g 蒸汽，同时减少滤饼厚度与细颗粒含量均能 提高蒸汽的有效作用。当蒸汽所受压差大于滤饼孔隙的毛细压力时，蒸汽便进入 滤饼的孔隙中，排出滤饼孔隙中的自由水。当滤饼中水分被高温蒸汽加热，使滤 液温度升高，从而降低水的粘度和表面张力。一般1 5 0 c 水的粘度为1 1 4 m p a s ， 当温度升高到8 0 0 c 时水的粘度下降到0 3 5 lm p a s ，强化了脱水过程。蒸汽的 高温也会使滤饼内部水分蒸发，从而极大的降低滤饼水分【引。 美国e 面c o 公司曾对硫化矿的浮选精矿、已脱泥后金属矿物、细磨过的金 属矿物和洗煤厂的尾煤用真空带蒸汽罩的过滤机进行蒸汽脱水试验，加蒸汽真空 过滤机滤饼水分比真空过滤机滤饼水分分别降低了2 6 ，3 9 ，4 6 和5 5 。 并得出蒸汽脱水与热力干燥法比较，在过滤费用、所占厂房面积、所需设备等方 面具有明显优越性。 为解决过滤机受蒸汽腐蚀相当严重、塑料组件不能耐高温的问题，科佩兹研 制了一台用高强度耐腐蚀材料制造的6 0 m 2 真空过滤机，配以高强度耐腐蚀的蒸 汽罩，进行脱水试验表明；与普通真空过滤机相比滤饼水分显著降低，其运转可 靠性和使用寿命不低于普通真空过滤机。 1 ，2 2 过滤理论发展概况 在理论研究方面，从传统的滤饼过滤理论发展出了压密和压榨理论及动态薄 层过滤等新的分支理论。始于八十年代的多相过滤理论的研究，对人们沿用了四 十余年的由卡曼( c 锄m ) 和鲁思( r u t l l ) 提出的固定层滤饼过滤理论提出了挑 战。多相过滤理论在压缩渗透实验装置的模拟作用、滤饼比阻以r 为指数函数 的单值表示、滤饼与过滤介质接口处的阻力作用以及是否需要将滤饼分为可压缩 性与不可压缩性等方面，提出了与传统滤饼过滤理论迥然不同的看法。尽管该理 沦目前尚有争议，但值得深入研究。由于多相过滤理论正处于深入研究阶段，所 以本文采用卡曼一鲁思理论进行研究。 4 硕士学位论文 第一章文献综述 一卡曼一鲁思理论 在过滤理论研究方面，卡曼一鲁思和他的同事们发表了一系列论文，在这方 面做出了显著贡献。卡曼一鲁思用硅藻土作为固体颗粒，并且使用一个带有直径 约9 英寸的单构架的过滤器，以6 0 磅英寸2 的恒压进行过滤，得到的资料以v 2 对时间t 形式绘制成曲线如图2 所示： “ 氍 垃 臻 髓 时间一t 图2 卡曼一鲁思v 2 一t 典型曲线 曲线中间部分是直的，两端呈曲线状。卡曼一鲁思认为：曲线的起始部分弯 曲与过滤介质的阻力有关：而在以后的过滤中，对于某一t 的v 2 值的减少则与 滤布阻力的变化有关。卡曼一鲁思把过滤系统开始时的阻力以v o 为常数加到v 上，试验得出( v + v o ) 2 与时间t 的关系曲线如图3 所示： 爻 ； 圭 图3 卡曼一鲁思( v + v 。) 2 一t 试验曲线 从而推拙凳o c 等( 矿帆) 从而推导出：j 了眨了l 9 十7 oj 时间一t 硕士学位论文第一章文献综述 这个关系式与导出的各种过滤方程相同，成为过滤的理论基础( k 为透过度) 。 二蒂勒一白户理论 蒂勒一白户认为，滤饼多多少少都有可压缩性，随着过滤的进行，滤饼的 体积逐渐增大，由于滤饼内任意位置处的压缩力增大，因此滤饼的孔隙率相对减 少。这样，空隙减少处的滤液被挤出，势必造成滤饼内部的滤液流速越是靠近过 滤介质就越快。在可压缩滤饼情况下，滤饼内所谓的紧缩活动的进行，导致了滤 饼比阻值的增大。 滤饼过滤传统的描述方式是采用固定坐标系，即以从滤饼底面算起的距离x 为横坐标。而有紧缩活动时，固体颗粒将向过滤介质表面移动，因此在表达滤液 流速时，必须考虑颗粒移动的影响，所用的坐标为移动坐标，即横坐标不是x ， 而是。，。表示距滤饼底面任意位置处单位面积上的固体体积，单位为m 3 m 2 。 蒂勒一白户滤饼模型坐标如图4 所示： 图4 蒂勒一白户滤饼模型坐标图 其液体压力分布方程式： 。彳( 立m 旦) 丝= 1 _ 土：盟 p 一己尸一只 1 f ( 旦) 耐( 竺) l 1 ) ；材l彩。 式中：u 一固体颗粒中滤液速度： u 一过滤介质处滤液速度； 。一距滤饼底面任意位置处单位面积上固体体积 。一全滤饼的单位面积上滤饼固体体积； p ，一部分液体压力； 硕士学位论文第一章文献综述 p 。一部分滤饼压缩压力； p 一料浆压力； p 。一过滤介质的压力损失 a 一滤饼的部分比阻。 三非牛顿型流体恒压滤饼过滤 牛顿型流体服从牛顿粘性定律，即流动流体内部的剪应力。与该处的速度 梯度( 剪切速率) 6 成比例，比例系数嘲；为粘度。 即： o = p6 ( 1 2 ) 流动特性可用式( 1 2 ) 表达的流体，均称为牛顿型流体，如水、空气等。 而有些流体的流动特性不遵循( 1 2 ) 式，这些流体称为非牛顿型流体，其流动 特性表现为6 是。的函数，即： 6 = f ( o )( 1 3 ) 非牛顿型流体恒压过滤方程为： ( 1 + ) ( v + ) 佃= k ( f + l )( 1 _ 4 ) 式中：n 一滤液的流动特性指数，无因次，其值越小，滤液的非牛顿性越显著； tf t r 一得到假想滤液量v m 所需的假想过滤时间； k ，一乘方规律流体的恒压过滤系数。 四压榨理论 通常，在滤饼内含液率有一定的分布，即靠近过滤介质表面处的含液率最小， 而滤饼表面处的含液率最大，试图用提高过滤压来降低滤饼水分并不见效，因为 此时只有靠近过滤介质的滤饼空隙率有所减少，其它处的空隙率几乎无变化，但 是若对滤饼施行压榨，则能取得很好的脱水效果。 压榨恒压过滤速度方程式为： ( f “， p p ( 1 一埘s 1 一=。二二一 d f ，“p 。口。( 国+ 。) “筇口口v ( v ，十v ，) d ( 三。一)2 p ( 1 一班s ) d f ，“筇口。 ( 三。一三) + 三。 式中：p 一压榨压力，p = p 。+ p 。，p 。为滤饼的压缩压力，p 。为滤饼的液体压力，单 位为p a ： 喵l( 、i一人i_、 硕二l 二学位论文第一章文献综述 。一关于过滤介质的假想固体体积，单位m m 2 ： v 。一滤液量，单位为m 3 m 2 ： v 。一关于过滤介质的假想滤液量，单位f l l 3 m 2 ： i 一排水面数目； l 一滤饼或压榨滤饼的厚度，单位m ； l 0 一压榨滤饼的初期厚度，单位m ； l 。一过滤期终了时的或压密初期的滤饼厚度，单位m ； t 广一过滤时间，单位s 。 五多相过滤理论 实际上，过滤是大量多相现象中的一种特殊情况，因此，七十年代后期提出 了多相过滤理论。多相过滤理论利用体积平均方法和平均理论推导出了多相方程 式，同时列入了渗透性函数和两相基本公式的多项方程，代替了前述以实验为基 础的经验公式。 如果过滤过程是等温的，并由固体颗粒和连续液相所组成，那么就有两个连 续条件和两个运动条件。对一维滤饼过滤假设为： ( 1 ) 等温；( 2 ) 一维轴流；( 3 ) 不可压缩的牛顿液体；( 4 ) 无化学反应； ( 5 ) 相与相之间无质量传递。 一维过滤坐标系统如图5 所示 i 滤+ 饼 7 ，厂 图5 维滤饼过滤的坐标系统 多相过滤多孔坌质滤饼的运动方程为： 篆+ 罢+ ( 1 叫( 旷眺= 。 。吲 篆+ 篆廿咖。俐g _ 0 。，卅 式中：一测压计压力： n 一体积平均颗粒剪切应力 z + ，l 一茧一 硕士学位论文 第一章文献综述 g 一重力加速度； e 滤饼的部分孔隙率； p 一滤液的密度； pf 一料浆中固体颗粒密度。 1 2 3 过滤技术及设备的发展动向 随着矿物资源的不断开采和利用，有用矿物经选别作业的后期处理日渐困 难。许多选矿厂通过助磨剂的添加等措施，解决了微细矿粒的单体解离问题，前 段选别作业能够很好地回收有用矿物，而后期则大大地损失了有用矿物【l l 。如东 鞍山铁矿浓缩机溢流跑浑水最高可达到5 的固体含量，其结果一是损失严重； 二是给附近造成环境污染。同时，全球水资源急剧短缺，生存环境曰益恶化。 矿产资源的日益贫化、细化，一些选矿厂采用了细磨工艺，细粘物料日益增 加，使过滤变得更加困难。国内外有关科研院所、制造厂和使用部门在不断改进 过滤设备，连续加压过滤机在许多公司得到成功的应用，而且在工艺和节能方面 得到某些优化和改进的基础上，发展了蒸汽加压过滤技术和陶瓷过滤技术，出现 了新型的过滤机。这些新型连续式过滤设备具有滤饼水分低、形成快、处理能力 大、压气消耗少、能耗低等优点，在生产实践中取得了良好的效果。但是，目前 尚未见有外滤式转鼓真空过滤机改进的报道。 一蒸汽加压过滤技术 蒸汽过滤是为解决细粘物料在常温下过滤效率低的问题而提供的种新的 过滤途径，可以进一步降低滤饼水分，从而节省干燥作业费用。 蒸汽加压过滤机是把机械和热力过程结合到同一过滤设备上，在温度较低的 滤饼表面，蒸汽冷凝形成冷层，进而从滤饼中捧出毛细水。 德国b o k e l a 机械工艺技术工程师协会的博特博士进行了蒸汽加压过滤机 实验研究。他将真空过滤机置于加压容器中，驱动装置安装在压力容器外部，对 高温引起变化要格外注意。如过滤机控制头、滤布、滤饼排出机构等。在压力容 器中充以压缩空气，蒸汽室充以蒸汽，并减少了热辐射而引起蒸汽损失。通过压 差控制使蒸汽室蒸汽压力稍高于压力容器中压缩空气压力，以防止进入蒸汽过滤 区域。压力容器内仪器设施不接触高温与蒸汽室相隔离。容器中悬浮液的表面只 与压缩空气接触，并主要靠压缩空气过滤形成滤饼，这样就最大限度的降低了由 于冷凝而损失的蒸汽 6 j 。 二膜过滤技术 膜过滤技术发明后，随着新型高分子材料的开发，分离功能材料在高分子材 堡兰垡堡塞 蔓二兰兰堕笪堕 料中已占有十分重要的地位。1 9 9 4 年世界分离膜的总产值已达2 2 亿美元，并以 1 2 1 5 年需求增长率向前发展【7 j 。 新型膜材主要有：聚砜超滤膜、纳滤膜、聚乙烯醇膜和中空纤维富氧复合膜 等【”。 三超声过滤技术 超声过滤的原理是利用液体中两个不同频率、振动方向、相对方向传播的两 个平面声波，在传播过程中叠加，产生若干个振动速度为零的点，并且此点以一 定速度向某一方向移动，而液体中的固体粒子在声波作用下总是在振动速度为零 处聚集，并随此点运动而运动，最终聚集在装置的一侧，从而使固液分离得以实 现【9 1 。 四磁滤过滤技术 高梯度过滤技术( 简称h g m f ) ，即让滤浆流过高梯度磁过滤器，利用高梯 度磁场产生的强大的磁场力，脱除滤浆中的固相，从滤浆中去除磁性固相，如铁、 钴、镍等比较简单，使滤浆直接流过高梯度磁过滤器即可实现。而去除非磁性及 反磁性固相，如十氧化硅、有机物、藻类、酵母和细菌，则须先投加磁种( 高磁 化率的颗粒) 与待分离颗粒形成顺磁性凝聚物，然后用高梯度磁过滤器脱出，这 个过程称为磁种过滤f 1 0 】。 近二十年来，国外高梯度磁过滤技术的研究十分活跃，已用于解决许多环境 和工业问题。例如核反应堆冷却水的过滤、水中磷酸盐的脱除、赤铁矿和铬铁粉 末及超细粉末的回收、废水中重金属的脱除等，并从分离强磁性大颗粒发展到去 除弱磁性反磁性低浓度小颗粒，因而该技术引起了国内外科技工作者的普遍关 注。 五过滤设备的发展 i 平盘过滤机 平盘真空过滤机比起其它过滤设备来说，结构简单紧凑、占地面积小、处理 量大、价格低、维修工作量小，初期投资比其它脱水方式都低。但对粘性微细粒 物料脱水效果较差。真空过滤机在西方国家发展很快，目前已成为金属矿选矿厂 和选煤厂主要过滤设备之一。 挪威海得拉利夫( h y d r a l i 删s ) 公司斯坎梅克( s c a n m e c ) 选矿分公司对盘式真 空过滤机进行技术改造，将过滤机蜗轮蜗杆驱动装置改用链条驱动；加大管路直 径和头部外形尺寸；扇形过滤板用聚氨酯或模铸橡胶制造，从而降低流速，提高 过滤效率，降低滤饼成分，便于维修。改造后s c a m e c 盘式真空过滤机有2 2 台用 于美国明尼功达洲梅萨比( m e s a b i ) 铁矿区，对铁精矿过滤，滤饼水份为 9 2 【1 1 】【1 2 1 3 】f l4 1 。 o 硕十学位论文 第一章文献综述 沈阳矿山机器厂1 9 8 5 年试制成g p z 一6 0 型盘式真空过滤机，首批l o 台在江西 永平铜矿投用，运行情况良好。 马鞍山矿山研究院新开发的z p g 7 2 型盘式真空过滤机，是“九五”国家攻 关项目，针对我国铁精矿过滤作业存在的问题，在吸收国外先进技术经验的基础 上研究成功的新型过滤设备。于1 9 9 7 年通过原冶金部主持的鉴定。 该机在酒钢选矿厂，于1 9 9 7 1 9 9 8 年用于过滤焙烧磁选铁精矿和强磁选铁 精矿。当给矿浓度5 0 9 、真空度0 0 6 l m p a 时，滤饼水分为1 3 9 1 ，过滤系数 o 7 7 2 h ，滤液浓度2 5 。在相同条件下，较现用的4 0m 2 内滤式真空过滤机 滤饼水分降低2 2 9 ，过滤系数提高o 3 7t m 2 h ，滤液浓度降低3 5 ，取得显 著成果。 2 陶瓷过滤机 陶瓷过滤机首先由芬兰m c t o y 公司研制成功，8 0 年代中期芬兰0 u t o k m p ui i l i n t e c 公司购置制造陶瓷片的专利，九十年代制造出以毛细作用为原理 的c c 系列陶瓷过滤机以来，在世界各地有色金属选矿厂对铜、锌、铝、铅、镍 及硫等精矿脱水过滤中获得广泛应用。该机兼备了常规真空盘式过滤机和压滤机 两者的优点，结构简单，滤饼水分低、能耗低、滤液清澈、自动化程度高、处理 能力大( 一般为圆盘式真空过滤机的三倍) ，无过滤损耗、维修费用低、结构紧 凑、安装费用低，且生产成本更低。目前，全世界有2 0 多个国家使用了1 0 0 多 台。我国广东凡口铅锌矿首先使用，到目前已有许多矿山选矿厂使用了这种设备 【1 5 】。 陶瓷过滤及独特之处是利用毛细效应原理用于脱水过滤，用亲水性材料烧 结氧化铝制成陶瓷过滤板，其上布满了直径1 5 岫和2 的小孔，每小孔即相 当于一个毛细管。这种过滤板经与真空系统连接后，当水浇注到陶瓷过滤板时， 液体将从微孔中流过，直至4 所有游离水消失为止。而微孔中水阻止气体通过，形 成了无空气消耗的过滤过程。当陶瓷过滤板浸入过滤矿浆中时，在无外力作用下， 借助毛细效应产生自然力进行脱水，过滤板堆积固体颗粒形成滤饼，滤液通过过 滤盘进入滤液管连续排出，直到排干为止。整个过程只需一台很小的真空泵就能 取得处理能力大、滤饼水分低的效果 1 6 】。 目前又开发出加压型陶瓷过滤机以满足高海拔地区使用。其过滤机理和工 艺效果有新的突破。我国是能源相对短缺的国家，开发低能耗陶瓷过滤机潜在市 场很大，势在必行。 3 带式压榨过滤机 带式压榨过滤机是世界上一种发展较快的污泥脱水设备，它结构简单、操作 方便、能耗低、噪音小、可连续作业，因而美国、英国、德国以及奥地利等国相 硕士学位论文 第一章文献综述 继对它进行了研究和开发应用。应用范围除了城市下水污泥处理外，己普及到造 纸和纸浆、选矿、选煤、化工、食品等行业，以及工业废水污泥处理。 提高自动化操作水平始终是带式压榨过滤机高效率化的重要研究课题。因 此，近几年国外一些公司进行了以调节污泥性状为主的、监控脱水操作过程的自 动控制系统研究，如美国v o nr o l l 公司和日本( 株) 神户制钢所，它们研究出了 由微机辅助的自动控制系统。这种自动控制系统由传感组件和控制台所组成，用 来控制和调节絮凝剂的添加量、污泥的投放量以及脱水操作过程等。 滤带再生效果的好坏将影响到滤饼剥离和脱水效率。传统采用高压水喷洗滤 带的方法。这种方法的最大缺点是用水量大，每小时5 l o ( 水压o - 8 1 6 0 m p a ) ，清洗下来的污泥混入清洗液回流，增加了水处理系统的负荷。国外最 近开发出了一种滤带超声波清洗新技术。这种超声波清洗机构装置在滤带返回的 一定部位，部分返回滤带浸入清洗水槽内，由超声波发振装置发出的振波从行走 着的滤带反面( 非滤带承载面) 向滤带辐射，使附着在滤带面上的污泥浮离于水 槽水中，然后由设在超声波发振器后的高压清洗喷嘴辅助喷洗，使滤带完全再生。 目前，过滤机已由普及型向高效率化方向发展。这一发展趋势的主要标志是： ( 1 ) 整机结构的紧凑化；( 2 ) 滤饼低含液量及脱水操作的高效化；( 3 ) 自动控 制系统化等。 1 3 课题来源 中铝股份河南分公司氧化铝厂是1 9 5 8 年建厂的老厂，产量由建厂初期的十 几万吨增加到1 9 9 7 年的6 7 万吨。随着近几年的生产发展，产量猛增到2 0 0 1 年 的1 0 8 万吨，比9 7 年净增三分之二，而2 0 0 2 年的生产目标为1 3 0 万吨，比9 7 年翻了一番。并力争在2 0 0 4 年达到2 0 0 万吨的生产水平。 氧化铝厂赤泥过滤工序原有1 1 台f 4 7 型外滤式转鼓真空过滤机，虽在9 0 年代增加了三台，但设备水平落后、产能低、能耗高，面对2 0 0 2 年的1 3 0 万吨 生产任务和l o o o 元以下的吨成本生产目标，其产能已明显不足，并已成为制约 氧化铝提产的瓶颈环节。为了达到氧化铝提产降成本的目的，我公司以赤泥过滤 工序1 3 ”过滤机为科研对象进行了大力度的科技攻关，本课题就是我公司2 0 0 2 年度科研攻关计划之一，并要求当年攻关，当年见效。 1 4 研究目的、意义及内容 根据我国铝土矿的特点，用烧结法或混联法生产氧化铝工艺日趋成熟，但是 硕士学何论文 第一章文献综述 随着我国加入w 1 d 以及国外氧化铝的进入，国内氧化铝行业受到严重的冲击。 要和用拜尔法生产的国外氧化铝抗衡，就必须提高产出率，降低能耗。 在我国氧化铝生产中，赤泥分离工艺采用的设备主要有沉降过滤器、沉降槽、 真空过滤机等。这些方法不能满足高产量、高浓度、快速过滤赤泥的生产要求， 严重制约着氧化铝生产的发展，因此，研究先进、合理、高效的赤泥快速过滤工 艺技术及设备已成当务之急，也一直是我国氧化铝生产的重要课题之一。 本课题是围绕中铝股份河南分公司赤泥过滤工序外滤式转鼓真空过滤机提 产科研攻关项目而开展的。其目的是针对过滤机运转状态进行机理分析，对改进 方法进行理论研究，分析影响过滤机产能的因素，建立过滤过程数学模型，通过 理论分析与工业实验相结合的方式，开拓出过滤机产能翻一番的途径，为科研攻 关提供理论指导，消除氧化铝生产瓶颈环节。 其意义在于： 1 使滤饼、滤液得到高效快速分离； 2 减少能耗，降低成本，挖潜增效，增加企业竞争力； 3 目前我公司有外滤式转鼓真空过滤机五十余台，且各行各业应用也较广 泛，如能推广，市场是广阔的； 4 总结前人科研攻关成果，为氧化铝提产解决难题，为生产服务，为社会 服务。 研究内容： 针对氧化铝厂赤泥过滤机运转工况，本论文尝试在目前国内外外滤式转鼓真 空过滤机分析研究成果基础上，主要进行以下研究工作： 1 根据f 4 7 型4 0 m 2 外滤式转鼓真空过滤机结构参数及运转工况，用卡曼一 一鲁思过滤理论对过滤机运转状态的过滤过程分析研究； 2 分析滤饼过滤过程数学模型，研究制约过滤机产能机理，剖析影响过滤机 生产效率