【《一款高压污泥深度脱水装置设计》9100字（论文）】

一款高压污泥深度脱水装置设计摘要目前，污泥脱水对于减少污泥量以实现高成本效益的运输和最终处置是必要的REF_Ref26435\r\h[1]。但是污泥在进行一次脱水之后不能使用，因为污泥的含水量太高了，不宜继续使用，所以我们要想再次使用污泥就要想办法减少污泥中水分，然后将污泥进行处理，在处理之后才可以二次利用。当前我们想要减少污泥中的水分就要对污泥进行深度脱水，只有这样才可以为接下来的污泥处理做好准备，因此，污泥的深度脱水是非常重要的。通过查阅各种与污泥脱水相关的文献资料我们可以得知污泥的压缩条件比较好，因此在本文中通过分析了解污泥的压缩特性，从而设计了一款高压污泥脱水的设备。这个装置在一定的压力下可以进行污泥的压缩从而减少污泥内的水分，可以使接下来的污泥处理更加方便。在本次设计的高压脱水装置中，最主要的机构是铰杆和碟簧。铰杆由于可以将力进行放大，因此可以满足此次设计的要求，在本装置中有着非常重要的作用。通过圆盘、轴承压力大、变形小的具体组合，减少压力保护过程中因水损失对污泥的挤压压力。另外，由于在挤压过程中，泥饼表面含水量低，内部含水量高，但是在高压下，泥饼内部的水分不容易排出去，这样就不能有效的对污泥进行脱水了，脱水装置的工作效率会大幅度减小。为此，在本次设计的脱水装置当中加入了一件可以有效的助力泥饼内部水分在短时间内排出的装备，是脱水装置的工作效率增加了许多。关键词：深度脱水；压缩性能目录TOC\o"1-3"\h\u280211绪论 1176411.1选题背景 1271271.2如今国内外对脱水装置的研究和进步 1237391.2.1机械脱水 1292051.2.2热力脱水 1283581.2.3自然干化法 2290291.2.4造粒脱水法 2129611.3国内外的研究现状及存在问题 2148722对污泥的压缩以及脱水性能进行研究 338082.1污泥的预处理以及其脱水特性 3173452.2与污泥机械脱水性能有关的因素 3250282.3污泥的压缩曲线 4327553高压污泥脱水装置总方案与尺寸 6127183.1总方案 6227453.2总体尺寸 74装置内部机构的设计与校核 8191244.1铰杆机构的设计 8106884.1.1受力分析 8283354.1.2运动分析 绪论1.1选题背景当下，我国的污泥处理技术还在不断地完善，而且污泥处理的问题现在已经受到我国各地大城市中的普遍关注。由于我国早年进行的污水处理，国家没有规定严格的相关制度，污泥处理的过程比较简便，没有进行严格的处理，简单的进行处理之后就将其随意的排放，因此，这就导致留下了许多的隐患，对生态环境也造成了一定的危害。如今，国内外使用的污泥脱水技术主要有两大类，分别是机械脱水与自然干化。但是我国当前的污水处理厂大多数都是通过机械设备来完成污泥脱水的，因此占地比较少，与自然干化相比，恶臭影响也较小。由于污泥产生量越来越大，污泥对人类生存环境和经济发展的影响日益突出。如何降低污泥对环境的影响，并实现对污泥的资源化利用，是污泥处置和保护环境的一个重要课题REF_Ref12226\r\h[2]。如果污泥对生态环境的危害不能短时间内得到有效的解决，那么不断排放的污泥将会被堆积在一起，对环境造成新的污染。因此，我国对于各地城市不断产生且增加的污泥，要想办法如何进行无害化的处理，然后可以将污泥进行再利用，让对环境产生危害的污泥变成一种可以利用的资源。但是污泥处理的前置条件是需要先对对污泥进行脱水，减少污泥中的水分，才可以继续处理污泥。污泥的深度脱水就是对污泥经过一系列处理，将污泥中所含的水分排出去，为污泥的后续处理做好准备。所以，如何进行污泥深度脱水是实现资源化利用的一个重要问题。1.2如今国内外对脱水装置的研究和进步当前国内外进行污泥脱水的方法主要包括机械脱水、热力脱水、自然干化法以及造粒脱水等。1.2.1、机械脱水现在我国采用的污泥脱水方式是将机械脱水作为核心。机械脱水工艺是最常用的剩余污泥脱水工艺，其按脱水工作原理可分真空过滤脱水工艺、离心脱水工艺与压滤脱水工艺REF_Ref12359\r\h[3]。机械脱水通过各种机械设备来对污泥进行加工，从而实现对污泥脱水的目的。1.2.2、热力脱水热力脱水是通过热源干燥将水转化为气态从而分离来实现脱水的目标。虽然通过这种方法在排出污泥中水分的同时也会对污泥内部产生一些伤害，让水排出的更多，从而更大程度的减小污泥中的含水量。但是，在热力脱水的过程中需要对其进行加热，这样进行脱水会产生巨大的能量消耗。如果采用余热干污泥，需要更换原基本设备。另一方面，热脱水是一种热交换，热传递，能量消耗巨大，但最终收益不值得损失。1.2.3、自然干化法污泥自然干化法常采用污泥干化场(或称晒泥场),是利用天然的蒸发、渗滤、重力分离等作用,使泥水分离,达到脱水的目的,是污泥脱水中最经济的一种方法。通过自然干化,污泥含水率可降低到75%左右,污泥体积大大缩小,干化后的污泥压成饼状,可以直接运输。1.2.4、造粒脱水法造粒脱水机是我国新研发的设备，主体又分成好几个部分，如造粒、脱水以及压缩等。在污泥中加入高分子混凝剂后，污泥被运输到造粒部，在自身重力作用下，开始絮凝压缩，然后分层滚成泥丸，接下来泥丸和水会一起被输送到脱水部，从环向泄水的斜缝会将水排出。最终，泥球会进入到压缩部分，会继续进行下一步压缩和脱水，然后形成一个密集泥球，并推出气缸。1.3国内外的研究现状及存在问题虽然现在国内外在不断地对污泥的深度脱水进行研究，从而一直改进着污泥脱水的方法虽。但是在当前阶段仍有很多的难题困扰着我们：进行深度脱水的途径太少：深度脱水工艺与常规脱水有很大差异,而在深度脱水机械开发商,往往沿用常规脱水设备,只是提高脱水压力,提高的效果有限REF_Ref12431\r\h[4]。深度脱水的流程过于繁琐：在污泥脱水技术的发展中，人们设计许多使用物理方法来进行污泥脱水的设备，但是这些方法的成本太高、过程过于复杂、运行维护困难，使得脱水装置的成本和运行难度都大大增加。2.对污泥的压缩以及脱水性能进行研究2.1污泥的预处理以及其脱水特性由于污泥中含有大量微生物细胞，使得厌氧消化、好氧发酵等污泥处理技术效率降低或者启动缓慢，因此，对剩余污泥预处理十分必要REF_Ref12483\r\h[5]。现在我国污泥处理的方法不是很多，但是这些进行污泥脱水处理的设备成本和使用条件比较高，不能广泛的在各个污水处理厂应用，所以，我们现在要想办法在污泥处理之前进行污泥的预处理，减少污泥中的水分。物理预处理作用时间短,对污泥后续处理效果改善显著,其中热水解、超声波等已有较多工程应用,但其存在投资运行成本相对较高、使用设备多、操作复杂,易产生二次污染等问题REF_Ref12523\r\h[6]。我们应该不断地完善污泥预处理的方法，同时继续研究其他可以进行预处理的途径，还可以通过化学方法来进行，在污泥当中加入一些化学药剂以此来进行污泥的预处理。对污泥进行预处理会为之后污泥的深度脱水奠定基础，为其创造更好的条件，可以使污泥的深度脱水进行的更加顺利，也会提高污泥深度脱水的效率。我们想要将污泥经过处理之后变为一种可以利用的资源，就要想办法降低污泥的含水量，但是污泥中的水分在进行脱水处理的时候不容易排出，这就增加了污泥深度脱水的困难。通过对污泥压缩性能和污泥其他特性的研究，可以用其他特性来表示污泥的脱水特性。经过不断地进行实验，我们可以知道在不同压力下，污泥的压缩曲线。根据水分与污泥颗粒的结合方式可将其分为束缚水和自由水，其中束缚水又根据其结合力的不同细分为间隙水、表面水、结合水。自由水与污泥颗粒依附关系较小，束缚水与污泥颗粒结合紧密，不同形态水分所需的能量不同REF_Ref12562\r\h[7]。2.2与污泥机械脱水性能有关的因素与污泥机械脱水性能有关的因素包括粘度、污泥的颗粒粒径、Zeta电位。（1）粘度：污泥的粘度在进行污泥脱水的时候会产生一定的影响，如果我们采用化学方法进行污泥脱水，在污泥中加化学药剂，虽然会产生有利的作用，但是当化学药剂使用过量之后会增大污泥的粘度，从而增加脱水的难度，最后反而会影响污泥的脱水效果，使工作效率降低。（2）污泥的颗粒粒径：在进行机械脱水的过程中，污泥的颗粒粒径粒径在其中也起着重要作用，污泥的颗粒粒径越大，越有利于在污泥脱水的过程中是水分被容易排出；反之，若是污泥的颗粒粒径越小，在污泥脱水过程中，水分越不易被排出。所以，在进行机械脱水时，我们要想办法增加污泥的颗粒粒径，从而让排出水分更容易。（3）Zeta电位：不同污泥机械压滤脱水性能的差异与污泥颗粒的带电性质有着密切的关系,污水处理厂污泥一般是亲水性带负电荷的胶体颗粒,不容易脱水,通过添加阳离子药剂,使得污泥体系的pH值下降,污泥颗粒表面吸附的负电荷会相应减少,药剂分子上的带电部位中和污泥胶体颗粒所带的负电荷,使之脱稳REF_Ref12614\r\h[8]。2.3污泥的压缩曲线我们需要做一个相关实验，首先需要找到一个泥环，里面盛满污泥并填满间隙，放置之后开始不断地施加压力，在施加压力的同时用仪器测量不同压力下污泥的压缩变形量，在压力达到设置的目标之后就停止，然后根据绘制表格，并且按照表格来绘制污泥的压缩曲线。我们可以通过测量污泥压缩前后的质量差，就可以知道污泥的含水量。表2-1污泥的压力与压缩量对比表图2-1污泥的压缩曲线综上，我们可以得到：(1)在开始进行压缩的时候，污泥产生了很大的变形，而且排水的速度也很快，但是，随着不断的进行压缩，这些变化基本消失，也不往外排水了，因为污泥在开始压缩的时候，污泥内部的水分多，压缩的空间大，但在压缩过程中，压缩的空间不断变小，水分被不断压缩。(2)通过污泥的压缩曲线，我们可以知道污泥压缩主要集中在0-2MPa的压力之间，压力超过之后，基本无变化，我们在实验过程中记录数据的时候，应当在加压之后稳定下来在记录，不然可能导致数据错误，从而影响实验结果。3.高压污泥脱水装置总方案与尺寸3.1总方案经过前面对污泥的压缩和脱水特性进行分析，我们可以由污泥的压缩曲线知道污泥在经过一定的压力压缩之后，污泥的含水量会降低。而且因为污泥在刚开始压缩的时候，压缩空间大，污泥内部的水分多，所以，虽然开始压缩的时候压力比较小，但是排出的水量多，在压缩一段时间之后，污泥内的水分基本被排出了大部分，即使压力在不断的增大，然后污泥产生的变形量很小，基本不往外排出水分了，在压缩完毕之后污泥中的含水量会被充分降低。因为我们在查阅关于铰杆机构的资料时，可以得知铰杆机构拥有着将力放大的特性，通过对污泥压缩特性的研究，可以了解到铰杆机构比较符合污泥的压缩特性。而且铰杆机构可以利用油缸来为其提供驱动力，通过机构可以将力放大的特性，将驱动力进行放大，然后来对污泥进行压缩，可以实现用较小的力来完成对污泥的脱水，这样在工作的时候消耗的能量也会减小，降低成本。在这次的设计当中我们还使用了碟簧机构，因为设计的装置要求有一个可以在承受巨大压力的同时不会产生巨大变形量的机构，经过查阅和了解，碟簧机构可以满足这个要求，碟簧的承受压力大且产生的变形量小，而且它在工作的过程中还会产生保压的作用，非常适合这次设计的装置需求。由于在对污泥进行压缩的过程中，污泥中包含的水分主要集中在污泥的内部，污泥内部的水分排出是比较困难的，我们可以在污泥内部增加一个导流装置，它可有利于在对污泥进行压缩时污泥内部水分可以比之前更好的排出，使污泥脱水装置的工作效率更快，还能缩短工作进程。在脱水装置进行工作的时候，通过人力将污泥加入到装置当中会大大降低工作效率，所以为了提高工作效率，在装置中增加了一款自动进料装置，可以用它来取代人工。本次设计的装置大概工作步骤：我们首先将进行过第一次脱水的污泥打包起来，然后将其倒入自动进料装置当中，把污泥运输到对污泥进行压缩的压腔之中，然后进行污泥脱水处理。污泥的压缩曲线和铰杆机构的运动曲线开始相互吻合的时候，即是压缩开始阶段，伴随着污泥不断的压缩，污泥会变得越来越固体，污泥的间隙比将会变得非常小。图3-1高压污泥脱水装置设计图3.2总体尺寸根据设计装置的要求，我们可以通过计算得到压滤腔体的直径，它的数值是，为了更好对污泥进行压缩，由污泥的压缩曲线可以知道我们需要取的压榨压力，经过计算，就能知道对污泥进行压缩的压榨力大小，它的取值为，通过对工作效率的分析，泥饼经过压缩之后应该取其厚度，分析在前面用来做实验的污泥可以将压缩系数定为0.27，那么久可以计算出污泥在压缩过程中的变形量是68mm。4.装置内机构的设计以及校核4.1铰杆机构的设计4.1.1受力分析图4-1铰杆机构总体由铰杆机构总体图我们可以分析出十字滑块在受到力的作用之后会向下运动，在十字滑块不断运动的过程当中，铰杆和它的夹角会一直减小，但是铰杆机构对外的力在随着十字滑块向下运动会一直增大。我们可以通过对铰杆进行受力分析，然后得出力的平衡方程，就能就能计算出其他的公式根。以下是如何进行的计算步骤：图4-2铰杆与十字滑块的受力图根据图4-2我们可以得到：（4-1）图4-3各个铰杆的受力分析图根据图4-3可知：（4-2）（4-3）图4-4铰杆和推板力的受力分析图（4-4）将上述公式（4-1）~（4-4）联立可知：（4-5）那么就可以知道铰杆机构的放大比是：（4-6）但是在现实生活当中，几个铰杆在运动时，铰杆之间还会产生摩擦，而且几个铰杆之间在传递力的时候会产生一定的损耗，力在传递是效率会降低。铰杆之间产生的摩擦：（4-7）（4-8）铰杆之间力在传递时的效率：（4-9）经过上述计算，我们可以得知铰杆机构的放大比：（4-10）我们在实际生活当中要考虑到很多方面的影响，和大多情况下都是根据我们的要求取值，一般情况下在8°~20°之间取值。4.1.2运动分析根据图4-5可以知道，我们可以通过公式（4-11）计算得到铰杆机构的行程，油缸行程与铰杆机构的行程有关，在得到铰杆机构的行程之后，可以由公式（4-12）计算得到，油缸行程和铰杆机构的行程之间的比值，我们将它成为行程系数，用表示。（4-11）（4-12）（4-13）（4-14）（4-15）图4-5铰杆的位移图4.1.3铰杆机构的尺寸设计我们前面对铰杆机构先进行了受力分析，然后又对它进行了运动分析，经过分析之后可以对终止压力角进行取值，一般取和为，十字滑块的中心距是，通过上述公式我们可以计算得到挤压板的铰接处和其中心点之间相距。我们根据装置的总体方案设计知道了污泥在压缩过程中产生的变形量是，由于碟簧的压缩时的变形量是，那我们可以通过公式计算得出铰杆机构的行程，它的结果为。经过公式（4-10）的计算可以知道铰杆机构的放大比，它的值为，那么我们就可以对铰杆之间力传递的效率，连接铰杆的铰链副摩擦因素，还有铰杆轴的半径进行取值，分别取为，，。将已知的数据分别带入到公式（4-11）（4-12）（4-13）（4-14）当中，我们就可以计算得出铰杆的长度、和油缸行程，还有铰杆的初始压力角，计算的结果为,,，。4.1.4强度校核根据之前机构的尺寸设计，我们可以得知铰杆轴半径的取值，为，那么我们就可以根据下列公式来计算铰杆轴在铰杆机构当中工作时铰杆轴的圆界面所受到的力：（4-16）通过铰杆轴进行受力分析可知，经过测量可知，将上述已知数据代入到公式（4-16）当中，我们就可以算出。4.2设计碟簧机构碟形弹簧又简称碟簧。蝶形弹簧是连接铰杆和施力件的关键零部件。蝶形弹簧是一种刚度大,具有变刚度的截锥形弹簧。安装使用方便,维修换装容易,经济安全性能高,适用于空间小,负荷大的机械结构REF_Ref13284\r\h[9]。我们可以用Almen-Laszlo公式来表达碟簧的载荷和变形量的关系，根据下式进行计算：图4-6碟簧结构参数（4-17）经过查阅与碟簧相关的资料我们就可以对、以及这几个参数进行取值：，，。由碟簧的相关文献我们可以得知以下三种碟簧的组合形式：表4-1碟簧的三种组合在前面我们通过分析污泥的压缩特性，由此绘制出了压缩曲线，可以从曲线充分了解到污泥在整个压缩过程中排出水分的变化，所以我们根据这个变化来选择碟簧的组合形式，根据上表4-1可以得知叠合的这种组合形式是最符合的。在碟簧的组合形式选定之后，就要根据装置的需求选择碟簧的型号，应该选择A型号的碟簧，在查阅相关资料得到A型号碟簧的各种参数取值之后，就可以将其带入到公式（4-17）当中，我们就可以通过计算得知，如果碟簧想要产生的变形量所需的压力为，那么我们就可以知道当碟簧受到的压力为时，产生的变形量就是，就能得知碟簧的数量的数值，它为，我们需要将5个碟簧进行叠合即可。4.3压滤腔以及其壁厚的尺寸设计与校核装置在对污泥进行压缩脱水的时候，这个过程是在压滤腔内进行的，挤压板会对污泥进行压缩从而来是污泥内的水分排出，我们可以使用无缝钢板来让压滤腔密封。经过计算之后，就可以根据各种数据来选择压滤腔的尺寸和腔壁的厚度的数值，即，。压滤腔腔壁的厚度用下面公式进行计算：（4-18）根据前面的计算以及各参数取值，我们就可以知道内压力和内半径分别为、，经过查阅有关的资料，我们可以知道应该选择许用应力是的材料。将相关的数据带入到公式（4-18）当中，就能通过计算得到压滤腔的壁厚为，我们选择的初始压滤腔的壁厚是比经过计算得到的数值大，则符合在设计当中的需求。图4-7压滤腔示意图4.4设计导流装置由于在对污泥进行压缩的过程中，污泥中包含的水分主要集中在污泥的内部，污泥内部的水分排出是比较困难的，我们可以在污泥内部增加一个导流装置，它可有利于在对污泥进行压缩时污泥内部水分可以比之前更好的排出，使污泥脱水装置的工作效率更快，还能缩短工作进程。图4-8导流装置示意图导流装置如上图，它在脱水装置中的位置是被固定在挤压板上面的，由于它是用来帮助正在挤压中污泥水分可以顺利的排出，那么我们就可以根据污泥经过压缩之后的厚度来设计此装置的高度，并且可以通过改变螺纹的深度来更改装置的高度。因为导流装置上面具有滤水孔，所以为了避免细小的污泥从中穿过，就需要在导流装置的外围包裹着有铁片进行固定的滤布。4.5自动进料装置自动进料装置在脱水装置当中对污泥的输送起着重要作用，代替了人工往脱水装置当中输送污泥，缩短了工作时间，还提高了工作效率。我们通过前面已知的各种数据，可以计算出污泥单词的排水量，首先可以对压滤腔的尺寸和压缩之前污泥的厚度进行取值，他们的数值为：，。（4-19）将已知数据和代入到上式中，经过计算之后就会得到。我们可以通过查阅机械运输相关资料，就可以对填充因数和污泥单位质量进行取值，即，。表4-2倾斜输送系数通过查找无轴螺旋输送机的相关文献和资料，就可以列出一下公式来对无轴螺旋叶片的内径进行计算：（4-20）（4-21）（4-22）我们可以通过已知的数据和装置的要求对叶片直径和螺距S取值，它们的数值为，，根据设计的方案，可以得知倾斜输送系数为。经过前面的计算结果知道了，那么就能计算出完成污泥的一次运输污泥的量为。上述得到的数据，可以将其代入到公式（4-20）（4-21）（4-22）当中，就能计算出：。根据要求就可以选择功率为的电机。图4-9自动进料装置4.6校核拉伸应力当脱水装置开始工作的时候，装置内部的铰杆机构会对其顶板产生作用力，铰杆中的四个支撑架会受到拉伸应力的作用，而铰杆机构对其顶板的作用力的大小是，纳闷单个支撑架产生的注作用力就为可以通过查阅有关拉伸应力的相关资料，就能得到下列关于拉伸应力的计算公式：（4-23）通过将其中已知的数据和代入上式可得，查表就能得到所用材料的许用应力为，通过计算得到的拉伸应力小于许用应力，就可以证明这个设计是符合的。4.7选择油缸的类型在该脱水装置的设计当中，使用的油缸类型包括液压油缸、标准油缸和液压千斤顶三种，这三种类型的油缸相关数据如下表：表4-3油缸的类型5高压脱水装置的压缩曲线可以通过对污泥的压缩曲线进行分析，就能得知，在刚开始进行压缩的时候，污泥产生非常大的变形，排出的水分也很多，但是随着不断地对污泥进行压缩，污泥产生的变形量会慢慢地减小，直至几乎看不到拍出的水分，也看不见污泥产生的变形，高压污泥脱水装置在设计的时候，也具备了这种特性。在高压污泥脱水装置运行的过程中，可以通过记录该装置对污泥产生的不同压力时，铰杆机构以及碟簧产生的压缩量，就能得到下表5-1：表5-1脱水装置的压缩比表根据上表5-1记录的数据就能得到脱水装置的压缩曲线，如下图5-1：图5-1脱水装置的压缩曲线可以将前面绘制的污泥压缩曲线和上述刚得到的脱水装置压缩曲线放到同一个图当中，如下图5-2，就能通过相互比较，就能知道本次设计的高压脱水装置是符合要求的。图5-2污泥压缩曲线和脱水装置压缩曲线6小结和未来发展本次选题主要研究了污泥的压缩特性以及脱水特性，从而设计了一个高压污泥脱水的设备。该设备可以对污泥进行脱水，减少污泥内的水分，使污泥在处理的时候更加方便，有利于处理污泥之后的继续利用，设备内的主要机构使铰杆和碟簧。由于该设备在进行设计的时候对污泥的脱水特性和压缩特性做了一定的研究，因此，在设计过程中使其满足了污泥的这些特性。在刚开始压缩的时候，因为污泥内部的空间大，水分多，即使施加的压力比较小，污泥仍会出现较大的压缩变形；伴随着污泥不断的压缩，污泥内的水分被排出，污泥的压缩变形量变得基本不可见，出现的这些变化了满足污泥的压缩曲线状态。本设备是针对污泥所具有的的特性所设计的，与其他的脱水装置相比，它在进行污泥脱水的时候更加简便，耗费的能量也减少了，而且本设备的使用寿命也变得久了，不用在更换的那么频繁，这样就很容易降低成本的使用了，还可以在各地普遍使用，为污泥的处理做贡献。本次选题我们针对污泥的压缩和脱水特性设计了一个高压污泥脱水装置，但是因为自己关于这方面知识积累的还是太少了，即便是有老师的帮助，设计的也不是非常好，在这