第三章 卧螺离心机的结构特点及工作原理
延安石油化工厂污泥处理系统选用卧螺式离心机作为污泥脱水设备。离心机是污泥处理系统中的核心组成部分。离心机的运行情况直接决定了污泥处理系统的处理效果及运行稳定性。因此，我们有必要对卧螺离心机的结构特点及工作原理加以了解。
3.1 卧螺离心机的工作原理。
卧螺离心机，是一种螺旋卸料沉降离心机，它是污泥离心脱水工艺中常用的一种脱水设备[55].主要由高转速转鼓、螺旋输送器和差速器等部件组成。其设备结构、设备材质、结构和控制系统根据生产厂家不同而略有区别。卧螺离心机的工作原理为：被分离的悬浮液由转轴进入转鼓，悬浮液中的固体物质和液体由于其密度不同，在离心机转鼓中不断旋转而受到不同的离心力的作用。在此条件下，固体颗粒快速沉降，甩贴在转鼓内壁上，形成固体层。液相在固体层内部形成液体层，从而达到固液分离的效果[56].
一般情况下，污泥在脱水前需要先和絮凝剂进行充分混合。之后污泥从进料管进入，经过螺旋推进器达到转鼓。污泥在转鼓中受到离心力的作用，其中污泥中的液相在转鼓中形成液相层，固相被运到转鼓内壁上。固、液两相在转鼓的圆柱形部分进行分离。转鼓大的一端装有可调节的高度的液位挡板，液相从液位挡板经分离液出口流出。固相则从转鼓小的一端的排渣口排出。
3.2 卧螺离心机主要结构及部件。
卧螺离心机的部件主要包括：机壳、转鼓、差速器、螺旋推进器、溢流挡板、轴承、机座、进料和排渣系统、驱动系统、控制系统等[57].其中转鼓、螺旋推进器和差速器是卧螺离心机的关键部件。
3.2.1 转鼓。
转鼓是卧螺离心机的关键部件之一，其材质可为碳钢、不锈钢及玻璃钢。其结构可以呈圆筒形、圆锥形或筒锥结合形。一般来说，转鼓的直径越大，离心机的处理能力也就越大；转鼓长度越长，离心机的分离效果也就越好。但是离心机的处理成本也会随这离心机体积的增大而增加，所以选用转鼓时需要进行综合考虑[58].
转鼓的部件主要包括筒体和大小端盖以及液位溢流液位调节装置等。
为了防止固相在筒壁内打滑及减少转鼓内壁的磨损，鼓筒内壁通常具有不光滑的表面。转鼓锥形一段为出渣孔，出渣孔通常有纵向、横向、半径半轴向三种结构。横向出渣孔的结构简单，纵向出渣孔避免固体沉渣在转鼓内积累，半径半轴向出渣孔则兼具前两者的优点[59].
转鼓的两端固定在转鼓筒体上，中间由两个主轴承连接。这样既起到支撑转鼓的作用，又保证了转鼓与筒体的同心度。
转鼓大端盖上开有溢流口，分离后的液相从该口流出转鼓。溢流口的大小决定了液层深度，是影响离心机处理能力和分离效果的一个重要因素。对于不同的污泥，我们需要不断调整溢流口位置，以达到最大的分离效果，溢流口调节装置主要有径向调节和小直径调节两种。液位调节挡板直接影响到污泥离心脱水后的含水率及分离液的含固率。
转鼓的主要结构参数包括转鼓长度 I、转鼓直径 D、转鼓锥角 ?、转鼓的溢流口直径D0及转鼓出渣口直径 Du.这些参数直接影响到螺旋卸料离心机的分离能力、处理能力和输送残渣能力[60].
3.2.2 螺旋推进器。
螺旋推进器是卧螺离心机的另一个主要部件。其结构、材质也影响着卧螺离心机的负荷能力、使用寿命以及分离效果。它的作用是利用螺旋和转鼓之间的转速差将沉降在转鼓壁上的沉渣输送到转鼓的出渣口排出。但是在沉降区和干燥区对其要求又有所不同。
在沉降区悬浮液中的固体颗粒逐渐向转鼓壁形成沉渣层，螺旋应有利于移动沉渣而又不致剧烈地将沉渣搅起，造成已分离的沉渣和澄清液再混合。在干燥区螺旋不仅继续移动沉渣而且应为沉渣和水分分离创造有利条件。
螺旋推进器的部件主要包括螺旋叶片、螺旋内筒、进料隔仓和两端轴颈等[61].螺旋叶片形式通常有连续整体、连续带状、带附加叶片、断开式等几种[62],可根据不同的物料及分离要求进行选择。
螺旋叶片头数，根据使用要求可以是单头螺旋、双头螺旋、也可以是多头螺旋。双头螺旋较单头螺旋的输渣效率高且便于加工并有利于平衡，所以绝大多数是双头螺旋。
螺旋叶片的布置有两种，一种是螺旋叶片垂直于转鼓母线，一种是垂直于回转轴线，由于前者便于衔接和校正，较多使用。螺旋一般多采用等螺距，大致范围 40-60mm.螺距的选定是一个比较复杂的问题，它涉及到产量，沉渣的含湿量，并与转鼓的直径、转速、螺旋与转鼓的转差率等因素有关。
卧螺离心机在工作时，螺旋叶片直接与物料的固相接触，材质要求具有较高的耐蚀性、耐磨性以及硬度。一般采用硬质合金、表面喷涂耐磨材料、可拆装的扇形片外圈等方法提高螺旋叶片的上述性能。
螺旋内筒是一个空心筒体，主要作用是接受分布和加速悬浮液。通常有单锥形、柱-锥形等形式。筒体内一般用横隔板在转鼓的柱-锥交界面位置设置进料隔仓，提高分离效果。
悬浮液在内筒的出口处的径向速度越小，径向停留时间越长，越有利于悬浮液的沉降分离。
螺旋与转鼓绕同轴同向旋转，但两者有一个转速差。采用正转差率时，物料所获得的离心惯性力为转鼓与差转速所产生的离心惯性力之和，有利于沉降分离。而采用负转差率时，有利于沉渣输送，而且可以减少由减速器传送的功率，所以现在螺旋沉降离心机多采用负转差速的左螺旋。
3.2.3 差速器。
差速器式卧螺离心机中最为精密、复杂，又极为重要的部件。它以行星传动形式，实现螺旋相对转鼓导前或滞后的旋转运动来实现分离固相的径向输送[63].差速器的性能往往决定着卧螺离心机分离物料的工作性能的稳定。常用的差速器有摆线针轮行星差速器和渐开线行星齿轮差速两类。
摆线针轮星型差速器是-种行星传动装置，内齿传动轮的针轮，针轮与转鼓相连[64].
行星轮是摆线轮，它通过输出机构由输出轴与离心机螺旋相联。这类差速器的体积小，重量轻，结构较简单紧凑，其传动比大，-级传动的传动比可达 9.97;传动效率较高，达 0.9~0.95.主要缺点是输入轴上的转臂轴承在高速重载条件下工作，寿命较短，这类差速器主要用于中小功率的卧式螺旋沉降式离心机。
渐开线行星齿轮差速器有多种结构形式，其中普遍应用的是双级 2K-H 结构[65].差速器外壳内装有两级半联的 2K-H 行星齿轮传动。两内齿轮 b1 和 b2 及差速器外壳与离心机转鼓相联，第二级传动的转臂 H2 与螺旋相联。渐开线行星齿轮差速器属多分流对称结构的传动装置，充分利用了内齿轮的空间并将功率分为多股传递，另外内哨合本身还具有承载能力大和内齿轮内的空间可以利用，使结构比较紧凑。因此这类差速器的承载能力大、体积小、重量轻、传动比大、噪声小、便于维修等优点，其传动效率达 0.99,对大、中、小功率的各种卧式螺旋沉降式离心机均通用。
两种差速器都具有-定的优点，从长期的使用情况来看，渐开线行星齿轮差速器更具有优势。其使用更加可靠，而且寿命较长，故障率较低。因此目前国内外螺旋沉降离心机所使用的差速器大都为渐开线行星齿轮差速器。
3.3 卧螺离心机的优点。
近年来，由于卧螺离心脱水机具有独特的优势，使得它在国内的应用越来越广泛。卧螺离心脱水机已经成为继板框压滤机和带式压滤机之后，又一代新型的污泥脱水设备。与带式压滤机相比，卧螺式离心脱水机有具有如下优点[66,67]:① 维护简单。卧螺式离心脱水机利用离心沉降原理进行固液分离，不使用滤网，减少了冲洗滤网工作，也不用定期更换滤网。② 操作简单，自动化程度高。卧螺离心脱水机在进行污泥脱水时，随着进泥浓度和进泥量的变化，离心机的差速和扭矩能够适时自动做出调整以适应进料量的变化，不需要操作人员进行调控。与之相反的是带式机在脱水过程中则需要有专人根据进泥情况进行调控，且对操作人员要求较高；③ 节省絮凝剂投加量。卧螺离心机利用离心原理进行脱水，细小的污泥也可以与水分离，所以絮凝剂的投加量较少，一般为：1.2kg/t.而带式压滤机由于过滤孔径限制，所以需投加较多的絮凝剂使污泥形成较大的絮团才能避免污泥透过滤带，一般投加量为3kg/t;④ 占用面积小，对工作车间污染小。与带式脱水机相比，卧螺离心式脱水机对工作空间要求比较小，与之配套的机械设备少，在运行的过程中无污水、污泥和臭气外溢，运行时对所在空间的污染少，能够更好保证操作人员的身体健康。
从上面几点可以看出，卧螺式离心机在维护保养，运行调试，絮凝剂使用量及对工作环境的影响方面比带式压滤机有明显的优势。
3.4 卧螺离心机运行参数对处理效果的影响。
在污泥脱水过程中，离心机的机械参数与运行参数对分离效果有着巨大的影响。因此，有必要研究对离心机各种参数进行研究分析，以便选择最优的参数条件。
3.4.1 不可调机械因素。
a. 转鼓直径和有效长度。
一般来说，扩大转鼓体积的会同时增加污泥在离心机内的停留时间和停留面积。这样，离心机的处理能力和分离效果也会随之增加。但是，离心机体积越大其制造和运行成本也就越高，而且多数情况下还要受到材料的限制，因此，离心机转鼓的大小在设计时需要从多方面进行考虑。一般来说，在转鼓的直径时大多采用 200~1000mm 的范围，而长径比则在在 3~4 之间。据相关资料表明，卧螺离心机技术正在朝大长径比及高转速的方向发展，这种设备制造困难，但是在处理低浓度污泥时效果很好，处理后的污泥含水率更低。此外，大长径比的离心机输渣能力较强，可以以较低的转速差运行。
b.转鼓半锥角。
转鼓半锥角是离心机较为重要的参数。转鼓半锥角的大小影响到了离心机的处理能力和处理效果，半径越小处理能力越强；半径越大，处理效果越好。在满足一定条件处理量的情况下，我们希望转鼓半锥角能尽量大一些。对于乳化严重、难以处理的污泥，其半锥角一般设计要小于 6 度，以保证污泥在转鼓内的沉降时间。对与较为容易的污泥时，我们可以适当的增大转鼓的半锥角。一般来说，设计值在 10 度以内时就可以保证沉渣的沉降效果和处理能力。
c.螺距。
螺旋叶片之间的距离，我们称之为螺距。它也是离心机的一项很重要的结构参数，直接决定了离心机的输渣效果。在螺旋的大小尺寸一定时，螺距越大物料越容易堵塞在螺旋叶片之间。另一方面，当转鼓内轴长一定时，螺距越大，其螺旋叶片数就越少，这一方面会影响物料的输送能力，还会使物料沉积在螺旋之间，引起离心机振动。所以当污泥较难分离、输渣较困难时，应尽量减少螺距，增加离心机的输渣能力。此时，螺旋螺距应当为是转鼓直径的 1/5 左右。当离心机处理那些易分离污泥时，污泥较易输送时，螺距应大些，一般为转鼓直径的 1/2 左右，以提高沉渣的输送能力。
d.螺旋类型。
螺旋是卧螺离心机的重要组成部分，它主要负责离心机转鼓内沉降污泥的输送和排放。因此，它直接决定了离心机的处理能力和处理效果。
相对于转鼓内液体的旋转方向，离心机螺旋一般可以分为逆流式和顺流式。
为了保证足够的沉降距离，逆流式螺旋离心机的加料口需要设置在螺旋中部，这个位置位于干燥区和沉降区之间，但是该位置固相的停留时间较短，因此要求离心机具较高的离心力，这就要求离心机转鼓转速尽可能的高；另一方面，物料进入转鼓时会使该区域内已经沉降的固体残渣发生波动，降低分离效果。
顺流式离心机的进料口一般设在转鼓端部，这样既可以避免转鼓内湍流的发生，保证固体沉渣的稳定性。而且，在此进料可以扩大污泥在离心机内沉降面积，延长污泥在转鼓内的停留时间，从而提高离心机的分离效果。此外，沉降面积和停留时间的增长还可以大幅的减少絮凝剂的使用量，并且可通过加大转鼓直径来提高离心力，因此可显着降低转速，节省电力消耗，延长机器的寿命。
顺流式螺旋离心机在处理固液密度差小，固相含量低、沉降性能差的污泥时有很好的效果。但是该种离心机的上层清液需要靠撇液管排出。如果滤液中仍含有大量固相颗粒时，其会在撇液管内沉降沉积，而导致撇液管的堵塞。因此，在使用时需要对撇液管进行定期冲洗。
3.4.2 可调的机械因素。
a. 转鼓转速。
转鼓转速可以的通过变频电机或液压马达来进行调节。我们一般认为转鼓转速增大，转鼓内离心力也随之增大。而较高的离心力有助于提高泥饼含固率，但是当转速超过一定值时，会破坏污泥中的絮凝体系，反而降低脱水效果。另一方面，较高转速会使离心机扭矩增大，同时加剧离心机的磨损。其能量消耗，振动幅度和噪声也会相应地增加。
因此，设定转速是应综合考虑。
b. 转速差。
转速差直接影响着离心机的排渣能力、泥饼含水率和滤液的固含量。转速差越高，离心机的处理能力越大，但污泥在转鼓内的停留时间会缩短。这会增加脱水后泥饼含水率，同时螺旋对澄清区液池的扰动大，滤液中的固含量也会相应增加。速差越小，固体层的厚度越大，沉渣在转鼓内的停留时间会增长，离心机的脱水效果会提升，脱水后干泥的含水率较低，滤液的固含量也较少。但是会减少离心机的处理量，同时增大螺旋的负荷，有可能造成离心机内沉渣不能及时排出而引起的堵料现象。
3.液位挡板高度。
离心机的液位挡板高度决定了泵内液环层的厚度，而液环层的厚度决定了离心泵内的干燥区长度和有效沉降容积。液环层厚度增加会使泵内的沉降面积增大，同时污泥的停留时间也会相应增加，这样可以提高滤液的质量，减少含固率；但是，沉降面积增大的同时，泵内的干燥区长度会相应缩短，这会导致泥饼干度降低；相反，减少液环层厚度可获得较高的泥饼含固率，但要以牺牲滤液质量为代价。可见，离心机液位挡板高度是关系着离心泵处理效果的一个重要参数。一般来说，调节液位挡板的高度需要在离心泵处于停机状态手动调节；调节其高度时必须使离心泵各处的挡板高低保持一致，否则在离心机运行过程中可能会出现机体剧烈振动的现象；此外，一些国外厂家已经设计出可以自动调节液位挡板高度的离心机。综上所述，应合理地调节液位挡板的高低使泥饼干度与滤液质量达到最佳组合。
3.4.3 工艺因素。
由于离心机是利用固体和液体两相的密度差来实现固液分离的，因此污泥颗粒密度越大越易于分离。
为改善污泥脱水性能，进行机械脱水前一般应均匀加入适量的有机高分子絮凝剂，如聚丙烯酸胺（PAM）来降低污泥的比阻。使其易于脱水絮凝剂的种类必须和污泥特性相适应，包括聚丙烯酰胺有阳离子型、阴离子型和非离子型三类，选择时应从技术、经济方面综合衡量，通过试验筛选合适的絮凝剂类型和品牌，并且絮凝剂的分子量也要达到一定要求。
根据实际运行情况表明，投加絮凝剂的多少对脱水后泥饼的含固率影响很小，对滤液的质量影响较大。因此，采用离心脱水可以不投加或少投加絮凝剂进行脱水处理，从而降低运行费用，但投加适量、合适的絮凝剂可显着提高固体回收率。絮凝剂用量和浓度不足，难以形成絮体，影响滤液质量；絮凝剂浓度太大，活性基团由于相互屏蔽质量反而下降，再分散作用也会破坏絮体稳定，絮凝效果同样不好，并且絮凝剂用量太大，不仅造成浪费，对处理效果也没有显着提高。
3.4.4 其它因素。
进料流量越小，物料在转鼓内分离时间越长分离效果越好。随着进料量的增大，分离效果将随之变差，进料量还受螺旋输料器的最大排渣能力的限制，当进料量过大时，被分离出的沉渣将无法及时排出而引起转鼓的堵料现象，所以在使用时，应按照分离要求和物料的固相浓度选择适宜的进料量，一般可对各种流量的分离效果进行比较后确定进料流量。
物料中的固相的粒度越大，则越易分离。固相颗粒大小不一样时，固相与液相的密度差越大，则越容易分离，故小粒度固相决定其最终分离效果。固相粒度特别细小时，将不会沉降分离出来，而随分离液排出。
影响沉渣含湿量的因素有沉渣颗粒的空隙、沉渣处理量、脱水区的停留时间、离心机的结构参数等。沉渣含湿量随着处理量的下降而减少，但处理量下降到某一极限后，含湿量不再减少，保持一个极限值；在一定范围内，延长沉渣在脱水区的停留时间，使含湿量下降；对于易脱水的沉渣，提高分离因数能降低沉渣中的含湿量，转鼓锥角、螺旋升角、转速差和液池深度也确定了脱水区长度和停留时间，进而影响了沉渣的含湿量。
