主流固液分离设备用于白泥脱水的适用性研究

杨燎原

（广东南方碱业股份有限公司，广东 广州 510760）

为了彻底摸清白泥的成分及物化性质，南碱公司近年来与省农科院、华南理工大学、广东电网公司电力科学研究院等单位合作，对白泥进行了全面系统的分析，得出了白泥固相主要含CaCO3、Mg（OH）2两种物质，其同时具有颗粒细小、空隙大、含水量大和溶胶效应等特性。由于纯碱生产及废水处理的需要，南碱公司自有卧式板框压滤机、隔膜式压滤机、带式过滤机、真空转鼓过滤机等脱水设备，且拥有丰富的使用经验，在白泥脱水性能研究方面具备一定的基础。经查阅相关文献资料及与天津碱厂、连云港碱厂、青岛碱业等兄弟单位进行技术交流后得知，立式自动压滤机已广泛应用于白泥脱水领域，而卧式螺旋沉降离心机在澳大利亚Penrice纯碱厂已使用多年，白泥脱水效果非常理想，但在国内却鲜有报道［1］。

1 白泥成分分析

1.1 白泥主成分及岩相组成

2009年8月，广东电网公司电力科学研究院采用X射线衍射仪对白泥样品进行了物相分析，相关的衍射如图1所示。

图1 白泥样品X射线粉末衍射图

将白泥的样品信号分别与PDF数据库中标准卡片数据进行比对，判定白泥样品中含量超过3%的物相组成有：CaCO3、CaSO4、MgO。基于上述分析结果，广东电科院随后对白泥中可能存在的主要物质进行了全分析，结果如表1所示，其中样品1直接取自压滤机，样品2取自白泥储仓。分析结果显示，白泥的水分较多，在40%左右；在固体干基中，含量最多的是CaCO3（超过60%），其次为CaSO4（20%左右）、Cl－（7.5%左右）、MgO（5%左右）等［2］。此结果与天津碱厂在上世纪90年代初委托南开大学中心实验室用X射线衍射仪分析得到的数据基本吻合，其分析结果为：白泥的岩相主要是CaCO3，其次是 Ca0.98Na0.03SO4·0.47H2O 和CaCl2·Ca（OH）2·H2O两种带结晶水的复盐及微量的 NaCl［3］。

表1 白泥分析结果 单位：%

1.2 白泥粒度分布情况

经查阅相关文献资料得知，天津碱厂于上世纪90年代委托北京有色金属冶金设计研究总院曾对蒸氨废液中固体粒子的粒度分布情况进行过测定［3］，分析结果如表2。

表2 白泥粒度分布表

由表2可知，65%以上（体积分数）的白泥粒径＜10μm（相当于1 250目），95%以上的白泥粒径＜25μm（相当于500目），白泥的最大粒径为38μm（相当于320目）。东南大学曾经用扫描电镜对连云港碱厂提供的白泥进行过分析，结果表明白泥中具有极发育的空隙体系，包括粒间空隙、集合体空隙及聚集体空隙，从而造就了白泥颗粒细小、空隙大、含水量大和具有溶胶效应等特性［4］。

2 主流固液分离设备简介

2.1 卧式板框压滤机

卧式板框压滤机是一种成熟的间歇式脱水装置，自问世以来广泛应用于大规模的工业生产之中，其具有结构简单、单位过滤面积占地较少、过滤面积选择范围大、操作容易、固液分离效果好，满足大多数物料的固液分离需求，尤其适合进行黏细物料的脱水操作［5～7］。

南碱公司现有4台XMZ－500／1500型、2台XMZ－800／2000型板框压滤机，生产厂家均为无锡洗选设备公司，单台设备的过滤面积均为500m2，全部用于蒸氨废液底流进行固液分离使用。总体而言，6台压滤机基本能满足企业的环保治理需求、滤饼含水率稳定在50%左右，但是亦不可避免地出现了滤布堵塞、破损，滤液跑冒滴漏严重，系统长周期稳定运行率偏低等问题，加之系统自动化程度较低、工人的劳动强度过大导致了生产效率较低。

2.2 隔膜式压滤机

隔膜式压滤机是近年来出现的新型间歇式脱水装置，是普通板框压滤机的替代升级产品，已广泛应用于冶金、煤气、造纸、炼焦、制药、食品、酿造、精细化工等行业。其具有过滤压力高、耐腐蚀性能好、维修方便等优点，同时在单位面积处理能力、降低滤饼水分、对处理物料性质的适应性等方面都表现出了显著的优越性［8］。

南碱公司现有1台应用于白泥脱水，型号为XMAZG658／2000－U的隔膜式压滤机，生产厂家为河北景津压滤机有限公司，设备的过滤面积为700m2。就使用情况而言，经隔膜式压滤机处理后的白泥含水率稳定在50%以下，脱水效果、生产效率和系统稳定性方面略优于板框压滤机，但是亦不可避免地多次出现滤布堵塞、破损，滤液跑冒滴漏等问题。

2.3 带式脱水机

带式脱水机是一种高效的固液分离设备，广泛应用于食品、制药、化工、造纸、冶金、环保等行业，尤其在城市污水处理和工业污泥脱水中应用非常普遍。其具有结构简单、操作方便、易于维护、处理能力大、可连续作业等优点，其在环境保护工作中的优越性已经被普遍地认识，在此领域具有广泛的应用前景［8］。

南碱公司现有1台应用于脱硫石膏脱水、型号为NP－2000的带式脱水机，生产厂家为烟台鑫海矿山机械有限公司，设备的处理能力均为50t／d。就使用情况而言，脱硫石膏的含水率稳定在10%以下，但是系统亦出现过漏浆、喷浆的问题。笔者曾使用此装置对蒸氨废液的底流进行固液分离试验，试验结果表明虽然经带式脱水机处理后的白泥滤饼含水率稳定低于40%，脱水效果明显优于板框压滤机和隔膜式压滤机，但是亦时常出现滤孔堵塞和滤层过薄的问题，难以真正发挥设备的有效产能，事实上此次试验过程中白泥滤饼的平均产量低于1.5t／h。

2.4 转鼓真空过滤机

转鼓真空过滤机是一种连续式的高效过滤机，其最初用于制碱和采矿工业，后来慢慢扩展到食品、医药、有机化学、废水处理等领域。其具有过滤适应性好，能处理黏性、具可压缩性滤饼及容易堵塞滤布的物料，而且能自动连续操作、可有效提高劳动生产率。

南碱公司现有3台φ2250×1910、过滤面积为20m2的真空转鼓过滤机，主要用于分离NaHCO3半成品，使用效果良好。经与重碱车间滤过岗位的操作工沟通交流及现场实地考察后发现，为了确保真空转鼓过滤机高效稳定运行，碳化取出液的物质构成、成分比例必须尽量保持稳定、避免大幅波动，否则极易出现滤层过薄的问题从而大幅降低NaHCO3产量。由于蒸氨废液底流由诸多物质组成、且易受前面蒸馏工序的影响，同时其含有的Mg（OH）2在碱性条件下呈絮状分布，因此可以预见使用其对白泥进行脱水时，势必出现滤孔堵塞和滤层过薄的问题，难以充分发挥设备的产能，严重时甚至会造成设备损坏的后果。

2.5 立式自动压滤机

立式自动压滤机（又称滤布全行走式自动压滤机）于20世纪60年代由前苏联设计开发成功，广泛应用于镍精矿、氧化锌浸出液、酵素、淀粉、碱渣、沸石、铜精矿等产品的过滤。其具有入料时间短、滤饼水分低、全自动化运行、滤布可再生、滤板密封压力高、不喷料浆、系统稳定性高和可节约大量人力资源等优点。

天津碱厂于1999年6月率先引进芬兰LAROX公司的PF全自动压滤机，其过滤能力高达50 kg（干基）／m2·h，为国产过滤机的6～10倍，白泥滤饼含水率≤46%，系统运行稳定可靠［10］。经与天津碱厂、连云港碱厂的相关技术人员交流后得知，虽然经LAROX公司的PF全自动压滤机处理后白泥滤饼的含水率指标非常理想，但是与传统的板框压滤工艺相比，此类设备及配套设施的一次性建设成本非常昂贵，同时日常的运行成本亦不低，因此短时间内难以在国内推广使用。

2.6 卧式螺旋沉降离心机

卧式螺旋沉降离心机是一种是利用离心沉降原理来实现固液分离的设备，广泛应用于悬浮液的浓缩、脱水、分级、澄清等领域，其对固体颗粒直径≥3 μm、重量浓度≤50%或者体积浓度≤70%、固液密度差≥0.05g／cm3的各种悬浮液均适用。

卧螺离心机是一种采用螺旋卸料方式、实现固液沉降分离的新型离心机，其主要由高转速的转鼓、差速器、空心转轴和与转鼓转向相同但转速比转鼓略低的螺旋输送器等部件组成。其实现固液分离的基本原理是：待分离的悬浮液由空心转轴送入转筒后，在高速旋转产生的离心力作用下，立即被甩入转鼓腔内。强大的离心力（由高速旋转的转鼓产生）把比液相密度大的固相颗粒甩贴在转鼓内壁上，形成固环层（即固体层）；水分由于密度较小、且离心力小，因此只能在固环层内侧形成液体层，称为液环层。由于螺旋卸料装置和转鼓的转速不同，二者存在着相对运动（即转速差），利用螺旋和转鼓的相对运动把固环层的污泥缓慢地推动到转鼓的锥端，其经过干燥区后，由转鼓呈圆周状分布的出口连续排出；而液环层的液体则在自身重力的作用下由卧螺离心机靠物料入口端的堰口连续溢流排至转鼓外，形成分离液［1，11，12］。与国内板框压滤机分离白泥相比较，卧螺沉降离心机的工艺简化了很多，具有连续操作、运行平稳、劳动强度较小等优点。

鉴于卧式螺旋沉降离心机在澳大利亚Penrice纯碱厂的白泥脱水效果非常优异，自2010年3月以来，南碱公司与国内多家卧螺离心机生产厂家合作开展白泥脱水研究，相关的试验结果表明大长径比、大锥角的卧式螺旋沉降离心机非常适合蒸氨废液底流固液分离使用，经其处理后的白泥滤饼含水率普遍低于45%，而且能做到连续生产且操作简单方便。相对于板框压滤工艺而言，使用其处理白泥时必须使用阴离子絮凝剂，这样才能有效提高装置的处理效果及处理量，絮凝剂的消耗在一定程度上会增加用户的使用成本；在充分考虑一次建设成本、日常运行成本及装置的长周期运行等因素后，笔者认为卧式螺旋沉降离心机比PF全自动立式压滤机更适合蒸氨废液底流实现固液分离使用，装置的推广应用潜力巨大。

3 白泥脱水设备的适用性

在全面考虑建设成本、日常运行费用、处理能力、自动化程度等因素的基础上，为了更加直观地比较上述六种脱水设备的相关情况，笔者专门做了汇总如表3所示。

表3 主流脱水设备性能比较表

由前面白泥成分的介绍可知，白泥中具有极发育的空隙体系，包括粒间空隙、集合体空隙及聚集体空隙，从而造就了白泥颗粒细小、空隙大、含水量大和具有胶体性质等特性，同时白泥中的Mg（OH）2在碱性条件下呈絮状，因此在使用带式脱水机、转鼓过滤机对白泥进行脱水时，不可避免地出现了滤孔堵塞和滤层过薄的问题，难以真正发挥设备的有效产能。卧式板框压滤机及隔膜式压滤机在使用过程中则经常出现滤布堵塞、破损，滤液跑冒滴漏严重，系统长周期稳定运行性偏低等问题；而立式自动压滤机的一次性投资非常昂贵，且运行成本亦不低。因此在综合考虑设备投入、运行成本、脱水效果和生产效率等因素后，笔者认为卧式螺旋沉降离心机是目前最适合于白泥脱水使用的固液分离设备。

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