陳 光，于公滿

（機(jī)械工業(yè)規(guī)劃研究院有限公司，北京 100089）

0 引言

過(guò)濾過(guò)程是依靠濾網(wǎng)（濾層）的阻隔作用，實(shí)現(xiàn)固液兩相流分離的過(guò)程。在過(guò)濾的過(guò)程中，固相物不斷的在濾網(wǎng)上沉積形成濾餅，兩相流中的液相只有通過(guò)濾網(wǎng)和濾餅形成的濾層才能排出。由于濾餅的不斷增厚，過(guò)濾的阻力會(huì)不斷的增加，更多細(xì)小的固相物會(huì)被截留，影響過(guò)濾的質(zhì)量。因此，在過(guò)濾的過(guò)程中，濾餅形成到一定的厚度時(shí)必須適時(shí)中止過(guò)濾過(guò)程，將濾餅除去以保證后續(xù)過(guò)濾過(guò)程的正常進(jìn)行。

過(guò)濾前的液流是固相和液相相混的流體，過(guò)濾過(guò)程多以離心泵作為過(guò)濾的驅(qū)動(dòng)裝置，本文利用這個(gè)特點(diǎn)，在常規(guī)的過(guò)濾裝置中增加了一個(gè)蓄能的空間，利用離心泵在清除濾餅前停泵的瞬間其輸出壓力高于工作壓力的特性，壓縮蓄能空間中的氣體，并將存貯在蓄能空間中的有壓空氣作為濾層反吹卸料的動(dòng)力，不再需要另配反吹卸料動(dòng)力。該改進(jìn)減少了過(guò)濾系統(tǒng)的配置，簡(jiǎn)化了操作過(guò)程，達(dá)到了降低工程造價(jià)和降低運(yùn)行費(fèi)用的目的。

1 過(guò)濾器再生的現(xiàn)狀

過(guò)濾器是流體運(yùn)行系統(tǒng)的重要構(gòu)件，通過(guò)固液相分離，達(dá)到液體回用的目的。通常，固液相分離可以采用過(guò)濾法，例如化學(xué)生產(chǎn)過(guò)程中晶體的分離，潤(rùn)滑油回用過(guò)程中的顆粒物去除等。也可以采用沉降法，例如污水沉淀池中的水-泥分離等。通常由于固相物的顆粒較細(xì)，需要的沉降時(shí)間較長(zhǎng)，因此沉降池的體積均較大，需要花費(fèi)的時(shí)間也較長(zhǎng)，相對(duì)說(shuō)來(lái)過(guò)濾花費(fèi)的時(shí)間短，容易在線處理，配套設(shè)備的尺寸也相對(duì)較小，因此在常見的固液分離操作中被大量采用。

但過(guò)濾需要較大的推動(dòng)力，進(jìn)行固液相分離的固液相混合物都具有一定的壓力，固液相分離系統(tǒng)是一個(gè)壓力系統(tǒng)，因此過(guò)濾器是一個(gè)壓力容器。

過(guò)濾的原理很簡(jiǎn)單，見圖1。即當(dāng)固液相混合物通過(guò)濾網(wǎng)時(shí)，在流體壓力的推動(dòng)下，液體通過(guò)濾網(wǎng)流向?yàn)V網(wǎng)的另一側(cè)，大于濾網(wǎng)孔徑的固相物被濾網(wǎng)阻隔，在濾網(wǎng)上形成濾餅，濾清液則通過(guò)濾網(wǎng)和濾餅流出。

圖1 過(guò)濾的原理圖Fig.1 Schematic of filtering

濾液通過(guò)濾網(wǎng)和濾餅是需要推動(dòng)力的，過(guò)濾的流程示意見圖2。當(dāng)流體的阻力大于流體的壓力時(shí)，過(guò)濾過(guò)程就會(huì)中止。為了繼續(xù)進(jìn)行過(guò)濾過(guò)程，需將濾網(wǎng)上形成的濾餅卸下，這個(gè)過(guò)程稱之為過(guò)濾再生過(guò)程。

圖2 過(guò)濾流程示意圖Fig.2 Schematic of filtering process

通常，過(guò)濾器去除濾餅的再生方式有如下幾類：

1.1 濾網(wǎng)拆除

將過(guò)濾裝置拆開，把濾網(wǎng)取出，利用人工的方法將濾餅去除，此方法只能用于濾餅生成量較少，過(guò)濾過(guò)程間歇較長(zhǎng)的工況。并且，由于過(guò)濾器是一個(gè)受壓構(gòu)件，因此拆卸是一件很麻煩的工作。

1.2 反向沖刷

反向沖刷可以減少拆卸過(guò)濾器的麻煩，見圖3。當(dāng)過(guò)濾過(guò)程停止或者減慢的時(shí)候，關(guān)閉進(jìn)液閥1，濾清液排出閥2，起動(dòng)反吹泵，打開閥門4和濾餅排出閥4，此時(shí)，具有一定壓力的反吹液通過(guò)濾網(wǎng)，將濾餅從濾網(wǎng)上沖落，通過(guò)閥門3排出。

圖3 濾餅反向沖刷流程圖Fig.3 Filter cake backwash flow chart

濾餅被從濾網(wǎng)上沖下后，重新具有了過(guò)濾的功能，此時(shí)關(guān)閉沖洗泵和閥門3、閥門4，濾液重新閥門1進(jìn)入，從閥門2排出，繼續(xù)進(jìn)行過(guò)濾操作。為此需要為系統(tǒng)配置專用的反沖水泵和配套的管路。

1.3 壓縮空氣反吹卸料

為了減少反沖時(shí)，排出的濾餅中的水含量，在液相反沖的基礎(chǔ)上又提出了氣體反沖的方法，即反沖的介質(zhì)不是液相水，而是壓縮空氣，見圖4。

圖4 壓縮空氣反吹系統(tǒng)流程圖Fig.4 Compressed air backflushing system flow

其操作過(guò)程和液相反吹卸料相似，當(dāng)過(guò)濾過(guò)程變緩后，關(guān)閉閥門1和閥門2，打開閥門4通入壓縮空氣，打開閥門3排出濾餅。

這種操作過(guò)程，排出濾餅中攜帶的水量即為過(guò)濾器體中可容納的水量。為了實(shí)現(xiàn)壓縮空氣反吹的功能，需要單獨(dú)另配一套壓縮空氣生成或儲(chǔ)存的裝置，無(wú)疑增加了設(shè)備成本和操作上的不便。

1.4 機(jī)械刮刀卸料

在一些特定的條件下，例如濾餅比較黏時(shí)，反吹的效果不理想，因此有出現(xiàn)了一種機(jī)械刮刀卸料的構(gòu)造，流程見圖5。

圖5 刮刀卸料的過(guò)濾流程圖Fig.5 The filtration process of scraper discharge

在過(guò)濾器的內(nèi)筒，安裝了一組可以在外邊控制的，具有兩個(gè)自由度動(dòng)作（回轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)）的刮刀。在濾餅積存到一定量時(shí)，通過(guò)刮刀的回轉(zhuǎn)和上下移動(dòng)，即可將粘附在濾網(wǎng)上的濾餅卸下。

這種卸料方式，在卸料時(shí)，過(guò)濾過(guò)程是不間斷的，濾餅出現(xiàn)局部短路時(shí)，也不影響后續(xù)的卸料過(guò)程，濾餅的排放可以根據(jù)過(guò)濾器內(nèi)部濾餅的積存量來(lái)決定，以便減少濾餅中的水含量，為后續(xù)的處理過(guò)程提供方便。當(dāng)然，在排出濾餅時(shí)，閥門1和閥門2，需要關(guān)閉，短時(shí)中止功率過(guò)程。

這種卸料方式的機(jī)械部分過(guò)于復(fù)雜，造價(jià)較高，通常在大尺寸的過(guò)濾器上使用。刮刀和濾網(wǎng)之間不可避免的存在間隙，濾餅難以做到完全去除。

由于過(guò)濾過(guò)程是濾餅不斷積累的過(guò)程，隨著濾餅的積存量的增加，流體流通的阻力也會(huì)逐步加大，當(dāng)濾餅的積存量達(dá)到一定的程度時(shí)，造成流體流通的阻力過(guò)大，過(guò)濾過(guò)程就將無(wú)法持續(xù)進(jìn)行下去。及時(shí)清除在濾網(wǎng)積存的濾餅，是維持過(guò)濾過(guò)程持續(xù)進(jìn)行的必要的措施。濾餅的去除，目前實(shí)際使用的只有反吹法和刮削法兩類。

根據(jù)實(shí)際使用需求上的差異，上述清除濾餅的方法，都有不同的適用場(chǎng)合。但以上這些方法，在操作便利性、構(gòu)造配置、設(shè)備成本、運(yùn)行費(fèi)用等方面都有進(jìn)一步改進(jìn)的余地。

2 自蓄能反吹過(guò)濾器的提出

這是一種對(duì)反吹法的改進(jìn)構(gòu)造，見圖6。此處圖示的過(guò)濾器和圖2所示的過(guò)濾器相比，在過(guò)濾器本體部分完全相同，但在原有的過(guò)濾器外部增加了一個(gè)空氣壓縮蓄能套。

圖6 自蓄能反吹過(guò)濾器Fig.6 Self-storage backflush filter

正常的過(guò)濾過(guò)程和原示的過(guò)濾器完全相同，即過(guò)濾液從閥門1進(jìn)入，在壓力的推動(dòng)下，通過(guò)濾網(wǎng)，形成濾餅，濾清液經(jīng)過(guò)過(guò)濾器本體和蓄能套之間的連通孔，從閥門2排出?？諝鈮嚎s蓄能套中的空氣是在過(guò)濾器使用前，打開閥門3及閥門4后，自然進(jìn)入的，過(guò)濾器開始工作后，即關(guān)閉此兩個(gè)閥門，使進(jìn)入的空氣封閉在過(guò)濾器的內(nèi)部。由于在過(guò)濾器使用前，閥門1必定是關(guān)閉的，設(shè)置閥門4，可以使氣體能夠迅速的充滿過(guò)濾器的內(nèi)部空間。

過(guò)濾器工作后，圖中深色的部分是被液體充滿的，補(bǔ)入的壓縮空氣積存在粉色的空間內(nèi)，此時(shí)整個(gè)過(guò)濾系統(tǒng)內(nèi)部的壓力為泵的工作壓力P1，當(dāng)然在濾餅的前后存在著壓差，其數(shù)值為推動(dòng)流體通過(guò)濾網(wǎng)和濾餅時(shí)形成的阻力。當(dāng)過(guò)濾過(guò)程進(jìn)行到一定時(shí)間后，由于濾餅的厚度加大，流體運(yùn)行阻力增加，濾餅前后的壓差增加，影響到功率過(guò)程的進(jìn)行，則需要對(duì)已形成的濾餅進(jìn)行去除。

為此，首先關(guān)閉閥門2，則系統(tǒng)的流量將降為0，離心泵的壓力將會(huì)增加到其最大的壓力P2，則整個(gè)過(guò)濾系統(tǒng)的內(nèi)部的壓力也將達(dá)到P2，即此時(shí)被封閉在封閉空間的空氣的壓力也會(huì)達(dá)到P2。

圖7為離心泵典型的特性曲線，從圖可知，對(duì)應(yīng)泵的特性，正常的工作流量應(yīng)該在90m3/h附近，對(duì)應(yīng)的工作壓力為0.2MPa，當(dāng)流量為0時(shí)，泵的壓力將為0.25MPa，即蓄能套中的氣體壓力，高于工作時(shí)，形成濾餅時(shí)的壓力，有利于濾餅的脫落。

圖7 典型離心泵特性曲線Fig.7 Typical centrifugal pump characteristic curve

然后，打開閥門3，則濾網(wǎng)內(nèi)部的壓力迅速的減為與外部的大氣壓相同，從而在濾網(wǎng)，濾層的內(nèi)外形成壓力差P2-P0，在這個(gè)壓力的驅(qū)動(dòng)下，在過(guò)濾器內(nèi)部留存的濾清液將反向從濾網(wǎng)流入濾餅一側(cè)，由于在一個(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi)部，各處的靜壓力是相等的，因此，在濾網(wǎng)兩側(cè)各處的壓力差也是相等的，濾清液的反向流動(dòng)是在整個(gè)濾網(wǎng)的各處同時(shí)發(fā)生，從而將濾餅從濾網(wǎng)上清除，并通過(guò)閥門3，排至過(guò)濾器的外部。

由于在反吹前，充分利用了離心泵的特點(diǎn)，提高了蓄能的壓力，從而提高了反吹流體的流速，提高了反吹卸料的效果。內(nèi)部?jī)?chǔ)存的壓縮空氣是可壓縮性的，因此當(dāng)濾餅從閥門3排出，并不能使系統(tǒng)內(nèi)濾網(wǎng)背面的壓力在瞬時(shí)減低為P0。在氣體膨脹的過(guò)程中，推動(dòng)過(guò)濾器內(nèi)部的液體攜帶著濾餅繼續(xù)排出，直至內(nèi)部液體排凈，壓差為0時(shí)，完成一次濾餅的清理過(guò)程。

這種過(guò)濾器的工作循環(huán)：過(guò)濾-蓄能-排渣-過(guò)濾，依次進(jìn)行，在不同的狀態(tài)下，閥門的啟閉和在狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中閥門的啟閉順序見表1。

表1 閥門開閉順序表Tab.1 Valve opening and closing sequence table

從擬定的操作程序可知，在排渣完成后，整個(gè)過(guò)濾器內(nèi)部是被空氣充滿的，重新進(jìn)入功率過(guò)程時(shí)，先關(guān)閉閥門3，在過(guò)濾器內(nèi)部即形成了一個(gè)密閉的空間，在開啟閥門2，即接通了濾清液對(duì)外的通道，此時(shí)再開啟閥門1，過(guò)濾過(guò)程即可重新進(jìn)行。

由于濾餅的排出是塌落狀態(tài)，而不是流體輸送狀態(tài)，見圖8。因此，蓄能套中壓縮空氣的作用，只是通過(guò)壓縮空氣膨脹的過(guò)程中形成的推力，將濾餅從濾網(wǎng)上脫離后，此后濾餅即可靠自重與外排流體共同排至過(guò)濾器外。因此可知，這種卸料方式，并不需要壓縮空氣具有持續(xù)的作用效果，較少的壓縮空氣需求量，可減少對(duì)需能套空間的需求。

在內(nèi)部液體完全排除時(shí)，整個(gè)過(guò)濾器內(nèi)部，即完全被空氣充滿，重新起動(dòng)過(guò)濾過(guò)程，空氣依舊可以被封閉到蓄能套內(nèi)；但如果內(nèi)部流體沒有被完全清除，即開始下一個(gè)過(guò)濾過(guò)程，則內(nèi)部存留的空氣沒有外泄，在經(jīng)過(guò)蓄能后，依舊可以完成下一次去除濾餅的操作。

依照此技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的過(guò)濾器進(jìn)行改造結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于推廣。例如，對(duì)現(xiàn)在常用的過(guò)濾器，按圖8的辦法進(jìn)行改造，將原接反向卸料動(dòng)力的接口，換接一個(gè)密閉的蓄能構(gòu)造，即可具有蓄能反吹的功能，見圖9。

圖9 現(xiàn)有過(guò)濾裝置改造示意圖Fig.9 The modification of the existing filter device

3 結(jié)束語(yǔ)

自蓄能反吹過(guò)濾器的過(guò)濾原理與卸料方式與同類反吹卸料式過(guò)濾器完全相同，但反吹卸料的動(dòng)力不再是外配的壓縮機(jī)站，而是巧妙地利用了離心泵的特性，在關(guān)閉輸出管路的同時(shí)，為蓄能套中的空氣建立起較高的壓力。

通過(guò)蓄能套內(nèi)存儲(chǔ)的壓縮空氣，完成過(guò)濾器的反吹卸料過(guò)程。通過(guò)閥門開啟的變換，即可實(shí)現(xiàn)過(guò)濾系統(tǒng)過(guò)濾過(guò)程和卸料過(guò)程的自動(dòng)操作。

增加的壓縮空氣蓄能套，完全沒有傳動(dòng)件，在簡(jiǎn)化設(shè)備配置，降低工程造價(jià)，降低運(yùn)行費(fèi)用方面具有明顯的效果。