沼液固液分离螺旋挤压设备优化设计与试验

沼液固液分离螺旋挤压设备优化设计与试验
胡肖怡
(中广核环保产业有限公司,广东深圳514000)
摘㊀要:针对国内传统螺旋挤压固液分离设备处理发酵后沼液时,存在筛网易堵塞㊁滤液含固率高㊁出料效率低等问题,改进设计了一种新型固液分离设备㊂该文首先阐述了设备的总体结构和工作原理,其次对挤压脱水系统中的挤压螺旋杆叶片㊁螺旋轴直径以及筛网结构改进优化,最后对设备样机进行了实地性能试验㊂结果表明,改进后的螺旋挤压设备能大幅度提高沼液的分离效率,挤出的沼渣含水率最低为59%,滤液含固率最低达到3%,与传统螺旋挤压机相比,具有分离效率高㊁使用稳定㊁堵塞率低等优势,满足设备日常运维及沼液资源化利用要求㊂
关键词:螺旋挤压;沼液;固液分离;优化改进;设计研究中图分类号:S232;S216.4㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A
doi :10.14031/ki.njwx.2024.02.008
Optimization Design and Experiment of Spiral Extrusion Equipment
for Solid -liquid Separation of Biogas Slurry
HU Xiaoyi
(CGN Environmental Protection Industry Co.,Ltd.,Shenzhen 514000,China)
Abstract :In view of the problems of screen blockage,high solid content of filtrate and low discharge efficiency when the traditional spiral extrusion solid -liquid separation equipment in China treats the fermented biogas slurry,a new type of solid -liquid separation equipment was improved.In this paper,the overall structure and working principle of the equip-ment are first expounded,then the extrude screw blades,spiral shaft diameter and screen structure in the extrusion and dehydration system are improved and optimized,and finally the field performance test of the equipment prototype is car-
ried out.The results show that the improved spiral extrusion equipment can greatly improve the separation efficiency of biogas slurry,the lowest moisture content of extruded biogas residue is 59%,and the lowest solid content of filtrate is
3%,compared with the traditional spiral extruder,it has the advantages of high separation efficiency,stable use and low
blockage rate,and meets the requirements of daily operation and maintenance of equipment and resource utilization of biogas slurry.
Keywords :spiral extrusion;biogas slurry;solid -liquid separation;optimization and improvement;design research 作者简介:胡肖怡(1993 ),女,山西运城人,硕士,工程师,
研究方向为生物质资源化利用㊂
0㊀引言
采用沼气工程处理畜禽养殖粪污是一种实现有机废弃物无害化㊁减量化㊁资源化的工艺技术,湿式厌氧发酵是目前沼气工程的主流工艺之一[1]㊂湿式厌氧发酵产生的发酵液所含固体量在5%~10%,发酵液中的沼渣一般用于好氧堆肥前,需要对沼渣预先脱水,以节省储存占地㊁提高生产效率,固液分离作为沼液沼渣后处理利用的重要环节,研究与优化固液分离机技术具有极其重要的现实意义[2]㊂
目前,常用于沼气工程固液分离的螺旋挤压固
液分离机在畜禽粪便固液分离行业工艺成熟㊁应用广泛,但仍不能满足发酵两相分离的生产要求[3]㊂
主要是由于沼液物料黏度大㊁含固率高,因而传统设备在工程应用中存在分离效率低㊁筛网经常堵塞
等问题,而且挤压后的滤液含固率高,不利于沼液回流或滴罐还田等后续资源利用[4-5]㊂因此,对应用于生物质发酵沼液工程的螺旋挤压固液分离机,还需根据沼液性质进一步优化改进㊂
1㊀总体结构和工作原理
1.1㊀总体结构
如图1所示,螺旋挤压固液分离机,由传动系统和挤压脱水系统两部分组成,传动系统由带变频器的驱动电机和减速器(含联轴器)组成,挤压脱水系统由进料仓㊁挤压螺旋杆㊁过滤料筒㊁安装在过滤料筒上的出液口和出料口等组成㊂1.2㊀工作原理
进料泵将发酵液泵入螺旋挤压固液分离机入口,经电机驱动挤压螺旋杆,在挤压螺旋杆的挤压作用下被推向出料口处,受螺旋叶片挤压推力㊁出料口阻力及筛网摩擦力等综合作用,沼液中的水分从侧壁筛网被挤出,并从底部出液口排出,固体被
截在筛网内部,停留在筛网上,脱水后的固体被螺旋挤压杆推送到后部出料口排出,从而达到通过螺旋挤压实现沼液固液分离的目的
㊂
1.电机;
2.驱动装置;
3.减速器;
4.进料仓;
5.挤压螺旋杆;
6.过滤料筒;
7.出料口;
8.出液口;
9.机架
图1㊀新型螺旋挤压固液分离机结构示意图
2㊀拟研究关键问题及主要部件参数设计
2.1㊀拟研究的关键问题
1)改进后螺旋挤压设备的结构及运动参数研究(螺旋结构形式㊁螺旋叶片直径㊁螺旋轴直径㊁螺旋叶片间距㊁螺旋升角),螺旋挤压机参数预设,如表1所示;
2)筛网适应性研究(筛形㊁筛缝尺寸㊁孔隙率);3)改进后设备处理发酵后沼液的试验验证效果㊂
2.2㊀挤压螺旋杆设计2.2.1㊀挤压螺旋杆选型
挤压螺旋杆是输送和挤压发酵液的核心部件,
表1㊀螺旋挤压机系统参数预设
预设项目总功率/kW
主轴转速/(r㊃min -1)
处理能力/(t㊃h -1)
沼渣含水率/%
沼液含固率/%
参数值
4.5
20~30
10
ɤ70
ɤ5
螺旋性能的好坏直接决定该机的处理效率和工作能耗㊂市面上常见的螺旋挤压设备选用的螺旋多为单头连续螺旋㊂单头螺旋处理黏度大的沼液容易形成流动死区,发生堵塞,工作性能差,出料含水率高等问题,无法满足实际工作需要㊂区别于传统的单头连续螺旋设计,本研究采用双头连续等距螺旋结构(图2),双头螺旋能有效减少流动死区,实现均匀送料㊂双头连续螺旋杆为1982年美国Liquid extraction systems 公司研制的新型螺旋压榨机所用部件,该部件在东南亚造纸公司的试用效果良好㊂经试验,进浆浓度在0.5%~8%之间变化,无需改变结构,就可解决普通螺旋挤压机经常出现的堵塞问题[6]㊂本设计采用双头连续等距螺旋结构的主要特点是螺旋片体积小,推进平稳,大量脱水阶段不进行挤压,根据不同进料浓度,可调整其推进速度
㊂
图2㊀双头连续等距螺旋结构示意图
2.2.2㊀挤压螺旋杆关键参数设计
1)螺旋叶片直径设计
参照一般螺旋输送器设计理论,螺旋叶片直径D 是决定螺旋挤压固液分离机分离效率及结构尺寸
的重要参数,螺旋轴直径大,则单位时间内挤压螺旋杆的输送量就增加,螺旋轴直径小,其挤压螺旋杆的输送量就减少,通常可用公式进行初步计算㊂根据一般螺旋输送器设计理论[7-8],挤压螺旋叶片直径计算公式为
D =K ˑ
2.5
Q
ΦγC
(1)
式中㊀D 螺旋叶片直径,m;
Q 物料处理量,t /h;
γ 物料堆积比重(600~1000),kg /m 3;Φ 粪料在水平输送时,在输送机内的填充系数(0.35~0.40);
C 倾角系数,水平时,取C =1.0;
K 综合特性的经验系数,取0.0415[7]㊂将Q =10t /h㊁γ=800kg /m 3和Φ=0.35代入式(1)中,得D =179mm,本设计螺旋叶片直径取D =200mm㊂
2)螺旋轴直径设计
根据参考资料[7],挤压螺旋轴的直径d 按公式
d =(0.2~0.35)D (2)
式中㊀D 螺旋叶片直径,m㊂
经优化试验,本设计计算公式中系数取0.35,计算得螺旋轴直径d =70mm㊂
3)螺旋叶片间距设计
螺旋叶片间距是挤压螺旋杆设计的另一重要结构参数,根据参考资料[7],螺旋叶片间距s 按以下
公式计算
s =λD (3)
式中㊀λ 节距与直径的比值,和物料的性质有关,
取值0.3~0.7,本设计取0.4㊂计算得s =80mm㊂4)螺旋升角设计
螺旋轴直径一定时,螺旋叶片间距与螺旋升角成反比关系,螺旋升角较大时,轴向分力F x 增加,纵向分力F y 减小,能够更好地促进物料的推进及压缩㊂两者关系如图3所示
㊂
图3㊀螺旋叶片间距和螺旋升角的关系示意图
根据参考资料[7],在螺旋轴直径一定时,确定
螺旋叶片间距的参数,即确定螺旋升角β的大小,两者的关系式为
tan β=
βπD
(4)
式中㊀D 螺旋叶片直径,m;
S 螺距,m㊂
将各参数带入公式(4),计算得β=9.1ʎ㊂
2.3㊀筛网设计
2.3.1㊀筛网选型
螺旋挤压固液分离机普遍使用条状楔形筛,条状楔形筛可由彼此平行的楔形不锈钢钢条焊接而成,筛缝尺寸通常为0.3,0.5,0.75mm,因受焊接精度和焊接成本影响,筛网的筛缝尺寸难以降低,所以过滤后的滤液中悬浮物过多,难以达到沼液回流和后续沼液还田的要求[8]㊂
本设计采用不锈钢烧结滤筒取代条状楔形筛网,外观对比如图4所示㊂不锈钢烧结滤筒孔径为
100μm 或50μm,为条状楔形筛网最小筛缝尺寸的1/6㊂目前,沼气工程发酵沼液所用传统条状楔形筛筛缝尺寸为0.75mm,孔隙率约为56%,而不锈钢烧结滤筒的孔隙率远大于条状楔形筛网,可达70%以上,既能实现更高的过滤精度,又能降低滤清液悬浮物的比例,还能保障处理通量和处理效率
㊂
图4㊀条状楔形筛网和不锈钢烧结滤筒实物对比图
2.3.2㊀挤压螺旋杆叶片与筛网的间隙设计
螺旋挤压固液分离机设计的一个关键要素是挤压螺旋杆叶片与筛网的间隙,对于沼液黏度较高的物料,挤压螺旋杆叶片与筛网的间隙是能否分离成功的关键,挤压螺旋杆叶片与筛网之间的间隙越小,脱水效果越好,然而过小的间隙容易导致筛网堵塞,增加清理难度[9]㊂传统螺旋挤压固液分离机条状楔形筛网与挤压螺旋杆叶片间隙大于1mm,考虑到本设计采用不锈钢烧结滤筒,其表面比条状楔形筛网平整㊂经试验,本设计挤压螺旋杆叶片与筛网之间间隙选用0.5mm 时,分离后滤液含固率较低,且筛孔堵塞情况较少㊂
3㊀螺旋挤压固液分离设备试验验证
3.1㊀试验基本条件
改进后的螺旋挤压固液分离机性能测试试验,在山东省阳信市生物天然气项目实地展开,试验所用原料为牛粪与秸秆混合厌氧发酵罐内沼液,取自项目厌氧发酵罐,其中测得原料总固体含量约为7.7%,粗纤维和细长纤维物质较多㊂3.2㊀结果分析
本次试验对改进后的螺旋挤压固液分离机进行为期3个月的运行试验,以同型号未改进设备为对照组,每隔7d 取同物料分离后的滤渣和滤液,分别测其沼渣含水率和滤液含固率,改进后设备与未改进设备数据进行统计对比㊂
3.2.1㊀沼渣含水率变化本次研究以设备稳定运行之日起为研究起点
(第0天),两种设备的沼渣含水率变化如图5所示,未改进设备试验期内沼渣含水率范围在64%~73%,改进后设备沼渣含水率较对照组降低明显,整体沼渣含水率保持在65%以下,在第43天达到最低(59%),最大提升率在40d 左右,达到了16.4%㊂数据表明,相同进料条件下,改进后的螺旋挤压固液分离设备更能适应沼液处理,有利于提高分离效率
㊂
图5㊀沼渣含水率变化对比
3.2.2㊀滤液含固率变化
滤液含固率变化关系到沼液还田㊁液体肥品质等后续资源利用㊂研究表明,较低的滤液含固率可有效缓解筛网堵塞,降低清洗频次,是评价固液有效分离的重要指标[10]㊂为清晰对比两种设备相同时间内的滤液质量,分别统计滤液含固率变化趋势,如图6所示㊂未改进设备试验期内,滤液含固率变化范围在6%~7%,改进后设备滤液含固率则明显降低,滤液含固率保持在3%~5%范围内,并在20d 左右提升率达到50%以上㊂数据表明,相同进料条件下,改进后的螺旋挤压固液分离设备滤液含固率进一步降低,有利于筛网清洁,进而提升出料速度㊂
4㊀结论
1)本研究在传统螺旋挤压固液分离机基础上对挤压脱水系统中的挤压螺旋杆叶片㊁螺旋轴直径以及筛网结构等关键部件进行改进,设计其挤压螺旋杆叶片直径为200mm,螺旋轴直径为70mm,螺旋叶片间距为80mm,螺旋升角为9.1ʎ,挤压螺旋杆叶片与不锈钢烧结滤筒筛网之间间隙为0.5mm㊂该设计解决了固液分离设备分离效率低㊁
滤液含固
图6㊀滤液含固率变化对比
率高㊁筛网易堵塞等问题,满足实际生产要求㊂
2)经实地试验,相同工况下,改进后设备的沼渣含水率和滤液含固率较未改进设备明显降低,单位时间内可分离更多干物质,减少筛网清洗频次,降低了沼渣㊁沼液的后续处理利用难度,为生物质发酵工程的固液分离过程提供了更有效的解决思路㊂
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