煤用压滤机及滤板和滤布的选择

朱 谦 徐志强

（1.德国连恩舍过滤有限公司上海代表处，上海市杨浦区，200082；2.中国矿业大学 （北京）化工和环境工程学院，北京市海淀区，100083）

随着我国选煤技术的飞速发展，选煤厂厂型越来越大、分选效率不断提高、细粒级煤炭量增加、煤质变差以及煤泥增多等问题也随之而来，这就对煤泥水处理系统的把关设备——压滤机提出了更高要求。从20世纪末开始，厢式压滤机因为其可靠的性能开始代替加压过滤机，成为了煤泥脱水的主力设备。从2002 年起，隔膜压滤机又因产能大、高效率、经济实用、性价比高以及更优越的脱水效率进入了选煤行业。2005 年后，由于要求商品煤水分小于9%，使得隔膜压滤机迅速在选煤行业内应用，并极大地推动了压滤机的改进和更新，涌现出一批以快开式压滤机和2.5 m 大型滤板为代表的新型高效压滤机。

本文就煤用压滤机的基本要求和特征以及目前选煤行业在压滤机应用方面的关注点和发展趋势，结合压滤机滤板和滤布的选择因素进行了综合阐述。

1 煤用压滤机的基本要求和特征

（1）设备大型化。采用大型滤板和短配置不仅可以减少占地，同时由于滤板组件变短导致压差传递次数减少，压差容易被阻断，在增加处理量的同时还可以减少因成饼不均匀所产生的危险压差。快开式压滤机在滤板组件中间增加了金属驱动板，可彻底阻断压差的传递，延长滤板和整个压滤机的寿命。

（2）运行快速化。要求压滤机入料快、排液快、卸饼快以及更换滤布快，这就有利于大型压滤机采用多端口入料、明暗流同时排液、过滤面设计优化、缩短隔膜挤压技术的过滤周期以及带入料靴的板布分离结构等措施的实现。而对于特大型的压滤机，采用高位槽入料法更为合适。在过滤初期，选用高位自流的方法向压滤机无障碍入料，实现快速过滤，无需进料泵可以大大节省能耗；过滤后期则采用小流量高压泵，可降低成本。

（3）系统可靠性。在使用压滤机时，除了要求液压系统、拉板系统、洗布系统和集液翻板系统等可靠之外，及时知道滤布的损坏情况和发现损坏滤布的确切位置对整个工艺的稳定运行也是非常重要的。将德国连恩舍过滤有限公司发明的三通取样阀应用到压滤机中，可以在不影响工艺流程的情况下，精确发现损坏滤布的确切位置，避免滤布损坏带来的一系列问题。

2 煤用压滤机及滤板选择

2.1 厢式压滤机

厢式压滤机主要依靠入料泵提供的液压驱动力进行脱水，悬浮液泵入压滤机后，首先在滤腔两侧的滤布表面形成滤饼，然后不断向滤腔中间增厚。连续液相的存在是保持液压驱动力的前提，所以滤饼中心始终存在一个浓度高于入料浓度、并以液体为连续相的固液混合体，俗称 “囊心”。“囊心”的大小与煤泥的性质 （如颗粒大小、灰分、泥化程度等）有着很大的关系。“囊心”的存在会影响滤饼的水分，并阻碍卸饼。对于相同的煤泥，采用高压入料可减小 “囊心”的存在，然而提高入料的压力在很大程度上会导致危险压差的出现。

现有两个途径可以减少危险压差出现的几率，一是通过增加滤板基板的厚度，二是通过增加滤板支撑凸台的数量或直径。选择压力时，通常要考虑滤板的承压，目前滤板的压力等级分为0.8 MPa、1.6MPa和更高压力3个额定压力档次。这些等级均是在常温下进行分类定义的，忽略了温度对滤板承压能力的影响，1.6 MPa额定压力下箱式滤板温度和过滤／水洗压力曲线见图1。

图1 1.6 MPa额定压力下箱式滤板温度和过滤／水洗压力曲线

由图1可以看出，在固定滤板支撑凸台数量的情况下，随着温度的升高，其抵抗危险压差的能力下降，这是因为滤板材料 （聚丙烯）随着温度升高会变软，流动性增强，刚性下降。因此，选择压滤机和滤板时，需综合考虑其耐压范围和操作温度，单方面考虑耐压或耐温能力是不恰当的。一般均聚级聚丙烯滤板的工作温度在15 ℃～100 ℃之间，当滤板工作温度处于15 ℃以下时，必须将材料变更为共聚级聚丙烯，以克服低温时聚丙烯玻璃化而使滤板变脆等缺点。

2.2 隔膜压滤机

与厢式压滤机的区别在于隔膜压滤机中滤板有2个可前后移动的过滤面 （隔膜），当过滤工序完成后，在隔膜与基板之间形成的挤压腔中，通入挤压介质 （如压缩空气或液体），可对滤饼进行二次挤压，使得 “囊心”在二次挤压的作用下均匀脱水，形成含水率更低和更加均匀的滤饼。由于隔膜滤板挤压的压力与相邻的隔膜滤板的工作压力相等，二者压力可以相互抵消，所以隔膜滤板即使在更高的二次挤压作用下对滤饼进行深度脱水时也不会形成压差，不会造成滤板的基板变形。

一般情况下，隔膜滤板的挤压介质采用压缩空气或不可压缩液体 （例如水）。当挤压压力低于0.8 MPa时，选用压缩空气较多，主要原因是由于0.8 MPa的空压机价格相对低廉，选择余地大，而且压缩空气单元的控制系统简单且成本较低；当挤压压力大于1.6MPa，使用压缩空气作为挤压介质的安全隐患较大，为了安全考虑，不可压缩液体成为首选。但是使用不可压缩流体作为挤压介质时也有一个缺点，特别是在高压挤压完成前，由于滤饼的压缩性近乎消失，挤压压力会迅速升高，为了控制压力，设计的压榨单元较为复杂，成本较高。

与厢式滤板类似，隔膜滤板的强度和刚性也会受到温度的影响，所能承受的过滤／水洗压力以及挤压压力也因此受到影响，0.8 MPa额定压力下隔膜滤板的温度和过滤／水洗压力关系曲线以及温度和挤压压力的关系曲线如图2和3所示。但由于隔膜挤压压力不产生压差，所以在同等温度下，挤压压力比过滤／水洗压力大很多。

图2 0.8 MPa额定压力下隔膜滤板的温度和过滤／水洗压力关系曲线

图3 0.8 MPa额定压力下隔膜滤板的温度和挤压压力的关系曲线

此外，隔膜挤压压力的升高速率与温度也有明显的关系，0.8 MPa额定压力下隔膜挤压压力的升高速率与温度的关系曲线见图4。这是由于低温时滤板材料脆性比较大，材料响应时间长，挤压压力升高不能太快。当温度高了以后，滤板材料强度减弱，也不宜升压太快，但由于高温时隔膜材料变软，升压速率可以比低温时高。

综合考虑压力与温度是正确使用高分子材料滤板的必要条件。为了节约设备投资成本，目前全球普遍采用厢式滤板和隔膜滤板相间排列的组合方式，称之为 “混合组件”。混合组件对滤饼施加的压力与纯隔膜滤板配置一样，但隔膜的位移比纯隔膜滤板配置增加了一倍，会影响部分隔膜滤板的寿命。

图4 0.8 MPa额定压力下隔膜挤压压力的升高速率与温度的关系曲线

2.3 干燥压滤机

随着对滤饼含水率的要求越来越低，仅靠提高隔膜挤压压力这种机械脱水方法已经很难达到要求，此时干燥压滤机应运而生。干燥压滤机是将隔膜压滤机和热力干燥合二为一的一种设备，某些情况下可以将滤饼水分脱至1%以下，其系统结构见图5。

由图5 可见，干燥压滤机由机架、干燥滤板（混合组件）、加热系统以及真空冷凝等系统组成。干燥滤板组中的隔膜滤板不作任何改变，而其中厢式滤板的材料换成了导热系数更高的金属材料。由于聚丙烯隔膜滤板的最大工作温度为100℃，为了提高干燥的温差驱动力，通常采用真空泵将过滤腔室抽至-10～-20kPa的真空状态，降低滤液的沸点。同时采用加热系统循环加热水至80 ℃～95℃，并从下端将水泵入干燥滤板，带盘形的热水流道的干燥滤板见图6，以保证干燥板处于较高的传热温度，并采用热力学的方法降低滤饼水分。在干燥阶段，必须保持隔膜处于挤压状态，保证滤饼始终完全紧贴干燥滤板，没有空气缝隙，保证传热效率。如果隔膜没有对滤饼进行挤压，就会随着不断脱水而收缩变薄，滤饼则有可能与干燥滤板脱离，导致滤饼处于悬空状态，干燥并不充分。所以干燥时，压滤机必须处于挤压、加热、真空三者同时工作的状态见图7。

压滤机干燥可分为两个阶段：

（1）热间歇泉阶段。热间歇泉阶段是热力学和机械脱水的过渡阶段，在正常机械脱水后的滤饼中含有许多毛细管，当紧贴干燥滤板一侧的滤饼被加热时，该侧毛细管中的液体会随着温度的升高汽化形成气泡，当气泡中的压力大于毛细管压力时，气泡犹如柱塞一般可将毛细管中其余液体顶出毛细管，类似于热间歇泉的自然现象，形成气／液两相瞬间喷发。与蒸发干燥消耗的热能相比，压滤机干燥仅在汽化一侧滤饼毛细管中的水分时消耗热能，而大部分水分无需汽化就会被脱除，因此能耗显著减小。在利用热间歇泉阶段脱水时，需注意滤饼可以达到水分，这是干燥／脱水的经济点，可以达到此点能耗小、效率高。物料不同经济点也不同，精煤大约在14%左右。

图5 干燥压滤机系统结构

图6 带盘形的热水流道的干燥滤板

（2）真空热传导干燥。在-20kPa真空度时，水的沸点约为60 ℃，此时若能将干燥滤板的温度控制在95 ℃左右，那么可以产生约35 ℃的温差驱动对滤饼进行接触干燥。温差越大效果越好，但受到滤板材料以及滤板耐化学腐蚀性能的限制。提高干燥滤板材料的导热系数是提高热传导干燥效率的一个途径，但干燥滤板的选择也需根据化学性能要求进行综合评估。在真空环境下干燥效率高于常压条件，但要维持高真空度，对设备也提出了更高的要求。目前世界上干燥滤板的形式多种多样，材料以金属（不锈钢、铝）和高分子材质（聚丙烯）为主，形式上有平板型和厢式板型，功能上也从单一干燥功能向干燥和过滤多功能转换。此外，为了提高热效率，很多金属干燥板安装在聚丙烯的框架内，这种做法不仅保证隔热效果，同时解决了不同材料由于热膨胀系数不同而产生的滤板变形的问题。

图7 干燥滤饼处于挤压、加热、真空的工作状态图

2.4 滤板与压滤机的压紧力

当滤板组件在压滤机中压紧时，塑料的滤板及滤布会被压缩，并且操作温度的变化也会造成滤板及滤布材料的热膨胀和冷收缩。由于有很大的伸缩量，所以压紧力在长度方向上应有伸缩的补偿功能，这个伸缩补偿功能主要由压滤机的压紧装置来完成。压滤机的压紧装置所产生的压力不仅要抵消过滤压力和挤压压力，而且还必须保证过滤腔室的密封性，所以在压滤机工作时，必须保证有一个有效的最小压紧力Fmin，同时为了防止滤板的永久变形和机架的过载损坏，根据操作压力和温度的不同，必须将压紧力限制在最大压紧力Fmax以下。压滤机的操作压紧力必须介于Fmin和Fmax之间。压紧力太小，会导致板间漏液，物料挤出，而极端情况下会导致设备损坏，还有可能影响人身安全。

在常温下操作压力不大于1.6 MPa时，最小压紧力Fmin和最大压紧力Fmax见式 （1）和式 （2）：

式中：AF——滤板过滤面积，m2；

AG——滤板面积，m2；

P——操作压力，Pa；

S——安全系数，1.3。

当压滤机的操作压力高于1.6 MPa时，压紧力则必须随着工作压力的提高而逐级提高，减压时则逐级递减，以免损坏设备。

3 滤布的选择

从材质上讲，聚丙烯的使用范围最广，耐酸碱性优良，而且在市场上作为可选的透气率范围也最广；尼龙滤布有更好的耐磨蚀性能，所以在煤泥和精煤过滤中，一般尼龙布作为首选；涤纶布则能在150 ℃的温度下工作，当然PEEK 的耐温性更好，可以达到200 ℃。一般情况下精煤过滤的滤布透气率在600～700L／m2·s，而原生煤泥则选用透气率在250～400L／m2·s的单丝尼龙滤布。在滤布背面安装大透气率的底布，可延长滤布的寿命10%～25%。对滤布做砑光处理可以减小其与滤饼的实际接触面积，从而降低滤饼在滤布上的附着力，有利于自动卸饼，同时砑光处理还可以将滤布的透气率向下做一些调整。然而尽管过度的砑光处理可以使滤布的表面更加光滑，但对滤布的强度和寿命明显有害。

4 结语

压滤机作为煤泥水处理系统的把关设备，必须具有设备大型化、运行快速化和系统稳定可靠等基本特征。随着对泥饼含水率越来越低的要求，对煤用压滤机的要求也逐步提高，干燥压滤机应运而生并逐渐在煤泥脱水中推广应用。滤板是压滤机的核心部件，过滤中起到非常重要的作用，因此选择滤板时，一定要综合考虑温度和压力的影响。正确的压紧力是保证压滤机系统正常工作和使用寿命的一个前提，尼龙单丝滤布是煤矿用压滤机的首选。

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