机织过滤布在工业固液分离领域的应用

关 伟

烟台同兴过滤科技有限公司,山东 烟台 265500

随着工业化与科技的不断发展,固液分离技术在诸多领域的关键地位愈发显现。固液分离设备在燃煤发电、冶金、煤炭、化工、环保等行业得以广泛应用。作为固液分离设备的核心部件,机织过滤布对过滤效果起着决定性作用。因此,深入研究过滤布的性能与应用情况,对正确选择和使用工业固液分离设备具有重要意义。

在国家对“经济、高效、环保”要求日益提升的背景下,机织过滤布产业受到极大的推动,未来发展前景更加广阔。根据中国产业用纺织品行业协会统计,2021年过滤与分离用纺织品纤维加工量达170.3万t。随着全球环境保护意识的增强,机织过滤布将具有更大的应用潜力和市场前景。机织过滤布的发展将促进其他行业的进步,并对环境保护产生积极影响,这不仅具有重要的社会价值,同时也带来巨大的商业机遇。因机织过滤布的加工和制造成本相对较低,其已成为液体过滤领域理想的材料之一。本文将着重介绍机织过滤布的分类与制备技术,以及工业领域采用机织过滤布的固液分离设备,并阐述机织过滤布的选型原则与维护保养措施,以期为该领域进一步的研究和开发提供有价值的借鉴。

1 机织过滤布的分类与制备

1.1 机织过滤布的类型和特点

1.1.1 按原料材质分类

在工业固液分离领域,由于工况条件复杂,产品要求具有一定的力学性能、热稳定性及耐酸碱等化学性能,因此机织过滤布采用的原料多为化学性能较好的合成纤维。其中,聚酯、聚丙烯和聚酰胺纤维的应用最广泛。机织过滤布常用原料的主要性能如表1所示。

表1 机织过滤布常用原料的主要性能

(1)聚酯过滤布。聚酯过滤布的特点是抗拉强度高,断裂伸长率低,干湿强度基本相等。对聚酯过滤布进行轧光、热定型等表面处理,可赋予聚酯过滤布特殊的性能和用途。聚酯过滤布耐热性和耐酸性好,但耐碱性较差。其因优良的耐酸性和优异的耐高温性能(可达150 ℃)而被越来越多的固液分离设备制造商和用户所接受[1],广泛用于化工、化肥、制药、制糖、油水分离、食品饮料等行业。

(2)聚丙烯过滤布。聚丙烯纤维是最轻质的化学纤维之一,其密度仅为0.91 g/cm3。聚丙烯过滤布具有质地轻、密度小等特点,在同等质量条件下,聚丙烯过滤布具有更大的覆盖面积。聚丙烯过滤布还具有出色的耐腐蚀性,几乎不会受到弱酸或强碱的侵蚀,但是它的耐热性略差,最高使用温度通常不超过80 ℃。因表面平整、易于清洗,聚丙烯过滤布已成为液体过滤领域普遍使用的过滤布。因优异的滤饼释放性和对大多数酸、碱的良好耐受性,聚丙烯过滤布被广泛应用于矿山、冶金和废水处理等领域。

(3)聚酰胺过滤布。目前常用的过滤布中,聚酰胺过滤布的抗摩擦性最好,且具有高抗拉性强度和良好的弹性,非常适合连续弯曲的工况,因此广泛应用于皮带机和立式压滤机等设备中。聚酰胺过滤布的工作温度稳定在120 ℃。其湿强为干强的80%～90%,这会影响过滤布的尺寸稳定性。聚酰胺的耐酸性较差,但耐碱性及其他化学性能良好[2]。聚酰胺过滤布表面光滑且具有吸湿性,因此便于进行卸饼操作,常用于采矿、冶金、废水处理等领域。

因化学性能良好的合成纤维的问世,工业用棉花过滤布已不多见。

1.1.2 按经纬纱结构分类

按经纬纱结构分,常见的机织过滤布可分为单丝过滤布、复丝过滤布、单复丝过滤布及复单丝过滤布。

(1)单丝过滤布。经纬线都采用单丝编织而成的滤布称为单丝过滤布。单丝过滤布的眼孔不容易堵塞,滤饼也容易剥离,适用于需要获取滤饼的场合。这种滤布广泛应用于真空带式过滤机,具有过滤速度快、耐磨性好和使用寿命长的特点。

(2)复丝过滤布。经纬线均采用复丝编织而成的滤布称为复丝过滤布。复丝过滤布能够捕捉细小粒子,适用于真空过滤机、立式压滤机、圆盘过滤机、板框过滤机和离心机。复丝过滤布具有截留精度高、经纬向抗拉强度好的特点,但其眼孔容易堵塞,滤饼也不容易剥离。

(3)单复丝过滤布。经纱采用单丝,纬纱采用复丝或混合使用单复丝编织而成的滤布称为单复丝过滤布。单复丝过滤布适用于真空带式过滤机、板框过滤机,具有透气性好、透水性较好和强力高的特点。用其过滤后所得滤液的澄清度介于单丝过滤布和复丝过滤布之间。

(4)复单丝过滤布。经纱采用复丝,纬纱采用单丝或混合使用单复丝编织而成的滤布称为复单丝过滤布。复单丝过滤布适用于真空带式过滤机、立式压滤机、板框过滤机和圆盘过滤机。用其过滤后所得滤液的澄清度介于单复丝过滤布和复丝过滤布之间。相对于复丝过滤布,复单丝过滤布的眼孔不容易堵塞,纬向硬挺性好,不易折皱,运行稳定。

1.2 机织过滤布制备工艺流程

单丝过滤布与单复丝过滤布的生产工艺流程基本相同。常见的机织过滤布制备工艺流程如表2所示。

表2 机织过滤布制备工艺流程

复丝过滤布和复单丝过滤布的生产工艺流程与单丝过滤布和单复丝过滤布的相似,需重点关注下述工序。

(1)捻线。捻线分为初捻和复捻,也有使用一步法工艺。所有复丝产品均需经过捻线工序,以实现织物特殊的效果。

(2)热定型。热辊定型机通常用于单丝和单复丝产品的热定型,而复丝和复单丝产品则更多的是采用烘箱定型机。也有少部分企业所有滤布产品均在热辊定型机上加工。

(3)轧光。轧光工序为非必要工序,可根据加工产品的类别选用。表面轧光处理对单丝过滤布的影响最显著[3]。

(4)接头制作。接头形式一般以钢扣连接为主,也有插接、软连接和焊接等形式。

2 机织过滤布在常见固液分离设备中的应用

在一定压力下,液体穿过过滤布从滤液孔中分离出来的过程称为固液分离。固液分离的原理如图1所示。液体穿过机织过滤布表面孔隙,而固体颗粒被截留在过滤布表面或内部,从而实现固液分离[4]。

1—过滤介质; 2—滤饼; 3—悬浮液; 4—滤液; 5—澄清液。

固液分离设备是过滤过程的基础。目前,以机织过滤布为过滤介质的常见固液分离设备主要有真空皮带脱水机、板框式压滤机、滤布圆盘过滤机等。

2.1 真空皮带脱水机

真空皮带脱水机是一种利用负压作为过滤推动力的固液分离设备,其结构如图2所示。布料器在过滤布上均匀布设物料,受真空作用,物料中的液体会穿过机织过滤布上表面,再通过胶带上的横沟槽,汇集到积液孔中并进入真空盒内,而物料中的固体颗粒则被截留在机织过滤布表面,形成滤饼[5]。

图2 真空皮带脱水机

真空皮带脱水机广泛应用于冶金、矿山、化工、造纸、食品、制药及环保等工业领域的固液分离,尤其在湿法烟气脱硫(FGD)中的石膏脱水方面,有着很好的应用。

真空皮带脱水机设备的优势:

(1)过滤效率高,生产能力(每小时过滤的物料质量)比其他真空过滤机高2～10倍[6],应用范围广;

(2)设备反冲洗效果好,过滤布不易堵塞,使用寿命长[7];

(3)操作简单、运行平稳。

真空皮带脱水机对机织过滤布有下述要求。

(1)材料方面:过滤布通常采用聚酯纤维或聚丙烯纤维制成,必须符合相应的材料标准。此外,这些材料还需经过一系列的性能测试,常按照GB/T 6505—2017《化学纤维 长丝热收缩率试验方法(处理后)》等进行测试表征。

(2)纤维尺寸方面:为保证使用效果,过滤布必须符合相应的标准,如达到FZ/T 64015—2009《机织过滤布》等标准的规定。

(3)空气渗透度方面:过滤布的空气渗透度用于表征规定时间内空气通过单位面积过滤布的能力。过滤布的空气渗透度也必须符合相应的标准,如达到GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》等标准的规定。

2.2 立式板框压滤机

立式板框压滤机是一种高效、环保、节能的固液分离设备,其结构如图3所示。立式板框压滤机首先通过泵将待处理物料推送至每个过滤室中。然后,通过加压设备对过滤室进行压缩,使得物料中的悬浮液通过机织过滤布快速滤出,实现高效的固液分离。该设备还具有优异的滤饼洗涤功能。

图3 立式板框压滤机

立式板框压滤机广泛应用于冶金、矿业、化学、造纸、食品、制药和环境保护等各个领域。其中,一体式非金属板层压滤机近年来在锂电行业的应用非常广泛。

立式板框压滤机的优势:

(1)实现了自动进料控制、快速卸料、在线洗布等功能,工作效率高,能耗低[8];

(2)在黏稠物质、细小颗粒处理方面,以及滤饼含水率要求较低的工况下,效果显著;

(3)结构紧凑,占地面积小,使用压力高,工作效率高[9]223-224。

立式板框压滤机对机织过滤布的要求:为了满足高强度、耐磨损、耐高温的工况要求,过滤布必须具有良好的抗拉性能和抗倾斜能力,而且在长时间的挤压过程中,还需具有良好的再生能力,即在被物料污染后,过滤布能够通过清洗或其他方式恢复原有过滤性能的能力。在提高过滤布再生能力方面,可通过轧光或高温定型等技术,便于过滤布在使用过程中的卸料操作。

2.3 卧式板框压滤机

卧式板框压滤机如图4所示,滤板与框交错排列,滤板两侧覆盖以机织过滤布。输送泵将液体输送到过滤布处,通过压紧装置压紧板与框,形成压滤室,由过滤布实现固液分离。

图4 卧式板框压滤机

卧式板框压滤机的应用范围广泛,包括矿物开采原浆脱水、尾矿物料净化等各种不同的应用。其中,针对超细煤的卧式板框压滤机技术,被广泛应用于选煤场对煤泥水进行脱水和滤液回收,以达到商品煤低水分的要求。

卧式板框压滤机的优势:

(1)滤液流速快、流程短,过滤速度快[10],固体回收率可达99%,滤饼中的水分可以被有效控制在15%～20%。

(2)结构较简单,操作容易,过滤面积选择范围灵活,单位过滤面积占地面积较小[11]。

(3)设备采购成本较低,运行及维护成本相对较低,大型设备优势更明显。

卧式板框压滤机对机织过滤布的要求:耐酸、耐碱,强度高,断裂伸长率高,透气性和耐磨性好,易于卸料。总体而言,该设备对机织过滤布的要求很高,需要其满足各种工况下的稳定性、高效性,以满足多元化的工业需求。

2.4 滤布圆盘过滤机

滤布圆盘过滤机(图5)类似于筛网过滤机,不同之处在于滤芯由像扑克牌一样堆叠在一起的滤布圆盘组成。液体通过中间的小凹槽,滤饼被截留在其后。过滤质量取决于通道的几何形状和大小,以及交叉点的数量。滤布圆盘过滤机的基本过滤元件是机织物过滤布。液体流入过滤段内部空间,经过过滤布时,细小的杂质被截留在过滤布上。过滤段固定在圆盘轴上,12个盘片组成1个圆盘,每个圆盘提供一定的过滤面积,因此圆盘的数量决定了总过滤面积,直接影响过滤机的处理能力。

图5 滤布圆盘过滤机

滤布圆盘过滤机专为过滤大量的废水而设计,其滤饼含水率低,适用于废水处理厂、养鱼场、食品和造纸工业的水过滤,以及发电厂冷却水的循环利用。在某些情况下,滤布圆盘过滤机可用于从加工水中回收有价值的物质。

滤布圆盘过滤机的优势:

(1)过滤流量大,可达500 L/s;

(2)占地面积小,处理能力强,运行成本低,可靠性强[12];

(3)操作方便、洁净度高。

滤布圆盘过滤机对机织过滤布的要求:

(1)表面不宜过于粗糙,因为过于粗糙影响卸料,进而影响生产效率;

(2)不能因高温而硬化紧缩;

(3)不能与酸、碱或有机溶剂发生化学反应。

3 机织过滤布选用原则和维护保养

3.1 机织过滤布选型原则

过滤布是否合适直接影响设备的过滤效果[13]。为选择适合的机织过滤布,需详细了解固液分离生产过程中的物料种类、分离目的、生产能力等参数指标。然而,不同指标之间存在显著差异,因此选择优质适用的机织过滤布相当困难。在实践中,通常需要在各种因素之间权衡取舍。

(1)为选择合适的机织过滤布材料,需考虑物料的物理、化学特性,包括物料温度、酸碱性、氧化性、物料固液比、黏度、粒径分布等。

(2)机织过滤布还需要具有一定的柔软性和耐磨性,良好的柔软性可使过滤布在通过改向辊时更顺利,过于硬挺容易造成布边翘起,从而出现漏真空的现象。有些过滤机采用刮刀卸饼,当物料黏度较大时,刮刀是紧贴过滤布表面进行卸料的,因此过滤布也需具备优良的耐磨性能。

(3)选择机织过滤布时,需确保其能够满足生产工艺规定的过滤精度要求。由于物料颗粒度的分布通常是不均匀的,针对过滤精度要求不高的物料,选用的过滤布过滤精度应与物料中含量占70%～80%的物料颗粒度相近,否则容易发生过滤布堵塞。对于过滤精度要求高的物料,所选过滤布的最大过滤精度应不超过物料需截留的粒径,以保证过滤精度。

(4)选择机织过滤布时,需要考虑其组织结构,确保其具有较高的强度和稳定性,以满足不同工况的需求[14]。基本的机织过滤布组织结构有平纹、斜纹和缎纹。除了这3种基本组织外,还有许多其他类型的机织物结构,如斜纹轮廓和锁边等。这些结构不仅可以单独使用,还可以混合使用以创造更多的纹理效果。组织结构直接影响机织过滤布的抗拉强度、伸长率、撕裂强度、耐磨性和折皱回复性等特性。

除此之外,良好的滤饼剥离性也很关键。另外,采用不同工艺、设备制作的过滤布产品的孔隙分布均匀程度也存在差异,在过滤布选型时必须优先考虑。

3.2 机织过滤布的维护保养

机织过滤布在使用过程中需进行适当的维护保养,以延长其使用寿命和保证过滤效果。具体维护保养措施如下。

(1)清洗。机织过滤布在使用过程中受沉积物和污垢的影响,需要定期清洗。其中,压滤机的过滤布洗涤水压约为5 MPa[9]37-38,清洗时应避免过度拉伸和机械损伤,一般用软毛刷、高压水枪等进行清洗。应注意不能使用过热的水或强酸碱溶液,否则会影响过滤布的性能。

(2)再生。机织过滤布使用一定时间后,孔隙会被固体颗粒堵塞,过滤布的再生与过滤同样重要[15]。再生可以采用物理方法和化学方法进行。物理方法利用水或空气等清洗过滤布;化学方法利用酸、碱或氧化剂等化学剂清洗。选择化学剂清洗时,应注意选择适当的清洗剂,避免对过滤布造成损伤。

(3)干燥。清洗过的机织过滤布应进行干燥处理,并避免存放在潮湿的环境中,以防过滤布发霉和受潮。

(4)存放。机织过滤布在存放时应避免阳光直射和环境潮湿。存放时间过长时,应注意防止鼠咬和虫蛀等损坏。

(5)更换。当机织过滤布的性能出现明显下降或无法满足生产需要时,应及时更换。选择合适的机织过滤布,并正确安装,可保证过滤效果和使用寿命。

4 结语与展望

工业规模的稳步扩大促进了固液分离需求的快速增长。受中国政府“减污降碳”政策的影响,固液分离设备市场容量急剧扩大,发展态势繁荣。在全球范围内对环保日益重视的今天,机织过滤布作为固液分离设备的核心部件,其应用前景不容小觑。随着工业水平的提高,机织过滤布产品的个性化和差异化程度将逐渐提高,消费市场也将进一步打开,并朝向国际化、品牌化方向发展。

本文探讨了机织过滤布的分类及其特点。了解不同机织过滤布的特性,有助于正确选择合适的机织过滤布,从而对合理使用固液分离设备具有积极意义。机织过滤布已成功应用于真空皮带脱水机、板框压滤机以及滤布圆盘过滤机等多种不同类型的固液分离设备中。然而,目前机织过滤布行业存在自主研发能力不足,产品质量参差不齐等问题。随着新材料的应用,工业自动化程度的进一步提升,精细过滤产品的发展,以及复合型产品的扩大等趋势的出现,该行业前景光明。相信随着固液分离技术的发展,以及新材料的研发,机织过滤布的应用将越来越广泛。