1 臥螺離心機(jī)
LW760×3120NS型臥螺離心機(jī)是中國(guó)神華鄂爾多斯煤制油分公司35萬(wàn)噸/年煤液化殘?jiān)腿」I(yè)化示范裝置建設(shè)及運(yùn)行項(xiàng)目關(guān)鍵設(shè)備之一，用于油渣萃取液分離。針對(duì)油渣萃取液溫度高、黏度大、含有高比例磨蝕性顆粒等特點(diǎn)，參考神華煤制油上海研究院中試離心機(jī)裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)，特別設(shè)計(jì)了該套大長(zhǎng)徑比的LW760×3120NS型臥螺離心機(jī)。
LW760×3120NS型號(hào)的意義：LW代表臥式螺旋離心機(jī)，轉(zhuǎn)鼓直徑760mm，轉(zhuǎn)鼓工作長(zhǎng)度3120mm，長(zhǎng)徑比4.1，NS代表雙電機(jī)結(jié)構(gòu)。物料溫度120℃，萃取液含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.2%，單臺(tái)處理量23.2t/h，液相含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤4.3%，干相出料含液質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤35%，主電機(jī)功率132kW，輔電機(jī)功率55kW。
2 離心機(jī)結(jié)構(gòu)
2.1 主要部件
LW760×3120NS臥螺離心機(jī)為大頭進(jìn)料離心機(jī)，整套機(jī)器由罩殼、轉(zhuǎn)鼓、螺旋、軸承座、機(jī)架、主輔電機(jī)、差速器、進(jìn)料管、減振器等部件組成。從差速器端方向看，離心機(jī)為逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)；清液出口位于轉(zhuǎn)鼓大頭下方，固相出口位于轉(zhuǎn)鼓小頭下方。離心機(jī)的核心部件轉(zhuǎn)鼓和螺旋筒身采用2205雙相不銹鋼制造，均由離心澆鑄完成，轉(zhuǎn)鼓直徑760mm，轉(zhuǎn)鼓出渣口噴涂碳化鎢耐磨合金涂層，有效防止固相出口磨損。螺旋葉片由機(jī)械一次性壓制成型，葉片邊緣鑲嵌可更換碳化鎢合金耐磨塊，確保螺旋長(zhǎng)時(shí)間高速旋轉(zhuǎn)的推料效果。離心機(jī)主軸承座為循環(huán)水冷軸承座結(jié)構(gòu)，為確保軸承座承受高轉(zhuǎn)速帶來(lái)的動(dòng)載荷。差速器采用漸開線行星齒輪傳動(dòng)差速器，該差速器具有承載能力高、直徑小、傳動(dòng)效率高、差速比范圍大等優(yōu)點(diǎn)，適合較大功率和較大扭矩的離心機(jī)。
2.2 工作原理
來(lái)自煤液化的油渣經(jīng)洗油按照一定比例混合后，形成懸浮液經(jīng)進(jìn)料管、螺旋出料口進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)側(cè)。在轉(zhuǎn)鼓的高速旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生離心力場(chǎng)形成固液分離，比重較大的固相顆粒沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上，與轉(zhuǎn)鼓作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的螺旋葉片，不斷地將沉積在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁上的固相顆粒刮下并推出排渣口。分離后的清液或懸浮物經(jīng)分離葉片進(jìn)一步澄清，由轉(zhuǎn)鼓溢流孔、液相收集罩殼排出。螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)靠差速器來(lái)實(shí)現(xiàn)。差速器的外殼與轉(zhuǎn)鼓相連，輸出軸與螺旋相連。主電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)的同時(shí)也帶動(dòng)差速器外殼旋轉(zhuǎn)，差速器由多級(jí)行星輪組成，輸入軸由輔電機(jī)控制，輔電機(jī)驅(qū)動(dòng)行星輪帶動(dòng)輸出軸旋轉(zhuǎn)，并按一定的速比將扭矩傳遞給螺旋，使螺旋與轉(zhuǎn)鼓之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)離心機(jī)對(duì)物料的連續(xù)分離過(guò)程。
3 主要參數(shù)選擇
根據(jù)萃取液的物料特性、分離后液相與固相的含固要求及處理能力等因素，選擇合適的處理量、離心力場(chǎng)所需的轉(zhuǎn)速、清液的排出量、轉(zhuǎn)鼓與螺旋的差轉(zhuǎn)速等至關(guān)重要。
3.1 離心力場(chǎng)
離心機(jī)的離心力場(chǎng)靠轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速形成，隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速的升高，分離因數(shù)上升，固液分離效果提高。為增加處理能力，需要不斷提高差轉(zhuǎn)速，使分離后的物料盡快脫離機(jī)器，同時(shí)不可避免地會(huì)出現(xiàn)電流、振動(dòng)、噪聲等，并且不是轉(zhuǎn)速越高越好，需要根據(jù)物料特性選擇，分離太干易發(fā)生堵料、死機(jī)等風(fēng)險(xiǎn)。此機(jī)型轉(zhuǎn)鼓設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為2200r/min，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)工作轉(zhuǎn)速建議選用在1400～2000r/min。
3.2 處理量
進(jìn)料流量小，料液在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的軸向流速小，物料在機(jī)器內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)、分離效果提高；進(jìn)料流量大，軸向流速也大，物料在機(jī)器內(nèi)停留時(shí)間短，分離效果下降；進(jìn)料流量還受到螺旋排渣能力的限制。當(dāng)物料含固量較高，進(jìn)料量過(guò)大時(shí)，會(huì)造成分離后的沉渣因不能及時(shí)排出而引起轉(zhuǎn)鼓堵料，影響分離，極端狀態(tài)甚至不能分離，造成機(jī)器堵料故障。因此在使用本機(jī)器時(shí)，應(yīng)按物料的特性選擇適當(dāng)?shù)倪M(jìn)料量，一般可在各種流量和濃度下進(jìn)行分離效果比較，確定較佳的進(jìn)料流量。
3.3 清液排放口
清液排放口在轉(zhuǎn)鼓大端，設(shè)有對(duì)稱的6～8個(gè)口，每個(gè)口都有溢流板調(diào)節(jié)清液排放口的大小，根據(jù)清液的含固量調(diào)整。溢流板能改變轉(zhuǎn)鼓沉降區(qū)和干燥區(qū)的有效長(zhǎng)度，溢流板直徑大，排放口則小，沉降區(qū)增大，干燥區(qū)減少，轉(zhuǎn)鼓的液池深度增加，分離后液相中含固量降低，但因固相沉渣的含濕量增加，反之相反。在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)根據(jù)分離要求綜合考慮，經(jīng)操作試驗(yàn)后選用合適的溢流板直徑。
3.4 轉(zhuǎn)鼓與螺旋的差轉(zhuǎn)速
離心機(jī)差轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)鼓與螺旋的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度：差轉(zhuǎn)速小，螺旋相對(duì)轉(zhuǎn)鼓的運(yùn)動(dòng)速度慢，螺旋對(duì)流體擾動(dòng)小，分離效果變好，固相沉渣在干燥區(qū)的停留時(shí)間長(zhǎng)，固相含濕量減少。但固相排渣能力下降，負(fù)荷低，易產(chǎn)生堵料。反之差轉(zhuǎn)速大，螺旋對(duì)流體擾動(dòng)加大，螺旋相對(duì)轉(zhuǎn)鼓速度快，分離效果變差，固相沉渣在轉(zhuǎn)鼓中停留時(shí)間減少，固相沉渣的含濕量會(huì)增大，但固相排渣能力增加，負(fù)荷高。差轉(zhuǎn)速一般是根據(jù)物料含固量多少、物料特性、分離要求、處理能力等因素確定。差轉(zhuǎn)速的調(diào)整可通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)，用在油渣萃取的此型離心機(jī)差轉(zhuǎn)速的范圍在35～40r/min。
3.5 物料特性
物料特性與離心機(jī)的分離因數(shù)有很大關(guān)系：物料中固相離子越大，則越易分離，反之相反；液固兩相的重度差越大，則分離越容易。懸浮液的黏度越小則越易分離，反之則難分離。為了提高分離效果可適當(dāng)提高物料進(jìn)料溫度或采用絮凝方法，提高溫度可以降低黏度以改善分離條件，增加絮凝劑可加快自由沉降速度，以達(dá)到預(yù)先處理的目的。
4 實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在的問題及解決辦法
4.1 離心機(jī)進(jìn)料管與螺旋間泄漏
（1）原因分析。進(jìn)料管與螺旋軸套間有約1cm的間隙沒有設(shè)置密封隔斷，導(dǎo)致螺旋內(nèi)120℃的熱萃取液大量外泄，引起環(huán)境污染，危及人員和設(shè)備安全。
（2）材料選擇。聚四氟乙烯（PTFE）在-196～260℃的較廣溫度范圍內(nèi)均能保持優(yōu)良的力學(xué)性能。全氟碳高分子的特點(diǎn)之一是在低溫下不變脆，完全能適應(yīng)北方寒冷氣候及介質(zhì)的高溫特點(diǎn)。它的自潤(rùn)滑性又能保證即使與螺旋有摩擦也不會(huì)損壞設(shè)備；它的表面不粘性及抗酸抗堿性、抗各種有機(jī)溶劑的特點(diǎn)。完全可以避免黏稠的瀝青及洗油粘接和腐蝕；其獨(dú)特的耐大氣老化性，即使長(zhǎng)期暴露于大氣中，表面性能仍保持不變。同時(shí)，PTFE具有良好的熱膨脹系數(shù)。
（3）密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。進(jìn)料管與螺旋軸套內(nèi)徑間有約1cm間隙，進(jìn)料管與螺旋軸套外端面間約有2cm間隙，考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際間隙及物料特性，在進(jìn)料管與螺旋軸套之間增加1個(gè)迷宮密封套，但需要保證迷宮套有穩(wěn)定氣體保護(hù)，利用氮?dú)獗Ｗo(hù)形成穩(wěn)定氣膜阻擋內(nèi)部氣體外泄。因間隙有限，在制作迷宮密封套時(shí)，將氣體注入口對(duì)稱設(shè)置在迷宮密封凸臺(tái)上，并向內(nèi)延伸至進(jìn)料管外壁，然后在迷宮密封套內(nèi)側(cè)挖出深1.5mm、寬5mm、長(zhǎng)66mm的條形淺槽后，再沿軸向摳出寬5mm、深1.5mm的環(huán)形槽，均布4～6個(gè)直徑為4mm的孔。氣體通過(guò)環(huán)形槽孔進(jìn)入迷宮密封套與螺旋軸套之間；迷宮密封套外側(cè)的迷宮槽設(shè)計(jì)有一定的旋向及臺(tái)高差，使凸臺(tái)高度由外向內(nèi)逐級(jí)遞減，這樣氣體從中間的環(huán)形槽出來(lái)后，絕大多數(shù)延旋向進(jìn)入到螺旋內(nèi)。一小部分氣體存在于靠外側(cè)迷宮槽內(nèi)，因迷宮槽的凸臺(tái)呈逐級(jí)遞減的，所以向外的氣體會(huì)逐級(jí)減壓至幾乎壓力為零。整個(gè)迷宮密封套總長(zhǎng)設(shè)計(jì)為120～140mm，因迷宮密封單邊薄處只有5.75mm，所以太長(zhǎng)易造成安裝損壞，太短會(huì)使氣流行程不足，影響密封效果。
（4）安裝要求。設(shè)計(jì)時(shí)考慮到四氟乙烯的可塑性及自潤(rùn)滑性，密封套與進(jìn)料管采用過(guò)盈配合以增加摩擦力，防止運(yùn)行過(guò)程中因機(jī)器振動(dòng)導(dǎo)致松動(dòng)；迷宮密封套與進(jìn)料管安裝時(shí)，需要將其放入開水中浸泡20～30min，待其熱脹后快速套在進(jìn)料管指定位置，等徹底冷卻后再回裝至機(jī)器上。進(jìn)料管采用懸臂式固定，進(jìn)料管長(zhǎng)1500mm，迷宮密封套與螺旋軸套間隙小至1mm，大至2.5mm，對(duì)同心度要求極高，安裝時(shí)既要保證同心，還要考慮迷宮密封套與螺旋軸套內(nèi)圈間隙均勻，防止機(jī)器振動(dòng)時(shí)損壞迷宮密封套。
4.2 離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓與罩殼前后端密封面漏油氣
（1）原因分析。神華鄂爾多斯煤制油油渣萃取項(xiàng)目的核心設(shè)備LW760×3120NS型臥螺離心機(jī)。在正壓3kPa環(huán)境下運(yùn)行，因轉(zhuǎn)鼓與罩殼之間密封間隙大，往外泄漏高溫油氣。原轉(zhuǎn)鼓與罩殼之間設(shè)置了2道軸向剖分式迷宮槽，槽深5mm，迷宮槽與軸之間存在2mm間隙，密封氮?dú)庋卣謿ろ敳窟M(jìn)氣。當(dāng)投用密封氮?dú)夂?，迷宮槽淺，間隙大，導(dǎo)致大量的氣體沿上部迷宮槽與軸的間隙逃逸，下部迷宮槽幾乎沒有氣體通過(guò)，不能形成密閉氣環(huán)或氣膜，無(wú)法達(dá)到密封的效果。借助轉(zhuǎn)鼓與罩殼間的現(xiàn)有空間布局，設(shè)計(jì)合適的密封裝置，能有效阻隔高溫油氣外泄，依據(jù)洗油及油渣的特性、溫度、設(shè)備振動(dòng)及材料等因素，材料選擇和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作尤為重要。
（2）材料選擇。主介質(zhì)是洗油，需選用一種既耐高溫、耐油，又有力學(xué)性能的材料?？紤]當(dāng)設(shè)備操作不當(dāng)時(shí)，堵料會(huì)使振動(dòng)增加等特點(diǎn)，用聚四氟乙烯既耐高溫、耐油，又有一定的力學(xué)性能，可以滿足需要。
（3）迷宮密封設(shè)計(jì)。罩殼由上下兩部分組成，為方便維修及安裝，密封形式選用軸向剖分式較為合適。采用剖分式迷宮密封環(huán)，首先根據(jù)軸徑尺寸確定內(nèi)徑，配合間隙控制在0.1mm之內(nèi)。因軸上設(shè)有2道擋環(huán)、擋環(huán)高10mm、寬3mm、擋環(huán)間距10mm，所以迷宮槽深設(shè)置12mm、槽寬8mm、槽臺(tái)厚5mm、槽間距至少13mm，且軸受熱會(huì)延伸8～10mm。迷宮密封外徑的尺寸受上下罩殼的限位槽限制固定不變，上下兩半迷宮密封槽銜接部位設(shè)置誘導(dǎo)柱銷，避免安裝時(shí)錯(cuò)位。
（4）氣道設(shè)計(jì)?？紤]到罩殼內(nèi)部壓力及迷宮槽與軸之間的配合。由外到內(nèi)設(shè)置3道迷宮密封槽，密封氮?dú)膺M(jìn)氣口設(shè)置側(cè)面錯(cuò)位進(jìn)氣，在上下兩半迷宮密封的端面各設(shè)置1道進(jìn)氣口，上部進(jìn)氣口深入到一級(jí)迷宮槽內(nèi)，使一級(jí)迷宮槽形成氣環(huán)或氣膜。下部進(jìn)氣口直接深入到二級(jí)迷宮槽內(nèi)，使氣體在徑向沿迷宮槽形成氣環(huán)或氣膜；兩級(jí)氣膜如果有一級(jí)受到破壞，另一級(jí)及時(shí)補(bǔ)充，使內(nèi)部的油氣封閉在罩殼內(nèi)隨介質(zhì)一起排出。在三級(jí)迷宮槽的槽底部設(shè)有排氣孔其側(cè)面設(shè)有兩道軸向迷宮槽，側(cè)面的軸向迷宮槽與轉(zhuǎn)鼓擋液板相貼合，二級(jí)的密封氣穿過(guò)軸向密封槽與轉(zhuǎn)鼓擋液板形成一定的氣膜。密封氮?dú)庋嘏艢饪自丛床粩嗔飨蛘謿?nèi)，形成穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)氣膜或氣環(huán)。
（5）安裝要求。設(shè)計(jì)好密封形式并制作樣件現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試：在迷宮密封環(huán)上涂抹紅丹，將轉(zhuǎn)子落在軸承座上把緊，盤車后吊起轉(zhuǎn)子檢查貼合度，如果有高點(diǎn)則手工研磨，研磨后再次進(jìn)行盤車檢查貼合度，直到完全貼合。通過(guò)塞尺、壓鉛絲或壓醫(yī)用膠帶等手段，將間隙控制在0.1～0.2mm。
4.3 避免離心機(jī)堵料的措施
離心機(jī)原設(shè)計(jì)值：原液含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～12%，溫度110～120℃。離心機(jī)分離效果目標(biāo)是：液相含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜4.3%，固相含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞65%。
（1）輔電機(jī)正接。差轉(zhuǎn)速計(jì)算式：（主-輔）×0.8。閥位24%，轉(zhuǎn)鼓28Hz，螺旋8Hz，差速16r/min，運(yùn)行102min堵料，停止進(jìn)料，高溫油沖洗后正常備用。
（2）輔電機(jī)反接。差轉(zhuǎn)速計(jì)算式：（主+輔）×0.8。閥位24%，轉(zhuǎn)鼓20～27Hz，螺旋8Hz，差速22.4～28r/min，運(yùn)行31h未堵料，分離效果不明顯。
（3）輔電機(jī)反接，閥位24%不變。轉(zhuǎn)鼓28～31Hz，螺旋10～13Hz，差速29.6～35.2r/min，運(yùn)行24h未堵料，原液含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)11.65%～10.84%，清液含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.53%～5.7%，逐漸有分離效果。
（4）輔電機(jī)反接，轉(zhuǎn)鼓31Hz，螺旋13Hz，差速35.2r/min不變。閥位由24%逐漸開至40%，已經(jīng)滿負(fù)荷運(yùn)行，連續(xù)運(yùn)行36h，原液含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.5%左右，清液含固質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.54%～4.16%，基本達(dá)到分離效果。
通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，在原設(shè)定的差速范圍內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)固液的有效分離。在離心場(chǎng)形成的情況下，如果差轉(zhuǎn)速偏小，螺旋推動(dòng)速度滯后，就會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的沉積物料增多，引起螺旋電流的快速上升，同時(shí)機(jī)組的振動(dòng)也在升高，出現(xiàn)堵料跡象。采取的有效辦法是增加差速，通過(guò)輔電機(jī)調(diào)相使電機(jī)反向輸出。依據(jù)（主+輔）×0.8設(shè)計(jì)計(jì)算式，通過(guò)差速器實(shí)現(xiàn)螺旋增速，在離心場(chǎng)形成的情況下，靠螺旋的快速推動(dòng)不斷推出分離的物料，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。
5 改造效果
通過(guò)以上的改造優(yōu)化，設(shè)備安全穩(wěn)定地達(dá)到性能考核指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行。離心機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行為整個(gè)油渣項(xiàng)目穩(wěn)步有序推進(jìn)奠定基礎(chǔ)，通過(guò)優(yōu)化改造和提高操作水平，使大長(zhǎng)徑比臥螺離心機(jī)在油渣萃取應(yīng)用中得到很好的驗(yàn)證。
