高效能臥螺離心機(jī)在酒糟醪液分離中的應(yīng)用

許珊珊

海申機(jī)電總廠(象山)(浙江寧波 315718)

酒精生產(chǎn)的原料大多為玉米、小麥、高粱等淀粉作物，廢醪液中含有固體酒糟、可溶性蛋白質(zhì)及多種氨基酸，直接排放不僅浪費(fèi)資源，而且嚴(yán)重污染環(huán)境，影響酒精工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。對(duì)廢醪液最有效的處理方法是利用其生產(chǎn)干酒糟及其可溶物(DDGS)，即酒糟及可溶性蛋白飼料。該方法可較徹底地解決環(huán)境污染問題，并給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

隨著國家環(huán)保力度的加強(qiáng)以及酒精生產(chǎn)廠家節(jié)能減排要求的提升，常規(guī)臥螺離心機(jī)已不能滿足新生產(chǎn)工藝條件下酒糟醪液分離的要求，如進(jìn)料固含量提高、處理量提高、排放渣固相含量提高、分離液含固率降低以及低能耗等。海申機(jī)電總廠(象山)順應(yīng)市場需求，研發(fā)制造出LW系列高效能專用臥螺離心機(jī)，滿足用戶的不同需求。該系列離心機(jī)可應(yīng)用于環(huán)保行業(yè)(如市政污水處理及污泥脫水、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢水處理、制藥廠綜合污水處理)，食品行業(yè)(如蛋白分離、果汁除渣、動(dòng)植物油的凈化)等。

1 酒精生產(chǎn)工藝及DDGS生產(chǎn)工藝流程

以玉米、大米等為原料，經(jīng)過機(jī)械粉碎、攪拌、蒸煮、發(fā)酵、蒸餾等過程，最終得到酒精產(chǎn)品，具體流程見圖1。酒精生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量廢酒糟醪液，將廢醪液分離，部分濾液回用，部分蒸發(fā)濃縮至糖漿狀，再與分離后的濕酒糟混合、干燥，制成DDGS。由圖1可知，離心機(jī)是酒糟醪液分離生產(chǎn)DDGS工藝中的重要設(shè)備之一。

圖1 酒精及DDGS生產(chǎn)工藝流程

2 高效能臥螺離心機(jī)的組成及工作原理

2.1 高效能臥螺離心機(jī)組成

臥螺離心機(jī)主要由旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件兩部分組成。旋轉(zhuǎn)部件主要包括轉(zhuǎn)鼓、螺旋、行星差速器、皮帶輪；靜止部件主要包括機(jī)殼(機(jī)罩、機(jī)座)，軸承部件(左軸承、右軸承)和驅(qū)動(dòng)部件(主電機(jī)、副電機(jī))。具體如圖2所示。

2.2 高效能臥螺離心機(jī)工作原理

如圖2所示，在機(jī)殼(8)內(nèi)有2個(gè)同心裝在主軸承(3和10)上的回轉(zhuǎn)部件，外面是無孔轉(zhuǎn)鼓(5)，內(nèi)面是具有螺旋葉片的輸送器(6)。主電動(dòng)機(jī)(13)通過三角皮帶輪(11)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)鼓通過左軸承處的空心軸與行星差速器的外殼相連接，行星差速器的輸出軸帶動(dòng)螺旋輸送器與轉(zhuǎn)鼓作同向轉(zhuǎn)動(dòng)。懸浮液從右端的中心加料管(12)進(jìn)到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，在離心力的作用下，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)形成了一個(gè)環(huán)形液池，重相固體粒子離心沉降到轉(zhuǎn)鼓內(nèi)表面上形成沉渣。由于螺旋葉片與轉(zhuǎn)鼓作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，沉渣被螺旋葉片推送到轉(zhuǎn)鼓小端的干燥區(qū)，從排渣孔(9)甩出。在轉(zhuǎn)鼓的大端蓋上開設(shè)有若干溢流孔(4)，澄清液便從此處流出，經(jīng)機(jī)殼的排液室排出。[1]

圖2 臥螺離心機(jī)組成

3 高效能臥螺離心機(jī)技術(shù)特性

高效能臥螺離心機(jī)結(jié)合了普通臥螺離心機(jī)的特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：提升了轉(zhuǎn)速，從而提高了分離效率和處理能力；增大了擠壓能力，提高了渣相的干度；增強(qiáng)了耐磨性、設(shè)備穩(wěn)定性，延長了離心機(jī)使用壽命。該型離心機(jī)具有運(yùn)行安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可以處理普通臥螺離心機(jī)難以處理的物料，如顆粒細(xì)、密度差小、黏度大的物料。

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)特性

3.1.1 大長徑比

離心機(jī)長徑比是轉(zhuǎn)鼓內(nèi)有效分離長度與轉(zhuǎn)鼓內(nèi)直徑的比值。長徑比越大，物料的有效分離沉降區(qū)域越大，可大幅延長物料在轉(zhuǎn)鼓內(nèi)的停留時(shí)間，提高排放液中固形物的去除率，降低排放固相中的液相含量。常規(guī)臥螺離心機(jī)的長徑比一般不大于3.7，而高效能臥螺離心機(jī)的長徑比大于4，大大提升了分離效果。高效能臥螺離心機(jī)分離后的清液總固含量由不小于5%降到不大于3%，易于后道工序的蒸發(fā)濃縮，提高蒸發(fā)效率，提升濃縮工段的生產(chǎn)穩(wěn)定性，極大降低能耗。

大長徑比增加了有效離心沉降面積，即增大了處理量：與普通機(jī)型相比，實(shí)際處理量由不高于15 m3/h提高至20～25 m3/h，而且分離性能更優(yōu)。

3.1.2 大錐角選型

常規(guī)離心機(jī)設(shè)計(jì)中，酒糟醪液分離行業(yè)均考慮配置小錐角(一般不大于10°)結(jié)構(gòu)。這種小錐角結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是推料扭矩較小，排料通暢；但是其分離液環(huán)的液層較淺，分離效果的調(diào)節(jié)范圍較小。在保證渣相的干度相對(duì)較大時(shí)，清液的含固率就會(huì)大一些；而要保證液相澄清度好，渣相含水率就會(huì)高一些。高效能臥螺離心機(jī)采用大錐角機(jī)型(一般大于10°，見圖3)，特點(diǎn)是可調(diào)節(jié)液層深度較深，相同長徑比的機(jī)型物料澄清段更長，分離出的清液含固率更小，在出渣的錐段還可以配置帶有擠壓功能的螺旋擋板，更好地保證渣相的干度，從而達(dá)到更好的分離效果。

圖3 大小錐角結(jié)構(gòu)對(duì)比

3.1.3 高轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)

根據(jù)斯托克沉降原理，懸浮液中物料顆粒的沉降速率與轉(zhuǎn)速的2次方成正比。提高工作轉(zhuǎn)速，可以快速提升分離效率，加快處理速度，從而達(dá)到增加處理量，改善分離效果的目的。高效能離心機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，分離因數(shù)大于3 500，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)離心機(jī)(轉(zhuǎn)速不大于2 800 r/min)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用SolidWorks三維軟件進(jìn)行建模、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和模態(tài)分析計(jì)算，對(duì)離心機(jī)的轉(zhuǎn)鼓、螺旋、機(jī)架等主要部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)合多年的離心機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，改變了原有研發(fā)設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)智能數(shù)字化設(shè)計(jì)。現(xiàn)場酒糟醪液分離后，渣相的含水率由68%～72%降低至60%～65%。在DDGS生產(chǎn)濕糟干燥工藝中，降低了能耗，并且提高了干燥后糟渣的品相，從面提高了DDGS飼料的銷售價(jià)格。

3.1.4 高耐磨性能

進(jìn)入離心機(jī)的酒糟溶液通常含有一定沙泥，含量高低取決于玉米原料的沙泥含量或工藝中除沙設(shè)備的有效性。這部分沙泥增加了對(duì)離心機(jī)螺旋出料口和轉(zhuǎn)鼓出料口的磨損。高效能離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件采用渦流式結(jié)構(gòu)，以使物料快速進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓，縮短物料與液池的接觸距離，減少進(jìn)料對(duì)已形成的環(huán)形固相料層的擾動(dòng)。在與物料接觸的關(guān)鍵部位，采用可更換的高耐磨材料保護(hù)結(jié)構(gòu)，增加關(guān)鍵部位的耐磨性，延長螺旋體的使用壽命。在轉(zhuǎn)鼓出料口及螺旋推力面采用可更換硬質(zhì)合金耐磨塊，可提高使用壽命3～5倍以上，大大提高了機(jī)器的穩(wěn)定性和可靠性；轉(zhuǎn)鼓筒體內(nèi)壁采用防磨條結(jié)構(gòu)，有效防止轉(zhuǎn)鼓內(nèi)壁磨損，并利于渣相的推出。

3.1.5 節(jié)能降耗

通過調(diào)整結(jié)構(gòu)改變液體排出口的流向，使液體流出方向與離心機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，利用液體離心力的動(dòng)能達(dá)到推動(dòng)轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)的目的。該動(dòng)能回收裝置(見圖4)可以在不降低處理能力的同時(shí)降低電機(jī)的輸入功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能并提升設(shè)備的處理能力上限。

圖4 能量回收器

3.2 電氣系統(tǒng)控制特性

高效能臥螺離心機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用當(dāng)今工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的可編程邏輯控制器(PLC)，以界面友好的彩色液晶觸摸屏為人機(jī)操作界面；采用雙電機(jī)雙變頻共直流母線的控制模式，可通過變頻器單獨(dú)對(duì)主、副電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)整，以適應(yīng)物料的變化；主電機(jī)和副電機(jī)的變頻器采用共直流母線的接線方式，通過主變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)副變頻器供電而不再單獨(dú)對(duì)副變頻器供電，副變頻器將一部分電能反饋給主變頻器，從而實(shí)現(xiàn)降低能耗10%～20%的設(shè)計(jì)效果。

4 分離效果對(duì)比

在某廠將高效能離心機(jī)與常規(guī)離心機(jī)在同一條生產(chǎn)線上進(jìn)行對(duì)比，其在處理量、固液相分離效果和能耗方面均有較大提升，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比情況

普通機(jī)型的處理量明顯低于高效能機(jī)型。普通機(jī)型的處理量約15 m3/h，高效能機(jī)型的穩(wěn)定處理量為24 m3/h。

高效能機(jī)型的渣相含水率比普通機(jī)型低5%以上，液相含固量低約2%。渣相較低的含液量，大幅度降低了后續(xù)蒸發(fā)的熱能損耗。液相低含固量有利于提高蒸發(fā)效果，減少蒸發(fā)后的濃漿量，使DDGS產(chǎn)品的顏色、氣味表現(xiàn)得到較大提升；減少了回流到系統(tǒng)中的固形懸浮物，從而減輕了系統(tǒng)壓力。更為關(guān)鍵的是，可以降低液體排放的處理難度，減輕環(huán)保壓力。綜合來看，提高分離效果能夠提升系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性，并帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

高效能機(jī)型單位處理量消耗的電流約為3.35 A，而普通型單位處理量消耗的電流約為4.69 A。按每年8 000 h工作時(shí)長計(jì)，處理量平均約20 m3/h，則年累計(jì)節(jié)約電能約14.1萬kW·h，是企業(yè)可觀的效益增長點(diǎn)。

現(xiàn)場高效能機(jī)型高轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的振動(dòng)、溫度和聲音參數(shù)均表現(xiàn)優(yōu)異，表明設(shè)備性能良好，也說明計(jì)算分析結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)模式能夠滿足高速非穩(wěn)態(tài)參數(shù)設(shè)備的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

高效能臥螺離心機(jī)，無論在處理量、分離效果方面，還是在節(jié)能降耗方面，都具有普通臥螺離心機(jī)不可替代的技術(shù)優(yōu)勢，滿足了酒精生產(chǎn)企業(yè)在酒糟醪液固液分離過程中對(duì)新工藝的需求，減輕了企業(yè)的環(huán)保壓力，實(shí)現(xiàn)了降本增效，值得業(yè)內(nèi)推廣。