螺旋過濾輸送機(jī)設(shè)計與應(yīng)用

羅華進(jìn)，鈕德明

（廣西理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 崇左 532200）

甘蔗糖廠的濾泥中含有以蔗糠為主體的有機(jī)物質(zhì)，具有很高的燃燒值，其值高于蔗渣，且與褐煤的燃燒值相當(dāng)[1]。濾泥由于含水量大，難以采用常規(guī)脫水方式降低濾泥水分，故濾泥不能直接送進(jìn)鍋爐焚燒。為此，本文提出了從濾泥中提取蔗糠的工藝，螺旋過濾輸送機(jī)是該工藝的關(guān)鍵設(shè)備，能將蔗糠與泥水分離，確保從濾泥中提取含水量低于40%的蔗糠作為鍋爐燃料。在甘蔗糖廠中應(yīng)用濾泥提取蔗糠的工藝，能實現(xiàn)廢物利用，不僅減少了濾泥對生產(chǎn)環(huán)境的污染，而且能減少燃料費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)和社會效益可觀。

1 濾泥的來源與組成

1.1 濾泥的來源

在甘蔗制糖生產(chǎn)過程中，甘蔗榨取汁中存在的蛋白質(zhì)、果膠質(zhì)、有機(jī)酸等非糖分有機(jī)物質(zhì)，影響了煮糖結(jié)晶的進(jìn)程，因此，需對甘蔗榨取汁進(jìn)行去除非糖分有機(jī)物質(zhì)的澄清處理。大多數(shù)甘蔗糖廠采用磷酸亞硫酸法澄清工藝，即將磷酸、氫氧化鈣及二氧化硫同時加入蔗汁中，通過加熱、中和、沉降和過濾，使獲得的清汁濁度低，清凈效率高，產(chǎn)生的濾泥呈中性，有機(jī)含量高，并且含有適量的微量元素。其工藝流程如圖1 所示。

圖1 磷酸亞硫酸法澄清工藝流程

混合汁經(jīng)過磷酸亞硫酸法澄清工藝處理，獲得進(jìn)一步煉制的清汁，同時也產(chǎn)生了大量的濾泥。日榨5 000 t 的甘蔗糖廠，按加工1 t 甘蔗產(chǎn)生2.5%的濾泥量計算，一個榨季可產(chǎn)生約1.5 萬t 濾泥。因為濾泥具有含水量高和不易通氣等特性，很難自然干燥，極其容易被雜菌污染。被污染的濾泥進(jìn)入土壤中，會影響作物生長。濾泥堆放在廠內(nèi)，與空氣接觸一段時間后，其中的糖分隨著細(xì)菌的分解、發(fā)酵，隨后形成惡臭。這樣不僅占用土地資源，還污染空氣，更污染地下水源，使濾泥成為“放沒地方放，用又沒法用”的廢棄物。不少糖廠每年為此付出不菲的濾泥運(yùn)輸費(fèi)和土地占用費(fèi)。

1.2 濾泥的組成

磷酸亞硫酸法澄清工藝所產(chǎn)生的濾泥由水分和非水分物質(zhì)組成，具體成分會因甘蔗的品種、產(chǎn)地的氣候、土壤的性質(zhì)及糖廠的澄清處理的工藝不同而不同。

1.2.1 糖廠濾泥中的非水分物質(zhì)成分

從磷酸亞硫酸法澄清工藝原理可知，濾泥中會存在著從蔗汁中沉淀出來的有機(jī)物和無機(jī)鹽等物質(zhì)，其中以蔗糠為主體的有機(jī)質(zhì)占58.66%。濾泥的非水分物質(zhì)成分見表1。五氧化二磷 氧化鉀 氧化鈣 氧化鎂 氮 有機(jī)質(zhì)

表1 磷酸亞硫酸法澄清工藝產(chǎn)生濾泥的非水分物質(zhì)成分%

1.2.2 糖廠濾泥中的水分

由于采用真空吸濾機(jī)過濾泥汁，難以從濾餅中脫出大量水分，因此，使得濾泥中存在大量水分，一般濾泥的含水量在75%左右。按濾泥中水分存在的形式劃分，一般可分為4 類：裂隙水、毛細(xì)結(jié)合水、吸附水和內(nèi)部水。濾泥中水分存在的形式如圖2 所示。

圖2 濾泥中水分存在的形式

由圖1 可看出，吸附水是指通過氫鍵結(jié)合與靜電作用黏附在濾泥顆粒表面的水分，約占濾泥水分的7%，由于水分子排列整齊，分子間作用力更穩(wěn)定，很難去除；內(nèi)部水是指通過化學(xué)鍵與濾泥有機(jī)結(jié)合，約占濾泥水分的3%，可看作濾泥的一部分；毛細(xì)結(jié)合水是指在濾泥中的毛細(xì)管水分，約占濾泥水分的20%，由于水分通過毛細(xì)壓強(qiáng)及表面張力與泥質(zhì)結(jié)合，所以難以去除；裂隙水是指濾泥顆粒包圍的水分，不與濾泥直接結(jié)合，占濾泥水分的70%左右，是比較容易去除的。通過以上分析可知，只要打破濾泥顆粒的包圍，采用機(jī)械擠壓的方法，是可以去除占濾泥水分的70%左右的裂隙水的。

2 從濾泥中提取蔗糠的工藝

從甘蔗糖廠濾泥中提取蔗糠的工藝裝置，由溶解攪拌罐1、螺旋過濾輸送機(jī)2、泥水泵3、壓榨脫水機(jī)4、蔗糠輸送機(jī)5 和廢水泵6 組成，工藝流程圖如圖3所示。

圖3 從甘蔗糖廠濾泥中提取蔗糠的工藝流程圖

其中，濾泥輸送機(jī)的出口與溶解攪拌罐1 的濾泥進(jìn)口采用螺栓連接；生化處理回用清水管與溶解攪拌罐1 的進(jìn)水管采用法蘭連接；溶解攪拌罐1 中部的出料管與螺旋過濾輸送機(jī)2 的進(jìn)口管采用法蘭連接；溶解攪拌罐1 底部的泥沙排出口距離地面有1 m，以便清運(yùn)；螺旋過濾輸送機(jī)2 的出渣口與壓榨脫水機(jī)4 的進(jìn)料口連接；螺旋過濾輸送機(jī)2 的泥水收集器的泥水出口管與泥水泵3 的進(jìn)口管采用法蘭連接；泥水泵3的出口管與送入生化處理池的管道采用法蘭連接；壓榨脫水機(jī)4 的干蔗糠出料口與蔗糠輸送機(jī)5 的進(jìn)口連接；壓榨脫水機(jī)4 的廢水收集器的出口管與廢水泵6的進(jìn)口管采用法蘭連接；廢水泵6 的出口管與送入生化處理池的管道采用法蘭連接；蔗糠輸送機(jī)5 的出料口與鍋爐燃料蔗渣輸送皮帶機(jī)進(jìn)口連接。

從甘蔗糖廠濾泥中提取蔗糠的工藝流程如下：①生化處理回用清水通過清水洗滌管進(jìn)入溶解攪拌罐內(nèi)，被攪拌形成翻滾、流動的水流。②濾泥通過輸送機(jī)送到溶解攪拌罐內(nèi)，與翻滾、流動的生化處理回用清水直接混合，溶解了細(xì)小的泥土，使之形成含有蔗糠的可流動泥漿混合物。③從溶解攪拌罐中部的出料管排出的泥漿混合物進(jìn)入螺旋過濾輸送機(jī)，泥水穿過楔形槽篩網(wǎng)，進(jìn)入泥水收集器內(nèi)；蔗糠被截留下，并沿楔形槽篩網(wǎng)表面向前移動，實現(xiàn)了蔗糠與泥水的分離。④水含量高的蔗糠，被送入壓榨脫水機(jī)進(jìn)行擠壓脫水，蔗糠含水量降到40%以下，作為燃料經(jīng)蔗糠輸送機(jī)送到鍋爐燃燒。⑤壓榨脫水機(jī)擠壓出的廢水與螺旋過濾輸送機(jī)收集器內(nèi)的廢水都用泵送到生化處理池，經(jīng)處理后回用。

3 螺旋過濾輸送機(jī)

3.1 螺旋過濾輸送機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

螺旋過濾輸送機(jī)是從濾泥中提取蔗糠工藝的關(guān)鍵設(shè)備，其是基于擠出理論而研發(fā)的濾泥專用的固液分離設(shè)備，由電機(jī)1、減速機(jī)2、聯(lián)軸器3、軸承座4、填料密封函5、進(jìn)料管6、機(jī)殼7、過濾網(wǎng)8、泥水出口管9、螺旋推渣軸10、連接法蘭11、出渣口12 和機(jī)架13 組成，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

2019年，金豐公社將打造300家縣級金豐公社、鄉(xiāng)鎮(zhèn)級服務(wù)中心/村級服務(wù)站3萬余家，擁有社長/農(nóng)機(jī)師服務(wù)隊伍18萬余名，服務(wù)超過1000萬農(nóng)戶。

圖4 螺旋過濾輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

其中，機(jī)架13 由槽鋼焊接而成，在機(jī)架13 左端安裝減速機(jī)2，采用螺栓連接；減速機(jī)2 與電機(jī)1 連接，采用螺栓連接；在機(jī)架13 中部安裝機(jī)殼7，機(jī)殼7 的支腳與機(jī)架13 采用螺栓連接；在機(jī)殼7 內(nèi)套入過濾網(wǎng)8，機(jī)殼7 與過濾網(wǎng)8 采用連接法蘭11 連接；過濾網(wǎng)8采用楔形條組裝成圓筒形，由多個加強(qiáng)圈固定；螺旋推渣軸10 安裝在過濾網(wǎng)8 中心，兩端采用軸承座4 支承；螺旋推渣軸10 的主體部分焊接螺旋葉片，在出渣口12 處焊接刮渣片；螺旋推渣軸10 與減速機(jī)2 的輸出軸采用聯(lián)軸器3 連接；在機(jī)殼7 左端的連接法蘭11上安裝進(jìn)料管6，采用螺栓連接；在進(jìn)料管6 的左側(cè)板中心安裝填料密封函5，采用焊接連接；在機(jī)殼7 中部的下方安裝泥水出口管9，采用焊接連接；在機(jī)殼7 右端的連接法蘭11 上安裝出渣口12，采用螺栓連接。

螺旋過濾輸送機(jī)的功能和使用方法：啟動電機(jī)1，螺旋推渣軸10 慢速轉(zhuǎn)動。從溶解攪拌罐排出的含泥水蔗渣通過進(jìn)料管6 進(jìn)入過濾區(qū)，在螺旋推渣軸10 的帶動下，含泥水蔗糠隨螺旋葉片向前移動，并受到擠壓；當(dāng)有泥水從左端軸側(cè)泄漏時，可壓緊填料密封函5 的壓獸，防止泄漏；泥水穿過過濾網(wǎng)8，進(jìn)入機(jī)殼7，經(jīng)泥水出口管9 排出；留在過濾網(wǎng)8 上的蔗糠，隨螺旋葉片繼續(xù)向前移動；擠脫部分泥水的蔗糠從出渣口12 排出，送到壓榨脫水機(jī)中，通過擠壓脫水，使蔗糠含水量降到45%以下，最后送到鍋爐燃燒。

螺旋過濾輸送機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)如下。

1）過濾效率高：留在過濾網(wǎng)上的蔗糠，隨螺旋葉片繼續(xù)向前移動，由于不斷更新過濾表面，過濾效率高。

2）結(jié)構(gòu)簡單：由于采用楔形條組裝成圓筒形篩網(wǎng)和螺旋推渣技術(shù)，簡化了螺旋過濾輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)。

3）出渣順暢：采用撥渣葉輪刮削向前移動的圓環(huán)形濾餅塞，疏松后的蔗糠進(jìn)入撥渣葉輪的葉片槽中，然后從旋轉(zhuǎn)的撥渣葉輪的葉片槽中落下，從出渣口排出。

3.2 螺旋過濾輸送機(jī)主要零部件

3.2.1 螺旋軸結(jié)構(gòu)分析

螺旋軸是體現(xiàn)螺旋過濾輸送機(jī)工藝性能的關(guān)鍵零部件，其由軸承位A、進(jìn)料區(qū)W、擠壓脫水區(qū)J 和濾餅阻塞區(qū)S 組成[2-3]，如圖5 所示。

圖5 螺旋軸結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.2 過濾筒的結(jié)構(gòu)分析

過濾筒是采用不銹鋼楔形條組裝成的圓筒形，用多個加強(qiáng)圈固定。不銹鋼楔形條組成的縫隙是梯形的，窄面組成過濾表面，間隙可在0.1 mm 到0.3 mm 選擇，寬面是泥水流出面，不易堵塞，在螺旋葉片不停地旋轉(zhuǎn)下，過濾表面不斷更新，提高了過濾效率。

3.2.3 出渣口的結(jié)構(gòu)分析

出渣口由外殼121、撥渣葉輪122 組成，如圖6 所示。外殼121 構(gòu)成了出渣口，撥渣葉輪122 安裝在螺旋軸的出料端，采用鍵連接，隨螺旋軸緩慢轉(zhuǎn)動。蔗糠在螺旋葉片的推動下，不斷充滿濾餅阻塞區(qū)S，在此處形成圓環(huán)形濾餅塞，在螺旋葉片軸向力的作用下，圓環(huán)形濾餅塞不斷向前移動，并被撥渣葉輪122 的葉片刮削而疏松，疏松后的蔗糠進(jìn)入撥渣葉輪122 的葉片槽中，然后從旋轉(zhuǎn)的撥渣葉輪122 的葉片槽中落下，從出渣口排出。

圖6 出渣口結(jié)構(gòu)示意圖

4 從濾泥中提取蔗糠的效益分析

4.1 提取蔗糠的熱能計算

采用溶解水對濾泥進(jìn)行溶解和洗滌，解除濾泥顆粒對裂隙水的包圍，分解了泥漿對蔗糠的包裹；通過螺旋過濾輸送機(jī)的過濾，將泥水和蔗糠分離；蔗糠再經(jīng)擠壓脫水，蔗糠含水量控制在40%以下，送鍋爐燃燒。日榨5 000 t 的甘蔗糖廠，按加工1 t 甘蔗產(chǎn)生2.5%的濾泥量計算，一個榨季120 d，可產(chǎn)生約15 000 t 水分含量為75%的濾泥[4]，折算成水分含量為40%的蔗糠約6 250 t，按水分含量為40%的蔗糠的低位發(fā)熱量為R1=9 720 kJ/kg 計算，提取蔗糠的熱能為

Q=R1W=9 720×6 250 000=60 750 000 000 kJ。

4.2 一個榨季可節(jié)約的燃料費(fèi)

糖廠鍋爐的燃料主要是含水分49%的蔗渣，查蔗渣低位發(fā)熱量表得含水分49%的蔗渣的低位發(fā)熱量R2=7 890 kJ/kg，回收生物質(zhì)燃料折合49%水分的蔗渣是

Z=Q÷R2=60 750 000 000÷7 890

=7 699 620 kg

=7 699.62 t。

按每噸蔗渣0.05 萬元計，則一個榨季可節(jié)約的燃料費(fèi)為

F=7 699.62×0.05=385 萬元。

5 結(jié)束語

從濾泥中提取蔗糠的工藝與現(xiàn)有技術(shù)相比，其突出的優(yōu)點(diǎn)如下。

1）有效地解決了甘蔗糖廠濾泥對生產(chǎn)環(huán)境污染的問題，環(huán)境效益突出。

2）日榨5 000 t 的甘蔗糖廠，一個榨季可從濾泥中提取含水量40%的蔗糠6 250 t，節(jié)約燃料費(fèi)385 萬元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

3）該工藝采用螺旋過濾輸送機(jī)高效地將蔗糠與泥水分離，有助于蔗糠的脫水[5]，確保從濾泥中提取含水量低于40%的蔗糠作為鍋爐燃料。

在甘蔗制糖企業(yè)中應(yīng)用從濾泥中提取蔗糠的工藝，既降低了濾泥對環(huán)境的污染程度，又節(jié)約了燃料費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益均可觀。