蓄能反吹卸料過濾器

陳 光，于公滿

（機械工業規劃研究院有限公司，北京 100089）

0 引言

過濾過程是依靠濾網（濾層）的阻隔作用，實現固液兩相流分離的過程。在過濾的過程中，固相物不斷的在濾網上沉積形成濾餅，兩相流中的液相只有通過濾網和濾餅形成的濾層才能排出。由于濾餅的不斷增厚，過濾的阻力會不斷的增加，更多細小的固相物會被截留，影響過濾的質量。因此，在過濾的過程中，濾餅形成到一定的厚度時必須適時中止過濾過程，將濾餅除去以保證后續過濾過程的正常進行。

過濾前的液流是固相和液相相混的流體，過濾過程多以離心泵作為過濾的驅動裝置，本文利用這個特點，在常規的過濾裝置中增加了一個蓄能的空間，利用離心泵在清除濾餅前停泵的瞬間其輸出壓力高于工作壓力的特性，壓縮蓄能空間中的氣體，并將存貯在蓄能空間中的有壓空氣作為濾層反吹卸料的動力，不再需要另配反吹卸料動力。該改進減少了過濾系統的配置，簡化了操作過程，達到了降低工程造價和降低運行費用的目的。

1 過濾器再生的現狀

過濾器是流體運行系統的重要構件，通過固液相分離，達到液體回用的目的。通常，固液相分離可以采用過濾法，例如化學生產過程中晶體的分離，潤滑油回用過程中的顆粒物去除等。也可以采用沉降法，例如污水沉淀池中的水-泥分離等。通常由于固相物的顆粒較細，需要的沉降時間較長，因此沉降池的體積均較大，需要花費的時間也較長，相對說來過濾花費的時間短，容易在線處理，配套設備的尺寸也相對較小，因此在常見的固液分離操作中被大量采用。

但過濾需要較大的推動力，進行固液相分離的固液相混合物都具有一定的壓力，固液相分離系統是一個壓力系統，因此過濾器是一個壓力容器。

過濾的原理很簡單，見圖1。即當固液相混合物通過濾網時，在流體壓力的推動下，液體通過濾網流向濾網的另一側，大于濾網孔徑的固相物被濾網阻隔，在濾網上形成濾餅，濾清液則通過濾網和濾餅流出。

圖1 過濾的原理圖Fig.1 Schematic of filtering

濾液通過濾網和濾餅是需要推動力的，過濾的流程示意見圖2。當流體的阻力大于流體的壓力時，過濾過程就會中止。為了繼續進行過濾過程，需將濾網上形成的濾餅卸下，這個過程稱之為過濾再生過程。

圖2 過濾流程示意圖Fig.2 Schematic of filtering process

通常，過濾器去除濾餅的再生方式有如下幾類：

1.1 濾網拆除

將過濾裝置拆開，把濾網取出，利用人工的方法將濾餅去除，此方法只能用于濾餅生成量較少，過濾過程間歇較長的工況。并且，由于過濾器是一個受壓構件，因此拆卸是一件很麻煩的工作。

1.2 反向沖刷

反向沖刷可以減少拆卸過濾器的麻煩，見圖3。當過濾過程停止或者減慢的時候，關閉進液閥1，濾清液排出閥2，起動反吹泵，打開閥門4和濾餅排出閥4，此時，具有一定壓力的反吹液通過濾網，將濾餅從濾網上沖落，通過閥門3排出。

圖3 濾餅反向沖刷流程圖Fig.3 Filter cake backwash flow chart

濾餅被從濾網上沖下后，重新具有了過濾的功能，此時關閉沖洗泵和閥門3、閥門4，濾液重新閥門1進入，從閥門2排出，繼續進行過濾操作。為此需要為系統配置專用的反沖水泵和配套的管路。

1.3 壓縮空氣反吹卸料

為了減少反沖時，排出的濾餅中的水含量，在液相反沖的基礎上又提出了氣體反沖的方法，即反沖的介質不是液相水，而是壓縮空氣，見圖4。

圖4 壓縮空氣反吹系統流程圖Fig.4 Compressed air backflushing system flow

其操作過程和液相反吹卸料相似，當過濾過程變緩后，關閉閥門1和閥門2，打開閥門4通入壓縮空氣，打開閥門3排出濾餅。

這種操作過程，排出濾餅中攜帶的水量即為過濾器體中可容納的水量。為了實現壓縮空氣反吹的功能，需要單獨另配一套壓縮空氣生成或儲存的裝置，無疑增加了設備成本和操作上的不便。

1.4 機械刮刀卸料

在一些特定的條件下，例如濾餅比較黏時，反吹的效果不理想，因此有出現了一種機械刮刀卸料的構造，流程見圖5。

圖5 刮刀卸料的過濾流程圖Fig.5 The filtration process of scraper discharge

在過濾器的內筒，安裝了一組可以在外邊控制的，具有兩個自由度動作（回轉和上下移動）的刮刀。在濾餅積存到一定量時，通過刮刀的回轉和上下移動，即可將粘附在濾網上的濾餅卸下。

這種卸料方式，在卸料時，過濾過程是不間斷的，濾餅出現局部短路時，也不影響后續的卸料過程，濾餅的排放可以根據過濾器內部濾餅的積存量來決定，以便減少濾餅中的水含量，為后續的處理過程提供方便。當然，在排出濾餅時，閥門1和閥門2，需要關閉，短時中止功率過程。

這種卸料方式的機械部分過于復雜，造價較高，通常在大尺寸的過濾器上使用。刮刀和濾網之間不可避免的存在間隙，濾餅難以做到完全去除。

由于過濾過程是濾餅不斷積累的過程，隨著濾餅的積存量的增加，流體流通的阻力也會逐步加大，當濾餅的積存量達到一定的程度時，造成流體流通的阻力過大，過濾過程就將無法持續進行下去。及時清除在濾網積存的濾餅，是維持過濾過程持續進行的必要的措施。濾餅的去除，目前實際使用的只有反吹法和刮削法兩類。

根據實際使用需求上的差異，上述清除濾餅的方法，都有不同的適用場合。但以上這些方法，在操作便利性、構造配置、設備成本、運行費用等方面都有進一步改進的余地。

2 自蓄能反吹過濾器的提出

這是一種對反吹法的改進構造，見圖6。此處圖示的過濾器和圖2所示的過濾器相比，在過濾器本體部分完全相同，但在原有的過濾器外部增加了一個空氣壓縮蓄能套。

圖6 自蓄能反吹過濾器Fig.6 Self-storage backflush filter

正常的過濾過程和原示的過濾器完全相同，即過濾液從閥門1進入，在壓力的推動下，通過濾網，形成濾餅，濾清液經過過濾器本體和蓄能套之間的連通孔，從閥門2排出。空氣壓縮蓄能套中的空氣是在過濾器使用前，打開閥門3及閥門4后，自然進入的，過濾器開始工作后，即關閉此兩個閥門，使進入的空氣封閉在過濾器的內部。由于在過濾器使用前，閥門1必定是關閉的，設置閥門4，可以使氣體能夠迅速的充滿過濾器的內部空間。

過濾器工作后，圖中深色的部分是被液體充滿的，補入的壓縮空氣積存在粉色的空間內，此時整個過濾系統內部的壓力為泵的工作壓力P1，當然在濾餅的前后存在著壓差，其數值為推動流體通過濾網和濾餅時形成的阻力。當過濾過程進行到一定時間后，由于濾餅的厚度加大，流體運行阻力增加，濾餅前后的壓差增加，影響到功率過程的進行，則需要對已形成的濾餅進行去除。

為此，首先關閉閥門2，則系統的流量將降為0，離心泵的壓力將會增加到其最大的壓力P2，則整個過濾系統的內部的壓力也將達到P2，即此時被封閉在封閉空間的空氣的壓力也會達到P2。

圖7為離心泵典型的特性曲線，從圖可知，對應泵的特性，正常的工作流量應該在90m3/h附近，對應的工作壓力為0.2MPa，當流量為0時，泵的壓力將為0.25MPa，即蓄能套中的氣體壓力，高于工作時，形成濾餅時的壓力，有利于濾餅的脫落。

圖7 典型離心泵特性曲線Fig.7 Typical centrifugal pump characteristic curve

然后，打開閥門3，則濾網內部的壓力迅速的減為與外部的大氣壓相同，從而在濾網，濾層的內外形成壓力差P2-P0，在這個壓力的驅動下，在過濾器內部留存的濾清液將反向從濾網流入濾餅一側，由于在一個封閉的系統內部，各處的靜壓力是相等的，因此，在濾網兩側各處的壓力差也是相等的，濾清液的反向流動是在整個濾網的各處同時發生，從而將濾餅從濾網上清除，并通過閥門3，排至過濾器的外部。

由于在反吹前，充分利用了離心泵的特點，提高了蓄能的壓力，從而提高了反吹流體的流速，提高了反吹卸料的效果。內部儲存的壓縮空氣是可壓縮性的，因此當濾餅從閥門3排出，并不能使系統內濾網背面的壓力在瞬時減低為P0。在氣體膨脹的過程中，推動過濾器內部的液體攜帶著濾餅繼續排出，直至內部液體排凈，壓差為0時，完成一次濾餅的清理過程。

這種過濾器的工作循環：過濾-蓄能-排渣-過濾，依次進行，在不同的狀態下，閥門的啟閉和在狀態轉換的過程中閥門的啟閉順序見表1。

表1 閥門開閉順序表Tab.1 Valve opening and closing sequence table

從擬定的操作程序可知，在排渣完成后，整個過濾器內部是被空氣充滿的，重新進入功率過程時，先關閉閥門3，在過濾器內部即形成了一個密閉的空間，在開啟閥門2，即接通了濾清液對外的通道，此時再開啟閥門1，過濾過程即可重新進行。

由于濾餅的排出是塌落狀態，而不是流體輸送狀態，見圖8。因此，蓄能套中壓縮空氣的作用，只是通過壓縮空氣膨脹的過程中形成的推力，將濾餅從濾網上脫離后，此后濾餅即可靠自重與外排流體共同排至過濾器外。因此可知，這種卸料方式，并不需要壓縮空氣具有持續的作用效果，較少的壓縮空氣需求量，可減少對需能套空間的需求。

在內部液體完全排除時，整個過濾器內部，即完全被空氣充滿，重新起動過濾過程，空氣依舊可以被封閉到蓄能套內；但如果內部流體沒有被完全清除，即開始下一個過濾過程，則內部存留的空氣沒有外泄，在經過蓄能后，依舊可以完成下一次去除濾餅的操作。

依照此技術對現有的過濾器進行改造結構簡單，易于推廣。例如，對現在常用的過濾器，按圖8的辦法進行改造，將原接反向卸料動力的接口，換接一個密閉的蓄能構造，即可具有蓄能反吹的功能，見圖9。

圖9 現有過濾裝置改造示意圖Fig.9 The modification of the existing filter device

3 結束語

自蓄能反吹過濾器的過濾原理與卸料方式與同類反吹卸料式過濾器完全相同，但反吹卸料的動力不再是外配的壓縮機站，而是巧妙地利用了離心泵的特性，在關閉輸出管路的同時，為蓄能套中的空氣建立起較高的壓力。

通過蓄能套內存儲的壓縮空氣，完成過濾器的反吹卸料過程。通過閥門開啟的變換，即可實現過濾系統過濾過程和卸料過程的自動操作。

增加的壓縮空氣蓄能套，完全沒有傳動件，在簡化設備配置，降低工程造價，降低運行費用方面具有明顯的效果。