機織過濾布在工業固液分離領域的應用

關 偉

煙臺同興過濾科技有限公司,山東 煙臺 265500

隨著工業化與科技的不斷發展,固液分離技術在諸多領域的關鍵地位愈發顯現。固液分離設備在燃煤發電、冶金、煤炭、化工、環保等行業得以廣泛應用。作為固液分離設備的核心部件,機織過濾布對過濾效果起著決定性作用。因此,深入研究過濾布的性能與應用情況,對正確選擇和使用工業固液分離設備具有重要意義。

在國家對“經濟、高效、環保”要求日益提升的背景下,機織過濾布產業受到極大的推動,未來發展前景更加廣闊。根據中國產業用紡織品行業協會統計,2021年過濾與分離用紡織品纖維加工量達170.3萬t。隨著全球環境保護意識的增強,機織過濾布將具有更大的應用潛力和市場前景。機織過濾布的發展將促進其他行業的進步,并對環境保護產生積極影響,這不僅具有重要的社會價值,同時也帶來巨大的商業機遇。因機織過濾布的加工和制造成本相對較低,其已成為液體過濾領域理想的材料之一。本文將著重介紹機織過濾布的分類與制備技術,以及工業領域采用機織過濾布的固液分離設備,并闡述機織過濾布的選型原則與維護保養措施,以期為該領域進一步的研究和開發提供有價值的借鑒。

1 機織過濾布的分類與制備

1.1 機織過濾布的類型和特點

1.1.1 按原料材質分類

在工業固液分離領域,由于工況條件復雜,產品要求具有一定的力學性能、熱穩定性及耐酸堿等化學性能,因此機織過濾布采用的原料多為化學性能較好的合成纖維。其中,聚酯、聚丙烯和聚酰胺纖維的應用最廣泛。機織過濾布常用原料的主要性能如表1所示。

表1 機織過濾布常用原料的主要性能

(1)聚酯過濾布。聚酯過濾布的特點是抗拉強度高,斷裂伸長率低,干濕強度基本相等。對聚酯過濾布進行軋光、熱定型等表面處理,可賦予聚酯過濾布特殊的性能和用途。聚酯過濾布耐熱性和耐酸性好,但耐堿性較差。其因優良的耐酸性和優異的耐高溫性能(可達150 ℃)而被越來越多的固液分離設備制造商和用戶所接受[1],廣泛用于化工、化肥、制藥、制糖、油水分離、食品飲料等行業。

(2)聚丙烯過濾布。聚丙烯纖維是最輕質的化學纖維之一,其密度僅為0.91 g/cm3。聚丙烯過濾布具有質地輕、密度小等特點,在同等質量條件下,聚丙烯過濾布具有更大的覆蓋面積。聚丙烯過濾布還具有出色的耐腐蝕性,幾乎不會受到弱酸或強堿的侵蝕,但是它的耐熱性略差,最高使用溫度通常不超過80 ℃。因表面平整、易于清洗,聚丙烯過濾布已成為液體過濾領域普遍使用的過濾布。因優異的濾餅釋放性和對大多數酸、堿的良好耐受性,聚丙烯過濾布被廣泛應用于礦山、冶金和廢水處理等領域。

(3)聚酰胺過濾布。目前常用的過濾布中,聚酰胺過濾布的抗摩擦性最好,且具有高抗拉性強度和良好的彈性,非常適合連續彎曲的工況,因此廣泛應用于皮帶機和立式壓濾機等設備中。聚酰胺過濾布的工作溫度穩定在120 ℃。其濕強為干強的80%～90%,這會影響過濾布的尺寸穩定性。聚酰胺的耐酸性較差,但耐堿性及其他化學性能良好[2]。聚酰胺過濾布表面光滑且具有吸濕性,因此便于進行卸餅操作,常用于采礦、冶金、廢水處理等領域。

因化學性能良好的合成纖維的問世,工業用棉花過濾布已不多見。

1.1.2 按經緯紗結構分類

按經緯紗結構分,常見的機織過濾布可分為單絲過濾布、復絲過濾布、單復絲過濾布及復單絲過濾布。

(1)單絲過濾布。經緯線都采用單絲編織而成的濾布稱為單絲過濾布。單絲過濾布的眼孔不容易堵塞,濾餅也容易剝離,適用于需要獲取濾餅的場合。這種濾布廣泛應用于真空帶式過濾機,具有過濾速度快、耐磨性好和使用壽命長的特點。

(2)復絲過濾布。經緯線均采用復絲編織而成的濾布稱為復絲過濾布。復絲過濾布能夠捕捉細小粒子,適用于真空過濾機、立式壓濾機、圓盤過濾機、板框過濾機和離心機。復絲過濾布具有截留精度高、經緯向抗拉強度好的特點,但其眼孔容易堵塞,濾餅也不容易剝離。

(3)單復絲過濾布。經紗采用單絲,緯紗采用復絲或混合使用單復絲編織而成的濾布稱為單復絲過濾布。單復絲過濾布適用于真空帶式過濾機、板框過濾機,具有透氣性好、透水性較好和強力高的特點。用其過濾后所得濾液的澄清度介于單絲過濾布和復絲過濾布之間。

(4)復單絲過濾布。經紗采用復絲,緯紗采用單絲或混合使用單復絲編織而成的濾布稱為復單絲過濾布。復單絲過濾布適用于真空帶式過濾機、立式壓濾機、板框過濾機和圓盤過濾機。用其過濾后所得濾液的澄清度介于單復絲過濾布和復絲過濾布之間。相對于復絲過濾布,復單絲過濾布的眼孔不容易堵塞,緯向硬挺性好,不易折皺,運行穩定。

1.2 機織過濾布制備工藝流程

單絲過濾布與單復絲過濾布的生產工藝流程基本相同。常見的機織過濾布制備工藝流程如表2所示。

表2 機織過濾布制備工藝流程

復絲過濾布和復單絲過濾布的生產工藝流程與單絲過濾布和單復絲過濾布的相似,需重點關注下述工序。

(1)捻線。捻線分為初捻和復捻,也有使用一步法工藝。所有復絲產品均需經過捻線工序,以實現織物特殊的效果。

(2)熱定型。熱輥定型機通常用于單絲和單復絲產品的熱定型,而復絲和復單絲產品則更多的是采用烘箱定型機。也有少部分企業所有濾布產品均在熱輥定型機上加工。

(3)軋光。軋光工序為非必要工序,可根據加工產品的類別選用。表面軋光處理對單絲過濾布的影響最顯著[3]。

(4)接頭制作。接頭形式一般以鋼扣連接為主,也有插接、軟連接和焊接等形式。

2 機織過濾布在常見固液分離設備中的應用

在一定壓力下,液體穿過過濾布從濾液孔中分離出來的過程稱為固液分離。固液分離的原理如圖1所示。液體穿過機織過濾布表面孔隙,而固體顆粒被截留在過濾布表面或內部,從而實現固液分離[4]。

1—過濾介質; 2—濾餅; 3—懸浮液; 4—濾液; 5—澄清液。

固液分離設備是過濾過程的基礎。目前,以機織過濾布為過濾介質的常見固液分離設備主要有真空皮帶脫水機、板框式壓濾機、濾布圓盤過濾機等。

2.1 真空皮帶脫水機

真空皮帶脫水機是一種利用負壓作為過濾推動力的固液分離設備,其結構如圖2所示。布料器在過濾布上均勻布設物料,受真空作用,物料中的液體會穿過機織過濾布上表面,再通過膠帶上的橫溝槽,匯集到積液孔中并進入真空盒內,而物料中的固體顆粒則被截留在機織過濾布表面,形成濾餅[5]。

圖2 真空皮帶脫水機

真空皮帶脫水機廣泛應用于冶金、礦山、化工、造紙、食品、制藥及環保等工業領域的固液分離,尤其在濕法煙氣脫硫(FGD)中的石膏脫水方面,有著很好的應用。

真空皮帶脫水機設備的優勢:

(1)過濾效率高,生產能力(每小時過濾的物料質量)比其他真空過濾機高2～10倍[6],應用范圍廣;

(2)設備反沖洗效果好,過濾布不易堵塞,使用壽命長[7];

(3)操作簡單、運行平穩。

真空皮帶脫水機對機織過濾布有下述要求。

(1)材料方面:過濾布通常采用聚酯纖維或聚丙烯纖維制成,必須符合相應的材料標準。此外,這些材料還需經過一系列的性能測試,常按照GB/T 6505—2017《化學纖維 長絲熱收縮率試驗方法(處理后)》等進行測試表征。

(2)纖維尺寸方面:為保證使用效果,過濾布必須符合相應的標準,如達到FZ/T 64015—2009《機織過濾布》等標準的規定。

(3)空氣滲透度方面:過濾布的空氣滲透度用于表征規定時間內空氣通過單位面積過濾布的能力。過濾布的空氣滲透度也必須符合相應的標準,如達到GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》等標準的規定。

2.2 立式板框壓濾機

立式板框壓濾機是一種高效、環保、節能的固液分離設備,其結構如圖3所示。立式板框壓濾機首先通過泵將待處理物料推送至每個過濾室中。然后,通過加壓設備對過濾室進行壓縮,使得物料中的懸浮液通過機織過濾布快速濾出,實現高效的固液分離。該設備還具有優異的濾餅洗滌功能。

圖3 立式板框壓濾機

立式板框壓濾機廣泛應用于冶金、礦業、化學、造紙、食品、制藥和環境保護等各個領域。其中,一體式非金屬板層壓濾機近年來在鋰電行業的應用非常廣泛。

立式板框壓濾機的優勢:

(1)實現了自動進料控制、快速卸料、在線洗布等功能,工作效率高,能耗低[8];

(2)在黏稠物質、細小顆粒處理方面,以及濾餅含水率要求較低的工況下,效果顯著;

(3)結構緊湊,占地面積小,使用壓力高,工作效率高[9]223-224。

立式板框壓濾機對機織過濾布的要求:為了滿足高強度、耐磨損、耐高溫的工況要求,過濾布必須具有良好的抗拉性能和抗傾斜能力,而且在長時間的擠壓過程中,還需具有良好的再生能力,即在被物料污染后,過濾布能夠通過清洗或其他方式恢復原有過濾性能的能力。在提高過濾布再生能力方面,可通過軋光或高溫定型等技術,便于過濾布在使用過程中的卸料操作。

2.3 臥式板框壓濾機

臥式板框壓濾機如圖4所示,濾板與框交錯排列,濾板兩側覆蓋以機織過濾布。輸送泵將液體輸送到過濾布處,通過壓緊裝置壓緊板與框,形成壓濾室,由過濾布實現固液分離。

圖4 臥式板框壓濾機

臥式板框壓濾機的應用范圍廣泛,包括礦物開采原漿脫水、尾礦物料凈化等各種不同的應用。其中,針對超細煤的臥式板框壓濾機技術,被廣泛應用于選煤場對煤泥水進行脫水和濾液回收,以達到商品煤低水分的要求。

臥式板框壓濾機的優勢:

(1)濾液流速快、流程短,過濾速度快[10],固體回收率可達99%,濾餅中的水分可以被有效控制在15%～20%。

(2)結構較簡單,操作容易,過濾面積選擇范圍靈活,單位過濾面積占地面積較小[11]。

(3)設備采購成本較低,運行及維護成本相對較低,大型設備優勢更明顯。

臥式板框壓濾機對機織過濾布的要求:耐酸、耐堿,強度高,斷裂伸長率高,透氣性和耐磨性好,易于卸料。總體而言,該設備對機織過濾布的要求很高,需要其滿足各種工況下的穩定性、高效性,以滿足多元化的工業需求。

2.4 濾布圓盤過濾機

濾布圓盤過濾機(圖5)類似于篩網過濾機,不同之處在于濾芯由像撲克牌一樣堆疊在一起的濾布圓盤組成。液體通過中間的小凹槽,濾餅被截留在其后。過濾質量取決于通道的幾何形狀和大小,以及交叉點的數量。濾布圓盤過濾機的基本過濾元件是機織物過濾布。液體流入過濾段內部空間,經過過濾布時,細小的雜質被截留在過濾布上。過濾段固定在圓盤軸上,12個盤片組成1個圓盤,每個圓盤提供一定的過濾面積,因此圓盤的數量決定了總過濾面積,直接影響過濾機的處理能力。

圖5 濾布圓盤過濾機

濾布圓盤過濾機專為過濾大量的廢水而設計,其濾餅含水率低,適用于廢水處理廠、養魚場、食品和造紙工業的水過濾,以及發電廠冷卻水的循環利用。在某些情況下,濾布圓盤過濾機可用于從加工水中回收有價值的物質。

濾布圓盤過濾機的優勢:

(1)過濾流量大,可達500 L/s;

(2)占地面積小,處理能力強,運行成本低,可靠性強[12];

(3)操作方便、潔凈度高。

濾布圓盤過濾機對機織過濾布的要求:

(1)表面不宜過于粗糙,因為過于粗糙影響卸料,進而影響生產效率;

(2)不能因高溫而硬化緊縮;

(3)不能與酸、堿或有機溶劑發生化學反應。

3 機織過濾布選用原則和維護保養

3.1 機織過濾布選型原則

過濾布是否合適直接影響設備的過濾效果[13]。為選擇適合的機織過濾布,需詳細了解固液分離生產過程中的物料種類、分離目的、生產能力等參數指標。然而,不同指標之間存在顯著差異,因此選擇優質適用的機織過濾布相當困難。在實踐中,通常需要在各種因素之間權衡取舍。

(1)為選擇合適的機織過濾布材料,需考慮物料的物理、化學特性,包括物料溫度、酸堿性、氧化性、物料固液比、黏度、粒徑分布等。

(2)機織過濾布還需要具有一定的柔軟性和耐磨性,良好的柔軟性可使過濾布在通過改向輥時更順利,過于硬挺容易造成布邊翹起,從而出現漏真空的現象。有些過濾機采用刮刀卸餅,當物料黏度較大時,刮刀是緊貼過濾布表面進行卸料的,因此過濾布也需具備優良的耐磨性能。

(3)選擇機織過濾布時,需確保其能夠滿足生產工藝規定的過濾精度要求。由于物料顆粒度的分布通常是不均勻的,針對過濾精度要求不高的物料,選用的過濾布過濾精度應與物料中含量占70%～80%的物料顆粒度相近,否則容易發生過濾布堵塞。對于過濾精度要求高的物料,所選過濾布的最大過濾精度應不超過物料需截留的粒徑,以保證過濾精度。

(4)選擇機織過濾布時,需要考慮其組織結構,確保其具有較高的強度和穩定性,以滿足不同工況的需求[14]。基本的機織過濾布組織結構有平紋、斜紋和緞紋。除了這3種基本組織外,還有許多其他類型的機織物結構,如斜紋輪廓和鎖邊等。這些結構不僅可以單獨使用,還可以混合使用以創造更多的紋理效果。組織結構直接影響機織過濾布的抗拉強度、伸長率、撕裂強度、耐磨性和折皺回復性等特性。

除此之外,良好的濾餅剝離性也很關鍵。另外,采用不同工藝、設備制作的過濾布產品的孔隙分布均勻程度也存在差異,在過濾布選型時必須優先考慮。

3.2 機織過濾布的維護保養

機織過濾布在使用過程中需進行適當的維護保養,以延長其使用壽命和保證過濾效果。具體維護保養措施如下。

(1)清洗。機織過濾布在使用過程中受沉積物和污垢的影響,需要定期清洗。其中,壓濾機的過濾布洗滌水壓約為5 MPa[9]37-38,清洗時應避免過度拉伸和機械損傷,一般用軟毛刷、高壓水槍等進行清洗。應注意不能使用過熱的水或強酸堿溶液,否則會影響過濾布的性能。

(2)再生。機織過濾布使用一定時間后,孔隙會被固體顆粒堵塞,過濾布的再生與過濾同樣重要[15]。再生可以采用物理方法和化學方法進行。物理方法利用水或空氣等清洗過濾布;化學方法利用酸、堿或氧化劑等化學劑清洗。選擇化學劑清洗時,應注意選擇適當的清洗劑,避免對過濾布造成損傷。

(3)干燥。清洗過的機織過濾布應進行干燥處理,并避免存放在潮濕的環境中,以防過濾布發霉和受潮。

(4)存放。機織過濾布在存放時應避免陽光直射和環境潮濕。存放時間過長時,應注意防止鼠咬和蟲蛀等損壞。

(5)更換。當機織過濾布的性能出現明顯下降或無法滿足生產需要時,應及時更換。選擇合適的機織過濾布,并正確安裝,可保證過濾效果和使用壽命。

4 結語與展望

工業規模的穩步擴大促進了固液分離需求的快速增長。受中國政府“減污降碳”政策的影響,固液分離設備市場容量急劇擴大,發展態勢繁榮。在全球范圍內對環保日益重視的今天,機織過濾布作為固液分離設備的核心部件,其應用前景不容小覷。隨著工業水平的提高,機織過濾布產品的個性化和差異化程度將逐漸提高,消費市場也將進一步打開,并朝向國際化、品牌化方向發展。

本文探討了機織過濾布的分類及其特點。了解不同機織過濾布的特性,有助于正確選擇合適的機織過濾布,從而對合理使用固液分離設備具有積極意義。機織過濾布已成功應用于真空皮帶脫水機、板框壓濾機以及濾布圓盤過濾機等多種不同類型的固液分離設備中。然而,目前機織過濾布行業存在自主研發能力不足,產品質量參差不齊等問題。隨著新材料的應用,工業自動化程度的進一步提升,精細過濾產品的發展,以及復合型產品的擴大等趨勢的出現,該行業前景光明。相信隨著固液分離技術的發展,以及新材料的研發,機織過濾布的應用將越來越廣泛。