国产与进口卧螺离心机的技术差异分析

曹志伟
（北京海斯顿环保设备有限公司）

　　摘　要：本文通过对国产与进口卧螺离心机的技术进行对比，从选用材质、高效脱水设计、驱动方式、差速器、磨损保护、自控方式等方面逐一进行分析，找出国产设备与进口设备之间的差距。
　　关健词：卧螺离心机，技术差异分析

1　前言

　　卧式螺旋推料沉降式离心机简称卧螺离心机，是目前在食品、医药、化工等行业及废水处理等领域中广泛应用的、理想的固液分离设备之一。离心机高效、可靠的性能是产品质量、产量、回收率的有效保证，同时离心机的合理设计和操作维护是保证离心机高效运行的关键。
　　近几年来，随着我国大型市政污水处理厂的大量兴建，卧螺离心机在市政污泥脱水领域的应用逐年增多，一些国外品牌的卧螺离心机纷纷涌入中国市场，国内的一些厂家也推出自己的产品，以较低廉的价格进入市场。目前，进口设备是国产设备价格的2倍左右，价格差距很大。但进口机在国内的应用仍然占有很大的比重，尤其是在工业及市政污水处理中的污泥脱水领域，特别是一些新建的市政污水处理厂，进口卧螺离心机占有较大比重。本文就此情况从技术性能上对进口和国产的数家卧螺离心机进行逐一分析，找出其中的原因。

2　卧螺离心机的结构及工作原理

　　卧螺离心机是依靠固液两相的密度差，在离心力的作用下，加快固相颗粒的沉降速度来实现固液分离的。图1所示为卧螺离心机结构简图。

　　转鼓前方设计有一个锥段，根据物料性质的不同，按照设定的速度高速旋转，物料在转鼓内壁以设计速度旋转，沿着转鼓壳体形成一同心液层，称为液环层。物料内所含的固体在离心力的作用下沉积到转鼓壁上，再通过螺旋的运转将干物料推出转鼓。转鼓的运转速度直接决定分离因数，而螺旋的速差则直接影响被输送到转鼓外的固体含水率。它对处理量、停留时间和固体排出都有直接影响。

3　国内外卧螺离心机发展状况及市场情况

　　我国生产离心机至今已有20余年的历史，开始大多是立式离心机和其他形式的推料或过滤离心机，卧螺离心机是近几年随着污水处理工程的增多才大量开始研制和生产的机型。
　　目前，国内生产卧螺离心机的厂家有重庆江北机械厂，广州重型机械厂、湘潭离心机厂、解放军4819工厂、浙江青田特种设备厂、南京绿洲机械厂、上海化工机械厂、上海离心机械研究所等十余家企业，其中在行业内具有代表性的企业有：重庆江北机械厂、解放军4819工厂、上海离心机械研究所等。其技术有一部分主要来源于直接与国外离心机公司的技术合作、引进以及生产，如与法国坚纳（Guinard），德国洪堡（Humboldt）等公司的合作。另有一部分厂家的技术主要源于自主开发，或对国外技术进行引进、消化和吸收的基础上逐步发展起来的，但仍有一部分停留在模仿国外公司的技术上，基本上属于对国外技术的简单翻版，缺少自主创新。
　　目前在我国常见的进口卧螺离心机厂家主要有：较早进入中国市场的瑞典的阿法拉伐（Alfa Laval）、德国维斯伐利亚（Westfalia）、福乐伟（Flottweg）、洪堡（Humboldt），意大利的贝亚雷斯（Pieralisi）、日本巴工业公司等，以及近期进入中国的瑞典诺克森（NOXON）、法国坚纳（Guinard）等公司，产品主要集中在市政以及工业污水处理中的污泥脱水领域。主要技术特点基本相同，但在技术细节上存在较大的差异。

4　国内外卧螺离心机技术对比

　　（1）材料
　　目前国内与国外设备中，主要部件都采用不锈钢制造，尤其是转鼓与螺旋部分全部采用不锈钢，只有少数国外厂家可针对不同的处理对象及介质的要求，采用适合的材质，如对于市政污水处理和无腐蚀性场合，采用高强度碳钢防腐，避免了过度设计，大大降低了制造成本，通过十余年的实践证明，在市政污水处理中采用碳钢防腐的材质是完全可行的。
　　（2）高干（效）型机型设计
　　所谓高干（效）型机型是国外较常用的叫法，国内则习惯称为浓缩脱水一体化机。可对未经浓缩的污泥直接进行脱水，通常可处理含固量在0.4～0.8%左右的市政及工业污泥。
　　目前，国内仅有部分厂家拥有此项技术，技术主要来源于与国外公司技术合作、引进，仅有少数厂家是对国外技术进行消化吸收、改进后的创新技术，但又各有不同：
　　国内另有一少部分公司则吸收了阿法拉伐公司的BD挡板技术，或其他公司的压榨式螺旋设计，见图2，即在离心机锥段的螺旋出料端设置一个特殊挡板，即BD挡板，或增大锥段螺旋设计（内锥体），可使离心机处于超深液池状态，使池中液面处于高于固体排放面状态下运行，并在锥段减小污泥空间体积，增加对泥饼的压力，并且只输送下部沉渣，而将上部含水率高的污泥截留在压榨锥段外侧，实现压榨脱水（类似于螺旋压榨脱水机），使出泥更干。
　　螺旋输送器的螺旋叶片设计成螺距渐变的形式，螺距从转鼓大端至小端逐渐减小，使沉渣在输送时出受到径向的离心力压实外，还受到轴向的双向挤压作用，沿轴向产生挤压力。于是沉渣的毛细孔隙减小，所含的水分向外排放，从而使沉渣的含水量降低。
　　另一种设计是在螺旋筒体上设置横截面为阿基米德螺线形的压榨板，见图3。当沉渣从螺旋圆柱段推向锥段时，螺线形压榨板将沉渣逐渐压缩。由于压榨板与转鼓筒体形成楔形通道压渣压力逐渐升高，在出口处达到最大，并将滤液沿楔形间隙的切线方向从较宽的方向排出^[1]。

　　　　　　

　　国外离心机的高干型设计除上述两种之外，近期瑞典诺克森（NOXON）公司推出一种新型专利技术，称为Lamella技术，即采用斜板沉淀的原理，将离心机螺旋推料器叶片设计成倾斜状态，其叶片倾角、螺距、叶片间距等参数经过优化设计，达到最佳处理效果。使固体沉降时间缩短数倍，大大减少螺旋推料叶片对澄清液池的扰动，絮凝剂的消耗量比普通离心机减少30％～40％，而处理能力比普通离心机提高40％。特别适用于处理一些超细或凝胶状固体。目前处理的最低进料浓度可达0.2%。
　　国外不同厂家的离心机在高干（效）型设计方面采用不同的技术，在实现的方式也各有差异，高干型设计主要是通过改变转鼓与螺旋结构实现的，但也有部分厂家通过对速差的反馈控制实现。限于篇幅在此不再一一赘述。
　　（3）驱动方式
　　在驱动方式上，国内与国外有较大的差异，同时进口设备又有多达5～6种不同的驱动方式。
　　国内离心机驱动方式通常较为单一，采用最多的驱动方式为双电机结构，即一台电机（通常为变频电机）通过皮带直接驱动转鼓产生转动，另一台电机通过减速器（差速器）驱动螺旋。
　　而进口设备中往往可提供除常用的双电机系统驱动方式外，还有多种驱动方式的选择。
　　单电机驱动形式：即一台电机通过主皮带轮驱动转鼓，次级皮带驱动差速器的轴，从而产生差转速，调整速差时需要停机进行，属于简单驱动方式；或差速器输入轴固定，转鼓由单电机驱动；还有一种单电机驱动方式，如阿法拉伐（Alfa Laval）公司与国内少数厂家采用单电机驱动主转鼓产生转动，通过电磁涡流差速器产生速差，这是一种制动的驱动方式，类似于刹车装置，产生负速差，优点是控制方便、节约能源，缺点是推料扭矩小^[2]。
　　再有一种常见驱动方式是采用液压驱动，即转鼓及螺旋分别由独立的液压系统驱动（或转鼓由变频电机直接驱动），具有其他驱动方式所不可比拟的优点：更大的驱动扭矩（通常可达几千～几万Nm，是普通电机驱动的2～4倍）、更为简便的速差控制方式以及更低的速差。目前国外采用液压驱动方式的公司有：德国的洪堡（Humboldt）、福乐伟（Flottoweg）、瑞典的诺克森（NOXON）等。其中诺克森（NOXON）产品在该种驱动方式上又有改进和创新，使机器的速差达到0.2r.p.m，速差精度达0.01 r.p.m。这种驱动方式的缺点是设备成本较高，对液压系统以及电控系统要求极高，由于液压联接点较多，存在泄漏的机会也较多。因此这种驱动方式对液压元件的质量和可靠性均有严格的要求。
　　另外还有很多种不同的驱动方式，各有利弊，在此不再一一赘述。
　　由于不同驱动方式最终会导致不同的速差，国产设备的速差一般最低值都在数转/分钟，仅有少数厂家可达0.5 r.p.m，而国外的最低速差可达到0.2r.p.m，相差十余倍，即污泥的停留时间可增加十余倍。速差是影响泥饼含水率的关键因素，低速差可产生更干的泥饼，对螺旋的磨损也相应减少，从而可大大延长螺旋的使用寿命。
　　4）差速器
　　在卧螺离心机中泥饼在转鼓表面的移动全靠差速器产生的螺旋对转鼓的相对运动来实现，由于卧螺离心机的转鼓与螺旋之间速差小而扭矩大，一般差速器采用周转轮系结构，常采用行星摆线针轮、渐开线齿轮差速器。其优点是体积小、重量轻、传动比大、效率高达90～99％，承载能力大等。
　　国内及国外离心机所采用的差速器结构形式基本相同，一般多为双级2K-H、3K、K-H-V等型式行星渐开线齿轮差速器，或采用行星摆线针轮及渐开线齿轮差速器的组合形式。由于差速器转速高，传递扭矩大，对各零件在组装过程中的间隙调整要求特别高、公差要求非常精密，间隙太大或太小均不利于差速器的运行，离心机生产厂家往往需要专门设计及加工。
　　国内很多厂家进行过差速器的国产化尝试，部分厂家的的机械加工精度以及某些性能基本达到国际水平，但从整体来看，尤其是在装配精度和装配经验上仍存在一定差距，加之主要部件选用材质不当或受材料质量的制约，往往造成差速器达不到设计要求，效率较低，寿命短。因此国产差速器的关键不仅取决于制造质量，更重要的是装配质量和材料的选择^[3][4][5]。目前国内很多厂家往往采用进口差速器来满足设备的性能。
　　（5）螺旋的密封方式
　　螺旋的密封方式大多采用机械密封或迷宫式密封，这点在国产与进口离心机上是基本相同的。
　　（6）磨损保护
　　国内外主要厂家的离心机在与污泥接触的螺旋叶片外缘采用了烧结耐磨合金片或陶瓷片镶嵌工艺，可方便更换，但整体更换成本相对较高。部分厂家对螺旋叶片外缘进行碳化钨热喷涂处理，成本相对较低。
　　（7）自控方式
　　离心机的高效脱水性能必须通过完善的自控系统才能得以实现。目前国内外的主流控制方式是PLC（可编程逻辑控制器）控制。
　　国内几乎所有厂家都采用PLC作为中央控制系统，控制功能较为单一，虽然能够实现基本的控制要求，但与国外离心机控制系统存在较大差距。国内离心机厂家几乎很少采用大屏幕显示，基本上都采用LED数码管逐条显示，需要显示的工作参数需要不断调用，操作繁琐，控制功能较少。目前仅有极少数国内厂家将先进的触摸屏显示技术用于离心机的控制，同时实现上位机链接，在国内离心机控制系统方面处于领先地位。
　　国外部分厂家的离心机的控制技术目前比国内领先数年，近几年来，部分厂家已经在十年前开始使用工业计算机或DCS控制系统，可实现比PLC系统更多、更强大的控制功能。采用大屏幕显示，可对所有控制参数、运行状态一次性显示，采用菜单操作，人机界面友好，操作更为人性化。近期推出的技术可通过因特网实现上位机链接，与生产厂家进行数据通讯，便于生产商对现场离心机进行远程故障分析及处理，甚至可以通过网络对现场机进行实时数据组态和更新运行软件的服务。

5　结论

　　以上通过整体的技术对比不难看出，虽然我国卧螺离心机工业起步较晚，但已经有部分厂家、在某些技术、性能方面，已经达到了国际先进水平，在某些专项技术上甚至已经超过了部分国外品牌的离心机。但从我国离心机制造业整体来看，不可否认的是，我国离心机制造行业的整体水平与国外的离心机制造、新技术研发、尤其在整机可靠性、稳定性、使用寿命、装配精度、操作的灵活性、人性化、以及某些新技术的应用（主要是是新概念的应用）等方面等方面还存在一定的差距。
　　建议国内离心机制造商能从多方面考虑进行设计、改进，使我国的卧螺离心机新技术应用、生产技术等方面得到进一步提高。

参考文献：

　　[1] 马泽民，张剑鸣．国外压榨式卧螺沉降离心机的发展概况．过滤与分离，1995，（3）：30－35。
　　[2] 潘芝渭．电涡流制动器在卧螺离心机差转速定值控制中的应用．化工机械，1998，25（6）：353－355。
　　[3] 郭继平，刘子良等．离心机差速器损坏原因的分析及改进措施．聚氯乙烯，1997，（3）：52－55。
　　[4] 朱泽玮．沉降式离心机差速器国产化．聚氯乙烯，1998，（4）：8－14。
　　[5] 习文社，栾居科等．国内卧式离心机与进口卧式离心机的差距．中国油脂，2001，26（1）：52－54。