板框厢式隔膜压滤机
引言
近年来，煤矿矿井水突出引起的井下煤泥水大量增加成为了影响矿井安全生产的新难题.焦作区九里山矿、神东矿区榆家梁矿、兖矿集团济宁三号煤矿等矿井采掘’r作区先后出现过矿井水大量涌出的现象 ̈].矿井水大量涌出，使原煤含水量大幅度提高，煤泥水处理造骤然增大，严重恶化了井下原煤的运输提升工况.但是，目前对涌出的矿井水的处理与利用往往局限于将矿井水提升至地面进行处理后，部分在地面利用，部分再返回到井下利用。运行结果表明，其基建费用和经常费用较大，并且不可避免地造成二次污染”。，同时也大大增加了地面选煤厂煤泥水处理环节的压力.针对这种状况。笔者试图通过对矿集团公司济三煤矿井下煤泥水处理的成功经验的论述为解决这一难题提供一种借鉴方法.兖矿集团济宁三号煤矿是我国第一座设计年生产能力500万t的现代化特大型矿井，也是目前全国立井开拓生产能力最大、装备最先进的矿井之一，但该矿从投产之日起就多次受到水煤的困扰，井下主运输皮带经常被水煤压死，严重影响了矿井的安全高效生产.为从源头上解决水煤问题，矿方邀请我校矿物加工学科科研人员共同组成技术攻关组，从开始实施了井下煤水分离系统的开发研究.该工艺借鉴了选煤厂成熟的选后产品脱水工艺，结合井下实际情况，设计了水煤振动筛分脱水和压滤脱水的联合工艺，提出了在井下安装隔膜压滤机用于毛煤脱水后煤泥水处理的技术方案，并使用XSKG型隔膜压滤机成功地进行了井下煤泥水处理的工业性试验，经过此工艺处理的原煤煤泥水分大幅度降低，从而在原煤输送、提升、仓储过程中，基本上杜绝了由水煤水分偏高引起的压死主运输皮带等生产事故，有效提高了矿井的提升能力，并促进了矿井水的合理循环使用.隔膜压滤机在井下进行煤泥脱水的成功实现，有效地解除了水煤对济宁三号煤矿矿井安全高效生产的威胁。
1技术方案
1.1井下煤泥脱水的技术要求·由于井下的工作环境远比地面恶劣，煤泥水处理设备必须达到井下使用要求.因此制定井下煤泥脱水的技术方案时要综合考虑各种影响因素，既要能适合井下的使用条件，又必须有相对独立的操作空间；既要满足矿井连续生产的需要，不能影响矿井的正常提升，又要尽可能缩短系统单程循环时间，提高矿井生产效率。
1.2井下煤泥水处理工艺煤泥水的来源主要是井下6304皮带机机头煤水分离脱水筛的筛下水.筛下水水量较大，根据矿方记录，通常为179.13t/h，其中含有大量的煤泥，约为25.04t/h.若不对这部分筛下水中所含的煤泥进行脱水回收作业，则在矿井出水煤的情况下，每天将有600t细煤泥流入水仓，势必导致水仓有效容量急剧减小从而影响矿井安全生产.同时由于脱水筛筛下水的液固比高达6.15，不宜直接采用脱水设备，而应先进行浓缩澄清作业将稀薄煤泥水中的悬浮颗粒沉下，使之成为符合脱水设备浓度要求的矿浆后再进行脱水作业.角锥沉淀池人料粒度一般为0～1mm，经验数据表明，当角锥沉淀池人料的固体质量浓度为150g/L时，要求分级粒度为0.3mm对应的处理煤泥水单位负荷不应超过9.5m3/m2h.本方案脱水筛筛下水水量为154.09t/h，煤泥量为25.04t/h，取煤泥的密度为1.5g/cm³，换算成固体含量为146.70g/L，而沉淀池的实际单位负荷为0.9m3/m².h,分级粒度同沉淀面积之间存在着二次方的相关关系，因此此时现场对应的分级粒度当在0.1mm以下(即沉淀池溢流水中最大固体颗粒的粒度为0.1mm)，添加药剂后还可进一步有效降低溢流水中的含固量，完全能够满足设计要求，在充分论证的基础上，确定了井下煤泥水处理的基本工艺：将筛下煤泥水引入井下煤泥沉淀池，其底流采用扒装机收集沉淀下来的煤泥，然后用渣浆泵将其打入脱水设备进行煤泥脱水处理，脱出的清水和沉淀池的溢流一起做为循环水重复利用，得到的脱水后的煤泥通过刮板输送机进人119主运输皮带，然后进入提升系统。
1.3隔膜压滤机方案的优势
煤泥脱水有离心脱水、筛分脱水、压滤脱水等几种方式.经过反复对比论证，最终选择了采用隔膜压滤机对筛下煤泥水进行脱水.压滤机被称为选煤厂洗水闭路循环的把关设备，具有结构简单、工作可靠，适应性强、过滤强度高等优点，可使煤水得到较为彻底的分离，滤饼水分低(质量分数均20％～24％)，滤液清澈明净(含固量一般小于o.1g/L).使用压滤机脱水有以下优势：
(1)在地面选煤厂的洗选加工过程中，作为商品煤水分的把关设备，压滤机被广泛应用于煤泥脱水，有着成熟的解决方案.
(2)压滤机的维修量很小，基本不用专门维护，有利于实现无间断作业，可以满足矿井连续生产的要求.(3)隔膜压滤机成料、卸料迅速，单程循环时间短，有利于配合矿井的快速提升的要求.
(4)和离心脱水和筛分脱水等工艺相比，隔膜压滤机具有产量大，动力消耗低的优点.另外，和普通箱式压滤机相比，隔膜压滤机还有以下特点：
(1)采用多端El进料，进料速度快，布料均匀，成饼效果好。
(2)采用主、从多缸同步压紧和控制技术，滤板受力均匀合理，边缘密封性好，当高压、大流量、快速进浆时不喷料.
(3)采用独特的液压驱动、分组开合、圆环链拉开滤板组及滤布错动卸料机构，一次可以拉开多块滤板，实现了快速卸料.
(4)采用了滤液流量检测装置，滤室充盈良好，实现了压滤系统液、气、机运行全过程的自动化.
(5)滤板采用双面隔膜压榨脱水工艺，强化压榨脱水功能，生成的滤饼水分低。
(6)设备结构设计上采用无中间支腿大梁，彻底解决滤饼、滤液二次污染问题.
1.4井下使用面临的难题
使用压滤机进行煤泥脱水，在地面上有着成熟的生产技术和管理经验，从生产操作角度考虑没有难度。但在井下的应用还没有公认的成熟的技术途径.矿方和河南理工大学的技术人员经过多次探讨，认为压滤机下井面临着以下几个难题：
(1)经过计算，压滤机的过滤面积多达500m2，目前国内公开发表的出版物中，还没有过滤面积超过500m2的压滤机的报道.由于其机体庞大，而立井井筒和井下巷道空间相对狭窄，使得如何把压滤机运输到井下进行安装成为了必须克服的难题.
(2)由于井下存在瓦斯高等特殊的环境限制，对设备适用性有着比较高的要求.
(3)煤泥水的处理必须经过煤泥沉淀池浓缩澄清，其底流达到一定的浓度才能通过渣浆泵打入隔膜压滤机中进行脱水处理.因此不仅隔膜压滤机和配套系统要有足够的空间，还要修建煤泥沉淀池.足够的操作空间的要求和井下作业空间狭窄的矛盾十分突出.
1.5解决方案
1.5.1压滤空间的布置
经过充分的论证准备，矿方调动技术力量，在主皮带机尾开拓了出了压滤机的安装空间，并选择了一条废弃巷道并进行了拓宽，而后将其两头封住形成沉淀池.煤泥水由一端入料，另一端溢流，类似于选煤厂中的角锥沉淀池.为便于沉淀物的排放和抽取，沉淀池底部从两侧到中部以及入料端到溢流端均有一定的坡度，并采取了严格的支护、加固、防渗等措施，确保煤泥水沉淀池经得起长期浸泡使用.
1.5.2防爆性能设计
为了符合井下的机械设备使用条件，根据矿方的要求，进行了专门的压滤机的整机防爆设计.经过严格的出厂测试，压滤机机体和其配套设备要包括其动力系统、控制系统的防爆性能都达到了井下设备的使用要求。
1.5.3压滤机的运输安装
隔膜压滤机机体和配套系统陆续运输到济三矿.由于体积太大，为了顺利实现其运输安装，双方技术人员讨论决定把主梁切割开分成了2段运输，并将滤板、滤布、电机等配件和配套的液压系统、电控系统也拆分运输到井下.运到工作地点后，将主梁进行焊接并加固，再将各配件分别安装.这样就彻底解决了机体运输安装的难题.由于地面使用的压滤机更换滤板、滤布非常方便，而井下受空间限制，更换滤板、滤布比较困难，所以滤板和滤布的材质比井上要求更高，所有板、滤布材质都是德国进口原料，质量非常过硬，更换频率大大降低.2008年5月底压滤机安装、调试完毕，设备各部分运行正常.
1.6设备选型
1.6.1压滤机的结构和主要技术参数压滤机的生产厂家选择的是莱芜高科矿冶机械制造有限公司，他们有着压滤机设计生产的成熟经验和技术能力.根据要求，他们设计制造了500m2的XSKG型隔膜压滤机。
1.6.2压滤机的工作原理压滤机是在一定压力下进行工作的设备，依靠在入料泵推动下所形成的流体静压力在过滤介质两侧形成压力差来实现物料的固液分离.压滤机开始工作时，在油缸的作用下，活塞杆伸出将所有滤板沿主梁导轨面压紧在压紧板和止推板之间，并提供一定的密封压力，使相邻的滤板之间形成一个个滤室，滤室的中心有一个圆形入料通道.待过滤的料浆通过人料泵的推动作用，从止推板中心的入料孔进入各个滤室，并依靠物料的重力作用进行脱水.当料浆充满所有滤室后，随着人料泵的继续给料，滤室内的压力逐渐增大，料浆借助此压力在滤布(过滤介质)的两侧形成压力差，固体颗粒由于滤布的阻挡被截留在滤室中，滤液则通过毛细作用穿过滤布并通过滤板上的出水孔排出机外，从而实现了待过滤料浆的固液分离.经过一段时间后，滤液流出量明显减少，甚至不再流出，说明滤室已被固体颗粒充满，需要卸除滤饼，有时要在卸除滤饼后对滤布进行清洗，然后再转入下一工作循环.至此，整个过滤过程完成。
2工业性试验
整机投入正常使用.经过两个多月的运行试验，总结出了压滤机运行的主要影响因素.通过检测各项指标，试验结果显示此隔膜压滤机的使用完全达到了设计目的.
2.1影响因素影响压滤机使用效果的主要因素有料浆质量浓度、物料的粒度组成、物料粘度、入料压力、入料流量等，这些因素的变化可对过滤的循环时间、滤饼水分以及单位时间的处理量造成影响.
(1)料浆质量浓度.提高料浆浓度，可以缩短过滤循环的时间，提高设备的处理量.正常情况下，入料质量浓度为400～500g/L，最佳人料质量浓度为600g/L，一般不应低于300g/L.
(2)物料粒度.物料粒度组成是一个客观因素，主要与上工序有关.压滤机推荐物料粒度为0～0.5mm，其中一200网目级别体积分数的多少直接影响压滤机的过滤效果.随着一200网目级别体积分数的增加，压滤机的处理能力降低，滤饼水分升高.物料粒度增大，脱水效果好，处理量提高，滤饼水分低.但粒度过大时，物料沉降速度快，流动性差，容易造成中心人料孔堵塞，滤饼松散，水分增高，卸料困难.
(3)物料粘度.物料的粘度和可压缩性是影响过滤效果的直接因素.物料粘度低，所含颗粒物质为不可压缩时，过滤效果好.当物料粘度增大或所含颗粒为可压缩时，过滤阻力将增大，滤饼透水性降低，此时需增大入料压力，延长过滤时间，而且会导致滤饼水分升高，处理能力下降.
(4)入料压力.入料压力是过滤过程的主要推动力.入料压力越高，过滤所需时间越短，滤饼水分低，处理量大.但入料压力越高，动力消耗越大，同时设备磨损加快.此项目中压滤机的入料压力为0.6MPa以下.
(5)入料流量.入料流量对压滤机的脱水时间有一定的影响.入料流量大，料浆能尽快充满各滤室并建立起过滤压力差，相对缩短了过滤时间.压滤机的人料流量和压力一般应随着压力的不断升高，流量逐渐减少，入料初期应有较大的流量，较小的压力.此压滤机的入料流量为80—120m3/h.2.2工业性试验结论经过对试验进行分析，可以得出以下结论：
(1)循环时间在质量浓度小于400g/L，单循环处理量为为5m3，单循环时间为20min.单循环时间短，每天运行20h，1d处理量最少可达300m3.
(2)单循环时间受入料质量浓度影响，入料质量浓度在小于300g/L时，循环时间不足40min，滤饼水分在20％左右.人料质量浓度越高、压榨风压越高，循环时间就越短、滤饼水分也越低.入料质量浓度在500g/L以上时，循环时间在15rain以下，滤饼水分在19％左右.
(3)滤饼水分受压榨风压影响，压榨风压在4.5kg以上时，滤饼水分一般为18％～20％，压榨风压在4.1kg左右时。滤饼水分一般为22％～24％.滤饼水分可通过增加压榨时间和调整压榨风压来调整，滤饼水分还有降低的空间.
(4)沉淀池的煤泥水经过隔膜压滤机压滤后的煤饼全水是19.7％，压滤机过滤水滤液浊度8.1，悬浮物17mm-g/L，远远低于国家规定的矿井水中悬浮物不得超过100mg/L的一级排放标准.
结语
目前国内许多矿区如大同矿区、焦作矿区、神华矿区都不同程度地受到水煤问题的困扰，XSKG型隔膜压滤机在济宁三号煤矿井下煤泥水处理中的成功应用，对于国内受到类似问题困扰的矿井开展井下煤泥水处理具有示范意义.
(1)XSKG型隔膜压滤机的使用，使得脱水筛筛下煤泥水分大幅度降低，由水煤运输引起的主运输皮带频繁打滑、皮带机尾被水煤压死等影响安全生产的威胁基本上消除.
(2)由于煤中大量水被分离出来，矿井提升的压力至少减轻了6％～8％，显著提高了矿井的生产效率；由于毛煤经过了井下煤水分离，后续的地面选煤厂的洗选压力也得到了一定程度的缓解，相应地也提高了选煤厂的洗选效率.
(3)经过压滤机处理的煤泥水的滤液达到了国家矿井水排放一级标准，可以循环使用，从而省去了大量复杂的矿井水抽提、排放、处理等工序.
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