1 臥螺離心機
LW760×3120NS型臥螺離心機是中國神華鄂爾多斯煤制油分公司35萬噸/年煤液化殘渣萃取工業(yè)化示范裝置建設及運行項目關鍵設備之一，用于油渣萃取液分離。針對油渣萃取液溫度高、黏度大、含有高比例磨蝕性顆粒等特點，參考神華煤制油上海研究院中試離心機裝置的運行數據，特別設計了該套大長徑比的LW760×3120NS型臥螺離心機。
LW760×3120NS型號的意義：LW代表臥式螺旋離心機，轉鼓直徑760mm，轉鼓工作長度3120mm，長徑比4.1，NS代表雙電機結構。物料溫度120℃，萃取液含固質量分數12.2%，單臺處理量23.2t/h，液相含固質量分數≤4.3%，干相出料含液質量分數≤35%，主電機功率132kW，輔電機功率55kW。
2 離心機結構
2.1 主要部件
LW760×3120NS臥螺離心機為大頭進料離心機，整套機器由罩殼、轉鼓、螺旋、軸承座、機架、主輔電機、差速器、進料管、減振器等部件組成。從差速器端方向看，離心機為逆時針方向轉動；清液出口位于轉鼓大頭下方，固相出口位于轉鼓小頭下方。離心機的核心部件轉鼓和螺旋筒身采用2205雙相不銹鋼制造，均由離心澆鑄完成，轉鼓直徑760mm，轉鼓出渣口噴涂碳化鎢耐磨合金涂層，有效防止固相出口磨損。螺旋葉片由機械一次性壓制成型，葉片邊緣鑲嵌可更換碳化鎢合金耐磨塊，確保螺旋長時間高速旋轉的推料效果。離心機主軸承座為循環(huán)水冷軸承座結構，為確保軸承座承受高轉速帶來的動載荷。差速器采用漸開線行星齒輪傳動差速器，該差速器具有承載能力高、直徑小、傳動效率高、差速比范圍大等優(yōu)點，適合較大功率和較大扭矩的離心機。
2.2 工作原理
來自煤液化的油渣經洗油按照一定比例混合后，形成懸浮液經進料管、螺旋出料口進入轉鼓內側。在轉鼓的高速旋轉下產生離心力場形成固液分離，比重較大的固相顆粒沉積在轉鼓內壁上，與轉鼓作相對運動的螺旋葉片，不斷地將沉積在轉鼓內壁上的固相顆粒刮下并推出排渣口。分離后的清液或懸浮物經分離葉片進一步澄清，由轉鼓溢流孔、液相收集罩殼排出。螺旋與轉鼓之間的相對運動靠差速器來實現。差速器的外殼與轉鼓相連，輸出軸與螺旋相連。主電機帶動轉鼓旋轉的同時也帶動差速器外殼旋轉，差速器由多級行星輪組成，輸入軸由輔電機控制，輔電機驅動行星輪帶動輸出軸旋轉，并按一定的速比將扭矩傳遞給螺旋，使螺旋與轉鼓之間發(fā)生相對運動，進而實現離心機對物料的連續(xù)分離過程。
3 主要參數選擇
根據萃取液的物料特性、分離后液相與固相的含固要求及處理能力等因素，選擇合適的處理量、離心力場所需的轉速、清液的排出量、轉鼓與螺旋的差轉速等至關重要。
3.1 離心力場
離心機的離心力場靠轉鼓的轉速形成，隨著轉鼓轉速的升高，分離因數上升，固液分離效果提高。為增加處理能力，需要不斷提高差轉速，使分離后的物料盡快脫離機器，同時不可避免地會出現電流、振動、噪聲等，并且不是轉速越高越好，需要根據物料特性選擇，分離太干易發(fā)生堵料、死機等風險。此機型轉鼓設計轉速為2200r/min，根據實驗數據工作轉速建議選用在1400～2000r/min。
3.2 處理量
進料流量小，料液在轉鼓內的軸向流速小，物料在機器內停留時間長、分離效果提高；進料流量大，軸向流速也大，物料在機器內停留時間短，分離效果下降；進料流量還受到螺旋排渣能力的限制。當物料含固量較高，進料量過大時，會造成分離后的沉渣因不能及時排出而引起轉鼓堵料，影響分離，極端狀態(tài)甚至不能分離，造成機器堵料故障。因此在使用本機器時，應按物料的特性選擇適當的進料量，一般可在各種流量和濃度下進行分離效果比較，確定較佳的進料流量。
3.3 清液排放口
清液排放口在轉鼓大端，設有對稱的6～8個口，每個口都有溢流板調節(jié)清液排放口的大小，根據清液的含固量調整。溢流板能改變轉鼓沉降區(qū)和干燥區(qū)的有效長度，溢流板直徑大，排放口則小，沉降區(qū)增大，干燥區(qū)減少，轉鼓的液池深度增加，分離后液相中含固量降低，但因固相沉渣的含濕量增加，反之相反。在實際使用時應根據分離要求綜合考慮，經操作試驗后選用合適的溢流板直徑。
3.4 轉鼓與螺旋的差轉速
離心機差轉速是轉鼓與螺旋的相對運動速度：差轉速小，螺旋相對轉鼓的運動速度慢，螺旋對流體擾動小，分離效果變好，固相沉渣在干燥區(qū)的停留時間長，固相含濕量減少。但固相排渣能力下降，負荷低，易產生堵料。反之差轉速大，螺旋對流體擾動加大，螺旋相對轉鼓速度快，分離效果變差，固相沉渣在轉鼓中停留時間減少，固相沉渣的含濕量會增大，但固相排渣能力增加，負荷高。差轉速一般是根據物料含固量多少、物料特性、分離要求、處理能力等因素確定。差轉速的調整可通過變頻器實現，用在油渣萃取的此型離心機差轉速的范圍在35～40r/min。
3.5 物料特性
物料特性與離心機的分離因數有很大關系：物料中固相離子越大，則越易分離，反之相反；液固兩相的重度差越大，則分離越容易。懸浮液的黏度越小則越易分離，反之則難分離。為了提高分離效果可適當提高物料進料溫度或采用絮凝方法，提高溫度可以降低黏度以改善分離條件，增加絮凝劑可加快自由沉降速度，以達到預先處理的目的。
4 實際運行過程中存在的問題及解決辦法
4.1 離心機進料管與螺旋間泄漏
（1）原因分析。進料管與螺旋軸套間有約1cm的間隙沒有設置密封隔斷，導致螺旋內120℃的熱萃取液大量外泄，引起環(huán)境污染，危及人員和設備安全。
（2）材料選擇。聚四氟乙烯（PTFE）在-196～260℃的較廣溫度范圍內均能保持優(yōu)良的力學性能。全氟碳高分子的特點之一是在低溫下不變脆，完全能適應北方寒冷氣候及介質的高溫特點。它的自潤滑性又能保證即使與螺旋有摩擦也不會損壞設備；它的表面不粘性及抗酸抗堿性、抗各種有機溶劑的特點。完全可以避免黏稠的瀝青及洗油粘接和腐蝕；其獨特的耐大氣老化性，即使長期暴露于大氣中，表面性能仍保持不變。同時，PTFE具有良好的熱膨脹系數。
（3）密封結構設計。進料管與螺旋軸套內徑間有約1cm間隙，進料管與螺旋軸套外端面間約有2cm間隙，考慮到現場實際間隙及物料特性，在進料管與螺旋軸套之間增加1個迷宮密封套，但需要保證迷宮套有穩(wěn)定氣體保護，利用氮氣保護形成穩(wěn)定氣膜阻擋內部氣體外泄。因間隙有限，在制作迷宮密封套時，將氣體注入口對稱設置在迷宮密封凸臺上，并向內延伸至進料管外壁，然后在迷宮密封套內側挖出深1.5mm、寬5mm、長66mm的條形淺槽后，再沿軸向摳出寬5mm、深1.5mm的環(huán)形槽，均布4～6個直徑為4mm的孔。氣體通過環(huán)形槽孔進入迷宮密封套與螺旋軸套之間；迷宮密封套外側的迷宮槽設計有一定的旋向及臺高差，使凸臺高度由外向內逐級遞減，這樣氣體從中間的環(huán)形槽出來后，絕大多數延旋向進入到螺旋內。一小部分氣體存在于靠外側迷宮槽內，因迷宮槽的凸臺呈逐級遞減的，所以向外的氣體會逐級減壓至幾乎壓力為零。整個迷宮密封套總長設計為120～140mm，因迷宮密封單邊薄處只有5.75mm，所以太長易造成安裝損壞，太短會使氣流行程不足，影響密封效果。
（4）安裝要求。設計時考慮到四氟乙烯的可塑性及自潤滑性，密封套與進料管采用過盈配合以增加摩擦力，防止運行過程中因機器振動導致松動；迷宮密封套與進料管安裝時，需要將其放入開水中浸泡20～30min，待其熱脹后快速套在進料管指定位置，等徹底冷卻后再回裝至機器上。進料管采用懸臂式固定，進料管長1500mm，迷宮密封套與螺旋軸套間隙小至1mm，大至2.5mm，對同心度要求極高，安裝時既要保證同心，還要考慮迷宮密封套與螺旋軸套內圈間隙均勻，防止機器振動時損壞迷宮密封套。
4.2 離心機轉鼓與罩殼前后端密封面漏油氣
（1）原因分析。神華鄂爾多斯煤制油油渣萃取項目的核心設備LW760×3120NS型臥螺離心機。在正壓3kPa環(huán)境下運行，因轉鼓與罩殼之間密封間隙大，往外泄漏高溫油氣。原轉鼓與罩殼之間設置了2道軸向剖分式迷宮槽，槽深5mm，迷宮槽與軸之間存在2mm間隙，密封氮氣沿罩殼頂部進氣。當投用密封氮氣后，迷宮槽淺，間隙大，導致大量的氣體沿上部迷宮槽與軸的間隙逃逸，下部迷宮槽幾乎沒有氣體通過，不能形成密閉氣環(huán)或氣膜，無法達到密封的效果。借助轉鼓與罩殼間的現有空間布局，設計合適的密封裝置，能有效阻隔高溫油氣外泄，依據洗油及油渣的特性、溫度、設備振動及材料等因素，材料選擇和密封結構設計的工作尤為重要。
（2）材料選擇。主介質是洗油，需選用一種既耐高溫、耐油，又有力學性能的材料?？紤]當設備操作不當時，堵料會使振動增加等特點，用聚四氟乙烯既耐高溫、耐油，又有一定的力學性能，可以滿足需要。
（3）迷宮密封設計。罩殼由上下兩部分組成，為方便維修及安裝，密封形式選用軸向剖分式較為合適。采用剖分式迷宮密封環(huán)，首先根據軸徑尺寸確定內徑，配合間隙控制在0.1mm之內。因軸上設有2道擋環(huán)、擋環(huán)高10mm、寬3mm、擋環(huán)間距10mm，所以迷宮槽深設置12mm、槽寬8mm、槽臺厚5mm、槽間距至少13mm，且軸受熱會延伸8～10mm。迷宮密封外徑的尺寸受上下罩殼的限位槽限制固定不變，上下兩半迷宮密封槽銜接部位設置誘導柱銷，避免安裝時錯位。
（4）氣道設計?？紤]到罩殼內部壓力及迷宮槽與軸之間的配合。由外到內設置3道迷宮密封槽，密封氮氣進氣口設置側面錯位進氣，在上下兩半迷宮密封的端面各設置1道進氣口，上部進氣口深入到一級迷宮槽內，使一級迷宮槽形成氣環(huán)或氣膜。下部進氣口直接深入到二級迷宮槽內，使氣體在徑向沿迷宮槽形成氣環(huán)或氣膜；兩級氣膜如果有一級受到破壞，另一級及時補充，使內部的油氣封閉在罩殼內隨介質一起排出。在三級迷宮槽的槽底部設有排氣孔其側面設有兩道軸向迷宮槽，側面的軸向迷宮槽與轉鼓擋液板相貼合，二級的密封氣穿過軸向密封槽與轉鼓擋液板形成一定的氣膜。密封氮氣沿排氣孔源源不斷流向罩殼內，形成穩(wěn)定的動態(tài)氣膜或氣環(huán)。
（5）安裝要求。設計好密封形式并制作樣件現場調試：在迷宮密封環(huán)上涂抹紅丹，將轉子落在軸承座上把緊，盤車后吊起轉子檢查貼合度，如果有高點則手工研磨，研磨后再次進行盤車檢查貼合度，直到完全貼合。通過塞尺、壓鉛絲或壓醫(yī)用膠帶等手段，將間隙控制在0.1～0.2mm。
4.3 避免離心機堵料的措施
離心機原設計值：原液含固質量分數10%～12%，溫度110～120℃。離心機分離效果目標是：液相含固質量分數＜4.3%，固相含固質量分數＞65%。
（1）輔電機正接。差轉速計算式：（主-輔）×0.8。閥位24%，轉鼓28Hz，螺旋8Hz，差速16r/min，運行102min堵料，停止進料，高溫油沖洗后正常備用。
（2）輔電機反接。差轉速計算式：（主+輔）×0.8。閥位24%，轉鼓20～27Hz，螺旋8Hz，差速22.4～28r/min，運行31h未堵料，分離效果不明顯。
（3）輔電機反接，閥位24%不變。轉鼓28～31Hz，螺旋10～13Hz，差速29.6～35.2r/min，運行24h未堵料，原液含固質量分數11.65%～10.84%，清液含固質量分數4.53%～5.7%，逐漸有分離效果。
（4）輔電機反接，轉鼓31Hz，螺旋13Hz，差速35.2r/min不變。閥位由24%逐漸開至40%，已經滿負荷運行，連續(xù)運行36h，原液含固質量分數10.5%左右，清液含固質量分數4.54%～4.16%，基本達到分離效果。
通過數據對比分析，在原設定的差速范圍內無法實現固液的有效分離。在離心場形成的情況下，如果差轉速偏小，螺旋推動速度滯后，就會導致后續(xù)的沉積物料增多，引起螺旋電流的快速上升，同時機組的振動也在升高，出現堵料跡象。采取的有效辦法是增加差速，通過輔電機調相使電機反向輸出。依據（主+輔）×0.8設計計算式，通過差速器實現螺旋增速，在離心場形成的情況下，靠螺旋的快速推動不斷推出分離的物料，實現連續(xù)穩(wěn)定生產的目的。
5 改造效果
通過以上的改造優(yōu)化，設備安全穩(wěn)定地達到性能考核指標，實現滿負荷運行。離心機的穩(wěn)定運行為整個油渣項目穩(wěn)步有序推進奠定基礎，通過優(yōu)化改造和提高操作水平，使大長徑比臥螺離心機在油渣萃取應用中得到很好的驗證。
