蓄能反吹卸料过滤器

陈 光，于公满

（机械工业规划研究院有限公司，北京 100089）

0 引言

过滤过程是依靠滤网（滤层）的阻隔作用，实现固液两相流分离的过程。在过滤的过程中，固相物不断的在滤网上沉积形成滤饼，两相流中的液相只有通过滤网和滤饼形成的滤层才能排出。由于滤饼的不断增厚，过滤的阻力会不断的增加，更多细小的固相物会被截留，影响过滤的质量。因此，在过滤的过程中，滤饼形成到一定的厚度时必须适时中止过滤过程，将滤饼除去以保证后续过滤过程的正常进行。

过滤前的液流是固相和液相相混的流体，过滤过程多以离心泵作为过滤的驱动装置，本文利用这个特点，在常规的过滤装置中增加了一个蓄能的空间，利用离心泵在清除滤饼前停泵的瞬间其输出压力高于工作压力的特性，压缩蓄能空间中的气体，并将存贮在蓄能空间中的有压空气作为滤层反吹卸料的动力，不再需要另配反吹卸料动力。该改进减少了过滤系统的配置，简化了操作过程，达到了降低工程造价和降低运行费用的目的。

1 过滤器再生的现状

过滤器是流体运行系统的重要构件，通过固液相分离，达到液体回用的目的。通常，固液相分离可以采用过滤法，例如化学生产过程中晶体的分离，润滑油回用过程中的颗粒物去除等。也可以采用沉降法，例如污水沉淀池中的水-泥分离等。通常由于固相物的颗粒较细，需要的沉降时间较长，因此沉降池的体积均较大，需要花费的时间也较长，相对说来过滤花费的时间短，容易在线处理，配套设备的尺寸也相对较小，因此在常见的固液分离操作中被大量采用。

但过滤需要较大的推动力，进行固液相分离的固液相混合物都具有一定的压力，固液相分离系统是一个压力系统，因此过滤器是一个压力容器。

过滤的原理很简单，见图1。即当固液相混合物通过滤网时，在流体压力的推动下，液体通过滤网流向滤网的另一侧，大于滤网孔径的固相物被滤网阻隔，在滤网上形成滤饼，滤清液则通过滤网和滤饼流出。

图1 过滤的原理图Fig.1 Schematic of filtering

滤液通过滤网和滤饼是需要推动力的，过滤的流程示意见图2。当流体的阻力大于流体的压力时，过滤过程就会中止。为了继续进行过滤过程，需将滤网上形成的滤饼卸下，这个过程称之为过滤再生过程。

图2 过滤流程示意图Fig.2 Schematic of filtering process

通常，过滤器去除滤饼的再生方式有如下几类：

1.1 滤网拆除

将过滤装置拆开，把滤网取出，利用人工的方法将滤饼去除，此方法只能用于滤饼生成量较少，过滤过程间歇较长的工况。并且，由于过滤器是一个受压构件，因此拆卸是一件很麻烦的工作。

1.2 反向冲刷

反向冲刷可以减少拆卸过滤器的麻烦，见图3。当过滤过程停止或者减慢的时候，关闭进液阀1，滤清液排出阀2，起动反吹泵，打开阀门4和滤饼排出阀4，此时，具有一定压力的反吹液通过滤网，将滤饼从滤网上冲落，通过阀门3排出。

图3 滤饼反向冲刷流程图Fig.3 Filter cake backwash flow chart

滤饼被从滤网上冲下后，重新具有了过滤的功能，此时关闭冲洗泵和阀门3、阀门4，滤液重新阀门1进入，从阀门2排出，继续进行过滤操作。为此需要为系统配置专用的反冲水泵和配套的管路。

1.3 压缩空气反吹卸料

为了减少反冲时，排出的滤饼中的水含量，在液相反冲的基础上又提出了气体反冲的方法，即反冲的介质不是液相水，而是压缩空气，见图4。

图4 压缩空气反吹系统流程图Fig.4 Compressed air backflushing system flow

其操作过程和液相反吹卸料相似，当过滤过程变缓后，关闭阀门1和阀门2，打开阀门4通入压缩空气，打开阀门3排出滤饼。

这种操作过程，排出滤饼中携带的水量即为过滤器体中可容纳的水量。为了实现压缩空气反吹的功能，需要单独另配一套压缩空气生成或储存的装置，无疑增加了设备成本和操作上的不便。

1.4 机械刮刀卸料

在一些特定的条件下，例如滤饼比较黏时，反吹的效果不理想，因此有出现了一种机械刮刀卸料的构造，流程见图5。

图5 刮刀卸料的过滤流程图Fig.5 The filtration process of scraper discharge

在过滤器的内筒，安装了一组可以在外边控制的，具有两个自由度动作（回转和上下移动）的刮刀。在滤饼积存到一定量时，通过刮刀的回转和上下移动，即可将粘附在滤网上的滤饼卸下。

这种卸料方式，在卸料时，过滤过程是不间断的，滤饼出现局部短路时，也不影响后续的卸料过程，滤饼的排放可以根据过滤器内部滤饼的积存量来决定，以便减少滤饼中的水含量，为后续的处理过程提供方便。当然，在排出滤饼时，阀门1和阀门2，需要关闭，短时中止功率过程。

这种卸料方式的机械部分过于复杂，造价较高，通常在大尺寸的过滤器上使用。刮刀和滤网之间不可避免的存在间隙，滤饼难以做到完全去除。

由于过滤过程是滤饼不断积累的过程，随着滤饼的积存量的增加，流体流通的阻力也会逐步加大，当滤饼的积存量达到一定的程度时，造成流体流通的阻力过大，过滤过程就将无法持续进行下去。及时清除在滤网积存的滤饼，是维持过滤过程持续进行的必要的措施。滤饼的去除，目前实际使用的只有反吹法和刮削法两类。

根据实际使用需求上的差异，上述清除滤饼的方法，都有不同的适用场合。但以上这些方法，在操作便利性、构造配置、设备成本、运行费用等方面都有进一步改进的余地。

2 自蓄能反吹过滤器的提出

这是一种对反吹法的改进构造，见图6。此处图示的过滤器和图2所示的过滤器相比，在过滤器本体部分完全相同，但在原有的过滤器外部增加了一个空气压缩蓄能套。

图6 自蓄能反吹过滤器Fig.6 Self-storage backflush filter

正常的过滤过程和原示的过滤器完全相同，即过滤液从阀门1进入，在压力的推动下，通过滤网，形成滤饼，滤清液经过过滤器本体和蓄能套之间的连通孔，从阀门2排出。空气压缩蓄能套中的空气是在过滤器使用前，打开阀门3及阀门4后，自然进入的，过滤器开始工作后，即关闭此两个阀门，使进入的空气封闭在过滤器的内部。由于在过滤器使用前，阀门1必定是关闭的，设置阀门4，可以使气体能够迅速的充满过滤器的内部空间。

过滤器工作后，图中深色的部分是被液体充满的，补入的压缩空气积存在粉色的空间内，此时整个过滤系统内部的压力为泵的工作压力P1，当然在滤饼的前后存在着压差，其数值为推动流体通过滤网和滤饼时形成的阻力。当过滤过程进行到一定时间后，由于滤饼的厚度加大，流体运行阻力增加，滤饼前后的压差增加，影响到功率过程的进行，则需要对已形成的滤饼进行去除。

为此，首先关闭阀门2，则系统的流量将降为0，离心泵的压力将会增加到其最大的压力P2，则整个过滤系统的内部的压力也将达到P2，即此时被封闭在封闭空间的空气的压力也会达到P2。

图7为离心泵典型的特性曲线，从图可知，对应泵的特性，正常的工作流量应该在90m3/h附近，对应的工作压力为0.2MPa，当流量为0时，泵的压力将为0.25MPa，即蓄能套中的气体压力，高于工作时，形成滤饼时的压力，有利于滤饼的脱落。

图7 典型离心泵特性曲线Fig.7 Typical centrifugal pump characteristic curve

然后，打开阀门3，则滤网内部的压力迅速的减为与外部的大气压相同，从而在滤网，滤层的内外形成压力差P2-P0，在这个压力的驱动下，在过滤器内部留存的滤清液将反向从滤网流入滤饼一侧，由于在一个封闭的系统内部，各处的静压力是相等的，因此，在滤网两侧各处的压力差也是相等的，滤清液的反向流动是在整个滤网的各处同时发生，从而将滤饼从滤网上清除，并通过阀门3，排至过滤器的外部。

由于在反吹前，充分利用了离心泵的特点，提高了蓄能的压力，从而提高了反吹流体的流速，提高了反吹卸料的效果。内部储存的压缩空气是可压缩性的，因此当滤饼从阀门3排出，并不能使系统内滤网背面的压力在瞬时减低为P0。在气体膨胀的过程中，推动过滤器内部的液体携带着滤饼继续排出，直至内部液体排净，压差为0时，完成一次滤饼的清理过程。

这种过滤器的工作循环：过滤-蓄能-排渣-过滤，依次进行，在不同的状态下，阀门的启闭和在状态转换的过程中阀门的启闭顺序见表1。

表1 阀门开闭顺序表Tab.1 Valve opening and closing sequence table

从拟定的操作程序可知，在排渣完成后，整个过滤器内部是被空气充满的，重新进入功率过程时，先关闭阀门3，在过滤器内部即形成了一个密闭的空间，在开启阀门2，即接通了滤清液对外的通道，此时再开启阀门1，过滤过程即可重新进行。

由于滤饼的排出是塌落状态，而不是流体输送状态，见图8。因此，蓄能套中压缩空气的作用，只是通过压缩空气膨胀的过程中形成的推力，将滤饼从滤网上脱离后，此后滤饼即可靠自重与外排流体共同排至过滤器外。因此可知，这种卸料方式，并不需要压缩空气具有持续的作用效果，较少的压缩空气需求量，可减少对需能套空间的需求。

在内部液体完全排除时，整个过滤器内部，即完全被空气充满，重新起动过滤过程，空气依旧可以被封闭到蓄能套内；但如果内部流体没有被完全清除，即开始下一个过滤过程，则内部存留的空气没有外泄，在经过蓄能后，依旧可以完成下一次去除滤饼的操作。

依照此技术对现有的过滤器进行改造结构简单，易于推广。例如，对现在常用的过滤器，按图8的办法进行改造，将原接反向卸料动力的接口，换接一个密闭的蓄能构造，即可具有蓄能反吹的功能，见图9。

图9 现有过滤装置改造示意图Fig.9 The modification of the existing filter device

3 结束语

自蓄能反吹过滤器的过滤原理与卸料方式与同类反吹卸料式过滤器完全相同，但反吹卸料的动力不再是外配的压缩机站，而是巧妙地利用了离心泵的特性，在关闭输出管路的同时，为蓄能套中的空气建立起较高的压力。

通过蓄能套内存储的压缩空气，完成过滤器的反吹卸料过程。通过阀门开启的变换，即可实现过滤系统过滤过程和卸料过程的自动操作。

增加的压缩空气蓄能套，完全没有传动件，在简化设备配置，降低工程造价，降低运行费用方面具有明显的效果。