卧式螺旋卸料沉降离心机简称卧螺离心机，是国际上20世纪50年代出现的分离机械。具有连续操作、处理量大、单位产量耗电量低、适应性强等特点。影响离心机运行及处理效果的因素有很多。首先有离心机机械因素，如转速、转速差、转鼓长径比、半锥角、螺旋叶片以及螺旋类型等。其次还有工艺及系统设计因素，如污泥性质与预处理方法、配套辅助设备、脱水系统中离心机备用率等。这两类因素都直接或间接地影响着污泥的离心脱水效果及处理能力。另外，对于使用方来说，离心机不仅要脱水效果好、处理能力高，还要运行维修方便经济，因此离心机选型还要考虑离心机的易损件的耐磨性、主要部件的维修便捷、能耗指标等方面内容。

1 卧螺离心机工作原理及结构简介

卧螺离心机是采用离心沉降法来分离悬浮液的机器，它将细小颗粒（粒径d≤5μm）的悬浮液经过固液分离，使悬浮液变为相对干净的液体和固体状泥渣。其分离原理是利用固液两相的密度差，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。卧螺离心机主要由转鼓、螺旋、差速系统、液位挡板、驱动系统及控制系统等组成。

卧螺离心机分离过程为：污泥和絮凝剂药液经入口管道被送入转鼓内混合腔。转鼓前方设计有一个锥段，根据物料性质的不同，物料在转鼓内壁以设计速度高速旋转，沿着转鼓壳体形成一个同心液层，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至转鼓锥端，上清液则从转鼓大端排出，实现固液分离。在机壳内，转鼓和螺旋输送器由两个同心轴承相连接，主电动机通过V带轮带动转鼓旋转，转鼓通过左轴承处的空心轴与差速器的外壳相连接，差速器的输出轴带动螺旋输送器与转鼓同向转动，但转速不同。

2 与卧螺离心机脱水效果有关的因素

转鼓转速、污泥投配速率与停留时间是影响污泥脱水效果的主要因素，即脱水后的污泥含水率是分离因数和时间的函数。当离心时间恒定时，污泥含水率是分离因数的函数，污泥含水率随分离因数增大而变小。

2.1 分离因数及转速

2.1.1 分离因数

分离因数的含义：在同一萃取体系内两种溶质在同样条件下分配系数的比值。分离因数愈大，说明两种溶质分离效果愈好。分离因数等于1，这两种溶质就分不开了。

卧螺离心机是利用固液两相的密度差，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。在澄清过程中，悬浮固体受到离心力以及与此相反的浮力和流动阻力的作用，而澄清速度是上述各个力综合作用的结果。衡量离心分离机分离性能的重要指标是分离因数（相对离心力），它表示被分离物料在转鼓内所受的离心力与其重力的比值，即实际离心力转化为重力加速度的倍数。分离因数越大，通常分离也越迅速，分离效果越好。

分离因数与转鼓转速的平方成正比，转速越高，分离因数越大，离心机的分离效果越好。因此，对固体颗粒小、液体粘度大的和难分离的悬浮液或乳浊液，要采用分离因数大（转速高或直径较大）的离心机。需要指出的是，分离因数不是卧螺离心机分离能力的唯一决定性参数，而是理想条件下计算出的理论值，所以分离因数相同的不同卧螺离心机，在不同的实际应用中会有很大差别。

2.1.2 转鼓转速

要提高离心机的分离因数，通常提高转速的办法比增加转鼓直径的方法更为直接有效（修改转鼓直径要修改一系列与之有关的配件尺寸），所以提高转速的方法在实际的应用中相对更容易操作一些。但是分离因数的提高是有限度的，其极限值取决于转鼓材料的强度和密度。另外转速过高，也会使得固相出料过于坚硬而堵塞螺旋，需要经常停机清洗，影响离心机的运转。

总之，转鼓转速越高，则脱水效果越好，但是，高转速对材料的要求高，机械的磨损亦增大。所以在满足使用要求时，尽可能采用较低转速。一般地，大直径离心机转速都较低，分离因数也低，而一些小规格的离心机转速高，分离因数高。

2.2 转速差、扭矩和差速器

转速差是转鼓与螺旋输送器的绝对转速之差。转速差大，输渣量大，但也带来转鼓内流体搅动量大，污泥停留时间短，分离液中含固量增加，出泥湿度增大的问题。转差太小，会使螺旋的输渣量降低，同时差速器的扭矩会明显增大（通常卧螺离心机的推料扭矩在3400～3500N·m）。所以，当分离易分离的物料时，转速差可适当大些；当分离难分离物料时（如市政污泥，转速差以5～20r/min为宜）。通常要实现离心高干度脱水，可通过两个途径获得：

（1）提高转鼓转速来加大分离因数。但高转速带来高功耗、高噪音和高磨损，并会降低絮凝剂效率。

（2）减少转鼓与螺旋输送器之间的转速差。但降低转速差会增大输送器的推料扭矩。

差速器：差速器是卧螺离心机中最复杂、最重要的部件，其性能高低、制造质量等决定了整台离心机的正常运行。差速器结构形式很多，有机械式、液压式、电磁式（已渐被淘汰）。目前卧螺离心机差速器已经由原来不可调速的机械差速器发展为可调速的双驱动机械差速器（简称双电机型）。目前卧螺离心机最常用的是双电机型和液压型。差速器类型不同，离心机的驱动方式也不同，因此对差速器类型的选择决定了离心机驱动方式的选择。

2.3 转鼓长径比

转鼓直径越大，有效长度越长，其有效沉降面积越大，处理能力也越大，物料在转鼓内的停留时间也越长，在相同的转速下，其分离因数就越大，分离效果越好。但受到材料的限制，离心机的转鼓直径不可能无限制地增加，因为随着直径的增加可允许的最大速度会随材料坚固性的降低而降低，从而离心力也相应降低。通常转鼓直径在200～1000mm，长径比在3～4。据了解，对于市政污水处理行业用的离心机，目前国外离心机厂家最大长径比可为4.8，但较多的机型长径比多为4；国内离心机厂家最大长径比可为4.4，但大多数机型长径比在4.2～4.4。现在卧螺离心机的发展有倾向于高转速大长径比的趋势，这种设备更加能够适应低浓度污泥的处理，泥饼干度更好。

另外，在相同处理量的情况下，大转鼓直径的离心机可以以较低的转速差运行，原因是大转鼓直径的螺旋输渣能力较大，要达到相同的输渣能力，小转鼓直径的离心机必须靠提高转速差来实现。

2.4 转鼓半锥角

转鼓半锥角是指转鼓锥体部分母线与轴线之间的夹角。锥角大，沉渣在干燥区所受到的离心压力大，有利于沉渣脱水，所以，对于粗粒子、高浓度物料的脱水，转鼓的锥角可以大些。锥角大，虽然有利于固相脱水，但螺旋的推料功率会增大，螺旋的叶片磨损速率会增加。转鼓半锥角是离心机设计中较为重要的参数。从澄清效果来讲，要求锥角尽可能大一些。而从输渣和脱水效果来讲，要求锥角尽可能小些。由于输渣是离心机正常工作的必要条件，因此最佳设计必须首先满足输渣条件。对于难分离的物料如活性污泥半锥角一般在6°以内，以便降低沉渣的回流速度。对一般物料半锥角在10°以内就能保证沉渣的顺利输送。

2.5 溢流内径

溢流半径小，机内液池深，有利于固相粒子沉降，但过小的溢流内径使得沉降区增加，致使干燥区长度减小，沉渣在干燥区停留时间缩短，沉渣含湿量增加。所以溢流口内径改变需根据工艺综合考虑。

2.6 螺旋叶片及类型

螺旋叶片是离心机主要构件，作用是输送沉降的固体并顺利排渣，它不仅是卸料装置，也决定设备的生产能力、使用寿命和分离效果。螺旋叶片可以是单头、双头，也可以是多头。当螺旋头数增加，输渣效率增加，但会增加对沉降区流体的扰动，从而使得分离液含固量增加。卧螺离心机大多数采用单头螺旋。螺旋类型根据液体和固体在转鼓内相对移动的方式不同，分为逆流式和顺流式。

逆流式离心机的加料腔在螺旋中部，也就是位于干燥区和沉降区之间的边界附近，以保证液相有足够的沉降距离，但固相仅能停留其通过圆锥部位所需的时间，因此要求有较高的离心力。

顺流式离心机由于进料口在转鼓端部，避免了逆流式的湍流，保证沉渣不受干扰，离心机全长都起到了沉降作用，悬浮液在机内停留时间增长，从而使分离效果得到提高。由于沉降时间延长和没有干扰，可有效地减少絮凝剂的使用量，使机内流体的流动状态得到了很大改善，并且可加大转鼓直径来提高离心力，因此转速可显著降低，节省电力消耗，同时减少噪音，延长机器的寿命。顺流式螺旋结构的离心机特别适用于固液密度差小，固相沉降性能差，固相含量低的难分离物料。但顺流式离心机的滤液是靠撇液管排出，滤液通过撇液管时未分离出的固相颗粒会再分离而沉积在撇液管内，日久会堵塞撇液管通道，需定期冲洗。

2.7 液环层厚度

液环层厚度是工艺优化的一个重要参数，直接影响离心机的有效沉降容积和干燥区长度。一般是停机状态下通过手动调节液位挡板的高低来实现，调整时必须确保各个液位挡板的高低一致，否则会导致离心机运行时剧烈振动，也有部分国外厂商可以实现液环层厚度的自动调节。液环层厚度增加，沉降面积增大，物料在机内停留时间也相应增加，其结果是滤液质量提高，但同时机内的干燥区长度缩短，导致泥饼干度降低；相反，减少液环层厚度可获得较高的泥饼含固率，但要以牺牲滤液质量为代价。因此应合理地调节液位挡板的高低使泥饼干度与滤液质量达到最佳组合。

3 与卧螺离心机处理能力有关的因素

卧螺离心机实际处理能力与铭牌标称处理能力并不完全一致，其实际处理能力与进泥含水率、污泥性质以及污水处理工艺有关。因此，除了上文所述运用技术参数考虑卧螺离心机的选型外，对整套系统而言，要确定污泥总处理量、离心机总台数以及离心机备用率等。确定这些问题，需要考虑以下因素。

3.1 含水率

卧螺离心机处理能力与进泥含水率有关。不同的污泥有不同的特性，含水率差异很大。污泥中的水分存在三种形式：游离水、毛细水、内部水，而通常情况下污泥浓缩或离心脱水主要是去掉游离水的一部分，对于毛细水及内部水主要通过物理方法分离及干化分离。污泥处理工艺中二沉池的污泥（剩余污泥或消化污泥）比初沉池的污泥挥发性固体含量偏低，有机物成分高，污泥中的毛细水和内部水多，含水率高且不易离心脱除。另外根据污泥体积、相对密度与含水率的关系：当污泥含水率由99%降到98%，由97%降到94%，或由95%降到90%，其污泥体积均能减少一半。

3.2 干固体负荷

离心机处理能力包括离心机的干固体负荷和水力负荷。固体负荷数直接和厂家的离心机型号挂钩。干固体负荷是指每小时处理的不挥发固体（干污泥，DS）质量，以kgDS/h表示。水力负荷指进入离心机的污泥流量，以m³/h表示，它与离心机进泥浓度（MLSS，kg/m³）的乘积即为干固体负荷。在实际运行中，必须通过调整水力负荷来保证进入离心机干固体负荷不超过离心机的最大承受能力，否则多余的干固体负荷将从上清液中排出，上清液的悬浮物会急剧增多，并增加离心机电机的负荷。

由于初沉池污泥的浓度高（35g/L），离心机的干固体负荷可以达405kgDS/h，二沉池污泥因没有污泥浓缩池，进泥浓度低（7.5g/L），干固体负荷只能达到85～120kgDS/h，离心机几乎等于空转，单位时间内的处理能力大大降低，而且运行时必须增加PAM的投加量，才能取得良好的脱水效果。与污泥处理工艺有关的污泥含水率高低关系到离心机处理能力大小，因此确定离心机处理能力时，还要重点考虑污水处理厂的污泥处理工艺，是否已经设置污泥浓缩环节，以及离心机进料含水率的变化情况。故对于低浓度的污泥，如二沉池未浓缩污泥最好经过浓缩处理（如浓缩机浓缩后处理），或者与高浓度污泥（如一沉池污泥）混合后进行脱水处理。

离心机的污泥处理能力中的水力负荷与污水处理厂总处理规模关联，而干固体负荷与污泥处理工艺、污泥进泥浓度关联。在确定离心机处理能力时都应重点考虑以上关联因素。因此，确定离心机处理能力时要综合考虑以下几点：

（1）必须保证离心机具有较高的进泥浓度。

（2）在正常污泥浓度情况下，应保证最大处理干固体负荷在设备厂商标定的设备理论负荷的70%～90%为宜。

（3）要避免设备利用率过低（如果进入离心机的干固体负荷小于离心机的最大承受能力的70%，离心机几乎等于空转，处理量相对降低），同时也要避免离心机长期在高负荷下运转而造成设备损耗加快，维护周期缩短。

4 与运营维护有关的因素

卧螺离心机选择是否得当，除了考虑与脱泥效果、处理能力有关的技术因素外，还要考虑与运营维护管理有关的因素。离心机在污水处理厂投入运行后，电耗、药耗、配件备件采购费、维护费用等也是衡量离心机综合使用情况优劣的重要指标。对使用方来说，运营费用、维修费用、配件备件采购成本、维护维修及时性等都是需要密切关心的内容。

4.1 能耗

关于卧螺离心机的能耗研究：卧螺离心机由于螺旋的存在，使其转鼓内部的流体动力学特性十分复杂，因此影响其能耗的因素的多方面的。卧螺离心机所消耗的功率包括正常启动所需要的功率和正常运转所需要的功率，其数值大小与操作方式及具体结构形式有关。正常启动所需要的功率主要是指启动转鼓所需要的功率；正常运转所需要的功率主要指启动物料达到操作转速所需要的功率、克服支撑轴承摩擦所需的功率、克服转鼓以及物料与空气摩擦所需要的功率、卸料所需要的功率等几个方面。卧螺离心机的能耗研究，涉及到离心机流场结构的改变对离心机分离性能的系统影响，必须从功率消耗的特点、结构形式和传动方式进行深入研究。

目前，对卧螺离心机能耗的研究仅停留在一些流动机理的定性研究上，还缺乏深入的定量研究。在卧螺离心机选型中，关于机械差速器离心机和液压差速器离心机能耗孰高孰低问题，不同的厂家因为所处立场不同，说法莫衷一是。根据国内有关资料的研究结论来看，到目前为止，对卧螺离心机消耗功率的研究，尚未获得系统的研究结果。因此，厂家提供的不同类型卧螺离心机能耗的比较经验，其研究分析数据仅居于对启动功率的比较基础上，不能涵盖实际所消耗的全部功率。

4.2 维修维护

4.2.1 主要部件——差速器的修复

差速器是卧螺离心机的重要部件，也是维修费用最高的部件。根据差速器的修复情况，有如下经验可供卧螺离心机选型时参考。

4.2.1.1 机械差速器

（1）常规保养的内容：

①定期更换输入、输出轴的轴承。

②齿轮箱内部清洁。

③偏心轴承检查，如有必要，则需更换。通常，如果保养得当，偏心轴承的使用寿命要长得多。

④齿轮盘、偏心轴、针轮、输入/输出轴与壳体探伤检测和表面磨损情况检查。

（2）造成齿轮箱损坏的原因分析：

①润滑不当，没有按时加油（油脂润滑）。

②没有按时更换油。

③轴封损坏，造成齿轮箱进水或进杂质。

④排渣口堵塞，引起脱水机扭矩冲击过大。

⑤长期停机，没有对脱水机进行必要的防腐维护，造成轴承、齿轮盘等部件锈蚀。

总的来说，其使用寿命约16000h，大小齿轮箱的常规保养费用大约10万元人民币，厂家维修时间2～4周。

4.2.1.2 液压差速器

（1）进口设备。德国HILLER、英国CENTPIQUIP、瑞典NOXON等都推出了液压驱动技术，这些公司的离心机是各公司自己生产的，液压差速器是从VISCOTHERM公司采购的。目前国产离心机如上海离心机研究所用差速器也是VISCOTHERM品牌，该类液压差速器在整个国际上有上千台在使用，在国内约有30台在使用，故障率低。进口液压差速器转速在3000r/min以下时，理论使用寿命20000h。但是一旦损坏修理和更换的价格较高（约30万元人民币），维修周期较长（6个月以上），通常离心机厂家有备货。

（2）国产设备。国产液压差速器故障率比进口设备（VISCOTHERM）高，转速在3000r/min以下时理论使用寿命5000h。国产差速器必须在需要高速分离才能达到分离的情况下使用。其损坏表现：

①液压马达定期更换。

②液压马达磨损和密封损坏。差速器采购成本是进口液压差速器的约1/10，维修费用也低，厂家维修时间约3～4周。以上比较选取了转鼓直径为530mm的离心机，转速3000r/min，分离因数2650，以96%进料污泥含水率计，单机处理能力40m³/h，脱水后泥饼含固率≥25%。

4.2.2 螺旋的磨损及修复

离心机的叶片（尤其是叶片的外部边缘）是离心机应力最集中的地方，也是最易磨损的部件。尤其是当进泥物料中泥沙含量大（如罗芳污水处理厂），沉渣与螺旋叶片的摩擦力大于沉渣与转鼓内表面的摩擦力，则沉渣就粘附在螺旋叶片上并和螺旋一起旋转，这样就发生转鼓堵料、螺旋叶片严重磨损的情况。为防止这种情况发生，对离心机叶片材料必须要求具有高的硬度和耐磨性（通常要求螺旋叶片材料与转鼓材料一致，至少是S31608或S31603）。一般厂家为提高螺旋叶片表面的硬度和耐磨性，主要采用了三种方法进行处理，可供用户参考选择。

①螺旋叶片表面堆焊硬质合金。

②可更换的耐磨扇形片（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）。

③表面喷涂耐磨层。从使用经验和效果来看，螺旋叶片表面堆焊硬质合金多用碳化钨材料，成本较低；而可更换的耐磨扇形片是用埋头螺钉固定在支撑螺旋叶片上，使得螺旋的修复大大简化，方便单个局部更换，但整体更换成本相对较高。

5 结语

通过以上讨论和分析可以看出，与离心机选型相关的因素很多，并且因素间又相互影响，交叉作用。因此想要达到卧螺离心机分离效果好、选型得当，就应当深入研究卧螺离心机机械性能技术理论，综合考虑污水处理工程项目的实际情况，并结合卧螺离心机运行维护情况以及国内外各厂家离心机的使用性能和经济成本综合考虑。

在实际生产应用中，离心机的选型关系到工程项目的成功。选用了合理的机型，从而使能耗降低，控制简单，产品质量高。选用机型不当，使得生产不能继续，造成极大的经济损失。离心机选型中机械方面的因素主要对离心机的脱水效果有所影响，而工艺及设计方面的因素则影响到离心机的脱水处理能力，而作为离心机的使用者来说，更要考虑离心机今后的使用运行维护情况。如果既能将每个问题都考虑得全面具体，又能很好地协调各方面的相互配合和制约关系，就能让卧螺离心机更好地服务于市政污水处理行业。