CN107835717A - 从淤浆中水力分离高比重固体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于从悬浮液中水力分离高比重固体的装置和方法，所述装置包括：容纳悬浮液的水力旋流器(1)；连接所述水力旋流器的分选管(2)和保存分离后高比重固体的储存室(3)，其中，提供了流向所述分选管(2)的冲洗水流和流向所述储存室(3)的冲洗水流，所述冲洗水流可以分别通过设置在分选管的进料处的控制元件和设置在储存室的进料处的控制元件以闭环或开环的方式进行控制。

Description

从淤浆中水力分离高比重固体
技术领域
本发明涉及一种用于从具有不同密度和不同颗粒结构的组分的淤浆中分离高比重固体的设备。
背景技术
在物料混合物(例如废弃物、以机械方式分离的废弃物馏分或工业残余物)的湿式机械处理中将产生淤浆，例如浆状物或悬浮液，其仍含有相当量的可沉淀在水中、具有尖锐边缘的物料，例如碎石、砂砾、石子、陶瓷或玻璃碎片或金属颗粒，它们会在后续加工阶段中造成运行问题，例如沉积或磨损。后果比如包括在容器中形成沉积物层，在几年的运行之后需要成本高昂地进行清空；还会导致铺设需要高昂清洁费用的管线；或者由于这些物料的磨损性质导致机器技术的磨损程度很大。
适合发酵的有机废弃物可含有重量百分比4％的矿物高比重固体(Kübler,H.，Hoppenheidt,K.，Hirsch,P.，Kottmair,A.，Nimmrichter,R.，Nordsieck,H.，M.,Mücke,W.,Swerev(2000)Füll scale co-digestion of organic waste(有机废弃物的全面共消化)，Water Science&Technology(水科学与技术)41,195-20)。市政生物废弃物含有相当量的矿物高比重固体，如石头、玻璃碎片、砂砾、碎石或沙子，根据Kranert等的研究(Kranert，M.，Hartmann A.，Graul S.(1999)Determination of sand content in digestate(沼渣中沙含量的测定)W.Bartlingmaier(编辑)等，Proceedings of the InternationalConference ORBIT 99on Biological Treatment of Waste and the Environment(关于废弃物的生物处理与环境的国际会议ORBIT 99论文集，第I部分，第313-318页)，它们占废弃物干量的比例超过重量百分比25％。在生物废弃物的湿式机械处理过程中，大部分这些矿物高比重固体被带入浆状物中，然后被用于生物再循环。Kübler等进行的研究(Kübler,H.,Nimmrichter,R.,Hoppenheidt,K.,Hirsch,P.,Kottmair,A.,Nordsieck,H.,Swerev,M.,Mücke,W.(1998)Füll scale co-digestion of biowaste and commercial organicwaste(生物废弃物和商业有机废弃物的全面共消化。.Materials and Energy fromRefuse(垃圾物料与能源。P.De Bruycker和J.Kretschmar(编辑)，安特卫普理工学院，第195-202页)表明，在生物废弃物的湿式机械处理中，生产出一种浆状物，在对来自该浆状物中的高比重固体进行水力分离时，处理后的废弃物仍有重量百分比3％的湿重作为悬浮物分离。
在运行废弃物处理设备时，其中将小于80mm的筛出馏分用于湿法处理，在该馏分中，测定到了在该馏分湿重中重量百分比12％至14％的玻璃颗粒和矿物组分比例(Rita,J.,Braga,J.,Mannall,C.,Goldsmith,S.,Kübler,H.,Rahn,T.,Schulte S.(2015)Compost-like material or thermal valorisation–impact on MBT Plant economicsand environmental aspects–case studies in Portugal and UK(类似堆肥的物料或热升温-对MBT植物经济学和环境方面的影响-葡萄牙和英国的案例研究):M.Kühle-Weidemeier和M.Balhar(编辑)Energy and raw materials from residue and bio-waste(来自残渣和生物废弃物的能源和原物料)，Cuvillier Verlag(Cuvillier出版社，哥根廷)，第395-406页)。
为了确保无障碍地回收再利用在湿加工中产生的淤浆或悬浮液，常常从悬浮液中分离易于沉降的部分。为此使用高比重固体分离器。除了分离杂质之外，这些高比重固体分离器也必须使存在于淤浆中、在下游的处理阶段回收再利用的其它组分(例如可发酵的有机物料)的排出量达到最低。这可以通过水力旋流器和设置在水力旋流器下部的分选管的组合来实现，以便间断地排出已经被分离的高比重固体。为了减少其他组分的排放，冲洗液体经常被输送到分选管。通过这种方式，在分选管中产生逆流，由此使高比重固体脱离淤浆的其它组分。
DE 195 05 07 A1中描述了这种设备，该设备具有平底水力旋流器，用于从由废料产生的淤浆中分离高比重固体。平底水力旋流器串联有一根分选管，以提高高比重固体分离器的选择性。被分离的高比重固体通过具有集成腔室的闸门系统被收集在分选管的下部，并被间断地排出。如果在排空该腔室之后打开分选管的截止阀，会通过冲击使分选管的内含物和水力旋流器的部分内含物立刻全部排空到该腔室中。另一方面，位于该腔室内的高比重固体可能会发生粘结，如果不是阻止，也难以从该腔室中排出。这样，选择性分离高比重固体的区域被干扰，分离结果的选择性变差。在所述文献中还提到了这样的事实，即如果冲洗液体被输送到分选管中抵抗水力旋流器中存在的压力并通过旋流器的上部排出，则会提高分选管的清洁效果。设计使用自来水或其他液体作为冲洗液体。
在运行这种类型的水力高比重固体分离器时，可沉降组分的分离程度以及其它组分的排出程度很大程度上受到在分流管中产生逆流的冲洗水流的影响。这时，冲洗水流对所需馏分的分离有相反的作用：冲洗水流的减少将导致悬浮液中易于沉降的馏分的分离得到改善，但是增加了被分离的高比重固体中生物可回收再利用的组分的比例。因此需要在下游处理阶段回收这些生物可回收再利用的组分，以回收再利用所述悬浮液。然而，冲洗水流的增加具有相反的效果，即被分离的高比重固体馏分中的生物可回收再利用的组分的比例下降，但是从悬浮液中分离容易沉降的组分的效果变差。图1通过用于75,000Mg/a有机废弃物的发酵设备中对高比重固体进行水力分离的工艺阶段的运行结果展示了这种相反的效果。
为了限制清水的需求以及由此产生的废水，重要的是——尤其是出于经济和生态方面的原因——使用在设备中再循环的工业用水作为冲洗水(工艺用水)。这就需要一个工艺阶段，其使得工艺用水在足够高的压力(与高比重固体分离器的压力水平相关)下可用。从成本和空间要求的角度来看，必须对工艺用水管道的直径进行限制。发明人在此认识到，在现有技术水准下，在高比重固体分离器本身以及其他湿式机械处理设备的上游或下游单元中定期会出现高工艺用水需求峰值。这导致在分选管的工艺用水供应中总是出现极大的压力波动。
发明内容
现在，本发明的目的是改善设备的分离程度并减少已被分离的馏分的污染。该任务通过根据权利要求1的设备和根据权利要求13的方法来实现。
考虑到上述冲洗水流的影响，本发明的基本思想是根据设备运行的需求曲线来确定通向分选管的冲洗水流的最佳数量和压力，以及相应地设定冲洗水的体积流量。此外，本发明的内容包括使得通向储存室的冲洗水的消耗量达到最低。
本发明的控制技术考虑到了流向上述分选管和储存室的冲洗水的供应压力的显著波动。通过这种方式，可以消除对分离性能的负面影响，由此使得被分离的高比重固体的分离质量提高，并且使对冲洗水的需求量降低。
根据本发明，冲洗水流的设置一方面涉及到分选管的入口，另一方面涉及与分选管分开的储存室的入口，被分离出的高比重固体被引入到该储存室中。换句话说，分选管和单独的储存室均充有冲洗水。这样使得分选管的入口得到调节，并且从储存室的入口以受控的方式流出。在调节装置进行实际状态和额定状态比较，并据此来接通执行机构时，储存室入口的控制器专注于探测实际状态，以便操作相应的执行机构。
在DE 195 05 073 A1中已经讨论了现有技术水下下冲击式地排空分选管带来的不利影响。为了防止现在分选管冲击式地排空到根据本发明的单独的储存室中，根据本发明，设计在排空之后以受控的方式用冲洗水充满储存室。该腔室所需的通风通过排列在该腔室上端的通风口或溢流口进行。
为了使储存室的冲洗水的需求最小化并解决上述问题，即，在仅部分充满冲洗水的储存室中，通过打开连到分选管的截止阀，选择性分离高比重固体的区域被干扰，并且分离结果的选择性变差。根据本发明，高比重固体分离器配备了探测存储室中的高比重固体的料位的装置，以便在填充冲洗水时启动其排空和对冲洗水溢流的探测。
只有在通过测量确定了储存室中高比重固体的最大料位时才会排空储存室。这样始终可以保证储存室被完全填充，因此所需的排空过程的数量被最小化。只有在储存室的溢流中探测到工艺用水时，用冲洗水对储存室的填充才会终止。这两个配备的特性使得对冲洗水的需求最低。
用工艺用水填充该室的这个过程也可以以时控的方式进行，并保证填满的储存室被测量到。这时控制器必须能够考虑到以下事实：
为了防止因分选管内高比重固体的倒流而导致分选管堵塞，必须尽早地排空储存室。出于这个原因，在排空时储存室通常不会完全被分离的高比重固体充满。因此为了能够分离相同量的高比重固体，需要更多的排空/填充循环。由于在打开连到分选管的截止阀之前，储存室必须再次充满冲洗水，所以更多的排空/填充循环将导致消耗更多的冲洗水。
在另一个优选的结构形式中，通过检测高比重固体的最大料位来启动储存室的排空，并且通过检测来自该室的工艺用水的溢流而结束在填充排空的储存室时的工艺用水的输送。储存室的排空是在检测到最大高比重固体料位之后，通过连到分选管的截止阀的关闭和储存室的下部截止阀的打开而进行的。
在一个有利的结构形式中，冲洗水的短脉冲以时控的方式被输送到储存室，以防止储存室中的高比重固体块的粘结。因此，当该腔室被打开时，所有的装料都可以掉出或被分离。
为了调节通向分选管的冲洗水流，这些执行机构与用于冲洗水的流量计结合。该流量计必须适用于含有固体的水流。通过电容式接近开关或红外光栅来对用于填充该室的含有固体的工艺用水的溢流进行探测。
附图说明
下面参照附图说明本发明，其如下所示。
-图1为随着冲洗水流的增加，以10g/l水力分离高比重固体后的废弃物悬浮液中易沉降矿物物料的浓度(●)，以及被分离的高比重固体的干重中的有机物料的比例(Δ)；
-图2为当使用含有悬浮物料的工艺用水时，通过使用具有集成的流量测量装置的盘调节机构进行调节的、通向分选管的冲洗水流；
-图3为根据本发明的水力高比重固体分离的规格示意图；以及
-图4为对于流量为500l/h的清水和含有固体的工艺用水，控制电路的引导阶跃响应。
具体实施方式
为了在处理物料混合物时生产冲洗水，用于冲洗的工艺用水首先通过固体/液体分离作为工艺的一部分产生。特别是在处理和回收有机废弃物时，产生的具有低固体含量的工艺用水是有问题的。这是由于来自有机废弃物的悬浮液含有纤维以及密度差异小的细粒粘稠组分。这导致工艺用水的获取在经济地使用的沉淀剂和絮凝剂时，提供了具有1g/l至10g/l的相当大含量的悬浮物料的冲洗水。此外，通过两级脱水，例如离心式分离装置与聚合物计量的组合，然后对离心分离液进行精细筛选(例如，通过250μm的楔形丝筛)，工艺用水中悬浮物料的浓度通常在0.5g/l至4g/l的范围内。
为了实现冲洗水的稳定供应，执行机构的选择(取决于工艺用水中淤浆的比例)在这里可能是决定性的。这尤其是由于执行机构中悬浮在工艺用水中的物料的随机部分位移造成的。执行机构包括通过一根轴彼此进行调节的盘，并且其对向运动使自由通道无级变化，夹管阀、球扇阀或球阀已经被证明适合作为执行机构。
由于发明人方面需要处理的工艺用水供应中存在上述压力波动，在这方面，当填充储存室时，体积流量会相应地变化。这样做的结果是，为了确保完全填充该室，需要为填充过程留出适当的时间。这些时间储备可能导致不必要的大体积的工艺用水，其必须被处理并保持压力。为了避免这种情况，在有利的实施方案中，通过储存室中料位的测量或者通过从储存室溢出的工艺用水的检测来最小化填充所述腔室所需的工艺用水的量。
图3示出了根据本发明的高比重固体的水力分离的实施方案的图，其由水力旋流器(1)、分选管(2)和储存室(3)组成。在根据本发明的这种高比重固体的水力分离的实施方案中，通向分选管(4)的冲洗水流被调节并被引导到储存室(5)。在一个优选的实施方案中，进入分选管的冲洗水流通过如上所述的不易被悬浮物料移动并具有自清洁效果的执行机构(6)来设定。
在另一个优选的实施方案中，在填充排空的存储室时的工艺用水的供应通过探测来自该室的工艺用水的溢流的装置(7)来控制。在一个优选的实施方案中，为了调节冲洗水流，上述的作为合适执行机构的元件与用于冲洗水的流量计(8)进行组合。该流量计必须适用于含有固体的水流。用于填充该腔室的包含固体的工艺用水的溢流的探测装置(7)可以是电容式接近开关或红外光栅。
通过球阀来控制分选管内向上的冲洗水流的尝试表现出令人满意的结果。下表示出了试验期间向上的冲洗水流的发展情况。向上的冲洗水流的额定值是500l/h。这时球阀的位置根据规定手动修正。定期短时间完全打开球阀，以冲走固体积聚物。
然而，对于含有固体的物料流的这种控制，由于球扇阀中的密封件较少地暴露于粗糙的高比重固体中，因此在构造方面球扇阀优于球阀。
节流机构中的转阀芯内的电动调节阀能够实现线性流量变化。与电机配合使用，这样的阀构成了比例调节执行机构，该执行机构也确保冲洗水与含有固体的工艺用水恒定流动。为了在供水停止时保持冲洗水流尽可能恒定，该调节装置被设计为如果停电则保持先前采用的阀位。
通过转阀芯节流机构，用水来研究向上流动的调节特性试验显示出在系统启动时随额定值的变化发生快速的调整，以及显示出良好的针对压力变化校正的调节特性(图4)。通过Ziegler Nichols方法对调节器进行的设置显示出很好的调节效果。由于向上的水流的体积流量对控制电路的阶跃响应顺序有明确的影响，所以随着额定流量对调节器的调整带来了最佳的调节结果。这说明PI调节装置(比例积分控制器)是足够的并且使得执行机构的应力减小。由于过冲宽度更大，校正时间更长，因此使用清水进行参数设置的调节器对于填充有固体的冲洗水来说并未显示出最佳的调节特性(图4)。因此，调节器必须用工作状态的设备的冲洗水流进行设置。
图2示出了当使用含有悬浮物料的工艺用水并且使用转阀芯节流机构与上游的磁感应流量测量结合时，具有通向分选管的经调节的冲洗水的水力高比重固体分离器的操作结果。通过这些系统部件，将含有固体的工艺用水供应至分选管可以保持相对恒定的额定值。
一般来说，不能完全排除悬浮的材料对阀门造成的位移。因此，为了消除这种位移，在一个有利的实施方案中，执行机构故意短时间完全向前移动，从而完全消除任何可能的位移。这种短期的全部打开以时控的方式进行，并有助于重新设定冲洗水的恒定流动。
用清水和工艺用水进行的实验均表明，通过填充该腔室至其溢流管中，通过电容式接近开关或红外光栅可以可靠地测量通风空气和溢流液体之间的相变。

Claims (19)

1.一种用于从淤浆中水力分离高比重固体的设备，
包括：接收所述淤浆的水力旋流器(1)，连接所述水力旋流器的分选管(2)，以及接收分离后高比重固体的单独的储存室(3)；通过所提供的控制电路和执行机构来控制通向所述分选管(2)的冲洗水流，通过所提供的执行机构来控制通向所述储存室(3)的冲洗水流，为此，设有传感器，所述传感器引入了对高比重固体的料位和所述储存室的冲洗水溢流的探测。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述执行机构是节流机构，在所述节流机构中，多个盘通过一根轴彼此进行调节，并且所述多个盘的相对运动改变自由通道。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述执行机构是转阀芯。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述执行机构是夹管阀。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述执行机构是球扇阀。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述执行机构是球阀。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的设备，其特征在于，设置流量计(8)以测量通向所述分选管的冲洗水的流量。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述流量计(8)是磁感应流量计。
9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，提供用于检测所述储存室(3)的冲洗水溢流的装置(7)。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，用于检测冲洗水溢流的装置(7)具有电容式接近开关。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，用于检测冲洗水溢流的装置(7)具有红外光栅。
12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，用于检测高比重固体料位的装置(7)具有振动限位开关。
13.一种用于从淤浆中水力分离高比重固体的方法，
-将淤浆输送至水力旋流器(1)，
-然后将分离出的高比重固体运送到分选管(2)中，向所述分选管(2)中引入冲洗水以进一步分离，
-然后将分离出的高比重固体在单独的储存室中进行沉淀，通过控制电路和执行机构以受控的方式将冲洗水流输送至所述分选管，并且通过传感器来探测所述储存室的料位，以便以受控的方式从所探测到的料位用冲洗水充满储存室。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述执行机构或节流机构在较短的时间间隔内完全打开，以便以时控的方式控制通向所述分选管的冲洗水流。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，通过磁感应流量计来控制通向所述分选管的冲洗水流。
16.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，用PI控制器来控制通向所述分选管的冲洗水流。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其特征在于，对于通向所述分选管(2)的冲洗水流的控制的参数设置以冲洗水的额定流量进行。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，其特征在于，用冲洗水填充所述储存室(3)的过程在探测到冲洗水溢流时结束。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的方法，其特征在于，冲洗水以时控的方式暂时输送至所述储存室。
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