無煙煤濾料的水力篩分現現象及顆粒的排列方式

一、濾料水力篩分現象

當濾料是單層濾料時，由于濾料顆粒的大小不一，反沖洗時在上升水流中所受到的重力不同，向上流動的水流速度把濾層托起來，使砂粒處于懸浮狀態，且順著水流方向從大到小排列，反洗結束后，處于懸浮狀態的濾料，自動地重新按小顆粒在上、大顆粒在下的順序排列，這稱為水力篩分現象，又稱為水力分級現象。

二、濾料顆粒的排列方式與過濾性能的關系

濾料顆粒的排列方式是濾池過濾的關鍵，順著過濾水流方向觀察濾料粒徑的變化，大約可以分為四種情況，即粒徑相同的均徑濾床、粒徑由小變大的下向流普通濾床、粒徑由大到小的上向流濾床、粒徑在同一層內部粒徑由小變大排列的雙層濾床，如圖4-3所示。

在水的過濾過程中，水中懸浮雜質在濾層行進過程中沿層逐級截留，懸浮雜質是一群各種不同尺寸的雜質混合群體，因尺寸和黏著力的差異，被截留的難易程度是先易后難。因此，水在濾層流動過程中，易除去的懸浮雜質優先被上游濾層截獲，殘留的較難除去的懸浮雜質進入下游濾層。沿過濾水流方向看，越往濾層深處走所剩懸浮雜質的除去難度越大，故濾層的截污能力是隨濾料粒徑增加而變小的。

三、均徑濾床

在均徑濾床中水中懸浮物除去難度沿層增加，而濾料截污能力沒有相應增強，因此，上層沒能截留的懸浮物也難被下層濾層截獲，或者說需要更厚一層濾料才能達到與上層同等的截污效果。可以看出，用均徑濾料所構成的濾層對過濾是不理想的，均徑濾料難于在生產中使用，在研究過濾的理論時有時用均徑濾料做實驗。

四、普通濾床

當石英砂新裝入濾池時，形成的濾層是均質濾層，在水流反洗以后由于存在水力篩分現象，粒徑小的濾料留在了上層，沿濾層的厚度方向濾料是按從小到大的順序排列的。形成了分級濾料濾層，如圖4-3(b)所示。可以說單層濾料的濾層都是分級濾料濾層。

分級濾料濾層在過濾時有兩個不利之處，一是上部濾層由于孔隙小，能容納的懸浮固體比下部濾層少，整個濾層的容納能力不均勻。另一個是水流通過上部濾層的阻力比下部大，在截留懸浮固體后變得更嚴重。從整體上看，這種過濾方式是用截污能力較強的細濾料(表層)去攔截水中容易除去的大顆粒雜質，用截污能力較弱的粗濾料(底層)去攔截水中較難除去的小顆粒雜質，也就是說沿著水流方向濾床截污能力由強到弱的變化與水中雜質先易后難的分級篩除很不適應。所以，該濾床出水水質差，過濾周期短。這種過濾，事實上會造成污泥絕大部分堆積在上層，導致濾層阻力增長過快，水頭損失太大，在過濾的水頭損失達到允許值的時候，整個濾層的截留懸浮固體能力未能發揮出來。

五、上向流濾床

從上面分析可以看出，單層濾料下向流過濾的固有缺陷是沿過濾水流方向濾料顆粒由小到大排列，為消除這一缺陷可以考慮改變水流方向，讓水自下而上通過濾料層，即采用向上流過濾，如圖4-3(c)所示。

采用向上流過濾時，濾料沿濾層從粗到細排列，截污能力沿層漸增，因而實現了全層濾料截污能力與殘留雜質除去難度的較佳匹配。這種濾床性能優越，截污容量大，過濾周期長，出水水質好，水頭損失增長慢。

六、多層濾床

為消除單層濾料下向流過濾的固有缺陷的另一個辦法是采用多層濾料。通過選擇密度不同的兩種或三種濾料，做到反沖洗后輕而粗的濾料在上層，細而重的濾料處于下層，形成上粗下細的較佳排列，圖4-3(d)為兩種濾料形成的雙層濾床示意圖。雙層濾料每種濾料裝填一定高度形成一層，兩層疊加共同構成濾床。現已用于生產的有無煙煤濾料和石英砂組成的雙層濾床，以及無煙煤濾料、石英砂和重質礦石組成的三層濾床。

當水由上而下通過多層濾料床時，上部粗濾料除去水中較大尺寸的雜質起粗濾作用，下部細濾料進一步除去細小的剩余雜質起精濾作用，這樣每層濾料發揮特長，截污能力得到充分發揮，所以，多層濾床出水濁度小，過濾周期長，水頭損失小，過濾性能比單層優越。不過，就多層濾床的每一層而言，在反沖洗以后每層濾料都存在各自的水力篩分現象，仍然是上細下粗，單層濾料床的固有缺陷并沒有消除。

七、雙向流過濾

雙向流過濾就是在濾層中部設置一出水的集水管，進水從池子上部和池子下部同時流入，因此也稱雙流濾床。雙流濾床的濾層厚度約為單層濾床的兩倍，并具有下列特點：①由于集水管上下都進水，一座雙向濾床相當于兩座單層濾床的作用；②集水管下面的濾層起近似理想濾層的作用。雖然雙向濾池的閥門太多，結構也較復雜，但由于其工藝上的優點，我國鍋爐給水中的壓力過濾器常采用雙向流過濾。

通過上述分析，可以看出理想的濾層應該是沿著過濾水流的方向，濾層中濾料的粒徑從大到小遞減，由于濾料顆粒的孔隙也是從大到小遞減，創造了兩個有利條件：一個是進入濾池的水先接觸到的那部分濾層能夠比后接觸到的濾層多容納懸浮固體；另一個是這部分的孔隙本來較大，在容納更多的懸浮固體后，仍然保留了一定的孔隙大小，允許水中的懸浮物進入濾層的內部，在過濾的水頭損失達到較大允許值時，整個濾層都得到充分利用。