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水工业机械设备的总体状况与发展
发布时间发布时间:2020-09-24 01:43

  经过近50年的发展,我国水工业设备学科已逐渐走向完善。水工业机械设备有通用机械设备和专用机械设备两大类,通用机械设备主要有泵类、阀类、风机类,专用机械设备是水工业设备自身研制的重点,包括有栏污机械设备、除砂及刮泥设备、曝气及搅拌设备、投药及消毒设备、浓缩及脱水设备、氧化脱盐设备等。近年来又增加了膜处理设备、沼气利用设备、序批法滗水设备、污泥后处置设备及固体废弃物处理设备等。

  近二十年来,通过借、贷款项目一些水厂、污水处理厂较多出现了不同国别的一些构造新颖、结构轻巧、节能低耗的新型先进设备,使水工业设备行业的制造和研究者注意到它除了设备本身的机械功能齐全、运行可靠之外,还能充分符合新工艺的开发,满足工艺高水准的要求,并能改变原工艺中一些边界条件的限制。这些设备不仅从运动机理及机械结构上较同类设备有了一些质的变化,而且在一定意义上给工艺的创新与变革提供了可能和保证。

  在世纪之交,我国的环保治理、水工业处于快速发展的形势与机遇,出于对高效设备的需求并同时又受到资金的限制,在原有水工业设备生产的基础上,研制国内高水平的水工业设备成为当务之急。如何利用这个契机将我国水工业设备的水平提高到新的高度,这将是给水排水研究者,水工业设备工作者和企业制造商所面临的新机遇和新问题。但是,也要清楚地看到,我们目前的水工业设备与国外的差距大于水工艺与国外的差距;水工业专用设备的理论研究和制造与国外的差距又大于通用设备与国外的差距,这将是我国水工业产业工作者们担负的重任。所以要提高我国水工业产业化的水平,关键是抓好水工业设备,特别是高水平的水工业专用机械设备,这是我国水工业设备产业的当务之急。

  六十年代末以前,世界各国的给排水工程建设的重点均放在城市供水,因此给排水机械设备的发展则以大型的城市给水工程及分散式的小型工业废水处理为主,给排水机械设备以通用设备为主。由于对水质的要求也不是非常之高,仪器仪表也比较简单。进入七十年代初期,为了适应工业化的发展和人民生活水平的提高,工业发达国家的供水普及率已相继达到85~95%,人均生活用水量超过了200-300升/人·日。工业化的飞速发展,用水量的与日剧增,同时也带来了严重的水质污染问题,它直接威胁到人民的生命健康和人类的发展生存。鉴于世界范围内环境污染问题已成为全球性的战略发展问题,引起了各国政符和人民的普遍关注。许多国家,特别是工业发达国家,对环境保护采取了一系列的重大措施,诸如建立环境保护管理机构、研究制定本国的,及至全球性的环境保护发展对策,制定法律、法规等,迫使政府及私人企业拿出一定的资金用以解决日益恶化的环境公害问题。给排水工程建设的重点逐渐转向城市污水集中处理的方向发展,其规划也越来越大,技术要求也越来越高,由此环保工业应运而生,水处理机械、仪器仪表作为环保设备的一大类,也得到了迅速地发展,自成体系,形成了专业化的生产体系。

  七十年代初期,水质净化工艺以机械化为主,因此给排水机械设备的技术水平要求不高,以人工操作运行管理为主。随着人们知识的扩大,有关水质对人类及工业生产的影响不断加深理解,以及能源危机和降低能耗、节省运行管理费用的要求,不可能获得出水水质高而成本又低的统一效果。计算机技术的应用进入工业生产领域,也使得自动化的技术介入到发达国家的水处理工艺之中,自动化的前题是建立在机械并仪表自动化的基础上,因此,这又推动了给排水机械设备、仪器仪表的技术发展。

  八十年代初期,环保工业得以飞速发展,规模也越来越大,年产值的递增率也较其它机械加工制造行业快的多。例如:美国有600多家公司,大约有700000余人员从事环境保护工业,年产值平均递增20%,比一般其他机械加工制造业快一倍多;日本有700~1000家,近30000人;西德有800多家公司;仅有800万人口的瑞典,也有一百多家环保企业。

  1)国际性跨国大公司:如英国的巴华特水处理集团,美国的道尔一奥立佛公司,法国的德格雷蒙公司,瑞典的爱梯梯飞力公司、荷兰的DHV公司,日本的荏原公司等等,它们历史悠久,实力雄厚,拥有众多的专利,既能承包设计制造,又能提供全套的给排水处理设备。

  2)大型国际垄断企业的水处理设备制造子公司或分部。如西德的克鲁格公司、泊沙湾公司和曼纳斯曼公司,美国的爱米可公司、西屋电气公司和道氏化学公司;日本的石川岛播磨、三菱重工、月岛、日立、久保田等,均可随同成套石油、化工、矿山、冶炼、造船等设备附带供应环保设备、也可单独供应成套设备,但这些公司以供应污水处理的成套设备为主。

  3)大量的中、小型企业。它们之中的英国的西蒙—哈特利公司,西德的里茨公司,EMU公司,KSB公司,琥珀公司,日本的栗田,水道机工公司,芬兰诺庞公司等,它们以生产单一的名牌产品为主,亦可通过与其他公司的相互协作提供成套设备。这些公司专业性强,技术先进,做生意机动灵活,也是一些有竞争能力的企业。

  国外生产水处理机械设备的企业,大都拥有相当水平的研究、设计开发,安装和监测的技术力量,注重产品的更新换代,使得设备性能不断得到改进和更新,不时推出新型设备。

  水处理仪器仪表的生产大多仍是由一些老牌的生产工业仪器仪表企业生产制造,如日本的横河—北辰,英国的肯特公司,西德的西门子公司等。

  从发达国家的水处理机械设备、仪器仪表的发展过程来看,随着人们对环境保护的意识加强,对水质的要求越来越高,因此水处理工艺趋于向大型化、复杂化的方向发展。但就水处理机械本体而言,则朝着高效、节能、轻质高强、耐久性好,操作运转灵活可靠,机电一体化的方向发展,并将高技术(如程序控制刚性反馈调节,微机管理等)也渗入到水处理机械制造及运转当中。水处理仪器仪表不仅包括了各种各样的检测、转换、显示、调节、执行等传统部件。使水工业机械及仪表控制能达到了转换程序控制、联锁保护、自动冲洗、信息转输、遥测遥控、数据处理、计算机控制以及自寻故障诊断,耐用性以及适应自动化控制的需要。由于目前工业发达国家的自来水普及率和污水处理的普及率将近饱和状态,在本国的市场越来越窄,一些水处理机械设备,仪器仪表制造商们逐步将市场转向了第三世界国家。

  从世界上工业发达国家的给排水机械设备,仪器仪表的发展过程中可以清楚地体察到,水处理机械仪表工业的发展与各国的经济发展和环保政策息息相关,其技术水平的高低,受到基础工业水平以及强烈的市场竞争意识的影响,下面将试从政策、管理体制、投资、基础工业水平等侧面剖析国外给排水机械设备,仪器仪表的发展特点及其影响因素。

  六十年代工业发达国家的经济飞速发展,对环境保护的忽视,带来了严重的环境污染问题,同时由于环境污染也造成巨大的经济损失。据西德经济合作的发展组织(OECD)推算,由于环境污染所造成的经济损失约占国民生产总值的3-5%,进入七十年代,出现了经济大萧条,使过快的经济发展速度放慢,但吸取了历史教训,逐步加强了对环境保护的重视,认识到对环保工业的投入也是一种低投入高产出,发展经济的手段之一。如1969-1974年是日本经济处于高速发展时期,又是加强环保法制的时期,该时期环保工业获得了惊人的发展,其制造企业超过一千家。1973年底,世界性的石油危机爆发后,日本经济转入中低速发展时期,环保政策的重点也由工业三废治理转向生活环境的整顿。相反处理城市污水、粪尿、城市垃圾等改善生活环境的环保设备的订购数量迅速上升,所以相当一部分生产企业陆纬转产,日本日立造船公司从事环保设备产业得到飞速发展就是一个写照。

  2.2.2 建立统一管理机构,采取强有力地促进和监督措施是水处理机械制造工业发展的可靠保障。

  日本起初,由于环保设备的生产曾发生过产品的性能低劣,粗制滥造等一系列问题,严重的影响了环保设施的功能。为此他们先后成立了“产业公害部会”和“公害防治装置必须遵守排放量标准执行委员会”,积极地开展了各项活动。对研制新产品制定统一的质量标准、检查标准、事前进行可行性研究、提供无息贷款予以经济上的支持,在通产省内设立专门的检查验收机构,建立优质装置、设备的表彰制度等。因此七十年代,在各个领域里不断地研制出急用而立即见效的多种先进技术和装置。在积极进行多种设施建设的同时,对处理工艺流程和机构设备亦进行了无二次污染的改造等。

  1970年美国成立了环境保护署(EPA),作为专门负责环境事务的政策机构。1974年,EPA针对用于污水处理厂的自动化运行管理的机械设备和仪器仪表在使用过程中暴露的许多问题影响自动化系统在污水处理厂的实施,于是在美国克雷姆逊大学组织召开一个专家会议,专门商讨污水处理系统自动化所必须研究解决的问题,会上专家们一致认为“设备的可靠性和传感检测仪表的不过关是问题的关键”。1975年EPA又成立了一个临时委员会以进一步调查仪器仪表在自动化领域里存在的问题。在此工作的基础上,经过各方调查研究,为更好地协调用户与制造商之间的法律、经济、技术等方面可能出现的问题,最终由美国环境保护署和国家标准局联合设置了一个办事机构,制订用于污水处理的几种在线仪器仪表的性能、技术规定和试验方法,并颁布质量合格审定证书。对指导和促进水处理机械设备、仪器仪表的发展起到了积极的作用。

  从发展工业、发展经济与环境保护的经济利蔽中可清醒地认识到,用于环境保护的投资远远的比由于环境污染所造成的经济损失少得多,在某种意义上可以认为具有适当补偿经济损失的优点。于是许多工业发达国家都非常重视环境建设的投资,采取一些投资倾斜政策。给排水工程设施的投资在城市基础设施投资和环境保护建设投资中占有较大的比例。例如法国在1978年、1979年两年政策用于水污染防治的基建投资分别占全年环保基建投资的35.8%和35.7%。远远高于用于大气、噪声、废渣和毒物等其他各项污染控制费用。

  西欧专家们认为,投入到防止环境污染的资金比不对自然进行保护造成的损失要少50%。1976-1980年间用于防止污染设备和措施的国家投资是前五年的两倍,此间的空气污染减少15%,污水减少28%。

  环境建设及城市基础设施的投资倾斜政策,作为一种经济杠杆,有力地推动水工业设备的发展,西德从1971年起环保投资1200亿马克,占国民经济总值1.1%,有800多家环保设备生产企业,营业额达210亿马克,占投资额的17.5%。

  2.2.4 水质法规、标准的制定与完善,有效地控制水环境污染,使水处理设备和仪器仪表不得不向多品种、多元化和纵深发展,推动了产品的标准化、系列化、配套化。

  七十年代初,美国除了一些管理州际联运的供排水条例外,没有一个统一的可实施的国家水质标准,每个州虽制定了自己的标准,但在范围与严密性等方面各州间差异较大。对水体的污染控制也难以实施。于是1972年由美国环保暑负责起草了“清洁水法(CWA),在此法通过后的十年中,美国政策上为达到这些目标花费了将近420亿美元。EPA按照安全饮用水法又颁发了“全国水暂行标准”提出了一级指标(有害健康物质)30项,二级指标(表观指标)13项。1986年对安全饮用水做了进一步的修改,并将一级水质指标由原来的30项提高到83项,并对于管理关键性的污染物规定了强制性的截止期限等。这些水质法规、标准的制定与完善,拓宽了水处理机械、仪器仪表的发展目标,导致了供水、环保和制造企业为达到两法标准的要求不得不去努力开发新技术、新工艺、新设备,促进了产吕的多品种、多元化、产品的三化的主体结构发展,同时也使水处理装置的生产销售额猛增。

  欧州的情况亦如此。欧洲共同体独立制定了一系列标准,并以指令形式于1980年公布。按照建立欧共体的条约条款,所有成员国——比利时、丹麦、法国、西德、希腊、爱尔兰、意大利、卢森堡、荷兰、葡萄牙、西班牙与英国,都必须采取措施保证饮用水质,于5年内即到1985年7月止达到指令规定的标准。该标准涉及到感官指标(42项)、物理化学指标(10项),人体不宜过量摄入的指标(18项)及毒性指标(11项),这些细部指标的确定。带动了水处理机械,仪器仪表技术向纵深发展。

  水质标准的制定与完善,提高对出水水质的要求,也增加了工艺处理的复杂性和可靠性。以往的凭经验运行管理已不能适应工艺操作的复杂性。不得不靠自动监测、程序控制来解决水处理工艺动态运行的特点,提出了自动化的必要性。引入自动化、微机控制运行管理解决水处理工艺的复杂性,遇到的问题便是提高机械化和仪表化的水平。仪表相当于操作人员的眼睛,机械等同于操作人员之手脚,微机犹如人脑。这些技术难点突破,是一个系统工程。七十年代中期,发达国家在这方面花费了很大的功夫,取得了突破性进展。机械化、仪表化到最终的自动化、使水处理机械设备、仪器仪表的系统性、配套性、标准化上升了一个大台阶,带来了水处理工艺技术水平的飞跃。虽然水处理工艺自动化加大了工程建设的投资,但带来了总体上的经济效益和社会效益。

  基础工业水平的高低反映到给排水机械、仪器仪表制造加工过程中,主要是材料的选用,制造加工工艺;反映到产品性能方面,主要是产品精度、可靠性、耐久性、节能、高效;反映到处理工艺方面,是控制准确、反馈调节,使水处理工艺过程自动化成为可能。这些方面的集合,体现了一个国家基础工业水平的高低。

  仅从水处理机械设备制造的选材便能予以说明。水处理机械的运行工况,环境条件都比较恶劣,腐蚀性强,温度,湿度的变化较大,因此材料的选择几乎是决定设备的质量好坏的前题。工业发达国家由于工业水平高,选材一般以不锈钢和合金钢为主。既使在一些非转动部件上采用一些普通碳钢也都经过了严格除砂防腐措施。材料的选择大大地提高了产品耐用性能和可靠性,保证了产品的使用功能。

  2.2.6 强烈的市场竞争意识,注重企业的研究、开发、设计、制造能力,是发展的动力。

  国外水处理设备制造企业的突出特点一般是集科研、开发、设计、制造、安装为一体。从产品成套供应,工程总承包“交钥匙”投产,注重销后服务,注重企业信誉。组织体制精焊灵活、信息反馈迅速、快速、适应市场的竞争需要。

  我国水处理设备的生产虽然已初具规模,但是与国际先进水平相比仍存在着很大的差距,与我国水处理工艺技术发展的要求很不适应。

  ①水处理用风机:主要有离心鼓风机、罗茨鼓风机两种,国内离心风机的开发和生产已取得很大的进展,开发新型高速离心风机,采用了先进的三元流叶轮、可调节进风、出风口导叶,具有高效节能、流量可调节范围大、结构较紧凑、噪声偏低、可靠性高的特点。今后需继续开发高效节能水处理专用风机,在完善型普系列、提高自动化水平、降低噪音、降低成本等方面下功夫,特别应注重适应于变工况运行的,适用中小型污水厂用的风机,发挥其价格低廉、维护简便的特点。

  罗茨风机在水工业领域已有很长的应用历史,在过去的一段时间内,因其噪音大、升压低缺少水处理适用的规格等原因而使用率下降。自八十年代末开始我国对原有罗茨风机进行了重大技术改造,1993年由机械部组织的系列罗茨风机联合设计圆满完成,其结构先进,三化程度高,基本达到国外同类产品水平,特别是三叶、低噪音罗茨风机的研制成功。可以满足水工业用风机的技术要求。

  国产罗茨风机今后尚需在降低噪音、提高效率、改善铸造工艺、提高零件加工精度等方面努力缩小与国际先进水平的差距。

  ②水处理用阀门:主要包括蝶阀、闸阀、止回阀和阀门电动装置等。阀门是水工业中使用数量大的一种设备,虽不十分复杂,但跑、冒、滴、漏现象在国产阀门中经常出现。多年来是水厂、污水厂运行和管理的老大难问题。为了改进国产阀门的技术性能,提高质量,从八十年代开始组织骨干企业先后引进了国外同类产品的设计、工艺等先进技术和加工设备,取得了较大进展。目前骨干企业已能按ISO国际标准、DIN德国标准、AWWA美国标准等设计制造各种阀门,部分厂家的产品达到了国际先进水平。虽然国内阀门行业的整体水平有了较大的提高,但普遍存在着外观质量差距较大的问题,今后在改善铸造工艺方面仍需加强技术改造。同时他需要注重对国际先进闸阀产品的引进消化吸收,改进国产闸阀材料消耗大,动作欠灵活等缺陷,以赶上国际先进水平。

  ③水处理用水泵:主要包括单级单吸、单级双吸、污水泵、螺杆泵、深井泵、无堵塞泵等。污水泵是污水厂关键设备之一,八十年代开始引进西德里茨公司技术生产潜水污水泵,引进KSB公司技术生产卧式和立式污水泵。以后,又连续开发生产的潜水离心泵、潜水轴流泵、潜水混流泵等,目前的使用量大。

  国产的各型水泵,具备了较先进水平,可以基本满足我国水工业的需要,但针对水工业的特点还应开发和提高水泵的效率和制造水平,如低扬程太流量的潜水污水泵、耐腐蚀深井泵、大功率潜水泵等等。针对国内水泵产品普遍外观质量差的问题,应注重改进铸造工艺、提高铸件质量,改进外表面处理技术。针对首次无故障时间短的问题,提高整体制造精度、针对泄漏量大的问题,改进密封条件。

  水处理专用机械设备包括拦污机械、除砂及刮泥机械、曝气及搅拌设备、浓缩脱水设备、加药消毒设备、沼气利用设备、氧化脱盐设备、污泥后处置设备等。

  ①拦污设备:主要是格栅清污机及附属装置。国产拦污设备经过十几年的不断开发,形成了型式多样、规格繁多的局面,大致归纳为如下几种类型:一种是大型取水构筑物如电厂取水口使用的大型格栅,清污方式有链传动齿耙式、移动式和旋转滤网式,多为仿造西欧、苏联和日本等国产品。另一种是用于城市水厂的中等规格的格栅,清污方式有链条齿耙、钢丝绳齿耙、伸缩臂式、移动式等。再一种类型为细格栅,有吸收日本产品优点的回转式固液分离机和弧型细格栅、直型细格栅阶梯格栅、筒式格栅等。国产的拦污设备近几年有了很大的改进,在使用材质上用有不锈钢的链条和栅条,延长了使用寿命;在清污传动机构中普遍增加了安全保护措施,过扭矩的保护已从单纯扭矩安全销的方式发展到使用液压控制保护装置机械过扭及电子控制装置;移动式清污机定位精度有了较大提高。

  今后需要进一步作好拦污设备的系列化和标准化工作,进一步改善产品的防腐蚀性能,增加设备运转的可靠性和提高设备的自动化水平,降低电耗等等。拦污设备中应注重附属栅渣输送、打包等设备的开发工作和格栅井臭气防治的技术及装备,减少二次污染,改善污水厂的环境。

  ②排泥排砂机械设备:是保证污水厂各种沉淀构筑物正常运转的关键设备,其结构型式、运转方式随不同池型而异。经过国内设计和工程实践的积累以及生产企业的不断改进,按池型分为圆型和矩型两大类,按排泥方式分为刮泥机和吸泥机两种。圆型池按传动方式有中心传动和周边传动的区别,矩型池有桁架式和链条传动、钢丝绳传动的不同。总之,国产的刮吸泥机随着处理工艺的发展,产生了多种结构、多种排泥方式的一系列产品,基本能满足工艺的需要。但与国际先进水平相比还存在一定的差距,作要体现在:材料消耗大、笨重;耐腐蚀性能差;动力消耗高;自动化程度低;系列化标准化程度底。今后应瞄准国外先进企业产品的标准,进行相应的改进,注意开发推广中心传动轻型排泥设备,研究排泥阻力和桁架刚性的计算问题,试验采用轻质合金材料,开发矩型池用尼龙链条传动的循环刮板式排泥机械。在排砂机械中推广旋流出砂机械及配套装置。

  ③污泥处理设备:主要是水厂污水厂污泥的脱水机械。国内在近十年左右时间里带式污泥脱水机的开发工作取得很大进展,其主要技术性能和使用性能已接近国外同类产品的水平,在滤带纠偏装置的开发中有的使用了光电子技术和液压技术,具备了自己的特色。但国产滤带质量与国外尚有一定差距,在使用防腐材质方面因价格限制还不理想,导致使用故障率较高,同时要改进外观设计和设备表面处理工艺。板框式压滤机因动力消耗大,产量低在水厂中逐渐已不采用,在工业污水处理中使用量仍较大,目前已有塑料板框,预加压脱水等新技术推广使用。当前国际上开发并推广应用离心式污泥脱水机,因其占地面积小、产率高、自动化程序高,在处理厂使用比例逐渐扩大。近年来也发展了传统的带式滤机与机械浓缩设备联合使用,而取消重力式浓给池的新工艺。此项开发研制目前取得很大进展,一些离心浓缩及脱水设备正在国内积极开发和使用。

  ④沼气利用设备:包括沼气发动机、沼气锅炉、沼气净化脱硫设备、余热锅炉等等,是回收污水厂的生物能源、减少污水处理能耗、降低运转费用的关键装备。在此方面我国进行的研究开发不多,也较少有专门的生产企业,当前使用的设备基本依赖进口,是水工业设备中的薄弱环节之一。

  ⑤加药、消毒设备:是保证处理水质卫生指标的关键装备,特别在自来水厂更有其重要的意义。目前国产的加氯机、计量泵、臭氧发生器、次氯酸钠发生器等,仅能满足一般需要,其产品的档次上与国际先进水平相比还有较大差距,国际上为了保证高质饮用水开始使用大容量臭氧发生器和二氧化氯发生器,国内尚属空白。随着水厂加药自动化的发展,可与计算机联机的耐腐蚀隔膜式计量泵有待抓紧研究开发,国产加氯机也面临积极开发成高水平的水工业产品的问题。

  ⑥随着中水回用,解决水资源问题,膜技术、膜设备应用也越来越广泛。电渗析、反渗透膜及相关机械装置的发展迫在眉捷。

  ⑦污泥后处置是末来几年水处理设备增速快,需求量大的关键设备。其中输送、翻转、干燥、除臭机械及装置是开发的重点。

  工艺单元 处理构筑物 处理设备 配套设备 名称 型式 类别 名称 拦污 格栅间 粗格栅

  沉淀 二次沉淀池 平流 平流式吸泥机 行车式吸泥机(虹吸式、泵吸式) 回流污泥螺旋泵 平流式刮泥机 行车式刮泥机

  自吸式螺旋曝气机 水下搅拌 水下搅拌机 潜水搅拌机 氧化沟 表面曝气 立轴式表面曝气机 倒伞形表面曝气机

  工艺单元 处理构筑物 处理设备 配套设备 名称 型式 类别 名称 污泥浓缩 污泥浓缩池 方形圆形 浓缩刮泥机 中心传动浓缩刮泥机

  厢式压滤机 加药装置、空压机、清洗泵、污泥泵(螺杆泵)、污泥输送设备 离心脱水机 卧式螺旋离心脱水机 污泥消化 污泥消化池 厌氧 消化池搅拌设备 机横搅拌设备

  螺旋式热交换设备 污泥控制间沼气压缩机房沼气发电机房 沼气利用设备 沼气净化脱硫设备

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