基于粒度級分配率的帶有氣動(dòng)式擊打器的精煤泥弧形篩工藝指標(biāo)預(yù)測

郭雅利，王永成，蘇壯飛，徐國鵬，吳大為

(1.唐山國華科技有限公司，河北 唐山 063020；2.唐山開灤林西礦業(yè)有限公司選煤廠，河北 唐山 063104；3.北京國華科技集團(tuán)有限公司，北京 101300；)

在采用預(yù)先不脫泥、不分級無壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選工藝的選煤廠中，精煤泥弧形篩通常有兩項(xiàng)功能：一是對篩下的浮選入料進(jìn)行粒度上限控制，以期獲得較好的浮選工藝指標(biāo)；二是將篩上粗精煤泥脫水、脫泥、降灰，為獲得質(zhì)量合格的粗精煤泥創(chuàng)造條件[1]。開灤林西礦選煤廠2009年技改后，年處理能力增加到1.80 Mt，配備有兩臺并聯(lián)工作的面積為7.7 m2、篩縫為0.4 mm的精煤泥弧形篩。為了提高精煤泥弧形篩的工作效果，該廠為兩臺篩機(jī)安裝了GHQD型氣動(dòng)式擊打器[2]。為了取得良好的工作效果，2015年元月前后，在選煤廠正常生產(chǎn)的條件下，進(jìn)行了氣動(dòng)式擊打器工作參數(shù)(主要為擊打間隔時(shí)間和擊打壓力)的尋優(yōu)試驗(yàn)。

1 GHQD型氣動(dòng)式擊打器的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

該氣動(dòng)式擊打器是由電控裝置、氣控裝置、氣缸、擊打裝置等部分組成(圖1)。電控裝置包括開關(guān)、PLC(可編程邏輯控制器)、接線端子排等；氣控裝置包括三聯(lián)體、二位五通電磁閥等；擊打裝置包括鋼結(jié)構(gòu)的連接體、聚氨酯材料擊打頭等。

圖1 氣動(dòng)式擊打器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

弧形篩氣動(dòng)式擊打器是以壓縮空氣作為動(dòng)力源，通過電控裝置中的PLC對氣控裝置中電磁閥進(jìn)行控制。在工作過程中，壓縮空氣由氣控裝置進(jìn)行過濾和控制輸入到氣缸內(nèi)，完成氣缸的進(jìn)氣過程；PLC控制著電磁閥不同出氣孔的開啟與閉合，從而控制著氣缸的動(dòng)作；通過設(shè)定PLC中的參數(shù)，可以任意控制氣缸動(dòng)作的時(shí)間間隔，待達(dá)到所設(shè)定的時(shí)間時(shí)，壓縮空氣即從氣缸中排出，完成氣缸的排氣過程；氣缸的進(jìn)氣和排氣帶動(dòng)氣缸中活塞桿做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，而活塞桿與擊打裝置連接，從而帶動(dòng)擊打頭完成擊打動(dòng)作；擊打頭按設(shè)定的時(shí)間間隔和擊打壓力擊打篩面，使篩面產(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而排除篩縫中間的堵塞物，實(shí)現(xiàn)對弧形篩篩面的清理。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

該氣動(dòng)式擊打器擊具有以下特點(diǎn)：

(1)擊打間隔時(shí)間可調(diào)。只需通過調(diào)整電控裝置中的PLC設(shè)定參數(shù)，便可在線無級控制擊打間隔時(shí)間。

(2)擊打力可調(diào)。通過調(diào)節(jié)氣控裝置中三聯(lián)體氣缸的進(jìn)氣氣壓，可實(shí)現(xiàn)擊打力的隨時(shí)可調(diào)。

(3)故障率低，運(yùn)行噪聲低。氣動(dòng)式擊打器結(jié)構(gòu)簡單，只安裝由氣缸帶動(dòng)的簡單的鋼結(jié)構(gòu)連接體和擊打頭，避免了傳統(tǒng)機(jī)械式擊打器在使用過程中易出現(xiàn)的故障，并降低了噪聲[3]。

2 粒度級分配率計(jì)算

在林西礦選煤廠精煤泥弧形篩氣動(dòng)式擊打器系列尋優(yōu)試驗(yàn)中，對所采集的煤樣均嚴(yán)格按照GB/T477—2008《煤炭篩分試驗(yàn)方法》的要求，采用實(shí)驗(yàn)室濕法振篩機(jī)，根據(jù)預(yù)先濕法脫泥-干法篩分的步驟進(jìn)行粒度組成分析[4]。

在弧形篩的單位處理量保持在5.2 t/(m2·h)，擊打間隔時(shí)間為10 s，擊打壓力為0.1 MPa(通過系列尋優(yōu)試驗(yàn)得到)時(shí)，入料、篩上物、篩下物的粒度組成見表1。

表1 弧形篩篩分產(chǎn)物產(chǎn)率計(jì)算表

根據(jù)表1測量結(jié)果，按GB/T15716—2005《煤用篩分設(shè)備工藝性能評定方法》的方法和步驟來計(jì)算篩分產(chǎn)物產(chǎn)率[5]，結(jié)果如下：

(2) 篩下物產(chǎn)率γf=100%-γc=74.22%。

在GB/T7186—2008《選煤術(shù)語》中對分配率的定義為：產(chǎn)物中某一成分(密度級或粒度級)的數(shù)量與原料中該粒級數(shù)量的百分比[6]。對于篩分設(shè)備分級，粒度級分配率的定義應(yīng)該是：篩分產(chǎn)物中某一粒度級的數(shù)量與原料中該粒級數(shù)量的百分比。根據(jù)表1數(shù)據(jù)，列出了分配率計(jì)算的步驟和結(jié)果，詳見表2。

表2 粒度級分配率計(jì)算表

粒度級分配曲線就是不同粒級顆粒在篩上物(或篩下物)中分配率的圖示，是表征分級效果的特征曲線，既直觀，又形象。圖2就是根據(jù)表2中數(shù)據(jù)繪制的擊打壓力為0.1 MPa的分配曲線。為了使各坐標(biāo)點(diǎn)在圖中分布均勻，橫坐標(biāo)刻度為粒徑取負(fù)對數(shù)值。

圖2 0.1 MPa擊打力時(shí)的分配曲線

所謂分配粒度，就是該粒徑的顆粒分配到篩上物和篩下物中概率皆為50%的粒度。由圖2分配曲線可得出，當(dāng)擊打力為0.1 MPa時(shí)，弧形篩分配粒度達(dá)到了0.25 mm。

3 用粒度級分配率來預(yù)測工藝效果

密度級分配率是表征在特定規(guī)格型號的重選設(shè)備中，各密度級顆粒依照與分配密度的差異，按各自的概率(即分配率)進(jìn)行分選。粒度級分配率也是如此，它表征在特定規(guī)格的篩分設(shè)備中，各粒度級顆粒依照與分配粒度的差異，按各自的概率(即分配率)進(jìn)行分級。在其他參數(shù)保持不變的情況下，此分配率在較大的范圍內(nèi)不隨入料粒度組成的變化而發(fā)生變化，所以可用來對不同粒度組成的入料進(jìn)行預(yù)測。這里以一座年處理能力為6.0 Mt的煉焦煤選煤廠為例，探討采用粒度級分配率來預(yù)測帶有氣動(dòng)式擊打器的精煤泥弧形篩的工藝指標(biāo)，以判斷單段帶有氣動(dòng)式擊打器的精煤弧形篩是否可以取代其目前工藝(圖3)中的兩段串聯(lián)的精煤泥弧形篩。

圖3 兩段精煤泥弧形篩工藝流程圖

3.1 選煤廠概況

該煉焦煤選煤廠生產(chǎn)采用不分級、不脫泥無壓給料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器選煤工藝，設(shè)有兩套生產(chǎn)系統(tǒng)，每套系統(tǒng)各有8臺不帶擊打器的精煤泥弧形篩，它們兩兩相對布置，分別安裝在兩層樓板上，上層樓板為第一段，下層為第二段。在生產(chǎn)中，精煤磁選機(jī)尾礦經(jīng)泵打入第一段弧形篩，其篩上物再自流至第二段弧形篩，第二段篩上物再由煤泥離心機(jī)進(jìn)一步脫水、脫泥。第一、二段弧形篩篩下水一起進(jìn)入浮選入料脫泥池[7-8]。

在現(xiàn)有兩段精煤泥弧形篩工藝下，該廠存在的突出問題是煤泥離心機(jī)脫水后的產(chǎn)物灰分高。經(jīng)實(shí)測，煤泥離心機(jī)入料(第二段弧形篩篩上物)、脫水產(chǎn)物、離心液粒度組成結(jié)果如表3所示。

表3 煤泥離心脫水機(jī)脫水產(chǎn)物粒度組成

從表3可以看出：離心機(jī)脫水產(chǎn)物灰分為12.57%，遠(yuǎn)高于該選煤廠要求的灰分指標(biāo)(<11%)[9]。由于這部分產(chǎn)物直接摻入精煤產(chǎn)品，為保證精煤質(zhì)量，勢必需要降低重介精煤或浮選精煤灰分，因此如不解決離心機(jī)產(chǎn)品灰分高的問題，將嚴(yán)重影響精煤產(chǎn)率和選煤廠的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 精煤泥弧形篩入料分析

降低煤泥離心機(jī)脫水產(chǎn)物灰分的有效辦法是保證其入料質(zhì)量，即提高精煤弧形篩的脫泥降灰效果。為此，進(jìn)一步對選煤廠精煤泥弧形篩入料進(jìn)行了分析，入料粒度組成見表4。

表4 精煤泥弧形篩入料粒度組成

從表4可以看出：

(1)入料中>0.25 mm粒級累計(jì)產(chǎn)率近20%，累計(jì)灰分僅為8.62%，可視為質(zhì)量合格產(chǎn)品，完全沒必要再進(jìn)入浮選生產(chǎn)系統(tǒng)重復(fù)分選。況且煤用浮選設(shè)備對于回收0.5～0.25 mm低灰粗粒，其可燃體回收率一般不高于90%。因此弧形篩要截粗，應(yīng)盡可能將浮選入料上限控制在0.25 mm以內(nèi)，即篩上物的>0.25 mm粒級正配效率越高越好。

(2)入料中<0.045 mm粒級細(xì)泥產(chǎn)率高達(dá)48.84%，是入料的主導(dǎo)粒級，因泥化作用，此部分細(xì)泥灰分高達(dá)43.72%，因此要保證煤泥離心脫水機(jī)的精煤泥質(zhì)量(灰分<11.00%)，就要求弧形篩盡可能脫除<0.045 mm粒級細(xì)泥，脫除越徹底越好，即篩下物的<0.045 mm粒級正配效率越高越好。

3.3 帶有氣動(dòng)式擊打器的弧形篩工藝指標(biāo)預(yù)測

根據(jù)該選煤廠精煤弧形篩入料分析結(jié)果，采用單段帶有氣動(dòng)式擊打器的弧形篩替代現(xiàn)有兩段精煤弧形篩，并預(yù)測其工藝效果。

首先根據(jù)表2的篩上物分配率(擊打壓力0.1 MPa)和表4列出的選煤廠的入料粒度組成，按表5的計(jì)算步驟來預(yù)測篩分產(chǎn)物的粒度組成、灰分和產(chǎn)率。鑒于各粒級煤泥在分級過程中并未得到有效分選，所以在表5計(jì)算中設(shè)定篩分產(chǎn)物各粒級灰分與入料中相應(yīng)粒級灰分相同。

根據(jù)表5篩分產(chǎn)物粒度組成，可以預(yù)測兩項(xiàng)工藝指標(biāo)：粗粒物正配效率Ec和細(xì)粒物正配效率Ef。

(1)粗粒物正配效率Ec計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Fc,r為入料中粗粒物產(chǎn)率，%；Oc為篩上物中粗粒物(占入料)產(chǎn)率，%。本案例中將>0.25 mm粒級視為粗粒級，據(jù)表5，F(xiàn)c,r=6.45%+13.33%=19.78%，Oc=6.13%+10.75%=16.88%，則Ec=85.34%，即入料中>0.25 mm粒級有85.34%被回收，正配到篩上物中，篩上物中有100%-85.34%=14.66%被透篩，誤配于篩下物中。

(2)細(xì)粒物正配效率Ef計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Ff,r為入料中細(xì)粒物產(chǎn)率，%；Uf為篩下物中細(xì)粒物(占入料)產(chǎn)率，%。本案例中將<0.045 mm粒級視為細(xì)泥，據(jù)表5，F(xiàn)f,r=48.84%，Uf=46.97%，則Ef=96.17%，即入料中<0.045 mm粒級有96.17%被脫除，正配到篩下物中，有100%-96.17%=3.83%被混雜，誤配于篩上物中。

表5 篩分產(chǎn)物粒度組成預(yù)測表

3.4 離心脫水效果預(yù)測

采用帶有氣動(dòng)式擊打器的弧形篩替代現(xiàn)有兩段精煤泥弧形篩后，其他流程不變，弧形篩上物仍進(jìn)入原有煤泥離心機(jī)脫水，離心脫水效果預(yù)測如表6所示，其中“脫水產(chǎn)物分配率”為表3中的實(shí)測結(jié)果，離心機(jī)入料“產(chǎn)率”、“灰分”為表5中的“篩上物”預(yù)測結(jié)果。

從表6可以看出：使用氣動(dòng)式擊打器的單段弧形篩篩上物經(jīng)離心機(jī)脫水、脫泥后，脫水產(chǎn)物灰分為10.01%，比采用兩段串聯(lián)的精煤泥弧形篩的灰分指標(biāo)(12.57%)降低了2.56個(gè)百分點(diǎn)，完全滿足摻入精煤產(chǎn)品的灰分要求(<11%)。

表6 離心脫水機(jī)脫水產(chǎn)物粒度組成預(yù)測表

4 對比與分析

按以上同樣的試驗(yàn)和計(jì)算步驟，也可得出擊打壓力為0.3 MPa和0.5 MPa時(shí)的工藝指標(biāo)。表7列出了該選煤廠兩段精煤泥弧形篩串聯(lián)使用的實(shí)測工藝效果與采用氣動(dòng)式擊打器的單段精煤泥弧形篩的預(yù)測工藝效果對比。

根據(jù)表7可得：

(1)使用氣動(dòng)式擊打器的單段弧形篩的細(xì)粒正配效率高于兩段串聯(lián)的弧形篩約10個(gè)百分點(diǎn)。這對該廠入料中產(chǎn)率近乎占50%的、灰分為43.72%細(xì)泥而言，有著特別重要的意義。

表7 精煤泥弧形篩兩段串聯(lián)實(shí)測與單段不同擊打力下預(yù)測工藝效果的比較

(2)使用氣動(dòng)式擊打器的單段弧形篩的篩上物經(jīng)離心機(jī)脫水、脫泥后，脫水產(chǎn)物灰分為10.01%(表6)，完全可達(dá)到粗精煤泥指標(biāo)要求。鑒于該廠的粗精煤泥產(chǎn)量約為65 t/h，因此盡可能增加細(xì)泥脫除率(即細(xì)粒物正配效率)是提高精煤泥弧形篩工作效率的第一要?jiǎng)?wù)。

(3)使用氣動(dòng)式擊打器的單段弧形篩的粗粒物正配效率(擊打壓力0.1 MPa時(shí))比兩段串聯(lián)的弧形篩低5.43個(gè)百分點(diǎn)，但從絕對值上看，篩下物中>0.5 mm粒級產(chǎn)率僅為0.42%，0.5～0.25 mm粒級粗粒產(chǎn)率為3.35%，基本處于浮選工藝的可控范圍之內(nèi)。利弊權(quán)衡后認(rèn)為，對于該選煤廠，應(yīng)以在精煤弧形篩上加裝氣動(dòng)式擊打器為好。由于氣動(dòng)式擊打器提高了弧形篩顆粒透篩能力，可考慮將篩縫適當(dāng)減小(比如由0.4 mm減至0.3 mm)，選用篩背窄、開孔率大、質(zhì)量好的不銹鋼篩條做篩面。

(4)擊打壓力由0.1 MPa增至0.5 MPa后，細(xì)粒物正配效率增加得很有限，而粗粒正配效率卻有較為顯著的減小，所以擊打壓力控制在0.1 MPa是適宜的。

通過上述工藝效果對比可知：帶有氣動(dòng)式擊打器的單段精煤泥弧形篩可以取代兩段串聯(lián)的精煤泥弧形篩，從而有利于節(jié)約廠房空間，減少設(shè)備臺數(shù)和動(dòng)力消耗[10](弧形篩入料泵輸送總高度減小)。因此，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，可以先采用粒度級分配率來預(yù)測帶有氣動(dòng)式擊打器的精煤泥弧形篩的篩分產(chǎn)物粒度組成、工藝指標(biāo)，以從中優(yōu)選擊打器的工作參數(shù)，為可行性研究提供翔實(shí)的數(shù)據(jù)，有利于最終的技術(shù)決策。

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