煤泥弧形篩分離粒度與篩縫相關(guān)性研究

李時(shí)運(yùn)

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司銷(xiāo)售分公司，山西 太原030006)

隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益關(guān)注，國(guó)家對(duì)煤炭洗選加工和潔凈利用提出了更為嚴(yán)格的要求，近幾年，煤炭分選技術(shù)取得了令人矚目的進(jìn)步。同時(shí)，隨著煤炭分選技術(shù)的發(fā)展，重力選煤分選下限不斷降低，分選下限從上世紀(jì)末的0.5 mm降到2010年的0.25 mm，再到目前的0.125 mm[1-2]。

煤泥弧形篩屬于選煤廠(chǎng)的常用設(shè)備之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、日常維護(hù)量少等優(yōu)點(diǎn)，煤泥弧形篩依靠篩條入料側(cè)尖銳棱角對(duì)物料進(jìn)行切割，從而實(shí)現(xiàn)煤泥分級(jí)作業(yè)[3]。隨著重力選煤有效分選下限的降低，為了能全部有效回收灰分合格的精煤泥，分級(jí)設(shè)備的篩縫從原來(lái)的0.5 mm降至0.15 mm，篩條背寬也從原來(lái)的1.50 mm降至0.76 mm，以適應(yīng)分選設(shè)備發(fā)展的需要，避免煤泥進(jìn)入下一環(huán)節(jié)重復(fù)分選的問(wèn)題，因此選擇合適的煤泥弧形篩篩縫顯得尤其重要。在選煤廠(chǎng)工程設(shè)計(jì)選型中，煤泥弧形篩篩縫的選擇往往依靠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，缺少一套科學(xué)有效的計(jì)算方法，因此探索煤泥弧形篩分離粒度與篩縫之間的相關(guān)關(guān)系，可以為設(shè)計(jì)選型提供一定的借鑒作用。

1 弧形篩工作原理

弧形篩屬于一種無(wú)動(dòng)力固定篩，正常情況下，可實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，便于反復(fù)使用，弧形篩篩面由楔形斷面不銹鋼篩條橫向排列組成，縱向(物料運(yùn)動(dòng)方向)呈圓弧形，為了增加分級(jí)效率，避免篩縫堵塞和物料堆積，可安裝擊打器或振動(dòng)卸料裝置[4-6]?；⌒魏Y工作時(shí)，煤漿由入料箱下部出口沿切線(xiàn)方向均勻給入弧形篩篩面，在煤漿層流動(dòng)過(guò)程中，由于離心力和重力的作用，每根篩條的邊棱都會(huì)產(chǎn)生切割作用，被切割的煤漿經(jīng)篩縫排出，成為篩下物；未被切割的煤漿越過(guò)篩條，成為篩上物。

2 顆粒在篩面運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析

弧形篩的結(jié)構(gòu)和工作原理看似簡(jiǎn)單，實(shí)質(zhì)上流動(dòng)煤漿所含顆粒在篩面上受力十分復(fù)雜。初始階段，由于存在給料高差勢(shì)能，煤漿的切線(xiàn)速度較快，在篩面上顆粒受到的離心力也較大，同時(shí)根據(jù)物料粒度不同，在此階段完成對(duì)物料的切割、分離，此段篩面長(zhǎng)度約占篩面總長(zhǎng)的1/3。隨著煤漿被篩條切割，大量流體透過(guò)篩縫，其切線(xiàn)速度和離心力將急劇減小，粗顆粒物料開(kāi)始在篩面堆積，在此階段，極細(xì)顆粒和水不斷被濾除，分級(jí)效果進(jìn)一步強(qiáng)化，產(chǎn)品水分大幅度降低。當(dāng)物料運(yùn)動(dòng)到弧形篩篩板尾端時(shí)，煤漿的流動(dòng)性越來(lái)越差，顆粒透篩阻力也增大，粗顆粒物料大量堆積，加之弧形篩的振動(dòng)作用，達(dá)到卸料目的。

為了分析弧形篩分離粒度與篩縫之間關(guān)系，首先必須了解在離心旋轉(zhuǎn)力作用下，顆粒在篩面的運(yùn)動(dòng)和透篩過(guò)程。

為了便于分析顆粒在篩板上的運(yùn)動(dòng)情況，以單個(gè)顆粒為研究對(duì)象，沿弧形篩弧長(zhǎng)取一微弧長(zhǎng)篩面(可以近似看作很短的直篩面)作為研究范圍，顆粒在篩面的運(yùn)動(dòng)模型如圖1所示。假定顆粒呈球形，直徑為d，篩縫寬為L(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)軌跡如虛線(xiàn)OO1所示。當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)到O1點(diǎn)處時(shí)，所受的翻轉(zhuǎn)力矩為零，剛好具備透篩的極限條件，若顆粒直徑>d，則翻越篩條棱角在篩面上運(yùn)動(dòng)，不能形成透篩；若顆粒直徑

圖1 顆粒在篩面運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析圖

顆粒達(dá)到透篩的運(yùn)動(dòng)軌跡可用下式表示：

y=x·tanα+ax22v2(cosα)2，

式中：v為顆粒的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；a為顆粒徑向加速度，m/s2；α為篩板傾角，(°)。

顆粒重心在位置O1上的坐標(biāo)為(x1，y1)，則可表示為：

x1=L·cosα-d2(cosα+sinα)，

y1=L·sinα+d2(cosα-sinα)。

位置點(diǎn)O1在顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡上，所以坐標(biāo)x1和y1應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足顆粒運(yùn)動(dòng)的軌跡方程式。將x1和y1代入運(yùn)動(dòng)軌跡公式中，得到以下公式:

L=1+tanα2·d+v·da·cosα。

因離心力和徑向液流作用產(chǎn)生的徑向加速度a遠(yuǎn)大于顆粒直徑d，故在簡(jiǎn)便計(jì)算中可將最后一項(xiàng)忽略不計(jì)，上式可簡(jiǎn)寫(xiě)為：

d=21+tanα·L，

即

d=k·L。

通過(guò)單個(gè)顆粒在篩面的運(yùn)動(dòng)分析可知，弧形篩分離粒度與篩縫呈線(xiàn)性關(guān)系，斜率k為隨著傾角α變化的常數(shù)，由于弧形篩切割作用主要發(fā)生在篩板前1/3處，因此，傾角α的取值范圍為60°～70°，即k=0.534～0.732。

3 數(shù)值擬合分析

根據(jù)上述顆粒運(yùn)動(dòng)分析中的煤泥弧形篩分離粒度與篩縫之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)合近幾年已發(fā)表的煤泥弧形篩相關(guān)數(shù)據(jù)[7-9]，選取部分煤泥弧形篩分離粒度與篩縫的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合，進(jìn)而推導(dǎo)兩者的相關(guān)關(guān)系式。匯總結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 煤泥弧形篩分離粒度與篩縫數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 煤泥弧形篩分離粒度與篩縫的關(guān)系

國(guó)內(nèi)常用煤泥弧形篩篩縫的規(guī)格大致為表1所列出的5種，其對(duì)應(yīng)的分離粒度平均值為表1第4列所列出的數(shù)據(jù)，對(duì)兩者相關(guān)關(guān)系進(jìn)行擬合(圖2)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明：煤泥弧形篩分離粒度與篩板篩縫呈線(xiàn)性關(guān)系，因此趨勢(shì)線(xiàn)方程式為d=aL+b，其中a=0.554，b=0.041，綜合可得關(guān)系方程式為d=0.554L+0.041，此時(shí)，篩縫在0.15～0.50 mm區(qū)間范圍內(nèi)，該方程式可靠度為99.7%。當(dāng)篩縫L取極限值0時(shí)，由于式中b值的存在，其分離粒度不為零，這與實(shí)際不符合，由于b值較小，且呈現(xiàn)波動(dòng)變化，因此可將b值視為試驗(yàn)中工況差別或人為誤差引起的數(shù)值，最終關(guān)系式可簡(jiǎn)化為d= 0.554L，該結(jié)論與理論簡(jiǎn)便計(jì)算公式相符合。

4 結(jié)論

選煤廠(chǎng)工程設(shè)計(jì)選型中，通常先根據(jù)煤質(zhì)資料確定煤泥的分離粒度，再選擇合適的弧形篩篩縫，這一過(guò)程以往都是靠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成的。本研究通過(guò)理論簡(jiǎn)便計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)值擬合兩種方法，結(jié)合顆粒在篩面的運(yùn)動(dòng)分析，推導(dǎo)計(jì)算出弧形篩分離粒度與篩縫的線(xiàn)性關(guān)系為d=k·L(k=0.534～0.732)，這一公式的提出為弧形篩篩條參數(shù)及設(shè)計(jì)選型提供了理論基礎(chǔ)。依據(jù)已發(fā)表的弧形篩篩縫與分離粒度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，采用數(shù)值擬合方法，獲得兩者的相關(guān)關(guān)系方程式為d=0.554L，該方程式與理論計(jì)算式吻合度較高，進(jìn)一步定量驗(yàn)證了兩者的關(guān)系。