弛張篩面運動學特性與3mm篩分過程參數(shù)優(yōu)化

李 明，石建光，康永飛，孫銀輝，潘 淼

(1.國能包頭能源有限責任公司煤炭洗選中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中國礦業(yè)大學，江蘇 徐州 221116)

2020年，我國煤炭消費量占能源消費總量的56.8%，在能源消費體系中占據(jù)主導地位[1]。動力煤消費量占煤炭消費總量的 70% 以上，主要用于電力、化工、冶金以及建材等領域[2]。動力煤變質(zhì)程度較低，直接利用易造成嚴重的環(huán)境污染與資源浪費。《能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略(2016—2030)》提出：“加強煤炭洗選加工，提高煤炭洗選比例”[2]。2021年3月兩會正式將“2030碳達峰、2060碳中和”列入政府工作報告，明確了低碳發(fā)展的約束性目標和重大政策。提升動力煤入選率，已成為推動能源資源高效清潔利用的關鍵所在[3]。

國能包頭能源有限責任公司萬利一礦選煤廠入選原煤屬粘濕高水分易泥化動力煤，原煤經(jīng)50mm分級，+50mm塊煤進行重介淺槽分選，-50mm混煤直接作為產(chǎn)品銷售，原煤入選比例低，經(jīng)濟效益差。為提高原煤入選比例，增加精煤產(chǎn)量，提升商品煤質(zhì)量與產(chǎn)品市場競爭力，亟需降低萬利一礦選煤廠原煤分級下限。然而，隨著采煤機械化的發(fā)展，原煤中細粒物含量逐漸升高，在黏土礦物及外在水分的作用下，嚴重惡化篩分效果[4-6]。弛張篩因其具備大拋射強度的優(yōu)點，可強化料群松散、分層及透篩，在粘濕易泥化動力煤3mm干法篩分領域廣泛應用[7-9]。

國內(nèi)外學者在弛張篩篩分理論、機械結(jié)構(gòu)以及工藝性能等方面開展了大量研究。A.Hamid等[10]采用兩種不同的煤樣進行了弛張篩2mm干法篩分試驗研究，篩分效率為85.1%，錯配物含量為 5.97%。王新文等[11]建立了考慮篩框轉(zhuǎn)動的振動弛張篩的多自由度動力學模型，推導了運動微分方程的穩(wěn)態(tài)解，并基于振動測試方法，對比了理論方法計算出的軌跡與實際軌跡的擬合程度。X.Xiong等[12]建立了弛張篩面的懸鏈線理論數(shù)學模型，基于物理試驗驗證了模型的準確性，探究了電機轉(zhuǎn)速、篩面傾角、張緊量等特征參數(shù)對篩面撓度、速度和加速度的影響規(guī)律。張新等[13]采用線性分段插值方法建立了近柔性化弛張篩面，研究了激振力、篩體傾角、物料特性對篩分效率的影響規(guī)律。武繼達等[14]建立了實際工況下篩面的動態(tài)特征數(shù)值模型，構(gòu)建了幾何參數(shù)與應力之間的二階近似模型，基于遺傳算法確定了篩面的最佳幾何參數(shù)。鄒夢麒等[15]研究了張緊量對篩面力學參數(shù)的影響，獲得了篩面中點加速度特性曲面，利用有限元法分析了篩面的瞬態(tài)動力學特征與分布規(guī)律。在理論研究的基礎上，弛張篩已在我國各大選煤廠進行應用與工程實踐。唐家會礦選煤廠、塔拉壕煤礦選煤廠等采用弛張篩對原煤進行6mm干法脫粉，顯著降低了分選系統(tǒng)煤泥量，實現(xiàn)了工藝系統(tǒng)的煤泥減量生產(chǎn)[16，17]。

本文擬開展弛張篩面運動學特性與3mm篩分過程參數(shù)優(yōu)化研究，采用振動測試分析弛張篩內(nèi)外篩框與篩面的運動學特性，優(yōu)化篩面材料配方與結(jié)構(gòu)設計，探究工作頻率和處理能力對篩分效果的影響規(guī)律，以實現(xiàn)粘濕動力煤3mm高效干法篩分。

1 物料特性與試驗

1.1 煤樣物化特性

選取萬利一礦選煤廠入選原煤為試驗煤樣，工業(yè)分析、發(fā)熱量及硫分測試結(jié)果見表1。該原煤屬中灰分、中硫、高揮發(fā)分、低固定碳長焰煤。

表1 工業(yè)分析、發(fā)熱量及硫分

各粒級煤炭產(chǎn)率與灰分分布特征如圖1所示。原煤水分高達24.76%，灰分24.21%，-0.5mm原生煤泥含量6.11%，灰分31.23%，矸石出現(xiàn)嚴重泥化。采用X射線衍射儀(XRD)測定了試驗樣品的礦物成分，如圖2所示，試驗結(jié)果表明：主要為高嶺石等黏土礦和勃母石等。原煤中3～0mm細粒煤含量高達22.43%，6～3mm粒級含量達14.58%，該部分原煤在水分和黏土礦物作用下極易造成粘附成團，料群松散、分層困難。

圖1 原煤粒度特性曲線

圖2 原煤礦物成分XRD測試

1.2 試驗設備與方法

采用萬利一礦選煤廠曲柄連桿式弛張篩開展試驗研究，弛張篩尺寸為3.0m×10.8m(寬×長)，篩孔尺寸為3mm×10mm。選取篩分效率、錯配物含量評價動力煤3mm篩分效果[3]。

2 弛張篩運動學測試與3mm篩分效果

2.1 弛張篩運動學測試

基于振動測試技術(shù)，開展了弛張篩運動學測試研究，測試與分析系統(tǒng)包括：ICP三向加速度傳感器、INV3060s高精度多通道信號采集儀、Coinv DASP-V10信號實時分析軟件?，F(xiàn)場布置如圖3所示，將ICP加速度傳感器分別布置在內(nèi)篩框與外篩框上，即傳感器1和傳感器2。沿料流方向在單塊篩面上分別布置4個傳感器，其中傳感器3為篩面中點。x軸為料流運動方向，y軸為垂直篩面方向，z軸為垂直側(cè)板方向，內(nèi)、外篩框x方向加速度時域特性曲線、篩面中心點加速度時域特性曲線如圖4所示。外篩框x方向平均加速度為45.30m/s2，內(nèi)篩框x方向平均加速度為26.98m/s2，篩面中點y方向平均加速度可達357.73m/s2，振動強度為36.50g。

圖3 加速度傳感器布置圖

圖4 篩框、篩面加速度時域特性曲線(原篩面)

2.2 弛張篩3mm篩分效果分析

對弛張篩入料、篩上物和篩下物進行采樣分析，計算篩分效率、總錯配物含量等評價指標。結(jié)果表明：3mm篩分效率為81.67%，總錯配物含量為7.76%，煤泥脫除率為91.92%。分配曲線如圖5所示，實際分級粒度d50=4.02mm，分配曲線出現(xiàn)上翹現(xiàn)象。弛張篩的篩分效率偏低，實際分級粒度大于規(guī)定分級粒度。造成這種現(xiàn)象的可能原因在于：篩面振動強度過大，導致料群運移速度過快，降低了顆粒在篩上的停留時間，部分未及時透篩的細顆粒跟隨粗顆粒進入到篩上產(chǎn)品中，從而使得細顆粒正配效率低、篩分效果差。此外，生產(chǎn)過程中，采用“壓板壓接-螺栓緊固”篩面安裝方式，運動過程中篩面與壓板不斷接觸，易出現(xiàn)磨損、撕裂等現(xiàn)象，篩面使用壽命3～6個月，因此，亟需開展篩面結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化設計研究，提高篩分效率和篩面使用壽命。

圖5 3mm篩分分配曲線(原篩面)

3 弛張篩面結(jié)構(gòu)設計與參數(shù)優(yōu)化

3.1 弛張篩面結(jié)構(gòu)設計

優(yōu)化了篩面材料配方與結(jié)構(gòu)設計，研制了變厚度橫截面弧形過渡篩面，如圖6所示，安裝區(qū)域較篩孔區(qū)域厚度大1mm，自安裝區(qū)域至篩孔區(qū)域厚度遞減，以提高安裝區(qū)域的抗撕裂強度，弧形過渡設計有效避免篩面與壓板直接接觸。

圖6 變厚度橫截面弧形過渡篩面

利用振動測試技術(shù)對弛張篩進行了運動學測試分析，篩框、篩面加速度時域特性如圖7所示。弛張篩外篩框、內(nèi)篩框x軸方向平均加速度分別為41.06m/s2、25.94m/s2，篩面中點y軸方向平均加速度為211.93m/s2，振動強度為21.63g，與優(yōu)化前相比，振動強度降低40.74%，可以有效降低篩上料群的運動速度，延長篩分時間。

圖7 篩框、篩面加速度時域特性曲線(優(yōu)化后篩面)

3.2 工作頻率對篩分效果的影響

工作頻率直接決定了單位時間內(nèi)篩面跳動次數(shù)及拋射強度，進而對物料松散、分層、透篩、運移過程均產(chǎn)生重要影響。通過變頻器改變電機轉(zhuǎn)速，進而改變工作頻率。試驗條件為處理能力400t/h，工作頻率依次取值：6.67Hz、8Hz、9.33Hz、10.67Hz、12Hz。

工作頻率對篩分效率的影響如圖8所示。隨著頻率的增大，篩分效率、煤泥脫除率均先升高后降低，總錯配物含量先減少后增多，篩分效率在85.69%～92.85%之間，煤泥脫除率在89.83%～95.67%之間，總錯配物含量在3.40%～5.12%之間。當弛張篩工作頻率為9.33Hz時，弛張篩篩分效果最佳，此時篩分效率為92.85%，總錯配物含量為3.40%，煤泥脫除率為95.67%。篩面加速度隨頻率的增加而增加，強化了物料的松散分層，在碰撞作用下，煤泥從大顆粒表面脫除，提高了物料的整體篩分效果。當工作頻率超過9.33Hz后，再繼續(xù)增大，物料運移速度加快，物料篩分時間減小，細顆粒透篩率降低，整體篩分效率降低。

圖8 工作頻率對篩分效率的影響

3.3 處理能力對篩分效果的影響

處理能力是影響篩分效果的重要操作參數(shù)，為優(yōu)化弛張篩的工藝性能，保證選煤廠的生產(chǎn)效率，設定工作頻率為9.33Hz，其他試驗條件不變，研究了處理能力分別為360t/h、400t/h以及440t/h時的篩分效果。

處理能力對篩分效率的影響如圖9所示。當處理能力為360t/h時，篩分效率為94.21%，總錯配物含量為2.89%，煤泥脫除率達到95.84%。當處理能力為400t/h時，弛張篩的篩分效率為92.85%，總錯配物含量為3.40%，煤泥脫除率達到95.67%。當處理能力為440t/h時，弛張篩的篩分效率為89.92%，總錯配物含量為3.67%，煤泥脫除率達到85.08%。

圖9 處理能力對篩分效率的影響

隨處理能力的增加，3mm篩分效率、煤泥脫除率均降低，總錯配物含量增大。處理能力的增加導致篩上料層厚度變厚，料群松散、分層效果變差，細顆粒無法在有限的篩分時間內(nèi)達到篩孔附近，降低了細顆粒的透篩率。系統(tǒng)正常生產(chǎn)時，弛張篩處理能力400t/h，分配曲線如圖10所示，實際分級粒度接近3mm，與原篩面相比，篩分效率提高了11.18個百分點，篩面壽命6個月以上。實現(xiàn)了選煤廠煤泥減量生產(chǎn)，經(jīng)濟社會效益顯著。

圖10 3mm篩分分配曲線圖(優(yōu)化后篩面)

4 結(jié) 論

1)弛張篩可強化粘濕動力煤松散，克服篩面堵孔，原弛張篩篩面中心點振動強度達36.50g，3mm篩分效率為81.67%，煤泥脫除率為91.92%，篩分效率低、篩面使用壽命短。

2)優(yōu)化了篩面材料配方與結(jié)構(gòu)設計，研制了變厚度橫截面弧形過渡篩面，篩面中點振動強度降至21.63g，降低了篩上料群的運動速度，延長了料群的篩分時間。

3)隨工作頻率的增加，篩分效率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，隨處理能力的增加，篩分效率呈現(xiàn)減小趨勢。

4)當工作頻率為9.33Hz，處理能力為400t/h時，優(yōu)化設計篩面的3mm篩分效率達92.85%，煤泥脫除率達95.67%，使用壽命大于6個月，與原篩面相比，篩分效率提高了11.18個百分點。