加壓過(guò)濾機(jī)密封排料裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

侯 婧

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

煤炭作為我國(guó)主要的能源之一，在現(xiàn)代化工業(yè)中依然發(fā)揮著重要作用[1]。開(kāi)采出的煤炭要經(jīng)過(guò)選煤廠進(jìn)行洗選加工，在提高了煤炭的產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了最大程度地煤炭清潔，避免環(huán)境污染[2]。隨著采煤機(jī)械化程度的不斷提高，原煤中煤泥含量也顯著增加，使?jié)穹ㄟx煤中煤泥水處理難度變大。煤炭產(chǎn)品水分是產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，產(chǎn)品水分低不僅有利于提高產(chǎn)品發(fā)熱量，而且具有方便運(yùn)輸、防止煤在冬季結(jié)冰、節(jié)約水資源等優(yōu)點(diǎn)，因此煤泥脫水作業(yè)成了選煤工藝中決定產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3]。

目前，我國(guó)選煤廠采用的煤泥脫水設(shè)備主要有板框壓濾機(jī)、沉降過(guò)濾離心機(jī)、加壓過(guò)濾機(jī)等。加壓過(guò)濾機(jī)作為大型機(jī)電一體化設(shè)備，與其他煤泥脫水設(shè)備相比，具有處理能力大、脫水效果好、濾液濃度低、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，是選煤廠使用較廣泛的一種煤泥脫水設(shè)備。國(guó)外加壓過(guò)濾機(jī)最大處理面積已經(jīng)達(dá)到168 m2，主要應(yīng)用在有色金屬、煤炭和食品行業(yè)。目前國(guó)內(nèi)加壓過(guò)濾機(jī)已形成系列化產(chǎn)品，按照處理面積可劃分成60，72，96，120，140 m2五種規(guī)格[4]。近年來(lái)，隨著選煤相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合生產(chǎn)過(guò)程中加壓過(guò)濾機(jī)的工作情況，加壓過(guò)濾機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、加工工藝、制作材料、控制系統(tǒng)等都有了不同程度的優(yōu)化升級(jí)，并且已經(jīng)在生產(chǎn)中得到應(yīng)用[5-7]。

加壓過(guò)濾機(jī)密封排料裝置是設(shè)備的關(guān)鍵部件，其可靠性對(duì)加壓過(guò)濾機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中該裝置時(shí)常出現(xiàn)閘板打不開(kāi)、閘板關(guān)不到位、排料不連續(xù)(造成產(chǎn)品質(zhì)量不均勻且當(dāng)排料量太大時(shí)可造成下游給煤機(jī)“堵死”)、液壓系統(tǒng)故障、充氣密封圈磨損嚴(yán)重等情況。為了解決加壓過(guò)濾機(jī)密封排料裝置在生產(chǎn)過(guò)程中存在的這些問(wèn)題，提高加壓過(guò)濾機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)加壓過(guò)濾機(jī)密封排料裝置的排料方式、機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 加壓過(guò)濾機(jī)

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

加壓過(guò)濾機(jī)主要由加壓倉(cāng)、盤(pán)式過(guò)濾機(jī)、刮板輸送機(jī)、密封排料裝置、控制系統(tǒng)五個(gè)部分組成(圖1)。盤(pán)式過(guò)濾機(jī)安裝在加壓倉(cāng)內(nèi)，是加壓過(guò)濾機(jī)的核心部分；刮板輸送機(jī)布置在盤(pán)式過(guò)濾機(jī)卸料側(cè)的下部，機(jī)頭布置在密封排料裝置上倉(cāng)口。

1—加壓倉(cāng)；2—盤(pán)式過(guò)濾機(jī)；3—刮板輸送機(jī)；4—密封排料裝置

加壓過(guò)濾機(jī)工作時(shí)，加壓倉(cāng)內(nèi)壓力升高至0.2～0.5 MPa，煤漿通過(guò)加壓過(guò)濾機(jī)給料泵送入盤(pán)式過(guò)濾機(jī)的槽體內(nèi)，保證濾盤(pán)的浸入深度達(dá)到50%；盤(pán)式過(guò)濾機(jī)是加壓過(guò)濾機(jī)的核心部分，通過(guò)濾盤(pán)內(nèi)外的壓差，使物料在濾布表面形成濾餅；濾餅在卸料刮刀和反吹作用下落入下方刮板輸送機(jī)內(nèi)，以下鏈運(yùn)輸?shù)姆绞竭\(yùn)送到機(jī)頭位置下方的密封排料裝置內(nèi)，最后排出倉(cāng)外[8]。

1.2 密封排料裝置工作原理

密封排料裝置需要在保證加壓過(guò)濾機(jī)內(nèi)部壓力不外泄的情況下進(jìn)行排料，是加壓過(guò)濾機(jī)的重要組成部分，其工作的可靠性和穩(wěn)定性直接影響加壓過(guò)濾機(jī)的生產(chǎn)效率。加壓過(guò)濾機(jī)密封排料裝置結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

現(xiàn)有的加壓過(guò)濾機(jī)密封排料裝置為倉(cāng)體和水平閘板結(jié)構(gòu)，通過(guò)閘板交替開(kāi)閉進(jìn)行排料。倉(cāng)體分為上倉(cāng)體和下倉(cāng)體，兩倉(cāng)體的倉(cāng)底分別與上、下閥體連接，兩閥體內(nèi)分別設(shè)置液壓驅(qū)動(dòng)的閘板和充氣密封圈，在上、下閘板交替開(kāi)閉時(shí)，對(duì)應(yīng)的上、下充氣密封圈通過(guò)放氣和充氣來(lái)防止壓力外泄[9]。

1—上倉(cāng)體；2—上閥體；3—下倉(cāng)體；4—下閥體；5—上充氣密封圈；6—上閘板；7—下充氣密封圈；8—下閘板

加壓過(guò)濾機(jī)工作時(shí)，密封排料裝置的上閘板關(guān)閉，上充氣密封圈充氣，使上倉(cāng)體內(nèi)壓力與加壓倉(cāng)內(nèi)壓力相同，刮板輸送機(jī)把濾餅運(yùn)至上倉(cāng)體；當(dāng)上倉(cāng)體內(nèi)濾餅積累到設(shè)定高度時(shí)，上充氣密封圈放氣，上閘板打開(kāi)，將上倉(cāng)體內(nèi)濾餅卸落到下倉(cāng)體；卸料完成后，上閘板關(guān)閉，上充氣密封圈充氣，此時(shí)上倉(cāng)體和下倉(cāng)體獨(dú)立密封；當(dāng)下倉(cāng)體壓力減至與大氣壓力相同時(shí)，下充氣密封圈放氣，下閘板打開(kāi)，將下倉(cāng)體內(nèi)濾餅排出倉(cāng)外；排料完成后，下閘板關(guān)閉，下充氣密封圈充氣，下倉(cāng)體增壓至與上倉(cāng)體壓力相同。

1.3 存在問(wèn)題

由于工作環(huán)境較差，現(xiàn)有的密封排料裝置在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在以下問(wèn)題：

(1)密封排料裝置的上下閘板交替打開(kāi)進(jìn)行排料，間歇性將濾餅排出加壓過(guò)濾機(jī)外，且一次性排料較多，不僅容易撒料，還容易造成給煤機(jī)“堵死”等故障。

(2)充氣密封圈作為易損件更換頻率大，且需要工人進(jìn)入密封排料裝置內(nèi)進(jìn)行更換，操作空間小，更換困難。

(3)密封排料裝置的上下閘板由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，很難快速定位故障點(diǎn)[10-12]。

為此，對(duì)加壓過(guò)濾機(jī)密封排料裝置的結(jié)構(gòu)、密封方式和驅(qū)動(dòng)及控制方式進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的密封排料裝置(圖3)由排料殼體、排料筒和轉(zhuǎn)軸組成，排料殼體可以劃分成三個(gè)工作區(qū)域，中間位置是旋轉(zhuǎn)區(qū)，上部為入料區(qū)，下部為排料區(qū)。排料殼體的上下兩端均為法蘭結(jié)構(gòu)，分別與加壓倉(cāng)和給煤機(jī)連接，沿軸向兩側(cè)分別是法蘭端蓋和法蘭透蓋，其中法蘭透蓋側(cè)轉(zhuǎn)軸伸出與電機(jī)連接，法蘭端蓋側(cè)用于對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行固定，防止出現(xiàn)軸向移動(dòng)。轉(zhuǎn)軸上安裝排料筒，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)排料筒在排料殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)。排料筒內(nèi)部空間被四塊隔板均勻分成四個(gè)獨(dú)立倉(cāng)室[14]，隔板頂端安裝有橡膠密封片，在排料筒旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，四個(gè)獨(dú)立倉(cāng)室可以與排料殼體之間形成密封的空間，從而將入料區(qū)的濾餅旋轉(zhuǎn)到排料區(qū)。

1—排料殼體；2—排料筒；3—轉(zhuǎn)軸

優(yōu)化后的密封排料裝置采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)倉(cāng)體進(jìn)行排料，沿軸向兩側(cè)均采用法蘭連接，這種連接方式不僅方便拆裝，而且為設(shè)備檢修提供了更多可利用空間。優(yōu)化后的密封排料裝置將內(nèi)部空間也進(jìn)行了合理劃分，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻連續(xù)排料，不僅降低了能耗，簡(jiǎn)化了檢修和維護(hù)過(guò)程，而且整體尺寸比原密封排料裝置減小，控制方式簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了降低加壓過(guò)濾機(jī)生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率的目標(biāo)。

2.2 密封方式

加壓過(guò)濾機(jī)工作壓力在0.2～0.5 MPa之間，密封排料裝置在排料過(guò)程中的密封性要求較高。如果密封排料裝置的密封性能不好，在排料過(guò)程中出現(xiàn)壓縮空氣外泄，輕則出現(xiàn)噴料，重則發(fā)生爆炸。

優(yōu)化后的密封排料裝置采用物料密封和結(jié)構(gòu)密封的雙重密封方式。物料密封是利用濾餅填滿密封排料裝置內(nèi)倉(cāng)室，從而使排料筒在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中將倉(cāng)體內(nèi)壓縮空氣與倉(cāng)體外大氣隔絕，保證在排料過(guò)程中壓縮空氣不外泄。結(jié)構(gòu)密封分為徑向密封和軸向密封，其中：徑向密封是在排料筒內(nèi)隔板上安裝密封片，使排料筒在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中與排料殼體的圓弧面形成密封；軸向密封是在排料筒側(cè)板之間安裝膨體聚四氟乙烯盤(pán)根(圖4)，兩條盤(pán)根并排安裝，保證在排料筒旋轉(zhuǎn)時(shí)其側(cè)板與排料殼體的圓弧面之間形成密封，使壓縮空氣不會(huì)發(fā)生軸向泄露。膨體聚四氟乙烯盤(pán)根具有極低的摩擦系數(shù)和良好的自潤(rùn)滑性能，抗摩擦能力強(qiáng)，同時(shí)具有固體材料中最小的表面張力，不黏附任何物質(zhì)，在相對(duì)惡劣的工作環(huán)境中，膨體聚四氟乙烯盤(pán)根不管是自身性能還是使用壽命都要優(yōu)于其他填料密封產(chǎn)品[15-16]。

1—排料殼體；2—盤(pán)根；3—排料筒

2.3 驅(qū)動(dòng)及控制方式

優(yōu)化后的密封排料裝置采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)、變頻器控制方式，實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)調(diào)速，取消了現(xiàn)有密封排料裝置的液壓站，既降低了成本又節(jié)省了空間；此外還省略了現(xiàn)有密封排料裝置對(duì)密封圈的充放氣，節(jié)省了能耗。

對(duì)優(yōu)化后的密封排料裝置的濾餅量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，變頻電機(jī)能根據(jù)濾餅量調(diào)整轉(zhuǎn)速，使積存的濾餅量始終保持在兩個(gè)倉(cāng)室容積以上。該控制方式可以有效防止優(yōu)化后的密封排料裝置倉(cāng)室內(nèi)濾餅填充不足而出現(xiàn)的壓縮空氣泄漏問(wèn)題，使系統(tǒng)只需要根據(jù)料位計(jì)的反饋信號(hào)即可對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)行閉環(huán)控制，既簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)，也在一定程度上降低了系統(tǒng)故障率。

3 結(jié)論

密封排料裝置是加壓過(guò)濾機(jī)的重要部件，想要使加壓過(guò)濾機(jī)連續(xù)、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)，提高密封排料裝置的可靠性、穩(wěn)定性至關(guān)重要。加壓過(guò)濾機(jī)密封排料裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)已于2022年5月獲得實(shí)用新型專利授權(quán)。通過(guò)對(duì)密封排料裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論：

(1)將密封排料裝置的排料方式改進(jìn)為旋轉(zhuǎn)排料，可以將濾餅均勻且連續(xù)地排出加壓過(guò)濾機(jī)，排料均勻、沖擊小，避免了撒料和給煤機(jī)“堵死”等故障的發(fā)生。

(2)將密封排料裝置的密封方式改進(jìn)為物料密封和結(jié)構(gòu)密封，密封效果好，且成本相對(duì)較低，密封件更換時(shí)只需要將排料筒經(jīng)排料殼體側(cè)面拉出即可更換，不受空間限制，操作方便。

(3)將密封排料裝置的驅(qū)動(dòng)及控制方式改進(jìn)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、變頻器控制，不僅減少了設(shè)備的故障點(diǎn)，降低了設(shè)備的故障率，優(yōu)化了后期的檢修及維護(hù)，而且取消了液壓站密封圈的充放氣，降低了能耗，也大大提高了加壓過(guò)濾機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。