濕黏細(xì)粒煤干法篩分理論及交叉篩技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

趙啦啦，江海深，趙躍民，段晨龍，李允旺，劉初升

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

我國“富煤、貧油、少氣”的能源稟賦特點，決定了煤炭在較長時期內(nèi)仍然是最經(jīng)濟可靠的戰(zhàn)略資源。篩分是實現(xiàn)煤炭資源高效加工和清潔利用的關(guān)鍵基礎(chǔ)工藝，也是實現(xiàn)原煤脫粉入選的首要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代機械采煤工藝使原煤中的末煤及外水含量可分別高達(dá)70%和7%以上。由于受到原煤水分和矸石泥化的影響，普通干法篩分設(shè)備極易發(fā)生“篩面堵孔”等問題，從而導(dǎo)致難以進行粒級13 mm以下原煤的有效篩分，其中粒級6 mm和3 mm原煤的干法深度篩分理論與技術(shù)更是當(dāng)前國際篩分領(lǐng)域的研究熱點和難點問題[1-2]。

普通干法篩分設(shè)備進行細(xì)粒原煤篩分時極易發(fā)生篩面堵孔、篩面損壞、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件斷裂等問題，而高g類篩分設(shè)備(如弛張篩)存在篩面壽命短、單位篩面處理量小等不足。已有篩分過程理論缺少顆粒物理特性及顆粒間微觀力學(xué)行為對篩面顆粒流動特性和篩分性能的影響機理等關(guān)鍵基礎(chǔ)問題的研究，制約了新型篩分技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。此外，我國篩分設(shè)備的整體設(shè)計水平與國外同類產(chǎn)品之間仍具有明顯的差距，亟需進一步發(fā)展新型篩分設(shè)備的設(shè)計理論和方法。

交叉篩是一種適用于濕黏細(xì)粒原煤干法深度篩分的極具應(yīng)用前景的新型篩分設(shè)備，具有篩面不堵孔、篩分效率高、單位篩面處理量大、可靠性高、占用空間小等優(yōu)點，已經(jīng)在選煤、電力等行業(yè)有了一定的應(yīng)用，并逐漸發(fā)展成為一種原煤干法深度篩分的重要設(shè)備。然而，目前有關(guān)交叉篩分技術(shù)的研究主要是國內(nèi)開展的少量應(yīng)用研究，國際上仍未開展交叉篩的相關(guān)篩分基礎(chǔ)理論研究，缺少交叉篩關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計理論和方法，制約了交叉篩的應(yīng)用和發(fā)展。

基于此，結(jié)合煤炭資源高效加工和清潔利用的國家重大需求，為突破濕黏細(xì)粒原煤干法篩分過程中面臨的篩面易堵孔、篩面壽命短等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，有必要對目前已有的濕黏細(xì)粒煤干法深度篩分理論及技術(shù)研究現(xiàn)狀，以及具有廣泛應(yīng)用前景的交叉篩技術(shù)有關(guān)研究現(xiàn)狀進行分析和總結(jié)。所得結(jié)論，能夠為促進濕黏細(xì)粒煤干法深度篩分理論的研究，以及為新型高效篩分設(shè)備的研制等提供參考。

1 濕黏細(xì)粒煤篩分理論及技術(shù)現(xiàn)狀

從目前公開的文獻資料來看，濕黏細(xì)粒煤干法深度篩分涉及的有關(guān)基礎(chǔ)理論和技術(shù)方法已有一定的研究成果，主要涉及干法篩分技術(shù)及設(shè)備、濕黏細(xì)顆粒系統(tǒng)分離機理和篩分過程的模擬優(yōu)化等方面的研究。

1.1 干法篩分技術(shù)及設(shè)備現(xiàn)狀

篩分理論研究是發(fā)展新篩分技術(shù)和研制新型篩分設(shè)備的基礎(chǔ)。多年來，為實現(xiàn)濕黏細(xì)粒煤的干法深度篩分，國內(nèi)外研究者提出了概率篩分、等厚篩分、弛張篩分等多種方法，發(fā)展了相應(yīng)的概率篩、等厚篩及弛張篩等多種篩分設(shè)備[2]。在實際應(yīng)用中，利用傳統(tǒng)振動篩分設(shè)備進行濕黏細(xì)粒煤干法篩分所面臨的主要問題有：濕黏細(xì)粒煤極易造成篩面堵孔而無法有效篩分，篩面篩條易損壞而無法精確篩分，以及振動篩橫梁等關(guān)鍵件在交變動應(yīng)力作用下而斷裂破壞等，如圖1所示。

圖1 濕黏細(xì)粒煤干法篩分主要問題Fig. 1 Main problems in dry screening of wet cohesive fine coal

目前廣泛應(yīng)用的兩種細(xì)粒煤篩分設(shè)備：弛張篩和等厚篩(香蕉篩)如圖2所示。其中，圖2a為奧地利Binder弛張篩，圖2b為美國Birtley香蕉篩。弛張篩的主要特點是篩面拋擲強度高(可達(dá)50g,g為重力加速度)、不堵孔、篩分效率高、分級下限可達(dá)3 mm，但料層厚度較薄，處理量相對較小，篩面易疲勞損壞，篩面壽命短。一般情況下，進口弛張篩聚氨酯篩網(wǎng)的壽命為6個月左右，而國產(chǎn)篩網(wǎng)的壽命僅為3個月左右。如果安裝和使用不當(dāng)，還容易造成篩網(wǎng)斷裂、沖擊破損等問題，從而使篩網(wǎng)的實際壽命更短[3]。因此，弛張篩在得到廣泛應(yīng)用的同時，仍需在弛張篩分基礎(chǔ)理論、篩面及結(jié)構(gòu)可靠性等方面開展深入研究[4]。有關(guān)弛張篩的篩分理論研究國內(nèi)外已有一定的成果：中國礦業(yè)大學(xué)劉初升課題組研究了彈性篩面的動力學(xué)特性[5-6]，太原理工大學(xué)熊曉燕課題組研究了聚團顆粒與彈性篩面之間的耦合特性[7-8]，文獻[9]利用Liwell弛張篩模型機對1 mm和2 mm粒級顆粒的篩分性能進行了試驗研究，但其篩分物料為干燥顆粒。另一種應(yīng)用廣泛的細(xì)粒煤篩分設(shè)備香蕉篩或等厚篩，是一種基于等厚篩分原理發(fā)展而來的篩分設(shè)備。其主要特點是處理能力大、篩分效率高、分級下限多為13 mm、振動強度為5g左右，但當(dāng)分級下限降低、物料水分增加時，會出現(xiàn)嚴(yán)重的堵孔現(xiàn)象。同時，受限于等厚篩的結(jié)構(gòu)原理，其振動強度很難得到更大的提高，難以滿足6 mm和3 mm粒級高濕黏原煤干法深度篩分的要求[10]。另外，實際應(yīng)用結(jié)果表明，相同入料和分級粒度條件下，與型號接近的弛張篩相比，等厚篩的篩分效率隨著處理量的增加而下降得更快，弛張篩的整體工藝性能優(yōu)于等厚篩[11]。等厚篩的篩分理論研究代表性成果有：CLEARY等[12-13]基于數(shù)值模擬方法研究了等厚篩振動篩分過程中篩面顆粒的流動特性及透篩機理，LIU等[14]研究了等厚篩的篩面結(jié)構(gòu)對篩分過程的影響規(guī)律，文獻[15]建立了等厚篩的機械模型，并討論了篩孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對篩分性能的影響。

圖2 常用細(xì)粒煤篩分設(shè)備Fig. 2 Commonly used screening equipment for fine coal particles

此外，國內(nèi)近年來發(fā)展了多種細(xì)粒煤的篩分技術(shù)及設(shè)備。例如，篩面拋擲強度可高達(dá)80g～100g的拋射篩[16]、剛?cè)狁詈蠌椥院Y[17]、變振幅彈性桿篩[18]、高幅篩[2]，以及具有顯著應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Φ慕徊婧Y[3，19-20]等。然而，我國篩分技術(shù)的有關(guān)研究多為應(yīng)用研究，篩面顆粒流動特性、透篩機理以及顆粒物理特性對篩分過程的影響等相關(guān)基礎(chǔ)理論研究不足，制約了新篩分技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，篩分設(shè)備的整體設(shè)計水平與國外同類產(chǎn)品之間仍具有較大的差距，新型篩分設(shè)備的設(shè)計理論和方法也有待進一步發(fā)展。

1.2 濕黏細(xì)顆粒系統(tǒng)分離機理研究現(xiàn)狀

顆粒分離現(xiàn)象普遍存在于散料加工領(lǐng)域中，當(dāng)物料顆粒的粒度、形狀及密度等物理性質(zhì)不同時，在外界激勵的作用下均可發(fā)生分離現(xiàn)象。顆粒分離的機理主要有振動式分離(粒度分離)、拋擲式分離(運動分離)及流態(tài)化分離(密度分離)等，如圖3a所示。篩分過程中的顆粒分離主要是粒度分離，只有完成分離并與篩面接觸的細(xì)顆粒才有機會穿過篩孔而實現(xiàn)透篩。因此，顆粒分離機理是篩分基礎(chǔ)理論的重要研究內(nèi)容。

圖3 顆粒系統(tǒng)分離機理Fig. 3 Separation mechanism of particle system

已有的顆粒分離研究主要集中在顆粒的振動分離機理、振動分離構(gòu)型和振動模式對顆粒分離的影響等方面：研究了振動參數(shù)[21]、顆粒粒徑分布特性[22]等對顆粒分離過程的影響機理，揭示了不同粒徑顆粒的分離速度在不同的顆粒聚集區(qū)內(nèi)具有不對稱性的特性[23]；研究了不同振動條件下顆粒系統(tǒng)呈現(xiàn)出的“巴西果”、“反巴西果”、“三明治”等多種分離構(gòu)型[24-26]；探討了水平直線[27]、水平圓[28]，以及垂直圓和橢圓[29]振動模式下的顆粒系統(tǒng)分離特性和分離機理。由圖3b和圖3c所示的濕黏球顆粒和非球形顆粒的振動分離結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，除了顆粒粒徑和振動條件，顆粒形狀及濕顆粒間的黏聚力均對顆粒分離過程具有顯著的影響[30]。然而，目前已有的研究主要針對球形干顆粒在單一振動激勵下的分離機理研究，缺少非球形濕黏顆粒系統(tǒng)的分離行為研究。

1.3 篩分過程的模擬優(yōu)化研究現(xiàn)狀

篩分過程中篩面顆粒流動特性是篩分理論研究的基礎(chǔ)，而傳統(tǒng)篩分試驗不僅效率低、成本高，而且難以獲取篩分過程中的顆粒級信息，不利于深入理解篩面顆粒間的碰撞及透篩等機理。因此，基于離散元方法(DEM，Discrete Element Method)的數(shù)值模擬成為近年來國際上研究篩分理論及技術(shù)的重要方法[12-13,31-33]。

對于篩面顆粒運動機理和篩分設(shè)備運動學(xué)參數(shù)對篩分過程的影響規(guī)律等問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了一系列的DEM模擬工作，研究了運動學(xué)參數(shù)對香蕉篩[34]、直線振動篩[35]、圓振動篩[36]、橢圓振動篩[37]、變幅振動篩[38-39]及滾軸篩[40]等的篩分過程影響規(guī)律，討論了篩孔形狀對振動篩分過程的影響[41]，分析了篩分過程DEM模擬試驗次數(shù)對結(jié)果平穩(wěn)性的影響[42]。一方面，在已有的模擬研究中，大多采用了簡單、運算效率高的球形顆粒模型。為了提高模擬精度，常采用超二次曲面[31]和多球顆粒[43]2種非球形顆粒模型。這2種顆粒模型均能在模型精度和計算效率之間達(dá)到較好的平衡，但由于與實際顆粒形狀之間仍存在明顯的差異，因此模擬過程中會引起一定的誤差。為此，對球形和非球顆粒模型的模擬準(zhǔn)確性開展了有關(guān)試驗驗證研究[44-45]。另一方面，在實際篩分過程中，濕細(xì)顆粒在黏聚力作用下容易聚集成團，從而影響篩面顆粒流動特性和透篩過程。濕顆粒間的黏聚力對工業(yè)尺度雙層香蕉篩的篩分過程影響[31]如圖4所示。

可以看出，當(dāng)黏聚力較小時(圖4a)，篩分過程無明顯異常；而當(dāng)黏聚力較大時(圖4b)，篩面顆粒流運動速度緩慢，透篩顆粒減少，篩分過程受到明顯的影響。該研究是通過在顆粒接觸模型中添加黏聚力的方法模擬干法篩分過程中的濕顆粒聚團問題，而對于濕法篩分，可利用DEM-SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)耦合方法研究液相對篩分過程的強化作用[32]。另外，除剛性篩面外，弛張篩彈性篩面上濕黏聚團顆粒的篩分機理也開展了有關(guān)DEM模擬研究[7-8]。

圖4 濕黏顆粒物料的篩分過程模擬Fig. 4 Numerical study of screening process of wet cohesive particulate materials

可見，在篩分過程的DEM模擬優(yōu)化研究中，顆粒形狀及濕黏顆粒間的黏聚力對篩分過程的影響機理是目前的研究熱點和難點問題，缺少顆粒間微觀力學(xué)行為對篩面顆粒流動特性及篩分性能的影響機理研究。

2 交叉篩篩分技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

交叉式細(xì)粒滾軸篩(交叉篩)是基于巴爾篩(Barr screen)發(fā)展而來的一種適用于濕細(xì)物料干法深度篩分的設(shè)備，是一種適用于濕細(xì)原煤干法深度篩分的極具應(yīng)用前景的新型篩分設(shè)備，其篩分原理如圖5所示[19-20]。交叉篩的篩面由多根相互平行的篩片式篩軸組成，具有多段式篩面傾角，篩軸具有偏心且同向回轉(zhuǎn)，交叉排列的篩片及偏心軸之間形成“動態(tài)篩孔”。篩面濕黏顆粒在回轉(zhuǎn)篩片的摩擦剪切作用下實現(xiàn)分離，同時，聚團顆粒受到篩片的沖擊和擾動作用后發(fā)生破碎解聚。分離后的濕細(xì)顆粒通過動態(tài)篩孔實現(xiàn)透篩并成為篩下物，動態(tài)篩孔及逆向剪切作用可避免濕黏細(xì)顆粒堵孔、糊孔，而大顆粒沿篩面輸運至排料端并成為篩上物。因此，交叉篩用于濕黏細(xì)粒煤的干法深度篩分時篩面不堵孔，篩分效果優(yōu)良。

圖5 交叉篩面細(xì)粒煤篩分原理Fig. 5 Screening principle of fine coal particles on cross-screen surface

交叉篩已經(jīng)在選煤、電力等行業(yè)有了一定的應(yīng)用，并逐漸發(fā)展成為一種處理粒級13 mm以下原煤的重要干法深度篩分設(shè)備[3, 46]。然而，目前國內(nèi)外仍未開展交叉篩的相關(guān)篩分基礎(chǔ)理論研究，缺少交叉篩關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計理論和方法，制約了交叉篩在細(xì)粒煤干法深度篩分領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

交叉篩在國內(nèi)主要由石家莊功倍重型機械有限公司進行研發(fā)，其主要結(jié)構(gòu)如圖6所示。交叉篩主要由篩片式篩軸、電機、篩箱、防塵罩、入料口及底座等結(jié)構(gòu)組成，相鄰篩軸上的篩片交叉排列，篩軸相互平行且由獨立電機驅(qū)動并同向回轉(zhuǎn)，篩面傾角為多段式。交叉篩的主要技術(shù)特點為：篩面不堵孔、篩分效率高、篩片壽命長、入料粒度上限高、單位篩面處理量高、整體尺寸小、無振動、動載荷小、對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)影響小、無粉塵污染等[19-20]。

圖6 交叉篩主要結(jié)構(gòu)Fig. 6 Main structure of cross-screen

目前，國內(nèi)有關(guān)交叉篩技術(shù)的研究主要是應(yīng)用研究：探討了交叉篩在循環(huán)流化床鍋爐篩分系統(tǒng)[46]，以及在選煤廠脫粉入選[47]等工藝系統(tǒng)中的應(yīng)用情況及經(jīng)濟效益評價，分析了交叉篩在煉焦配煤生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用前景[48]。另外，與弛張篩等細(xì)粒篩分設(shè)備進行了比較分析，得出交叉篩單位篩面處理量可達(dá)到同粒級弛張篩的7倍、入料粒度上限是弛張篩的2～4倍、占用空間更小、可靠性更高等結(jié)論[3, 20, 49]。同時，交叉篩也存在篩面結(jié)構(gòu)笨重、功耗大、價格較高、維修耗時較長等問題[3]。國外有關(guān)交叉篩分技術(shù)的研究報道極少，文獻[50]利用類似交叉篩的試驗裝置對篩軸轉(zhuǎn)速、篩面傾角及輔助結(jié)構(gòu)運動速度對篩分效率的影響進行了試驗研究，但篩分物料為粒級20 mm的干燥碎石顆粒，未涉及濕黏細(xì)顆粒的篩分過程?？梢?，目前尚未對交叉篩的篩分過程基礎(chǔ)理論進行深入研究，未掌握交叉篩面高濕黏顆粒流動特性及透篩機理，缺少交叉篩的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)(如篩軸、篩片)及工藝參數(shù)(如篩面寬和長、處理量)的優(yōu)化設(shè)計理論和方法研究。

3 結(jié)論與展望

綜合相關(guān)文獻可以看出，隨著國內(nèi)外研究者不斷研究和探索，涉及濕黏細(xì)粒煤的干法深度篩分理論以及交叉篩分技術(shù)的相關(guān)研究得到了逐步發(fā)展，但仍存在許多問題亟需解決：

1)已有篩分過程理論模型多為唯象模型，缺少篩面濕黏顆粒的流動特性、透篩機理以及顆粒物理特性對篩分過程的影響等關(guān)鍵基礎(chǔ)問題的研究，篩分設(shè)備的整體設(shè)計水平有待進一步提高，亟需發(fā)展新型設(shè)計理論和方法。

2)顆粒分離機理是篩分基礎(chǔ)理論的重要研究內(nèi)容，但已有的研究主要集中在球形干顆粒在單一振動激勵下的分離機理，缺少非球形濕黏顆粒系統(tǒng)的分離行為研究。

3)基于DEM的篩分過程模擬優(yōu)化研究中，忽略了顆粒形狀及濕顆粒間的黏聚力對篩分過程的影響作用，未掌握篩分過程中篩面高濕黏顆粒流動特性及透篩機理。

4)已有的應(yīng)用研究驗證了新型交叉篩的應(yīng)用潛力，但尚未開展交叉篩的篩分過程相關(guān)基礎(chǔ)理論研究，缺少交叉篩的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計理論和方法研究，制約了交叉篩在細(xì)粒煤干法深度篩分領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

基于上述分析，為進一步發(fā)展?jié)耩ぜ?xì)粒煤的干法篩分基礎(chǔ)理論，在篩面顆粒流的運動特性、透篩機理以及非球形濕黏顆粒系統(tǒng)的分離機理等方面仍需開展深入研究，可基于DEM數(shù)值方法從顆粒尺度研究篩分過程中的有關(guān)顆粒運動行為。為進一步發(fā)展交叉篩分技術(shù)，可基于篩面-顆粒耦合模擬方法對其篩分過程機理進行研究，并在交叉篩的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計和節(jié)能優(yōu)化控制等方面開展研究。