末煤干法振動梯級分選理論研究與應(yīng)用

陳盼盼 顏順利 許欽賜

（1.兗礦科技有限公司，山東 鄒城 273516；2.兗煤礦業(yè)工程有限公司，山東 鄒城 273516）

當(dāng)前的煤炭干選技術(shù)中，+6 mm 煤炭干法分選技術(shù)較為成熟，主要有應(yīng)用于預(yù)先排矸的TDS、動力煤分選的ZM 復(fù)合式、適合煉焦煤高精度分選要求的空氣重介質(zhì)流化床分選技術(shù)。對于6～1 mm 煤炭分選，以振動分選流化床和脈動分選流化床技術(shù)為代表，實驗室具有較好的分選效果，但都未能實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。振動梯級分選技術(shù)充分利用氣流散化、振動分離的作用強化6～1 mm 煤炭分選，對于細(xì)粒煤的分選具有較好效果。本文介紹振動梯級分選機的分選機理、設(shè)備結(jié)構(gòu)及運動學(xué)特性，選取六個工況對兗礦能源轉(zhuǎn)龍灣煤礦0～6 mm 原煤進(jìn)行分選試驗，驗證其分選效果，為其后續(xù)工業(yè)應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 末煤干法振動梯級分選理論

梯級分選機以氣流與振動作為分選過程主導(dǎo)能量[1]，其中：氣流松散料群和脫除細(xì)粉，振動主要起到兩個方面的作用：提供分選床層物料運動所需的能量，縱向剪切力驅(qū)動料層沿縱向按密度滑移、分層；提供橫向剪切力，與格條反推作用、床面摩擦作用協(xié)同，驅(qū)動物料橫向翻轉(zhuǎn)、遷移，實現(xiàn)不同層間物料梯級剝離。

振動梯級分選機分選床面分為4 個區(qū)域，分別是入料區(qū)、分選區(qū)、矸石通道和排料區(qū)。分選過程中，原料煤在入料區(qū)的高氣速沖擊下實現(xiàn)了入料快速松散、避免顆粒堆積影響給料均勻性和處理量以及預(yù)先脫粉作用[2]。在分選區(qū)，上升氣流使料群保持松散，顆粒間間隙較大，高密度的矸石顆粒逐漸向下滑落，低密度的精煤顆粒在粒間摩擦擠壓與氣流曳力協(xié)同作用下逐漸向上層爬升，形成矸石與煤炭顆粒的縱向分層。分選床面的逆時針振動驅(qū)使料群整體做逆時針翻轉(zhuǎn)運動，由矸石通道側(cè)向精煤側(cè)拋射。矸石和精煤顆粒由于密度差異導(dǎo)致拋射距離不同，形成一次橫向分離。床面的逆時針、差動式振動使其與矸石顆粒產(chǎn)生的摩擦作用驅(qū)使矸石顆粒向矸石通道滑移，而料群上層的精煤顆粒由于床面傾斜，與矸石發(fā)生相對運動，形成矸石與精煤的二次分離[3]，循環(huán)往復(fù)，在物料向排料區(qū)運動過程中精煤逐層剝離，向精煤聚集側(cè)橫向遷移，矸石逐漸向矸石通道橫向遷移，最終分別到達(dá)精煤排料口和矸石排料口，完成分選過程。

2 裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計原理

振動梯級分選機的結(jié)構(gòu)如圖1。振動梯級分選機由送風(fēng)系統(tǒng)和分選機主機系統(tǒng)兩部分組成。分選機主機系統(tǒng)主要包括分選床面、相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)、進(jìn)料和排料端口以及驅(qū)動系統(tǒng)，如圖2。支撐結(jié)構(gòu)主要包括主機架、動力支架和床面支撐架。分選床面通過螺栓和分選床面支撐架連接，床面支撐架通過板簧和偏心軸套、軸承和心軸連接；心軸在相反方向通過板簧、偏心軸套、軸承同時連接配重塊；心軸通過軸承座固定在動力支架上，并通過皮帶輪和皮帶由電機驅(qū)動。電機由變頻器控制啟停和轉(zhuǎn)速，通過傾角調(diào)節(jié)裝置可以調(diào)節(jié)分選床面的橫向和縱向傾角。電機轉(zhuǎn)動帶動心軸轉(zhuǎn)動，通過變頻器及皮帶輪二級減速，使得心軸在理想轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)。心軸帶動偏心軸套，通過板簧帶動分選床面支撐架及分選床面往復(fù)運動[4]。

圖1 裝置機械結(jié)構(gòu)圖

圖2 裝置驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖

2.2 運動學(xué)模型

在振動梯級分選機工作過程中，心軸作勻速圓周運動，分選床面作類似直線的往復(fù)運動。分選床面的位移、速度和加速度是不斷變化的。以心軸旋轉(zhuǎn)中心為原點O，建立了絕對坐標(biāo)系OXY，其中X軸平行于床面指向料流方向，Y 軸垂直于床面，如圖3。根據(jù)振動梯級分選機工作原理，對心軸、偏心套和板簧進(jìn)行了簡化和等效處理。

圖3 振動梯級分選機運動學(xué)模型

當(dāng)心軸轉(zhuǎn)動時，分選床面的位移可表示為：

其中：（x,y）為分選床面沿X 方向和Y 方向的位移，φ為板簧與分選床面的夾角，e為偏心距，ω為心軸轉(zhuǎn)速。對公式（1）關(guān)于時間t分別求一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，可得出分選床面的速度和加速度表達(dá)式，如公式（2）所示。

分選床面振幅（Ax，Ay）可用公式（3）表示：

公式（1）、（2）、（3）聯(lián)立，可以得出分選床面在絕對坐標(biāo)系OXY 下的運動學(xué)模型包括位移、速度、加速度如公式（4）、（5）。

2.3 運動特性參數(shù)

振動梯級分選機運動特性與板簧夾角、偏心套偏心距、心軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)有關(guān)。

經(jīng)過探討偏心距和心軸轉(zhuǎn)速對振動梯級分選機分選床面運動特性的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大分選床面的運動速度幅值和加速度幅值，會增加床面上顆粒分層的可能性[5]。同時，過高的速度及加速度，將減少顆粒在床面上停留的時間，不利于分選。當(dāng)轉(zhuǎn)速ω超過一定范圍時，ω的進(jìn)一步增大將迅速增大床面的振動強度。因此，轉(zhuǎn)速ω應(yīng)該控制在一定范圍之內(nèi)。經(jīng)反復(fù)試驗最終得到相關(guān)參數(shù)值見表1。

表1 末煤干法振動分選機參數(shù)

3 試驗研究與分析

3.1 試驗設(shè)備的選取

振動梯級分選機運動特性試驗測試及分析系統(tǒng)如圖4。該系統(tǒng)主要包括：振動梯級分選機、加速度傳感器、信號采集儀變頻器、ICP 三向加速度傳感器、INV3060S 多通道信號采集儀、Coinv DASP多通道信號實時分析軟件。

圖4 振動梯級分選機運動特性試驗測試及分析系統(tǒng)

3.2 裝置的試驗研究

試驗原料采用轉(zhuǎn)龍灣煤礦0～6 mm 原煤。轉(zhuǎn)龍灣煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 轉(zhuǎn)龍灣煤煤質(zhì)分析 %

試驗時，采樣頻率滿足Nyquist 采樣定理[5]，為實現(xiàn)對信號較好的描述，一般取到8～10 倍。為完整記錄振動梯級分選機啟動-過渡-穩(wěn)態(tài)運行-停機不同階段的加速度信號，保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，相同工況條件，進(jìn)行三次重復(fù)試驗。

試驗數(shù)據(jù)選取了六種分選效果較理想的工況，具體參數(shù)見表3。進(jìn)行分選作業(yè)并取樣送檢，驗證轉(zhuǎn)龍灣煤重力分選的可行性。

表3 各工況參數(shù)

3.3 分選結(jié)果分析

將0～6 mm 末煤運至振動分選機入料緩沖倉，進(jìn)行分選作業(yè)并取樣送檢，驗證其分選的可行性，考察分選效果。

根據(jù)單因素影響試驗數(shù)據(jù)選取六種工況依次對轉(zhuǎn)龍灣煤進(jìn)行分選作業(yè)，通過卸料端全斷面計時取樣、稱重，得出各個工況的處理量。各排料口分別計時取樣、稱重，計算得出各排料口的產(chǎn)率，檢測各排料口灰分、硫分。由試驗結(jié)果可以計算得出各工況下分選效果見表4。

表4 各工況分選效果 %

由以上試驗結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)龍灣煤灰分可降至4.86，產(chǎn)率88%，具有較好的分選效果；末煤干法振動分選機可以分選出低灰、低硫精煤，且產(chǎn)率較高。

4 結(jié)論

末煤干法振動梯級分選機可以用于：1）動力煤分選，生產(chǎn)灰分低、發(fā)熱量高的優(yōu)質(zhì)動力煤；2）原煤排矸，排除煤炭中密度高的脈石和黃鐵礦等，減少煤炭加工利用過程中有害物質(zhì)的排放；3）對遇水易泥化的低階煤進(jìn)行分選提質(zhì)，提高低階煤的利用效率；4）生產(chǎn)超低灰精煤，為制備活性炭、碳素材料等煤基高附加值產(chǎn)品提供優(yōu)質(zhì)原料。

末煤干法振動梯級分選機適用性強，應(yīng)用范圍廣，為干旱缺水地區(qū)及易泥化煤炭的分選提質(zhì)開辟了一條有效的途徑，能有利于去除煤炭燃燒煙氣中的大量塵粒，減少環(huán)境污染，有效降低煤炭雜質(zhì)，破解煤炭分選的“水資源瓶頸”，解決濕法選煤技術(shù)因存在煤泥水而產(chǎn)生的環(huán)保問題。