錢海軍

(中煤科工集團(tuán)南京設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210031)

研究開發(fā)和推廣應(yīng)用干法選煤技術(shù)，對于為我國干旱缺水、冬季嚴(yán)寒的產(chǎn)煤地區(qū)以及其他不適合濕法洗選的煤炭提質(zhì)具有重要作用；同時(shí)，這對提升我國煤炭質(zhì)量，發(fā)展煤炭清潔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約利用，防止環(huán)境污染等具有十分重要的意義[1-2]。目前，國內(nèi)干法選煤技術(shù)應(yīng)用比較成熟的主要有復(fù)合式干法分選技術(shù)和流化床重介質(zhì)分選技術(shù)等[3]，但由于工藝結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，對入料水分要求嚴(yán)格等原因，流化床重介質(zhì)分選技術(shù)并未得到較好的推廣[4-5]?，F(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，分選粒度下限較高是現(xiàn)階段工業(yè)應(yīng)用的干法選煤技術(shù)存在的共性問題，其分選粒度下限一般在6～13 mm之間，導(dǎo)致很多細(xì)粒煤得不到有效分選。

針對目前我國干法選煤技術(shù)分選粒度下限較高的缺陷，選煤工作者設(shè)計(jì)出了一種新型干法分選機(jī)——振動螺旋分選機(jī)。為了提高振動螺旋分選機(jī)的性能，通過試驗(yàn)樣機(jī)研究激振電機(jī)振動頻率與布置角度對設(shè)備分選效果和顆粒運(yùn)動速度的影響。

1 試驗(yàn)?zāi)康呐c試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

試驗(yàn)?zāi)康闹饕强疾旒ふ耠姍C(jī)頻率和布置角度對振動螺旋分選機(jī)分選效果和顆粒運(yùn)動速度的影響規(guī)律，試驗(yàn)在制作好的樣機(jī)上進(jìn)行。在分選機(jī)正常工作后開始給料，待物料得到充分分選后停機(jī)取樣，初步分析設(shè)備分選結(jié)果；在物料分選過程中仔細(xì)觀察，并拍照、攝像、記錄試驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象綜合分析設(shè)備分選效果和顆粒運(yùn)動速度，尋找各因素對分選機(jī)性能影響的規(guī)律。

采樣點(diǎn)位于螺旋槽面的對稱位置(圖1中的Ⅰ、Ⅱ區(qū)域)，在不同分選條件下進(jìn)行多次分選試驗(yàn)，于每個(gè)采樣區(qū)域的外側(cè)區(qū)、中間區(qū)、內(nèi)側(cè)區(qū)分別采取三個(gè)樣品；將各相同區(qū)段的樣品混合形成綜合樣品，對各綜合樣品分別計(jì)量、化驗(yàn)，依據(jù)化驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)現(xiàn)象綜合分析設(shè)備分選效果和顆粒運(yùn)動速度。

圖1 螺旋槽面采樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of the sampling point along the spiral trough surface

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)的主要設(shè)備為振動螺旋分選機(jī)樣機(jī)(圖2)，其主要由支座、振動電機(jī)座、振動電機(jī)、振動平臺、螺旋床面、螺旋筒體等組成。振動電機(jī)是螺旋分選機(jī)的振動源，為分選機(jī)工作提供源動力；振動體和支座之間布置有橡膠彈簧，能夠有效減弱支座所承受的載荷及扭力[6-7]。

煤炭和矸石的混合物在振動螺旋分選機(jī)內(nèi)運(yùn)動時(shí)，其利用機(jī)械振動力實(shí)現(xiàn)不同密度物料的分選。該分選機(jī)的激振器不僅產(chǎn)生垂直方向的激振力，還產(chǎn)生圍繞垂直軸的激振力矩。物料在垂直方向力的作用下不斷向前運(yùn)動，并在上下周期性的振動力作用下實(shí)現(xiàn)按密度分層；圍繞垂直軸的激振力矩使物料沿螺旋槽面運(yùn)動，這部分物料同時(shí)產(chǎn)生徑向離心力，在離心力和重力等作用下物料按密度分布，從而實(shí)現(xiàn)矸石與精煤的分離[8]。

1—集塵罩；2—螺旋筒體；3—螺旋床面；4—振動平臺；5—振動電機(jī)；6—振動電機(jī)座；7—支座

2 物料來源與性質(zhì)

從粒度組成來看，玉米和石子的粒度都較小，均在13 mm以下；從密度組成來分析，玉米的堆密度為0.77 t/m3，石子的堆密度為1.50 t/m3，精煤的堆密度在0.90 t/m3左右，矸石的堆密度在1.60 t/m3左右。由于玉米和石子的粒度組成、密度組成與精煤和矸石的相似，故以玉米代表煤炭中的精煤，以石子代表煤炭中的矸石，二者的混合物即為未分選的煤炭。

在試驗(yàn)過程中，以玉米和石子的混合物替代煤炭作為試驗(yàn)物料，主要是因?yàn)樵撛囼?yàn)在設(shè)備加工廠中進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果檢測條件有限；此外，考慮到玉米和石子較易分開，在便于直接觀察分選過程的同時(shí)有利于試驗(yàn)結(jié)果的檢測。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 振動頻率對設(shè)備分選效果和顆粒運(yùn)動速度的影響

3.1.1 振動頻率對設(shè)備分選效果的影響

激振電機(jī)的振動頻率主要影響該分選機(jī)的振動強(qiáng)度，研究激振電機(jī)相同布置角度時(shí)不同振動頻率對設(shè)備分選效果的影響，主要是研究設(shè)備不同振動強(qiáng)度時(shí)的分選規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：隨著振動頻率的增大，外側(cè)區(qū)的輕產(chǎn)物含量先增大后減小，內(nèi)側(cè)區(qū)的輕產(chǎn)物含量先減小后增大；在振動頻率為45 Hz時(shí)，外側(cè)區(qū)與內(nèi)側(cè)區(qū)的輕產(chǎn)物含量分別達(dá)到最大值和最小值；也就是說，該分選機(jī)的分選效果先提高后降低，在振動頻率為45 Hz時(shí)分選效果最好。就試驗(yàn)結(jié)果來看，Ⅰ區(qū)域與Ⅱ區(qū)域的試驗(yàn)結(jié)果平行性很好。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，在振動頻率較高(50 Hz時(shí))的條件下，排料口處的輕產(chǎn)物含量低于中間區(qū)，分選效果較差；在振動頻率較低(35 Hz時(shí))的條件下，分選槽中間區(qū)和內(nèi)側(cè)區(qū)的輕產(chǎn)物含量均較高，分選效果不理想。

圖3 振動頻率與各區(qū)的輕產(chǎn)物含量關(guān)系曲線

上述分選現(xiàn)象與設(shè)備振動強(qiáng)度存在如下關(guān)系：

(1)物料在床層上主要有滑移運(yùn)動和拋擲運(yùn)動兩種方式，其運(yùn)動方式由振動強(qiáng)度決定。在振動強(qiáng)度較小時(shí)，物料在床層上處于靜止?fàn)顟B(tài)，隨著振動強(qiáng)度的增大，其開始產(chǎn)生滑動位移[9](即作滑移運(yùn)動)；此時(shí)，由于顆粒之間的間隙較小，且相互之間的相對位移很小，不能實(shí)現(xiàn)位置互換，不存在分層和分選作用。在振動強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，顆粒開始作拋擲運(yùn)動，此時(shí)運(yùn)動比較劇烈，顆粒相互之間的空隙逐漸增大；在振動力的周期性作用下，顆粒在按密度分層的同時(shí)在各種力的作用下沿著各自的軌跡運(yùn)動，并開始發(fā)生位置轉(zhuǎn)移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分層和分選。在振動強(qiáng)度繼續(xù)增大時(shí)，顆粒的拋擲運(yùn)動更加劇烈，此時(shí)床層處于“沸騰”狀態(tài)，即顆粒處于混亂狀態(tài)，其位置互換不再明顯，分層和分選過程遭到破壞。

(2)振動頻率為35 Hz時(shí)設(shè)備分選效果較差，這與振動強(qiáng)度不夠有關(guān)；由于振動強(qiáng)度較小，顆粒處于亞拋擲狀態(tài)，各顆粒之間的分層不明顯，床層介于運(yùn)輸與分選的中間狀態(tài)。在振動頻率較高時(shí)，排料口處的輕產(chǎn)物含量低于中段區(qū)，這是因?yàn)樵谳^高的振動強(qiáng)度下，外側(cè)區(qū)的低密度物(玉米)存在“返流”現(xiàn)象，導(dǎo)致中間區(qū)的低密度物(玉米)含量升高。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，在提高振動強(qiáng)度的同時(shí)要防止物料“返流”，這也可能與試驗(yàn)對象(玉米)的形狀特性有關(guān)。隨著振動頻率的增大，設(shè)備分選效果在達(dá)到峰值后下降，這說明隨著振動強(qiáng)度的增大，顆粒運(yùn)動狀態(tài)由靜止轉(zhuǎn)為活躍再轉(zhuǎn)為混亂。在活躍運(yùn)動狀態(tài)下，顆粒之間的位置互換較好；而靜止?fàn)顟B(tài)、混亂狀態(tài)都不利于顆粒之間的位置互換。

3.1.2 振動頻率對顆粒運(yùn)動速度的影響

振動頻率不僅影響設(shè)備分選效果，還影響顆粒運(yùn)動速度。在一定試驗(yàn)條件下，不同振動頻率時(shí)的顆粒運(yùn)動速度曲線如圖4所示。

圖4 不同振動頻率時(shí)的顆粒運(yùn)動速度曲線

由圖4可知：隨著振動頻率的增大，顆粒運(yùn)動速度隨之增大，其在增加到一定水平后基本不再變化。顆粒運(yùn)動速度的變化可分為三個(gè)階段，在振動頻率小于37 Hz時(shí)，其速度增長呈現(xiàn)出線性變化；此時(shí)，由于振動強(qiáng)度不足，顆粒在槽面上以滑移方式運(yùn)動，其加速梯度沿同一方向增大。當(dāng)振動頻率在37～40 Hz之間時(shí)，顆粒運(yùn)動速度明顯增大，此階段是顆粒從滑移運(yùn)動轉(zhuǎn)為拋擲運(yùn)動的一個(gè)突變階段，速度變化梯度很明顯。在振動頻率大于40 Hz后，振動頻率對顆粒運(yùn)動速度的影響不再明顯，其運(yùn)動速度基本穩(wěn)定在0.07 m/s左右，此時(shí)顆粒處于拋擲運(yùn)動狀態(tài)。

3.2 布置角度對設(shè)備分選效果和顆粒運(yùn)動速度的影響

3.2.1 布置角度對顆粒運(yùn)動速度的影響

激振電機(jī)的布置角度也會影響槽面顆粒的運(yùn)動速度，從理論上分析，水平扭力是槽面顆粒作螺旋運(yùn)動的主要原因，也是直接原因[10]。布置角度越大，顆粒受到的水平切向力越大，其運(yùn)動速度也越大，試驗(yàn)中對顆粒運(yùn)動速度的測定結(jié)果也驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。從兩種布置角度的顆粒運(yùn)動速度曲線(圖5)可以明顯觀察到，在振動頻率相同時(shí)，布置角度48°時(shí)的顆粒運(yùn)動速度大于布置角度42°的顆粒運(yùn)動速度。

圖5 不同布置角度時(shí)的顆粒運(yùn)動速度曲線

3.2.2 布置角度對設(shè)備分選效果的影響

激振電機(jī)的布置角度也是影響分選機(jī)分選效果的因素，其直接影響垂直方向激振力的大小和水平方向激振扭力的大小，進(jìn)而影響顆粒運(yùn)動狀態(tài)和設(shè)備分選效果。在其他試驗(yàn)條件相同的條件下，探索了激振電機(jī)在兩個(gè)布置角度(42°、48°)時(shí)的分選情況，不同布置角度時(shí)的輕產(chǎn)物含量柱狀圖如圖6所示。

由圖6可知：兩種布置角度時(shí)的設(shè)備分選效果相差不大，外側(cè)區(qū)的輕產(chǎn)物含量均在70%左右，中間區(qū)的輕產(chǎn)物含量均在18%左右，內(nèi)側(cè)區(qū)的輕產(chǎn)物含量均在24%左右；對比各區(qū)的輕產(chǎn)物含量可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)側(cè)區(qū)明顯高于中間區(qū)。

圖6 不同布置角度時(shí)的輕產(chǎn)物含量柱狀圖Fig.6 Content of lighter materials vs. motor arrangement angle

從理論方面分析，布置角度越小，顆粒在垂直方向上受到的激振力越大，分層效果越好，分選效果也越好。故布置角度42°時(shí)設(shè)備分選效果應(yīng)該優(yōu)于布置角度48°，這是因?yàn)樾〗嵌葧r(shí)設(shè)備的垂直振動強(qiáng)度更大。但設(shè)備分選效果與分選時(shí)間也有關(guān)，布置角度48°時(shí)顆粒垂直方向受力較小，物料分層較慢；而在分選時(shí)間充分的條件下，顆粒也能實(shí)現(xiàn)充分的分層和分選。顆粒分層效果決定分選效果，布置角度48°時(shí)顆粒受到的激振力更充分，物料分層效果更好，分選效果能夠得到保證。試驗(yàn)樣品是在床面物料得到充分分選后停機(jī)采取的，所以兩種布置角度時(shí)的分選效果差別不大。

4 結(jié)論

通過研究振動頻率和布置角度對設(shè)備分選效果和顆粒運(yùn)動速度的影響，可得出如下結(jié)論：

(1)隨著振動頻率的增大，該分選機(jī)的分選效果先提高后降低，在振動頻率為45 Hz時(shí)分選效果最好；隨著振動頻率的增大，顆粒運(yùn)動速度隨之增大，其在增加到一定水平后基本不再變化。

(2)激振電機(jī)布置角度不同，設(shè)備分選效果相差不大，這與樣品采取狀態(tài)和時(shí)間有關(guān)；對于兩種不同的布置角度，顆粒運(yùn)動速度明顯不同，布置角度越大，顆粒運(yùn)動速度越大。

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