李時運

(山西煤炭進出口集團有限公司銷售分公司，山西 太原030006)

隨著社會對環(huán)境問題的日益關(guān)注，國家對煤炭洗選加工和潔凈利用提出了更為嚴(yán)格的要求，近幾年，煤炭分選技術(shù)取得了令人矚目的進步。同時，隨著煤炭分選技術(shù)的發(fā)展，重力選煤分選下限不斷降低，分選下限從上世紀(jì)末的0.5 mm降到2010年的0.25 mm，再到目前的0.125 mm[1-2]。

煤泥弧形篩屬于選煤廠的常用設(shè)備之一，具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、日常維護量少等優(yōu)點，煤泥弧形篩依靠篩條入料側(cè)尖銳棱角對物料進行切割，從而實現(xiàn)煤泥分級作業(yè)[3]。隨著重力選煤有效分選下限的降低，為了能全部有效回收灰分合格的精煤泥，分級設(shè)備的篩縫從原來的0.5 mm降至0.15 mm，篩條背寬也從原來的1.50 mm降至0.76 mm，以適應(yīng)分選設(shè)備發(fā)展的需要，避免煤泥進入下一環(huán)節(jié)重復(fù)分選的問題，因此選擇合適的煤泥弧形篩篩縫顯得尤其重要。在選煤廠工程設(shè)計選型中，煤泥弧形篩篩縫的選擇往往依靠設(shè)計經(jīng)驗，缺少一套科學(xué)有效的計算方法，因此探索煤泥弧形篩分離粒度與篩縫之間的相關(guān)關(guān)系，可以為設(shè)計選型提供一定的借鑒作用。

1 弧形篩工作原理

弧形篩屬于一種無動力固定篩，正常情況下，可實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，便于反復(fù)使用，弧形篩篩面由楔形斷面不銹鋼篩條橫向排列組成，縱向(物料運動方向)呈圓弧形，為了增加分級效率，避免篩縫堵塞和物料堆積，可安裝擊打器或振動卸料裝置[4-6]?；⌒魏Y工作時，煤漿由入料箱下部出口沿切線方向均勻給入弧形篩篩面，在煤漿層流動過程中，由于離心力和重力的作用，每根篩條的邊棱都會產(chǎn)生切割作用，被切割的煤漿經(jīng)篩縫排出，成為篩下物；未被切割的煤漿越過篩條，成為篩上物。

2 顆粒在篩面運動力學(xué)分析

弧形篩的結(jié)構(gòu)和工作原理看似簡單，實質(zhì)上流動煤漿所含顆粒在篩面上受力十分復(fù)雜。初始階段，由于存在給料高差勢能，煤漿的切線速度較快，在篩面上顆粒受到的離心力也較大，同時根據(jù)物料粒度不同，在此階段完成對物料的切割、分離，此段篩面長度約占篩面總長的1/3。隨著煤漿被篩條切割，大量流體透過篩縫，其切線速度和離心力將急劇減小，粗顆粒物料開始在篩面堆積，在此階段，極細顆粒和水不斷被濾除，分級效果進一步強化，產(chǎn)品水分大幅度降低。當(dāng)物料運動到弧形篩篩板尾端時，煤漿的流動性越來越差，顆粒透篩阻力也增大，粗顆粒物料大量堆積，加之弧形篩的振動作用，達到卸料目的。

為了分析弧形篩分離粒度與篩縫之間關(guān)系，首先必須了解在離心旋轉(zhuǎn)力作用下，顆粒在篩面的運動和透篩過程。

為了便于分析顆粒在篩板上的運動情況，以單個顆粒為研究對象，沿弧形篩弧長取一微弧長篩面(可以近似看作很短的直篩面)作為研究范圍，顆粒在篩面的運動模型如圖1所示。假定顆粒呈球形，直徑為d，篩縫寬為L，運動軌跡如虛線OO1所示。當(dāng)顆粒運動到O1點處時，所受的翻轉(zhuǎn)力矩為零，剛好具備透篩的極限條件，若顆粒直徑>d，則翻越篩條棱角在篩面上運動，不能形成透篩；若顆粒直徑

圖1 顆粒在篩面運動力學(xué)分析圖

顆粒達到透篩的運動軌跡可用下式表示：

y=x·tanα+ax22v2(cosα)2，

式中：v為顆粒的運動速度，m/s；a為顆粒徑向加速度，m/s2；α為篩板傾角，(°)。

顆粒重心在位置O1上的坐標(biāo)為(x1，y1)，則可表示為：

x1=L·cosα-d2(cosα+sinα)，

y1=L·sinα+d2(cosα-sinα)。

位置點O1在顆粒的運動軌跡上，所以坐標(biāo)x1和y1應(yīng)當(dāng)滿足顆粒運動的軌跡方程式。將x1和y1代入運動軌跡公式中，得到以下公式:

L=1+tanα2·d+v·da·cosα。

因離心力和徑向液流作用產(chǎn)生的徑向加速度a遠大于顆粒直徑d，故在簡便計算中可將最后一項忽略不計，上式可簡寫為：

d=21+tanα·L，

即

d=k·L。

通過單個顆粒在篩面的運動分析可知，弧形篩分離粒度與篩縫呈線性關(guān)系，斜率k為隨著傾角α變化的常數(shù)，由于弧形篩切割作用主要發(fā)生在篩板前1/3處，因此，傾角α的取值范圍為60°～70°，即k=0.534～0.732。

3 數(shù)值擬合分析

根據(jù)上述顆粒運動分析中的煤泥弧形篩分離粒度與篩縫之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)合近幾年已發(fā)表的煤泥弧形篩相關(guān)數(shù)據(jù)[7-9]，選取部分煤泥弧形篩分離粒度與篩縫的數(shù)據(jù)進行數(shù)值擬合，進而推導(dǎo)兩者的相關(guān)關(guān)系式。匯總結(jié)果見表1。

表1 煤泥弧形篩分離粒度與篩縫數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

圖2 煤泥弧形篩分離粒度與篩縫的關(guān)系

國內(nèi)常用煤泥弧形篩篩縫的規(guī)格大致為表1所列出的5種，其對應(yīng)的分離粒度平均值為表1第4列所列出的數(shù)據(jù)，對兩者相關(guān)關(guān)系進行擬合(圖2)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明：煤泥弧形篩分離粒度與篩板篩縫呈線性關(guān)系，因此趨勢線方程式為d=aL+b，其中a=0.554，b=0.041，綜合可得關(guān)系方程式為d=0.554L+0.041，此時，篩縫在0.15～0.50 mm區(qū)間范圍內(nèi)，該方程式可靠度為99.7%。當(dāng)篩縫L取極限值0時，由于式中b值的存在，其分離粒度不為零，這與實際不符合，由于b值較小，且呈現(xiàn)波動變化，因此可將b值視為試驗中工況差別或人為誤差引起的數(shù)值，最終關(guān)系式可簡化為d= 0.554L，該結(jié)論與理論簡便計算公式相符合。

4 結(jié)論

選煤廠工程設(shè)計選型中，通常先根據(jù)煤質(zhì)資料確定煤泥的分離粒度，再選擇合適的弧形篩篩縫，這一過程以往都是靠設(shè)計經(jīng)驗來完成的。本研究通過理論簡便計算和試驗數(shù)值擬合兩種方法，結(jié)合顆粒在篩面的運動分析，推導(dǎo)計算出弧形篩分離粒度與篩縫的線性關(guān)系為d=k·L(k=0.534～0.732)，這一公式的提出為弧形篩篩條參數(shù)及設(shè)計選型提供了理論基礎(chǔ)。依據(jù)已發(fā)表的弧形篩篩縫與分離粒度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，采用數(shù)值擬合方法，獲得兩者的相關(guān)關(guān)系方程式為d=0.554L，該方程式與理論計算式吻合度較高，進一步定量驗證了兩者的關(guān)系。