陳盼盼 顏?lái)樌?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(dòng)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(duì)于6~1 mm 煤炭分選,以振動(dòng)分選流化床和脈動(dòng)分選流化床技術(shù)為代表,實(shí)驗(yàn)室具有較好的分選效果,但都未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。振動(dòng)梯級(jí)分選技術(shù)充分利用氣流散化、振動(dòng)分離的作用強(qiáng)化6~1 mm 煤炭分選,對(duì)于細(xì)粒煤的分選具有較好效果。本文介紹振動(dòng)梯級(jí)分選機(jī)的分選機(jī)理、設(shè)備結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,選取六個(gè)工況對(duì)兗礦能源轉(zhuǎn)龍灣煤礦0~6 mm 原煤進(jìn)行分選試驗(yàn),驗(yàn)證其分選效果,為其后續(xù)工業(yè)應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
梯級(jí)分選機(jī)以氣流與振動(dòng)作為分選過(guò)程主導(dǎo)能量[1],其中:氣流松散料群和脫除細(xì)粉,振動(dòng)主要起到兩個(gè)方面的作用:提供分選床層物料運(yùn)動(dòng)所需的能量,縱向剪切力驅(qū)動(dòng)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(dòng)物料橫向翻轉(zhuǎn)、遷移,實(shí)現(xiàn)不同層間物料梯級(jí)剝離。
振動(dòng)梯級(jí)分選機(jī)分選床面分為4 個(gè)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(guò)程中,原料煤在入料區(qū)的高氣速?zèng)_擊下實(shí)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(shí)針振動(dòng)驅(qū)使料群整體做逆時(shí)針翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),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(shí)針、差動(dòng)式振動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng),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(yùn)動(dòng)過(guò)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(guò)程。
振動(dòng)梯級(jí)分選機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1。振動(dòng)梯級(jí)分選機(jī)由送風(fēng)系統(tǒng)和分選機(jī)主機(jī)系統(tǒng)兩部分組成。分選機(jī)主機(jī)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(dòng)系統(tǒng),如圖2。支撐結(jié)構(gòu)主要包括主機(jī)架、動(dòng)力支架和床面支撐架。分選床面通過(guò)螺栓和分選床面支撐架連接,床面支撐架通過(guò)板簧和偏心軸套、軸承和心軸連接;心軸在相反方向通過(guò)板簧、偏心軸套、軸承同時(shí)連接配重塊;心軸通過(guò)軸承座固定在動(dòng)力支架上,并通過(guò)皮帶輪和皮帶由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)由變頻器控制啟停和轉(zhuǎn)速,通過(guò)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)心軸轉(zhuǎn)動(dòng),通過(guò)變頻器及皮帶輪二級(jí)減速,使得心軸在理想轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。心軸帶動(dòng)偏心軸套,通過(guò)板簧帶動(dòng)分選床面支撐架及分選床面往復(fù)運(yùn)動(dòng)[4]。
圖1 裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)圖
圖2 裝置驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖
在振動(dòng)梯級(jí)分選機(jī)工作過(guò)程中,心軸作勻速圓周運(yùn)動(dòng),分選床面作類似直線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。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(diǎn)O,建立了絕對(duì)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(dòng)梯級(jí)分選機(jī)工作原理,對(duì)心軸、偏心套和板簧進(jìn)行了簡(jiǎn)化和等效處理。
圖3 振動(dòng)梯級(jí)分選機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
當(dāng)心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),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(duì)公式(1)關(guān)于時(shí)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(duì)坐標(biāo)系OXY 下的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型包括位移、速度、加速度如公式(4)、(5)。
振動(dòng)梯級(jí)分選機(jī)運(yùn)動(dòng)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(guò)探討偏心距和心軸轉(zhuǎn)速對(duì)振動(dòng)梯級(jí)分選機(jī)分選床面運(yùn)動(dòng)特性的影響,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大分選床面的運(yùn)動(dòng)速度幅值和加速度幅值,會(huì)增加床面上顆粒分層的可能性[5]。同時(shí),過(guò)高的速度及加速度,將減少顆粒在床面上停留的時(shí)間,不利于分選。當(dāng)轉(zhuǎn)速ω超過(guò)一定范圍時(shí),ω的進(jìn)一步增大將迅速增大床面的振動(dòng)強(qiáng)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(yàn)最終得到相關(guān)參數(shù)值見表1。
表1 末煤干法振動(dòng)分選機(jī)參數(shù)
振動(dòng)梯級(jí)分選機(jī)運(yùn)動(dòng)特性試驗(yàn)測(cè)試及分析系統(tǒng)如圖4。該系統(tǒng)主要包括:振動(dòng)梯級(jí)分選機(jī)、加速度傳感器、信號(hào)采集儀變頻器、ICP 三向加速度傳感器、INV3060S 多通道信號(hào)采集儀、Coinv DASP多通道信號(hào)實(shí)時(shí)分析軟件。
圖4 振動(dòng)梯級(jí)分選機(jī)運(yùn)動(dòng)特性試驗(yàn)測(cè)試及分析系統(tǒng)
試驗(yàn)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(yàn)時(shí),采樣頻率滿足Nyquist 采樣定理[5],為實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)較好的描述,一般取到8~10 倍。為完整記錄振動(dòng)梯級(jí)分選機(jī)啟動(dòng)-過(guò)渡-穩(wěn)態(tài)運(yùn)行-停機(jī)不同階段的加速度信號(hào),保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,相同工況條件,進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)。
試驗(yàn)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(yàn)證轉(zhuǎn)龍灣煤重力分選的可行性。
表3 各工況參數(shù)
將0~6 mm 末煤運(yùn)至振動(dòng)分選機(jī)入料緩沖倉(cāng),進(jìn)行分選作業(yè)并取樣送檢,驗(yàn)證其分選的可行性,考察分選效果。
根據(jù)單因素影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)選取六種工況依次對(duì)轉(zhuǎn)龍灣煤進(jìn)行分選作業(yè),通過(guò)卸料端全斷面計(jì)時(shí)取樣、稱重,得出各個(gè)工況的處理量。各排料口分別計(jì)時(shí)取樣、稱重,計(jì)算得出各排料口的產(chǎn)率,檢測(cè)各排料口灰分、硫分。由試驗(yàn)結(jié)果可以計(jì)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(yàn)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(dòng)分選機(jī)可以分選出低灰、低硫精煤,且產(chǎn)率較高。
末煤干法振動(dòng)梯級(jí)分選機(jī)可以用于:1)動(dòng)力煤分選,生產(chǎn)灰分低、發(fā)熱量高的優(yōu)質(zhì)動(dòng)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(guò)程中有害物質(zhì)的排放;3)對(duì)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(dòng)梯級(jí)分選機(jī)適用性強(qiáng),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。