弹性振杆筛在原煤干法深度筛分中的应用

1　前言
        煤炭的综合加工利用可提高企业的经济效益、降低环境污染,筛分作业是煤炭加工的重要环节。对于洗煤厂,从原煤中筛除粉、末煤可降低煤泥水的处理费用和环境污染,增加入洗能力;对于氮肥厂,从原煤中筛除粉、末煤可降低入炉含粉率,优化造气炉工艺条件,降低生产成本;对于发电厂,对原煤进行分级得到块煤或末煤以适应不同燃烧炉的特性要求,提高燃烧效率;对于炼焦化工,筛除末煤可降低煤炭的重复破碎,提高破碎机的处理量和寿命。所有这些都要用到煤炭的干法深度筛分工艺和设备,而原煤干法深度筛分是世界公认的难题,严重制约着煤矿、化工、电力等行业对煤炭的合理应用和效益的提高。经过十几年的潜心研究,中国矿业大学在这一领域取得了重大突破,成功地研制了弹性振杆筛。
2　粘湿原煤干法深度筛分设备
        原料煤在露天堆放中水分变化较大,末粉煤遇水后变得粘湿,在筛分过程中粘堵在筛网上,造成筛分效率急剧下降以至末粉煤不能透筛。对于煤质条件差、原煤水分大、末煤含量大、粘度大、泥质页岩含量高、泥化严重的煤炭深度筛分,常规振动筛很难进通过跳线设置,允许对旋式局部通风机一级工作一级备用。
(2)一机多用　一是完成风机倒台、闭锁控制和状态监测;二是实现风电闭锁控制并以电压方式监测被控开关负荷侧状态;三是与监测系统分站配合使用将风机开关和被控开关负荷侧的状态信号传输至地面中心站,同时监测系统能够根据异常情况对装置发出控制指令,如瓦斯电闭锁。
(3)适应性强　装置接受监测系统分站发出的控制信号可以是触点或电压型,装置的控制输出可以是常开型或常闭型;在其它井下工作场所与监测系统配合使用可以单独做断电控制使用,延时时间可调。
(4)当风机配用开关防爆型式为“ExdI”时,该装置开停及断电控制板必须由监测系统KDW-2A型电源箱提供电源;如果风机配用开关防爆型式为“ExdibII”时,装置的AC36V可取自磁力启动器控制变压器副端。制变压器副端。
3　技术经济效果分析
　　KJD11型局部通风机自动切换监控器已于2001年二季度通过国家安全监察局组织的专家鉴定。该装置将掘进工作面的安全监测技术应用集于一身,功能齐全,可有效防止因局部通风机停风造成的瓦斯超限,促进了安全生产,具有较好的社会效益。
使用该装置,可以取代掘进工作面原配备的投入近4000元的3台设备开停传感器和1台断电控制器。其优点是功能更加完善合理,安装使用便利,投入费用并未增加。以平煤集团公司为例,需用量约为150台,销售额约70万元。全国600对矿井有近1200个掘进工作面,进入商品化后,年产值可达数百万元,具有一定的经济效益。

3　技术经济效果分析
　　KJD11型局部通风机自动切换监控器已于2001年二季度通过国家安全监察局组织的专家鉴定。该装置将掘进工作面的安全监测技术应用集于一身,功能齐全,可有效防止因局部通风机停风造成的瓦斯超限,促进了安全生产,具有较好的社会效益。
    使用该装置,可以取代掘进工作面原配备的投入近4000元的3台设备开停传感器和1台断电控制器。其优点是功能更加完善合理,安装使用便利,投入费用并未增加。以平煤集团公司为例,需用量约为150台,销售额约70万元。全国600对矿井有近1200个掘进工作面,进入商品化后,年产值可达数百万元,具有一定的经济效益。行13mm以下的分级。因此13mm以下的粘湿原煤干法深度筛分工艺被认为是世界性的难题,各国科技人员一直在不断地研究开发,取得了一些成果。这方面的研究和发展主要集中在两个方面:一是振动筛的结构形式和运动形式;二是筛网(板)的结构设计和材质选用。
2.1　振动筛结构的发展
    在筛型、筛体结构方面主要研制了概率筛、等厚筛、弛张筛等机型,用于粘湿物料的深度筛分。概率分机筛是利用物料透筛概率统计筛分原理研制而成,采用大筛孔、大倾角、短筛面的筛体结构,物料透筛概率的原理得到充分利用,因而对于粘性煤泥对筛孔的堵塞具有一定的抵抗作用。但其筛分精度、限上率、限下率相对较差,概率筛的应用受到限制。
    等厚筛是基于物料群在筛面上的运动学分析而得出等厚筛分理论研制而成,筛面纵向断面成折线形式,筛上物料厚度从入料端到排料端尽量保持一致。在筛分过程中,由于小颗粒和筛面接触的概率大大增加,筛分效率明显提高,同时由于入料段的抛掷强度增大,物料运行速度增大,处于飞掷状态,对筛网具有冲刷作用,因而能够减少筛孔的堵塞。但这种冲刷作用对于筛面的清理效果是有限的,并且等厚筛占用空间较大,需增加基础投资。
    弛张筛的筛体不振动,它是通过拉紧与松弛弹性筛面,使物料快速弹起与落下,在这一过程中物料得以分层,增加了小颗粒和筛面接触的机率。同时由于弯曲运动中筛网的中性层具有不变性,因而可获得较大的透筛率,高分子材料制成的筛面具有较大弯曲变形的能力,能够清理掉部分粘堵筛网的物料。这种筛型的分级下限为6mm,低于此值时粘湿物料的筛分已不能进行,并且对筛网材质的抗弯曲和拉伸疲劳强度要求较高,因而筛网寿命短,维护工作量大,高分子材料价格高,使用成本居高不下,严重影响弛张筛的推广使用。
    上述几种筛型虽然能够对潮湿原煤进行筛分,但其筛网的自清理能力是有限的,实际生产中主要用于13mm以上的分级作业。当分级粒度降低或原煤粘度增加时,筛孔的堵塞现象较为明显。在这种情况下要想获得较好的筛分效率还可以利用以下途径:一是增大筛面面积来降低物料层厚度,但面积的增大也增加了设备和土建基础投资;二是提高筛机振动强度以获得较高的透筛率。按深度筛分的要求,振动强度应为10g左右甚至更高,而通常筛机的振动强度在5g以下。振动强度提高后筛体侧板、管梁、激振器的疲劳强度和疲劳寿命大大降低,设备损坏严重,可见以上方法极不经济。
2.2　筛网(板)的发展
为了实现潮湿细粒级物料的深度筛分,筛网的研究也得到足够的重视。如流齿筛网、变径筛网、电热筛网、弛张筛网、琴弦筛网、棒条筛网等。高分子材料如聚胺脂、橡胶、尼龙也用于制造筛网。在这些筛网中琴弦筛网曾一度得到普遍重视,10年前琴弦筛是唯一能够进行细粒级粘湿物料深度筛分的设备。这种筛网由多根柔性筛丝(多股钢丝绳、单根弹簧钢丝)顺煤流方向在筛网框架上张紧装配而成。
    筛网钢丝受到筛体振动的激励,在跟随主振频率振动的同时自身由于弹性拉伸变形而产生幅度较大的二次相对振动,这样筛上物料获得很高的透筛率,粘附在筛丝上的粘性煤泥受到比主振频率更大的振动加速度的作用,加上物料对筛丝的冲刷作用,使得琴弦筛网具有很强的自清理能力,彻底解决了细粒级粘湿物料深度筛分的堵孔难题。但是琴弦筛在应用中由于筛丝处于强力拉紧状态,其寿命极短,有时一班就要换一套筛网,使用成本高,生产维护工作量繁重。同时筛丝容易松弛,筛分精度、限上率很低,不能满足化工、电力等行业的要求。
3　弹性振杆筛的工作原理
    针对粘湿细粒级原煤干法深度筛分技术领域存在的诸多问题,我们对振动筛的振动形式、筛体结构、筛网结构作了大量的调查研究。在用普通筛网进行深度筛分的过程中发现:压装不牢的筛网和能够随意跳动的筛丝周围,粘性物料透筛较为顺利。为此,对其机理进行了研究,并用平板车辐条制作了早期的振动杆筛板,进行了工业性实验,使用效果令人振奋。经过不断的改进、深入的理论研究以及诸多工业应用,到现在振杆筛整机以及弹性杆筛板结构、工装夹具已经设计完善,成为粘湿物料深度筛分的定型产品。
    综采设备的应用使原煤中的末煤、水分含量增加,末煤与煤泥的含水量在7%～15%时粘性最大,水分子与粘性煤泥之间相互链接形成粘性链条,粘性链接向空间发展形成粘性料团。要打破料团的粘性链接,筛网必须具有很强的自身清理能力。弹性振杆筛采用振动碰撞型筛板,振动杆和筛板框架壁采用少约束的大孔隙配合,因而振动杆在一定空间内可活动自如。当筛板随筛体主振频率和振幅振动时,具有较大刚度,一定质量和惯性的振动杆与筛板框架在振动方向发生碰撞,并随着物料的冲刷作用产生旋转运动。由于碰撞作用使筛杆具有比振动筛更大的振动强度,无阻尼装配和振动杆的弹性变形使其具有更大的振动幅度,其旋转作用又防止了粘结料团的堆积增大,振动杆的弹性变形势能在碰撞结束后转化为加速物料运动的动能,所有这些功能打破了粘结物料之间的粘性链接,物料受到的振动力大于粘附筛杆的粘附力,振动杆碰撞、旋转产生的能量转化为筛丝挤压、切割粘性料团的加速度,使粘湿物料能够松散、分层并顺利透筛,筛分运动得以正常进行。振杆筛具有以下特点:
(1)振动杆筛板具有很强的自身清理作用,防止了筛网的粘堵,有效地解决了粘湿原煤深度筛分难题,3mm原煤深度筛分已在山西煤炭进出口公司成功运行半年。
(2)对各种物料适应性强、筛分效率高,通常在85%以上。处理能力强,在同等筛分条件下处理能力是普通筛机的两倍左右。
(3)振动杆筛之所以具有很强的自清理作用,是因为弹性杆筛丝除随筛体主振频率振动外,还做附加的碰撞振荡、弹性弯曲变形和自身旋转运动,这4种运动的复杂合成赋予了振动杆筛很强的自清理能力,这是振动杆筛能够进行粘湿物料深度筛分的实质。
(4)振动杆采用优质高碳合金钢材并经热处理加工,具有较大的刚性,变形较小,筛分精度比琴弦筛、梯流棒条筛高,通常限上率(或限下率)小于6%(可调),能够满足化工、电力等部门使用。
(5)振动杆在筛板孔中处于自由梁状态,不受附加外力的弯曲和拉伸,因而寿命成倍提高,约为半年左右。振动杆筛丝更换方便,筛框可重复使用,大大降低维护工作量和使用成本。
(6)振动杆筛板不仅可以配套系列振杆筛主机,而且可以对用户原有振动筛进行配套改造。振动杆筛板为块状结构,有利于振杆筛的大型化发展,适合当今振动筛大型化的趋势。
4　弹性振杆筛的应用实例
    由于弹性振杆筛具有自清理、筛分精度相对较高、筛分效率高、筛网寿命长等诸多优点,得到了煤炭、电力、化工等行业的青睐。陈四楼矿选煤厂主要工艺流程为原煤分级入洗,原设计13mm为入洗下限,矿井投产后发现地质赋予条件与设计不符,煤质变化较大,末煤灰分偏高,经济效益损失较大。为降低末煤灰分,确定入洗下限为8mm,即小于8mm的末煤直接作为最终产品销售,大于8mm的块煤进入跳汰机洗选。由于该矿原煤水分一般在8%～10%之间,粘性大,这种情况下若使用常规普通筛网进行干法筛分,现场筛分表明13mm的分级已很难进行,需要人工不断清理筛面,8mm的筛分堵孔严重、筛面糊死。1999年初该矿采用振动杆筛板对其2台ZDS1894等厚筛进行了8mm深度筛分技术改造,其筛分效率达到86.71%,限下率为9.2%,限上率为4.6%,筛分效果良好。由于13～6mm高灰分粒级煤的分离,使末原煤的灰分下降了近2%,提高了煤质和发热量,销售利润增加;同时13～8mm粒级作为块煤入洗,块煤入洗量增加,精煤产率提高了8%,年增加收入1600多万元,经济效益显著,并且减轻了工人的劳动强度。
5　结语
    经过不断改进和优化设计,振杆筛已形成系列化,振杆筛板的掉杆、卡杆故障得到了解决。振杆筛板适用于以圆振动和直线振动为主体的分级筛的改造,而针对现场设计的振杆筛整机更能发挥出其优良的性能。实践证明,弹性振杆筛是粘湿细粒级原煤进行深度筛分的新一代筛机,已达到国际先进水平,是我国科技人员独创的、具有较高科技含量的筛型,基本解决了原煤深度筛分的难题,已在全国上百家煤炭、电力、化工企业使用,给企业带来明显的经济效益。

参考文献:
[1]　陈国平.弹性碰撞杆筛板在洗煤厂的应用[J].选煤技
术,1999,(4).
收稿日期:2001-10-24
作者简介:左广斌(1970-),男。1990年7月毕业于上海交通大学
机械工程系。现为中国矿业大学信电学院在读研究生,在兖矿集团
物资部设备科从事物资供应工作,工程师。