弛张筛面运动学特性与3mm筛分过程参数优化

2021-10-26石建光康永飞孙银辉

煤炭工程 2021年10期

李明，石建光，康永飞，孙银辉，潘淼

(1.国能包头能源有限责任公司煤炭洗选中心，内蒙古鄂尔多斯 017000；2.中国矿业大学，江苏徐州 221116)

2020年，我国煤炭消费量占能源消费总量的56.8%，在能源消费体系中占据主导地位[1]。动力煤消费量占煤炭消费总量的 70% 以上，主要用于电力、化工、冶金以及建材等领域[2]。动力煤变质程度较低，直接利用易造成严重的环境污染与资源浪费。《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》提出：“加强煤炭洗选加工，提高煤炭洗选比例”[2]。2021年3月两会正式将“2030碳达峰、2060碳中和”列入政府工作报告，明确了低碳发展的约束性目标和重大政策。提升动力煤入选率，已成为推动能源资源高效清洁利用的关键所在[3]。

国能包头能源有限责任公司万利一矿选煤厂入选原煤属粘湿高水分易泥化动力煤，原煤经50mm分级，+50mm块煤进行重介浅槽分选，-50mm混煤直接作为产品销售，原煤入选比例低，经济效益差。为提高原煤入选比例，增加精煤产量，提升商品煤质量与产品市场竞争力，亟需降低万利一矿选煤厂原煤分级下限。然而，随着采煤机械化的发展，原煤中细粒物含量逐渐升高，在黏土矿物及外在水分的作用下，严重恶化筛分效果[4-6]。弛张筛因其具备大抛射强度的优点，可强化料群松散、分层及透筛，在粘湿易泥化动力煤3mm干法筛分领域广泛应用[7-9]。

国内外学者在弛张筛筛分理论、机械结构以及工艺性能等方面开展了大量研究。A.Hamid等[10]采用两种不同的煤样进行了弛张筛2mm干法筛分试验研究，筛分效率为85.1%，错配物含量为 5.97%。王新文等[11]建立了考虑筛框转动的振动弛张筛的多自由度动力学模型，推导了运动微分方程的稳态解，并基于振动测试方法，对比了理论方法计算出的轨迹与实际轨迹的拟合程度。X.Xiong等[12]建立了弛张筛面的悬链线理论数学模型，基于物理试验验证了模型的准确性，探究了电机转速、筛面倾角、张紧量等特征参数对筛面挠度、速度和加速度的影响规律。张新等[13]采用线性分段插值方法建立了近柔性化弛张筛面，研究了激振力、筛体倾角、物料特性对筛分效率的影响规律。武继达等[14]建立了实际工况下筛面的动态特征数值模型，构建了几何参数与应力之间的二阶近似模型，基于遗传算法确定了筛面的最佳几何参数。邹梦麒等[15]研究了张紧量对筛面力学参数的影响，获得了筛面中点加速度特性曲面，利用有限元法分析了筛面的瞬态动力学特征与分布规律。在理论研究的基础上，弛张筛已在我国各大选煤厂进行应用与工程实践。唐家会矿选煤厂、塔拉壕煤矿选煤厂等采用弛张筛对原煤进行6mm干法脱粉，显著降低了分选系统煤泥量，实现了工艺系统的煤泥减量生产[16，17]。

本文拟开展弛张筛面运动学特性与3mm筛分过程参数优化研究，采用振动测试分析弛张筛内外筛框与筛面的运动学特性，优化筛面材料配方与结构设计，探究工作频率和处理能力对筛分效果的影响规律，以实现粘湿动力煤3mm高效干法筛分。

1 物料特性与试验

1.1 煤样物化特性

选取万利一矿选煤厂入选原煤为试验煤样，工业分析、发热量及硫分测试结果见表1。该原煤属中灰分、中硫、高挥发分、低固定碳长焰煤。

表1 工业分析、发热量及硫分

各粒级煤炭产率与灰分分布特征如图1所示。原煤水分高达24.76%，灰分24.21%，-0.5mm原生煤泥含量6.11%，灰分31.23%，矸石出现严重泥化。采用X射线衍射仪(XRD)测定了试验样品的矿物成分，如图2所示，试验结果表明：主要为高岭石等黏土矿和勃母石等。原煤中3～0mm细粒煤含量高达22.43%，6～3mm粒级含量达14.58%，该部分原煤在水分和黏土矿物作用下极易造成粘附成团，料群松散、分层困难。

图1 原煤粒度特性曲线

图2 原煤矿物成分XRD测试

1.2 试验设备与方法

采用万利一矿选煤厂曲柄连杆式弛张筛开展试验研究，弛张筛尺寸为3.0m×10.8m(宽×长)，筛孔尺寸为3mm×10mm。选取筛分效率、错配物含量评价动力煤3mm筛分效果[3]。

2 弛张筛运动学测试与3mm筛分效果

2.1 弛张筛运动学测试

基于振动测试技术，开展了弛张筛运动学测试研究，测试与分析系统包括：ICP三向加速度传感器、INV3060s高精度多通道信号采集仪、Coinv DASP-V10信号实时分析软件。现场布置如图3所示，将ICP加速度传感器分别布置在内筛框与外筛框上，即传感器1和传感器2。沿料流方向在单块筛面上分别布置4个传感器，其中传感器3为筛面中点。x轴为料流运动方向，y轴为垂直筛面方向，z轴为垂直侧板方向，内、外筛框x方向加速度时域特性曲线、筛面中心点加速度时域特性曲线如图4所示。外筛框x方向平均加速度为45.30m/s2，内筛框x方向平均加速度为26.98m/s2，筛面中点y方向平均加速度可达357.73m/s2，振动强度为36.50g。

图3 加速度传感器布置图

图4 筛框、筛面加速度时域特性曲线(原筛面)

2.2 弛张筛3mm筛分效果分析

对弛张筛入料、筛上物和筛下物进行采样分析，计算筛分效率、总错配物含量等评价指标。结果表明：3mm筛分效率为81.67%，总错配物含量为7.76%，煤泥脱除率为91.92%。分配曲线如图5所示，实际分级粒度d50=4.02mm，分配曲线出现上翘现象。弛张筛的筛分效率偏低，实际分级粒度大于规定分级粒度。造成这种现象的可能原因在于：筛面振动强度过大，导致料群运移速度过快，降低了颗粒在筛上的停留时间，部分未及时透筛的细颗粒跟随粗颗粒进入到筛上产品中，从而使得细颗粒正配效率低、筛分效果差。此外，生产过程中，采用“压板压接-螺栓紧固”筛面安装方式，运动过程中筛面与压板不断接触，易出现磨损、撕裂等现象，筛面使用寿命3～6个月，因此，亟需开展筛面结构性能优化设计研究，提高筛分效率和筛面使用寿命。

图5 3mm筛分分配曲线(原筛面)

3 弛张筛面结构设计与参数优化

3.1 弛张筛面结构设计

优化了筛面材料配方与结构设计，研制了变厚度横截面弧形过渡筛面，如图6所示，安装区域较筛孔区域厚度大1mm，自安装区域至筛孔区域厚度递减，以提高安装区域的抗撕裂强度，弧形过渡设计有效避免筛面与压板直接接触。

图6 变厚度横截面弧形过渡筛面

利用振动测试技术对弛张筛进行了运动学测试分析，筛框、筛面加速度时域特性如图7所示。弛张筛外筛框、内筛框x轴方向平均加速度分别为41.06m/s2、25.94m/s2，筛面中点y轴方向平均加速度为211.93m/s2，振动强度为21.63g，与优化前相比，振动强度降低40.74%，可以有效降低筛上料群的运动速度，延长筛分时间。

图7 筛框、筛面加速度时域特性曲线(优化后筛面)

3.2 工作频率对筛分效果的影响

工作频率直接决定了单位时间内筛面跳动次数及抛射强度，进而对物料松散、分层、透筛、运移过程均产生重要影响。通过变频器改变电机转速，进而改变工作频率。试验条件为处理能力400t/h，工作频率依次取值：6.67Hz、8Hz、9.33Hz、10.67Hz、12Hz。

工作频率对筛分效率的影响如图8所示。随着频率的增大，筛分效率、煤泥脱除率均先升高后降低，总错配物含量先减少后增多，筛分效率在85.69%～92.85%之间，煤泥脱除率在89.83%～95.67%之间，总错配物含量在3.40%～5.12%之间。当弛张筛工作频率为9.33Hz时，弛张筛筛分效果最佳，此时筛分效率为92.85%，总错配物含量为3.40%，煤泥脱除率为95.67%。筛面加速度随频率的增加而增加，强化了物料的松散分层，在碰撞作用下，煤泥从大颗粒表面脱除，提高了物料的整体筛分效果。当工作频率超过9.33Hz后，再继续增大，物料运移速度加快，物料筛分时间减小，细颗粒透筛率降低，整体筛分效率降低。

图8 工作频率对筛分效率的影响

3.3 处理能力对筛分效果的影响

处理能力是影响筛分效果的重要操作参数，为优化弛张筛的工艺性能，保证选煤厂的生产效率，设定工作频率为9.33Hz，其他试验条件不变，研究了处理能力分别为360t/h、400t/h以及440t/h时的筛分效果。

处理能力对筛分效率的影响如图9所示。当处理能力为360t/h时，筛分效率为94.21%，总错配物含量为2.89%，煤泥脱除率达到95.84%。当处理能力为400t/h时，弛张筛的筛分效率为92.85%，总错配物含量为3.40%，煤泥脱除率达到95.67%。当处理能力为440t/h时，弛张筛的筛分效率为89.92%，总错配物含量为3.67%，煤泥脱除率达到85.08%。

图9 处理能力对筛分效率的影响

随处理能力的增加，3mm筛分效率、煤泥脱除率均降低，总错配物含量增大。处理能力的增加导致筛上料层厚度变厚，料群松散、分层效果变差，细颗粒无法在有限的筛分时间内达到筛孔附近，降低了细颗粒的透筛率。系统正常生产时，弛张筛处理能力400t/h，分配曲线如图10所示，实际分级粒度接近3mm，与原筛面相比，筛分效率提高了11.18个百分点，筛面寿命6个月以上。实现了选煤厂煤泥减量生产，经济社会效益显著。