末煤干法振动梯级分选理论研究与应用

陈盼盼 颜顺利 许钦赐

（1.兖矿科技有限公司，山东 邹城 273516；2.兖煤矿业工程有限公司，山东 邹城 273516）

当前的煤炭干选技术中，+6 mm 煤炭干法分选技术较为成熟，主要有应用于预先排矸的TDS、动力煤分选的ZM 复合式、适合炼焦煤高精度分选要求的空气重介质流化床分选技术。对于6～1 mm 煤炭分选，以振动分选流化床和脉动分选流化床技术为代表，实验室具有较好的分选效果，但都未能实现工业化应用。振动梯级分选技术充分利用气流散化、振动分离的作用强化6～1 mm 煤炭分选，对于细粒煤的分选具有较好效果。本文介绍振动梯级分选机的分选机理、设备结构及运动学特性，选取六个工况对兖矿能源转龙湾煤矿0～6 mm 原煤进行分选试验，验证其分选效果，为其后续工业应用提供理论基础。

1 末煤干法振动梯级分选理论

梯级分选机以气流与振动作为分选过程主导能量[1]，其中：气流松散料群和脱除细粉，振动主要起到两个方面的作用：提供分选床层物料运动所需的能量，纵向剪切力驱动料层沿纵向按密度滑移、分层；提供横向剪切力，与格条反推作用、床面摩擦作用协同，驱动物料横向翻转、迁移，实现不同层间物料梯级剥离。

振动梯级分选机分选床面分为4 个区域，分别是入料区、分选区、矸石通道和排料区。分选过程中，原料煤在入料区的高气速冲击下实现了入料快速松散、避免颗粒堆积影响给料均匀性和处理量以及预先脱粉作用[2]。在分选区，上升气流使料群保持松散，颗粒间间隙较大，高密度的矸石颗粒逐渐向下滑落，低密度的精煤颗粒在粒间摩擦挤压与气流曳力协同作用下逐渐向上层爬升，形成矸石与煤炭颗粒的纵向分层。分选床面的逆时针振动驱使料群整体做逆时针翻转运动，由矸石通道侧向精煤侧抛射。矸石和精煤颗粒由于密度差异导致抛射距离不同，形成一次横向分离。床面的逆时针、差动式振动使其与矸石颗粒产生的摩擦作用驱使矸石颗粒向矸石通道滑移，而料群上层的精煤颗粒由于床面倾斜，与矸石发生相对运动，形成矸石与精煤的二次分离[3]，循环往复，在物料向排料区运动过程中精煤逐层剥离，向精煤聚集侧横向迁移，矸石逐渐向矸石通道横向迁移，最终分别到达精煤排料口和矸石排料口，完成分选过程。

2 装置的结构设计

2.1 设计原理

振动梯级分选机的结构如图1。振动梯级分选机由送风系统和分选机主机系统两部分组成。分选机主机系统主要包括分选床面、相应的支撑结构、进料和排料端口以及驱动系统，如图2。支撑结构主要包括主机架、动力支架和床面支撑架。分选床面通过螺栓和分选床面支撑架连接，床面支撑架通过板簧和偏心轴套、轴承和心轴连接；心轴在相反方向通过板簧、偏心轴套、轴承同时连接配重块；心轴通过轴承座固定在动力支架上，并通过皮带轮和皮带由电机驱动。电机由变频器控制启停和转速，通过倾角调节装置可以调节分选床面的横向和纵向倾角。电机转动带动心轴转动，通过变频器及皮带轮二级减速，使得心轴在理想转速下运转。心轴带动偏心轴套，通过板簧带动分选床面支撑架及分选床面往复运动[4]。

图1 装置机械结构图

图2 装置驱动结构图

2.2 运动学模型

在振动梯级分选机工作过程中，心轴作匀速圆周运动，分选床面作类似直线的往复运动。分选床面的位移、速度和加速度是不断变化的。以心轴旋转中心为原点O，建立了绝对坐标系OXY，其中X轴平行于床面指向料流方向，Y 轴垂直于床面，如图3。根据振动梯级分选机工作原理，对心轴、偏心套和板簧进行了简化和等效处理。

图3 振动梯级分选机运动学模型

当心轴转动时，分选床面的位移可表示为：

其中：（x,y）为分选床面沿X 方向和Y 方向的位移，φ为板簧与分选床面的夹角，e为偏心距，ω为心轴转速。对公式（1）关于时间t分别求一阶导数和二阶导数，可得出分选床面的速度和加速度表达式，如公式（2）所示。

分选床面振幅（Ax，Ay）可用公式（3）表示：

公式（1）、（2）、（3）联立，可以得出分选床面在绝对坐标系OXY 下的运动学模型包括位移、速度、加速度如公式（4）、（5）。

2.3 运动特性参数

振动梯级分选机运动特性与板簧夹角、偏心套偏心距、心轴转速等参数有关。

经过探讨偏心距和心轴转速对振动梯级分选机分选床面运动特性的影响，发现适当增大分选床面的运动速度幅值和加速度幅值，会增加床面上颗粒分层的可能性[5]。同时，过高的速度及加速度，将减少颗粒在床面上停留的时间，不利于分选。当转速ω超过一定范围时，ω的进一步增大将迅速增大床面的振动强度。因此，转速ω应该控制在一定范围之内。经反复试验最终得到相关参数值见表1。

表1 末煤干法振动分选机参数

3 试验研究与分析

3.1 试验设备的选取

振动梯级分选机运动特性试验测试及分析系统如图4。该系统主要包括：振动梯级分选机、加速度传感器、信号采集仪变频器、ICP 三向加速度传感器、INV3060S 多通道信号采集仪、Coinv DASP多通道信号实时分析软件。

图4 振动梯级分选机运动特性试验测试及分析系统

3.2 装置的试验研究

试验原料采用转龙湾煤矿0～6 mm 原煤。转龙湾煤质数据见表2。

表2 转龙湾煤煤质分析 %

试验时，采样频率满足Nyquist 采样定理[5]，为实现对信号较好的描述，一般取到8～10 倍。为完整记录振动梯级分选机启动-过渡-稳态运行-停机不同阶段的加速度信号，保证试验数据的可靠性，相同工况条件，进行三次重复试验。

试验数据选取了六种分选效果较理想的工况，具体参数见表3。进行分选作业并取样送检，验证转龙湾煤重力分选的可行性。

表3 各工况参数

3.3 分选结果分析

将0～6 mm 末煤运至振动分选机入料缓冲仓，进行分选作业并取样送检，验证其分选的可行性，考察分选效果。

根据单因素影响试验数据选取六种工况依次对转龙湾煤进行分选作业，通过卸料端全断面计时取样、称重，得出各个工况的处理量。各排料口分别计时取样、称重，计算得出各排料口的产率，检测各排料口灰分、硫分。由试验结果可以计算得出各工况下分选效果见表4。

表4 各工况分选效果 %

由以上试验结果可以看出，转龙湾煤灰分可降至4.86，产率88%，具有较好的分选效果；末煤干法振动分选机可以分选出低灰、低硫精煤，且产率较高。

4 结论

末煤干法振动梯级分选机可以用于：1）动力煤分选，生产灰分低、发热量高的优质动力煤；2）原煤排矸，排除煤炭中密度高的脉石和黄铁矿等，减少煤炭加工利用过程中有害物质的排放；3）对遇水易泥化的低阶煤进行分选提质，提高低阶煤的利用效率；4）生产超低灰精煤，为制备活性炭、碳素材料等煤基高附加值产品提供优质原料。

末煤干法振动梯级分选机适用性强，应用范围广，为干旱缺水地区及易泥化煤炭的分选提质开辟了一条有效的途径，能有利于去除煤炭燃烧烟气中的大量尘粒，减少环境污染，有效降低煤炭杂质，破解煤炭分选的“水资源瓶颈”，解决湿法选煤技术因存在煤泥水而产生的环保问题。