FTG風力跳汰干法選煤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及工業(yè)應(yīng)用

趙環(huán)帥 尹德奪

(1.中國冶金礦山細粒篩分機械工程技術(shù)研究中心，河北省唐山市，063020;2.唐山杰斯德科技有限公司，河北省唐山市，063020)

煤炭是我國國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)能源，在我國一次能源消費結(jié)構(gòu)中所占比重約為70%。2018年，我國原煤產(chǎn)量達到36.8億t，原煤入選率達到了71.8%，預計2020年我國原煤入選率要提升到75%。與此同時，國家煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃提出要積極推進千萬噸級先進洗選技術(shù)裝備研發(fā)應(yīng)用，降低洗選過程中的能耗、介耗和污染物排放，大力發(fā)展高精度煤炭洗選加工，尤其應(yīng)用推廣干法選煤工藝技術(shù)，實現(xiàn)煤炭深度提質(zhì)和分質(zhì)分級。因此，研制干法選煤技術(shù)對煤炭清潔高效利用具有重要意義和廣闊市場前景。基于此，在借鑒國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種新型FTG風力跳汰干法選煤系統(tǒng)。

1 干法選煤概述

近年來，我國干法選煤技術(shù)研究和發(fā)展蓬勃開展，先后出現(xiàn)了用于除去矸石的氣動分離器和用于在0～80 mm煤中除去矸石的復合干法分離技術(shù)，其中復合式干法選煤技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種新型實用技術(shù)，并在生產(chǎn)中得到推廣和應(yīng)用[1-3]。干法選煤即適用于分選易選煤與中等可選煤，也適用于現(xiàn)有選煤廠在原煤入選前預排矸，可以提高選煤廠處理量和降低選煤成本。另外也具有煤矸石提純降低熱值、劣質(zhì)煤和臟雜煤的提質(zhì)以及大規(guī)模工業(yè)廢棄物的回收再利用等多種用途[4-6]。與濕法選煤相比，干法選煤的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)水資源方面。我國煤炭資源儲量的80%集中在西部，我國煤炭洗選工業(yè)必將伴隨著煤炭資源開發(fā)重心的戰(zhàn)略西移而向西部干旱地區(qū)轉(zhuǎn)移，而水資源的缺乏已成為我國西部地區(qū)煤炭開發(fā)和利用的制約因素。按照國家規(guī)劃，我國2020-2030年煤炭產(chǎn)能增長將主要來自晉、陜、蒙這3個省區(qū)，這些干旱地區(qū)沒有足夠的水資源供濕法選煤技術(shù)應(yīng)用，因此采用干法選煤技術(shù)可以在一定程度上緩解西部煤炭資源開發(fā)的水資源短缺難題。

(2)環(huán)保方面。我國許多原煤未經(jīng)清潔處理直接燃燒，導致嚴重的能源浪費和環(huán)境污染。原煤入選平均可脫除60%的灰分和脫除50%以上的黃鐵礦硫分。洗選后的商品動力煤可提高燃煤鍋爐的熱效率3%～8%。干法選煤為動力煤排矸、降硫提供了一種經(jīng)濟、簡單、有效的實用技術(shù)。

(3)氣候方面。在北方和高寒地區(qū)，采用干法選煤技術(shù)可避免冬季因產(chǎn)品水分高而凍結(jié)所帶來的生產(chǎn)、存儲、運輸與裝卸困難。

(4)成本方面。干法選煤工藝簡單，可露天作業(yè)，干法選煤廠投資僅為同規(guī)模濕法選煤廠投資的10%～20%，干法選煤作業(yè)成本也僅為濕法選煤作業(yè)成本的1/4～1/3(約2～3元/t)。

(5)煤質(zhì)方面。褐煤占我國動力煤儲量的17.6%，褐煤原煤含矸率較高，且在水中易泥化，不宜濕法分選，干法選煤技術(shù)可解決易泥化煤的分選加工難題[7-9]。

2 FTG風力跳汰干法選煤工藝流程和及其原理

2.1 工藝流程

FTG風力跳汰干法選煤系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

圖1 FTG風力跳汰干法選煤系統(tǒng)工作流程

2.2 工作原理

FTG風力跳汰干法選煤系統(tǒng)主要依據(jù)跳汰選煤原理，其分選過程主要為以下2個步驟。

(1)在恒壓風、脈動風與高頻激振的共同作用下，分選床層物料形成較為穩(wěn)定、松散的近似流態(tài)化狀態(tài)。在分選床的激振運動使物料向前輸送的同時，床層物料在分選床下風室送出的垂直上升變速氣流的作用下不斷松散和沉降，使物料漸漸按密度垂直分布，從而完成按密度分層。

(2)在分選床出料端設(shè)置水平分割堰裝置，按照預先設(shè)定的密度值水平方向分割已按密度垂直分布的床層物料，使密度低于設(shè)定值的精煤從溢流堰上方的精煤口自然溢流排出，而密度高于設(shè)定值的矸石則自溢流堰下方的排矸口排出。

在煤炭分選過程中，F(xiàn)TG風力跳汰干法選煤系統(tǒng)應(yīng)用計算機軟件程序與同位素射線技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)數(shù)字控制。為了保持出料精煤質(zhì)量的動態(tài)穩(wěn)定，對分選床出料口溢流堰頂部的料層密度實施在線測控，通過對精煤生產(chǎn)質(zhì)量實施在線自動化測控，可以獲得較高的分選精度。

2.3 結(jié)構(gòu)特點

FTG風力跳汰干法選煤系統(tǒng)主要由給料裝置、恒壓風裝置、脈動風裝置、除塵裝置、分選床、排料裝置、同位素密度測控裝置、運行操作裝置等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

分選床沿物料前進方向分為若干分選階段，每一階段對應(yīng)一個獨立風室，各風室可單獨調(diào)控供風參數(shù)，以滿足各段床面不同的工作要求，達到良好的分選效果。

圖2 FTG風力跳汰干法選煤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

給料裝置和排料裝置是控制風力跳汰干法選煤系統(tǒng)分選效果與生產(chǎn)能力的關(guān)鍵設(shè)備之一。給料裝置調(diào)速的作用是調(diào)整系統(tǒng)的處理量；排料裝置調(diào)速是為了使溢流堰頂端的水平高度與所設(shè)定的密度料層保持一致，且達到動態(tài)穩(wěn)定。只有給排料裝置動作及時、準確、連續(xù)和穩(wěn)定，才能保證分選床料層的穩(wěn)定，從而保證產(chǎn)品的數(shù)量與質(zhì)量。FTG風力跳汰干法選煤系統(tǒng)的給料裝置和排料裝置采用了變頻數(shù)字控制技術(shù)，機械結(jié)構(gòu)簡單且實用，工作可靠且自動化程度高。排料采用PID程序執(zhí)行參數(shù)調(diào)控動作，以保證排料控制精確和運行穩(wěn)定。

FTG風力跳汰干法選煤系統(tǒng)的操控采用PLC程序控制。給料裝置、排料裝置、脈動風裝置、激振裝置等驅(qū)動電機運行參數(shù)的信號采集、變頻調(diào)速、系統(tǒng)各電機的自動順序啟停和運轉(zhuǎn)參數(shù)以及外圍設(shè)備的安全操作等均納入PLC的控制范圍。PLC控制具有故障率低、自動化程度高等特點，并設(shè)有自動安全報警與緊急停車功能。一旦設(shè)備局部出現(xiàn)故障，可就近操作急停按鈕，使整個系統(tǒng)和附屬設(shè)備實現(xiàn)緊急停車，有效保證設(shè)備的安全運轉(zhuǎn)與操作者的人身安全。

3 FTG風力跳汰干法選煤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 分選床設(shè)計

分選床是風力跳汰干法選煤系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)、剛度、振動方向角和振幅是影響分選過程有效進行的重要因素。通過反復試驗和研究分析，對分選床的結(jié)構(gòu)進行了多次改進設(shè)計，使其降低自重，增加剛度。分選床設(shè)計增加了布料板，大大改善了料層的均勻性。對分選床的振幅和振動方向角進行理論分析與計算優(yōu)選，分選床經(jīng)過多次試驗改造后，進一步優(yōu)化了系統(tǒng)的分選效果。

對床面布風板的結(jié)構(gòu)、布風孔形狀和開孔率等進行了多次試驗和比較，確定圓形布風孔更有利于床層近流態(tài)化狀態(tài)的形成，且不易堵塞，應(yīng)作為布風孔的首選形式。

床層物料在分選床出料端，需用溢流堰切割分離煤層和矸石層，并分別進入各自的出料口形成產(chǎn)品。溢流堰裝置曾分別設(shè)計了擺動式和垂直升降式，并對其安裝位置進行了多次試驗。經(jīng)生產(chǎn)對比實踐證明，垂直升降式溢流堰裝置具有床層運動阻力小、分選精度高、分選范圍寬以及調(diào)整方便等特點。

3.2 恒壓風裝置設(shè)計

恒壓風裝置是形成近流態(tài)化床層的前提，脈動風裝置是形成風力跳汰的條件。試制過程中對風室各段的進風形式和布風結(jié)構(gòu)進行了多次探討和設(shè)計修改，對送風管路進行了優(yōu)化計算。對脈動風閥采用變頻控制，便于調(diào)整。將系統(tǒng)試驗樣機的恒壓風裝置改進為系統(tǒng)內(nèi)閉路式循環(huán)設(shè)計，防止粉塵外溢，有利于環(huán)保，同時減少除塵系統(tǒng)的一次性投資。

3.3 給料裝置和排料裝置改進

給料裝置和排料裝置的正常工作是獲得良好分選精度的必要條件。給料裝置試驗中曾發(fā)生大塊物料卡葉輪、聚氨酯葉輪板不耐物料切割、給料中物料按粒度離析、床面布料不均等問題，通過數(shù)次較大的設(shè)計改進，最終采用剛性葉輪與彈性擋板結(jié)構(gòu)相配合，同時修改了進料口和出料口的尺寸與結(jié)構(gòu)。

排料裝置準確和連續(xù)穩(wěn)定的排料動作是保證床層穩(wěn)定的另一關(guān)鍵。針對因物料堆積角和摩擦造成的沿床面寬度排矸不均問題，對排料裝置結(jié)構(gòu)也進行了多次設(shè)計改進，同時兼顧了方便維修、零件通用以及制造工藝性等諸方面因素。

改進后的給料裝置和排料裝置結(jié)構(gòu)簡單、實用、工作可靠、自動化程度高。給料量和排料量均可根據(jù)工藝要求實現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)，經(jīng)生產(chǎn)實踐檢驗，使用效果良好。

3.4 同位素射線測控設(shè)計

設(shè)計對分選床料層密度采用同位素射線測控，排矸速度主要依靠反饋信號動態(tài)控制，從而實現(xiàn)自動控制分選，提高分選精度。同位素分選床料層密度回控流程如圖3所示。

圖3 同位素檢測分選床料層密度回控流程

分選床出料端溢流堰頂處設(shè)置有設(shè)計料層密度在線檢測點，把檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為1～5 V電信號輸出。通過預先儲存的設(shè)定值與PLC 程序比對，后經(jīng)PID運算，反饋信號到變頻執(zhí)行機構(gòu)，實施對排料速度的動態(tài)調(diào)控，從而在分選床出料端處的水平高度，使所設(shè)定密度的料層始終保持動態(tài)穩(wěn)定平衡。

對同位素射線密度測控進行了長期深入細致的研究。與北京某同位素應(yīng)用技術(shù)研究所合作，模擬實際工況，測試多種密度級煤樣(密度為1.5～2.1 g/cm3)，觀察密度變化對射線吸收程度的影響。

首先對不同型號同位素放射源進行多次靜態(tài)試驗對比和改進，選擇出較具實用價值的放射源型號，并改進了放射源的射角。試驗用電離室作為射線信號接收器，未能成功。后經(jīng)多次試驗和比較分析，最終選用光電倍增管作為射線信號接收器。

經(jīng)反復改進后的同位素密度檢測儀靈敏度大大改善，最終得到的信號強度與物料密度的對應(yīng)關(guān)系顯著而且穩(wěn)定。靜態(tài)試驗結(jié)果表明，同位素密度儀所測得的電信號輸出對回控的電信號輸入有實際應(yīng)用意義。改進后的同位素射線密度測試輸出電壓信號與物料密度關(guān)系如圖4所示。

從圖4可以看出，測試數(shù)據(jù)回歸曲線顯示出相關(guān)性十分良好的近似線性。

在上述靜態(tài)試驗的基礎(chǔ)上，編制出PLC回控程序，再通過動態(tài)試驗確定出PLC回控程序中的一系列設(shè)定參數(shù)值(設(shè)定參數(shù)值可調(diào))。對分選床料層密度測控程序進行了閉路循環(huán)中間工業(yè)性試驗。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)在運行過程中較好地實現(xiàn)了分選床料層密度在線自動測控，工作穩(wěn)定且分選效果良好。

圖4 同位素射線密度測試輸出電壓信號與物料密度關(guān)系

3.5 系統(tǒng)的控制設(shè)計

系統(tǒng)的控制部分設(shè)計采用PLC觸摸屏閉環(huán)控制。脈動風閥轉(zhuǎn)速、分選床振動頻率、給料機構(gòu)和排料機構(gòu)轉(zhuǎn)速等的調(diào)控釆用了先進的數(shù)字變頻技術(shù)。系統(tǒng)各運動機構(gòu)及外圍設(shè)備電機的順序啟停、床層密度信號采集、變頻調(diào)速、設(shè)備運行狀態(tài)自動檢測與報警等均納入PLC的控制范圍，整個系統(tǒng)自動化程度高、操作簡單、故障率低。

4 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新及其應(yīng)用效果

4.1 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

(1)應(yīng)用分選床振動對床層物料的拋擲運動與分選床下恒壓風與脈動風三者的有效結(jié)合，在分選床面上形成均勻松散和穩(wěn)定的近流態(tài)化床層，為原煤在分選過程中按密度分層創(chuàng)造了有利條件。

(2)分選床的振幅與頻率、給料量、排料量、送風量及脈動風的脈動頻率等參數(shù)均能實現(xiàn)無級調(diào)整，可適應(yīng)不同原煤煤質(zhì)特性對分選工藝參數(shù)進行有效組合。

(3)各項工藝參數(shù)組合可在PLC中儲存，生產(chǎn)現(xiàn)場可根據(jù)原煤煤質(zhì)的變化情況隨時調(diào)用。

(4)用同位素密度儀進行分選床物料層密度在線測控(閉環(huán)數(shù)字控制)，提高分選精度。

4.2 技術(shù)優(yōu)勢

(1)FTG風力跳汰干法選煤系統(tǒng)與目前國內(nèi)市場銷售的產(chǎn)品工作原理不同，分選床單位面積處理能力比目前市場國產(chǎn)干法選煤設(shè)備提高30%～40%。

(2)設(shè)備采用系統(tǒng)內(nèi)部恒壓風閉路循環(huán)，能有效防止粉塵外溢，并減少除塵耗風量和裝機總?cè)萘浚档驮O(shè)備成本和生產(chǎn)運行電耗。

(3)分選床振動加恒壓和脈動供風、射線床層自動測控等技術(shù)填補了我國干法選煤技術(shù)的空白。

4.3 應(yīng)用效果

FTG風力跳汰干法選煤系統(tǒng)既適用于80～0 mm粒級易選煤、中等可選煤的分選，也適用于煤矸石提純以及劣質(zhì)煤入選前的預排矸等。其分選效果好，用于預排矸分選床單位面積處理能力在14 t/m2·h以上，可能偏差Ep為0.20，不完善度I為0.1，排矸率大于80%；分選易選煤、中等可選煤時，分選床單位面積處理能力在13 t/m2·h以上，可能偏差Ep為0.12，不完善度I為0.07，分選效率大于90%。具有原煤脫硫能力，可有效清除原煤中含有的大部分硫鐵礦，大大降低動力煤直接燃燒造成的SO2排放污染，試驗煤樣平均降硫率為49.7%。

5 結(jié)語

FTG風力跳汰干法選煤系統(tǒng)具有分選效果好、原煤脫硫能力較強的特點，可有效清除原煤中的大部分硫鐵礦硫，大大降低動力煤直接燃燒造成的SO2排放污染，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。但也存在一些缺點，比如動態(tài)情況的同位素料層測控技術(shù)尚需進一步深入研究和完善。因此今后應(yīng)進一步完善試驗手段，繼續(xù)開展不同煤質(zhì)及用于其他相關(guān)物料分選的研究，開發(fā)系列化產(chǎn)品，以滿足社會經(jīng)濟發(fā)展中對各種煤炭產(chǎn)品的不同需求。