柔性空氣室跳汰機(jī)的性能及應(yīng)用研究

王燁敏，匡亞莉

（1.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000；2.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

與世界各主要產(chǎn)煤國一樣，我國對+0.50 mm粒級煤炭的分選主要采用重介質(zhì)分選和跳汰兩種選煤方法[1]。跳汰選煤具有工藝流程簡單、技術(shù)成熟、入料粒級寬、單機(jī)處理能力大和整體投資少等優(yōu)點(diǎn)[2]。近年來，隨著動力煤分選比例的提升，跳汰機(jī)處理能力不斷提升，跳汰選煤作為一種成熟有效的選煤方法在我國煤炭分選中仍將占有很大比重[3]，尤其是在動力煤分選和排矸作業(yè)中，跳汰選有其獨(dú)特的優(yōu)勢[4-5]。

選煤設(shè)備大型化和高效化是今后選煤發(fā)展的主要方向之一[6-7]。大型動力煤跳汰機(jī)并不是只對現(xiàn)有的小型跳汰機(jī)進(jìn)行簡單放大。跳汰技術(shù)上的研究成果表明，脈動水流均勻分布是實(shí)現(xiàn)物料有效分選的保證[8]。近年來，大型跳汰機(jī)在選煤廠應(yīng)用實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，空氣與水直接接觸和局部空氣分布不均勻?qū)е麓矊硬黄椒€(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響分選精度。研究大型跳汰機(jī)首要問題是隨著跳汰分選面積增大而出現(xiàn)的空氣分布不均勻現(xiàn)象，如果不能有效解決將難以進(jìn)一步發(fā)展[9]。

本實(shí)驗(yàn)首先在實(shí)驗(yàn)室型柔性空氣室模型跳汰機(jī)進(jìn)行工作性能測定，然后在選煤廠進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用，最后進(jìn)行跳汰機(jī)工業(yè)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場測試，比較柔性空氣室大型跳汰機(jī)與原大型跳汰機(jī)分選性能差異。

1 柔性空氣室跳汰機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了解決以上問題，設(shè)計多個氣囊固定在跳汰機(jī)篩下，以替代跳汰室/脈動室之間U 型結(jié)構(gòu)，在氣囊充氣時，氣囊膨脹，將篩下水?dāng)D到篩上，篩上水位上升，氣囊排氣時被擠癟，篩上水位回落，形成脈動水流。在整個跳汰過程中空氣不直接與水接觸，因此脈動水流均勻分布到整個篩平面上。實(shí)驗(yàn)室型跳汰機(jī)為中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院模型跳汰機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置，主體結(jié)構(gòu)由有機(jī)玻璃制成，其中上機(jī)體尺寸為(1100×625×800) mm，下機(jī)體尺寸(1100×625×1400) mm，溢流堰高度372 mm，中間位置篩板由帶有(10×30) mm沖孔的鋼板制成，下機(jī)體中安裝2 個氣囊。氣囊材料選取膠帶粘合材料、高分子復(fù)合材料、橡膠復(fù)合材料1、橡膠復(fù)合材料2 作為氣囊疲勞實(shí)驗(yàn)材料。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有跳汰機(jī)模型、進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)、檢測和控制系統(tǒng)、進(jìn)出水系統(tǒng)幾部分構(gòu)成[10]。

2 柔性空氣室跳汰機(jī)性能實(shí)驗(yàn)

新型柔性空氣室-氣囊的材料選擇進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室疲勞實(shí)驗(yàn)、工藝性能實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場工業(yè)化實(shí)驗(yàn)。材料選擇主要是從力學(xué)性能、剛度（安裝后能保持形狀）、變形比、抗疲勞性能、使用壽命等方面考慮。

最后篩選出膠帶粘合材料、高分子復(fù)合材料、橡膠復(fù)合材料1、橡膠復(fù)合材料2 等（從橡膠制品廠購買），進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，觀察產(chǎn)生水流的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。最后在工業(yè)現(xiàn)場安裝實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)對比情況見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比Fig.1 Comparision of test results

圖中不能用數(shù)字表示的參數(shù)，給出的是模糊評判等級，數(shù)字越大，表示等級越高，效果越好。

實(shí)驗(yàn)用模型跳汰機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)控電磁風(fēng)閥可實(shí)時設(shè)定和調(diào)節(jié)跳汰周期、進(jìn)氣期、膨脹期、排氣期等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。床層跳動高度即脈動水流水位的高點(diǎn)、低點(diǎn)采用位于機(jī)體上方的超聲波液位探測器進(jìn)行檢測。床層松散度為跳汰床層中水的體積占床層總體積的百分?jǐn)?shù)，在已知分選顆粒的質(zhì)量和性質(zhì)的情況下，通過公式：θ = (HS-V)/HS 進(jìn)行計算，其中θ 為松散度，H 為液面高度，S 為篩板面積，V 為顆粒總體積。

圖2 跳汰周期對床層松散度的影響Fig.2 Influence of jig cycle on bed looseness

由圖2 跳汰周期對床層松散度的影響可以看出，跳汰周期為1.3s 處，床層松散度較好。說明周期對松散度的影響明顯存在。

圖3 跳汰周期對液面跳動的影響Fig.3 Influence of jig cycle on liquid level beating

由圖3跳汰周期對液面跳動的影響可以看出，周期增長，液面跳動變化并不明顯，說明在風(fēng)壓不變、進(jìn)氣期不變的情況下，液面受周期的影響不大，應(yīng)該脈動比較穩(wěn)定。

圖4 進(jìn)氣期對水流脈動的影響Fig.4 Influence of intake period on flow fluctuation

由圖4 進(jìn)氣期對水流脈動的影響可以看出，在一個周期內(nèi)，進(jìn)氣期延長，液面跳動高度增大，說明進(jìn)氣期對床層松散度影響比較大，也說明氣囊托起床層的力度比較充足，進(jìn)氣沖力大。

圖5 排氣期對水流脈動的影響Fig.5 Influence of exhaust period on flow fluctuation

由圖5 排氣期對水流脈動的影響可以看出，排氣期延長，液面會降低比較多，這說明了排氣期長，氣囊中的空氣可以排除比較干凈，也說明排氣期不要太長，可以保持床層有一定松散。

實(shí)驗(yàn)室型跳汰機(jī)研究結(jié)果表明，柔性空氣室跳汰機(jī)的運(yùn)動規(guī)律符合傳統(tǒng)跳汰機(jī)床層的運(yùn)動規(guī)律，柔性空氣室完全能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的跳汰室/脈動室之間U 型結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的脈動更平穩(wěn)，進(jìn)氣的沖力更大。

3 工業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

趙固二礦選煤廠位于河南省新鄉(xiāng)市，是一座設(shè)計生產(chǎn)能力為350 萬t/a 的現(xiàn)代化大型跳汰分選工藝洗煤廠，入洗趙固二礦優(yōu)質(zhì)無煙煤。選煤工藝為：跳汰混合入洗+粗煤泥TBS 分選+煤泥浮選工藝+尾煤泥干燥。實(shí)際生產(chǎn)中，大型跳汰機(jī)出現(xiàn)的問題主要是矸石帶煤含量較高，入洗量沒有達(dá)到預(yù)期要求，主要原因是跳汰面積大，水流與空氣直接接觸，導(dǎo)致局部空氣分布不均勻，甚至產(chǎn)生的脈動水流紊亂和床層不平穩(wěn)。現(xiàn)場跳汰機(jī)床層兩側(cè)的煤質(zhì)存在很大差距，一側(cè)的塊煤（≥13 mm）含量高達(dá)80%以上，而另一側(cè)塊煤含量則低于30%，入洗煤質(zhì)不穩(wěn)定時含量差距更大，其原因是空氣分布不均勻，造成了床層分布不均勻，這將會破壞物料按密度分層。

根據(jù)國家相關(guān)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合實(shí)際情況，對趙固二礦選煤廠改造前后大型跳汰機(jī)的分選效果進(jìn)行評定，使用不完善度、數(shù)量效率和總錯配物含量等評價指標(biāo)對原跳汰機(jī)和柔性空氣室跳汰機(jī)進(jìn)行對比。

3.1 原煤可選性曲線

圖6 入選原煤的可選性曲線Fig.6 Washability Curve of raw coal

由圖6 可以看出，原煤-1.50 g/cm 粒級產(chǎn)率為48.27%，灰分為8.34%，而-1.60 g/cm 粒級產(chǎn)率高達(dá)73.17%，灰分為10.27%。根據(jù)圖6 原煤可選性曲線可知當(dāng)精煤灰分為11.00%時，理論分選密度為1.72 g/cm，δ±0.1 含量為8.00%，此時精煤理論產(chǎn)率為77.00%，由此判斷該煤種為易選，接近中等可選。

3.2 跳汰機(jī)對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

工業(yè)型柔性空氣室跳汰機(jī)是由原YT-27 跳汰機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，YT-27 跳汰機(jī)單臺處理量為350 ～400 t/h，改造中拆除原有三角形空氣室，改造后的柔性氣室跳汰機(jī)氣囊安裝在5 根(200×400) mm 的方鋼管上面，每根方鋼管上有16 個氣囊座，均勻分布于方鋼管兩側(cè)。氣囊材質(zhì)為橡膠，長度為1.10 m，底部采用夾板和密封膠膠進(jìn)行密封，上部采用鐵箍和密封膠進(jìn)行密封；在氣囊和方鋼管連接處加裝橡膠墊同時涂抹密封膠，保證密封完全。跳汰機(jī)分為五個氣室，每個氣室加裝一根方鋼管用于供氣和支撐氣囊，每室安裝16 個氣囊，跳汰機(jī)整體安裝80 個氣囊。方鋼水平安置于跳汰機(jī)內(nèi)部，一端與機(jī)體進(jìn)氣口連接，另一端與機(jī)體連接，連接位置處密封。柔性空氣室運(yùn)行過程中，出現(xiàn)氣囊破損現(xiàn)象，為延長使用壽命，尋找了新材質(zhì)氣囊。新式氣囊仍為橡膠材質(zhì)，但其剛性得到較大的提高，新氣囊采用三層帆布橡膠（上層膠3 mm，下層膠1.5 mm），投用以后，使用正常。

工業(yè)型柔性空氣室跳汰機(jī)和選礦廠原跳汰機(jī)在選煤廠進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。改造前后見表1。

表1 改造前后跳汰機(jī)分選指標(biāo)Table 1 Separating indexes of jig before and after transformation

改造后盡管矸石的產(chǎn)率相近，但是精煤和中煤合計灰分分別15.94%和14.97%，約下降1%。

由跳汰機(jī)分選得到選礦產(chǎn)品的分配曲線計算出的第一段和第二段的不完善度見表2。

表2 改造前后跳汰機(jī)工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of jig before and after transformation

由表2 可知，跳汰機(jī)改造后，塊矸帶煤率由3.30%降至2.87%，末矸帶煤率由15.10%降至12.58%。這表明柔性空氣室跳汰機(jī)對煤的回收率得到提高。

由改造前后的錯配物曲線可得出第一段和第二段錯配物含量見表3。

表3 改造前后跳汰機(jī)錯配物含量Table 3 Mismatch content of jig before and after transformation

由表3 可知，跳汰機(jī)改造后，矸石段錯配物含量由12.58%降至10.21%，而中煤段錯配物含量由10.08%降至8.50%，柔性空氣室跳汰機(jī)分選精度較之前有所提升。

柔性空氣室跳汰機(jī)一個月的應(yīng)用塊矸石帶煤率和末矸石帶煤率統(tǒng)計結(jié)果分別見圖7、8。

圖7 改造前后塊矸石帶煤率Fig.7 Loss rate of coal in block gangue before and after transformation

圖8 改造前后末矸石帶煤率Fig.8 Loss rate of coal in powder gangue before and after transformation

由圖7 可知，改造后塊矸石帶煤率平均為2.87%，改造前塊矸石帶煤率平均為3.30%，比改造前降低了0.43%。由圖8 可知，改造后末矸石帶煤率平均為12.58%，改造前末矸石帶煤率平均為15.10%，比改造前降低了2.52%。由于改造后跳汰機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)過氣囊破損現(xiàn)象，可能導(dǎo)致矸石帶煤率的升高，導(dǎo)致出現(xiàn)曲線中帶煤率突然升高的情況。后續(xù)過程中已將重新制作的新式氣囊安裝于柔性氣室跳汰機(jī)。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

趙固二礦選煤廠改造前，跳汰機(jī)單臺處理量為350-400 t/h；跳汰機(jī)氣室改造為柔性氣室后，其單位處理為400-450 t/h。在保證煤質(zhì)的前提下，單臺小時處理量約提升了50 t/h。2 臺跳汰機(jī)處理量共提高100 t/h，可以節(jié)省成本共計954.05萬元/a。

目前，趙固二礦選煤廠塊精煤的平均售價為1100 元/t，精煤平均價為800 元/t，矸石的平均售價為5 元/t。該廠年處理原煤量約為350 萬t/a，改造后塊矸帶煤率下降0.43 個百分點(diǎn)，末矸帶煤率下降2.52 個百分點(diǎn)，考慮到這是改造一臺的結(jié)果，兩臺改造后多產(chǎn)的精煤所創(chuàng)造的的經(jīng)濟(jì)效益共計914.86 萬元/a。

改造及維護(hù)投資約為77.13 萬元/a。

綜合經(jīng)濟(jì)效益=節(jié)約成本 + 帶煤率下降的效益 - 改造及維護(hù)費(fèi)用 = 1791.78 萬元/a。

5 結(jié) 論

（1）實(shí)驗(yàn)型柔性空氣室跳汰機(jī)床層運(yùn)動規(guī)律復(fù)合傳統(tǒng)跳汰機(jī)床層的運(yùn)動趨勢，說明柔性空氣室跳汰機(jī)能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)空氣室跳汰機(jī)；

（2）與改造前比較，柔性空氣室跳汰機(jī)的脈動水流更均勻，去除了脈動死角，整個床層得到了充分分散，保證了分選產(chǎn)品質(zhì)量，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均優(yōu)于原YT-27 跳汰機(jī)，同時跳汰機(jī)的處理量約提升50 t/h，提高了設(shè)備的使用效率；

（3）降低跳汰機(jī)維護(hù)工作難度。改造前的跳汰機(jī)為復(fù)合式跳汰機(jī)，機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，維護(hù)難度較大；改造后，簡化了機(jī)體結(jié)構(gòu)，若出現(xiàn)脈動死角，只需根據(jù)死角位置，對其位置處的氣囊進(jìn)行維護(hù)或者更換便可解決問題；

（4）通過采用柔性空氣室新技術(shù)，可為該廠創(chuàng)造1791.78 萬元/a 的可觀經(jīng)濟(jì)效益，為大型跳汰機(jī)改造提供新思路。