沙坪選煤廠離心機篩籃及螺旋刮刀的改進設計

李鼎

（晉神能源有限公司 沙坪洗煤廠，山西 沂州 036500）

1 概 況

為降低原煤中的雜質、灰分和水分，達到煤炭質量要求，需對原煤進行分選。在分選工藝中，降低精煤中的水分是提高原煤質量的關鍵。離心機由于分選效果好、結構簡單以及噪音低被廣泛應用。但離心機的故障率高、維修量大，制約著原煤的分選效率。本文以沙坪洗煤廠離心機為例，對離心機進行改進設計。

2 離心機結構

目前應用于精煤脫水的離心機類型包括臥式振動離心機、立式振動離心機和刮刀卸料離心機。沙坪洗煤廠為刮刀卸料離心機，其工作部分主要包括篩籃、刮刀、鐘形罩以及篩網等。篩籃一般與鐘形罩連接為一體，并通過螺栓將鐘形罩固定與設備的外部軸上。刮刀為離心機的直接執行部件，通過螺栓、花鍵與心軸進行固定連接。在正常工況下，設備刮刀的轉動速度慢于篩籃的轉動速度。

刮刀卸料離心機的工作原理是待脫水的原煤送入篩籃與刮刀之間，在離心力的作用下將原煤中水與顆粒分離。其中，分離出的水通過排液管排出設備，脫水后的煤炭顆粒留在篩網內側。由于刮刀與篩籃之間存在一定的速度差，刮刀將篩籃上滯留的煤炭顆粒刮出并落入設備下方的收料漏斗中。篩籃和刮刀的結構如圖1、圖2所示。

圖1 離心機篩籃結構Fig.1 Centrifuge basket structure

圖2 螺旋刮刀結構Fig.2 Structure of spiral scraper

離心機篩籃由圓錐形的骨架和篩條組成，篩條間距通常為0.35～0.5 mm。圖中篩條按照錐形布置可降低煤炭顆粒在上方運動的阻力。

離心機刮刀呈現螺旋結構，每個刮刀上有16個螺旋葉片。為方便后續更換刮刀，通過螺栓連接的方式將葉片固定在刮刀上，當其中一片刮刀磨損嚴重時可進行替換，降低離心機刮刀的維護費用。

3 離心機現狀分析

（1）離心機處理能力偏低，可處理物料的粒度較小。

沙坪洗煤廠離心機在實際生產中存在一定的問題，主要表現為：離心機的處理能力較低，僅為80 t/h；離心機可處理物料的粒度較小，最大粒度僅為13 mm；離心機在應用中磨損嚴重，增加了設備的維修量。

離心機處理能力的計算公式：

式中：k為填充系數，一般取0.4；γ0為物料的散密度，煤炭的散密度取900 kg/m3；A為螺旋過料面積；V為煤炭顆粒沿著篩籃軸線的滑動速度。

根據式（1）可知，離心處理能力低可能是螺旋過料面積小以及煤粒沿篩籃軸線滑動速度小造成，與螺旋刮刀和篩籃之間的螺旋過料面積、螺旋外錐直徑、內錐直徑以及螺旋刮刀的頭數相關。

（2）離心機的輸煤效率較低。

離心機篩籃滑動速度在垂直方向的分量較小，導致輸煤效率偏低。在脫水操作中煤炭顆粒沿篩籃軸向方向的滑動速度與螺旋的導程、篩籃與刮刀之間的速度差和輸煤效率相關，滑動速度的垂直分量與上述3個因素成正比。因此，可通過提高煤炭顆粒沿篩籃滑動速度的垂直分量，控制螺旋導程和篩籃與刮刀之間的速度差，達到增加離心機輸煤效率的目的。

（3）離心機設備磨損嚴重且維修成本高。當離心機其中一個零部件出現故障時，需將整機分解檢查，導致離心機維修量大。采用獨立整體差速器解決離心機維修量大的問題。

4 離心機的改進設計

在對影響離心機效率原因分析的基礎上，對離心機的篩籃和螺旋刮刀進行改進設計。

4.1 篩籃的改進設計

當煤炭物料從分配盤落在篩籃上時，由于分配盤與篩籃之間的距離不合理，導致篩籃僅有75%的面積被利用，設備利用率不高；當物料落在篩籃上時，由于煤炭物料與篩籃之間存在速度差，煤炭物料滯留于篩籃上方，制約了離心機的處理能力。因此，針對篩籃結構進行改進。

（1）在原篩籃結構上方增加一個預旋器，結構形狀為錐體。在預旋器的作用下，煤炭顆粒進入篩籃之前先在離心力的作用下沿著預旋器的內壁下滑，當物料到達篩籃上方時其速度與篩籃的速度相近，解決了煤炭顆粒與篩籃之間速度差較大的問題。預旋器的結構如圖3所示。

圖3 預旋器結構Fig.3 Precyclone structure

（2）離心機分配盤的角度也是影響離心機處理能力的關鍵因素。當分配盤角度過大時對預旋器的沖擊較大，導致處理量小；當分配盤的角度過小時，雖然處理量大，但是精煤的脫水效果較差。因此，通過研究分析，分配盤的最佳角度為120°。

（3）篩籃半錐角的改進。篩籃半錐角主要決定煤炭顆粒在篩面上停留的時間和運動狀態，影響離心機的排料效率。

當待過濾物料容易被過濾時，由于過濾速度較快，對應所需的脫水時間較短，因此篩籃的半錐角應大于相應的摩擦角，保證設備的排料能力，間接提升整體的處理能力；當待過濾物料不容易被過濾時，篩籃的半錐角應小于相應的摩擦角，延長停留時間，保證設備的脫水效果。

在參照國外離心機的設計經驗，兼顧設備脫水效果和處理能力的情況下，最終將篩籃半錐角設計為18°。

（4）理論上說篩籃越長，物料滯留時間越長，脫水效果越好。但由于在原篩籃結構上方增設了一個預旋器，為保證篩籃與預旋器的機械性能，篩籃長度不能過長。因此將篩籃的長徑比控制為0.5。

4.2 螺旋刮刀的改進設計

原離心機螺旋刮刀采用的材質為鑄鋼件，每個刮刀上均安裝16個螺旋葉片，螺旋升角約為50°。螺旋升角越大對應設備的處理能力越大，但輸煤效率較低，對設備造成的磨損也越嚴重。

為解決當前螺旋刮刀處理能力與輸煤效率不能兼顧的問題，將螺旋刮刀的螺距減少至500 mm，頭數減少至4個，高度增大至500 mm，螺旋刮刀大端直徑1 000 mm，螺旋升角從50°減少至20°。螺旋刮刀改進后如圖4所示。

圖4 螺旋刮刀改進后的剖面圖Fig.4 Improved profile of spiral scraper

（1）將螺旋刮刀的升角和螺旋頭數均適當減小，使物料能夠在篩籃表面停留更長的時間，保證脫水效果。

（2）螺旋升角減小使物料與螺旋刮刀之間的摩擦力減小，提升設備的輸煤效率。

（3）螺旋刮刀對應的高度和螺距減小，減少了物料對螺旋刮刀的磨損，降低了離心機設備的維修量和維修成本。

5 離心機改進的效果驗證

將篩籃和螺旋刮刀結構改進后的離心機應用沙坪洗煤廠的實際生產中，對處理能力和脫水效率進行驗證。實踐表明，改進后，設備的物料平均處理能力由之前的109 t/h增大至190.3 t/h，脫水率由之前的52%增大至74%。對篩籃有無預旋器的處理能力進行對比，結果見表1。有預旋器篩籃的處理能力明顯優于無預旋器篩籃的處理能力，驗證了篩籃增加預旋器的有效性。

表1 篩籃有無預旋器處理能力的對比Table 1 Comparison of the treatment capacity of sieve basket with or without pre-spinner

6 結 語

離心機為選煤工藝精煤脫水操作的關鍵設備，沙坪洗煤廠實際應用中發現當前離心機存在處理能力低、設備磨損嚴重、脫水效果不佳等問題。為此，對離心機的篩籃和螺旋刮刀的結構進行改進設計。改進后，設備的物料平均處理能力增大至190.3 t/h，脫水率增大至74%，達到了改進目的。