末煤干法振動梯級分選理論研究與應用

陳盼盼 顏順利 許欽賜

（1.兗礦科技有限公司，山東 鄒城 273516；2.兗煤礦業工程有限公司，山東 鄒城 273516）

當前的煤炭干選技術中，+6 mm 煤炭干法分選技術較為成熟，主要有應用于預先排矸的TDS、動力煤分選的ZM 復合式、適合煉焦煤高精度分選要求的空氣重介質流化床分選技術。對于6～1 mm 煤炭分選，以振動分選流化床和脈動分選流化床技術為代表，實驗室具有較好的分選效果，但都未能實現工業化應用。振動梯級分選技術充分利用氣流散化、振動分離的作用強化6～1 mm 煤炭分選，對于細粒煤的分選具有較好效果。本文介紹振動梯級分選機的分選機理、設備結構及運動學特性，選取六個工況對兗礦能源轉龍灣煤礦0～6 mm 原煤進行分選試驗，驗證其分選效果，為其后續工業應用提供理論基礎。

1 末煤干法振動梯級分選理論

梯級分選機以氣流與振動作為分選過程主導能量[1]，其中：氣流松散料群和脫除細粉，振動主要起到兩個方面的作用：提供分選床層物料運動所需的能量，縱向剪切力驅動料層沿縱向按密度滑移、分層；提供橫向剪切力，與格條反推作用、床面摩擦作用協同，驅動物料橫向翻轉、遷移，實現不同層間物料梯級剝離。

振動梯級分選機分選床面分為4 個區域，分別是入料區、分選區、矸石通道和排料區。分選過程中，原料煤在入料區的高氣速沖擊下實現了入料快速松散、避免顆粒堆積影響給料均勻性和處理量以及預先脫粉作用[2]。在分選區，上升氣流使料群保持松散，顆粒間間隙較大，高密度的矸石顆粒逐漸向下滑落，低密度的精煤顆粒在粒間摩擦擠壓與氣流曳力協同作用下逐漸向上層爬升，形成矸石與煤炭顆粒的縱向分層。分選床面的逆時針振動驅使料群整體做逆時針翻轉運動，由矸石通道側向精煤側拋射。矸石和精煤顆粒由于密度差異導致拋射距離不同，形成一次橫向分離。床面的逆時針、差動式振動使其與矸石顆粒產生的摩擦作用驅使矸石顆粒向矸石通道滑移，而料群上層的精煤顆粒由于床面傾斜，與矸石發生相對運動，形成矸石與精煤的二次分離[3]，循環往復，在物料向排料區運動過程中精煤逐層剝離，向精煤聚集側橫向遷移，矸石逐漸向矸石通道橫向遷移，最終分別到達精煤排料口和矸石排料口，完成分選過程。

2 裝置的結構設計

2.1 設計原理

振動梯級分選機的結構如圖1。振動梯級分選機由送風系統和分選機主機系統兩部分組成。分選機主機系統主要包括分選床面、相應的支撐結構、進料和排料端口以及驅動系統，如圖2。支撐結構主要包括主機架、動力支架和床面支撐架。分選床面通過螺栓和分選床面支撐架連接，床面支撐架通過板簧和偏心軸套、軸承和心軸連接；心軸在相反方向通過板簧、偏心軸套、軸承同時連接配重塊；心軸通過軸承座固定在動力支架上，并通過皮帶輪和皮帶由電機驅動。電機由變頻器控制啟停和轉速，通過傾角調節裝置可以調節分選床面的橫向和縱向傾角。電機轉動帶動心軸轉動，通過變頻器及皮帶輪二級減速，使得心軸在理想轉速下運轉。心軸帶動偏心軸套，通過板簧帶動分選床面支撐架及分選床面往復運動[4]。

圖1 裝置機械結構圖

圖2 裝置驅動結構圖

2.2 運動學模型

在振動梯級分選機工作過程中，心軸作勻速圓周運動，分選床面作類似直線的往復運動。分選床面的位移、速度和加速度是不斷變化的。以心軸旋轉中心為原點O，建立了絕對坐標系OXY，其中X軸平行于床面指向料流方向，Y 軸垂直于床面，如圖3。根據振動梯級分選機工作原理，對心軸、偏心套和板簧進行了簡化和等效處理。

圖3 振動梯級分選機運動學模型

當心軸轉動時，分選床面的位移可表示為：

其中：（x,y）為分選床面沿X 方向和Y 方向的位移，φ為板簧與分選床面的夾角，e為偏心距，ω為心軸轉速。對公式（1）關于時間t分別求一階導數和二階導數，可得出分選床面的速度和加速度表達式，如公式（2）所示。

分選床面振幅（Ax，Ay）可用公式（3）表示：

公式（1）、（2）、（3）聯立，可以得出分選床面在絕對坐標系OXY 下的運動學模型包括位移、速度、加速度如公式（4）、（5）。

2.3 運動特性參數

振動梯級分選機運動特性與板簧夾角、偏心套偏心距、心軸轉速等參數有關。

經過探討偏心距和心軸轉速對振動梯級分選機分選床面運動特性的影響，發現適當增大分選床面的運動速度幅值和加速度幅值，會增加床面上顆粒分層的可能性[5]。同時，過高的速度及加速度，將減少顆粒在床面上停留的時間，不利于分選。當轉速ω超過一定范圍時，ω的進一步增大將迅速增大床面的振動強度。因此，轉速ω應該控制在一定范圍之內。經反復試驗最終得到相關參數值見表1。

表1 末煤干法振動分選機參數

3 試驗研究與分析

3.1 試驗設備的選取

振動梯級分選機運動特性試驗測試及分析系統如圖4。該系統主要包括：振動梯級分選機、加速度傳感器、信號采集儀變頻器、ICP 三向加速度傳感器、INV3060S 多通道信號采集儀、Coinv DASP多通道信號實時分析軟件。

圖4 振動梯級分選機運動特性試驗測試及分析系統

3.2 裝置的試驗研究

試驗原料采用轉龍灣煤礦0～6 mm 原煤。轉龍灣煤質數據見表2。

表2 轉龍灣煤煤質分析 %

試驗時，采樣頻率滿足Nyquist 采樣定理[5]，為實現對信號較好的描述，一般取到8～10 倍。為完整記錄振動梯級分選機啟動-過渡-穩態運行-停機不同階段的加速度信號，保證試驗數據的可靠性，相同工況條件，進行三次重復試驗。

試驗數據選取了六種分選效果較理想的工況，具體參數見表3。進行分選作業并取樣送檢，驗證轉龍灣煤重力分選的可行性。

表3 各工況參數

3.3 分選結果分析

將0～6 mm 末煤運至振動分選機入料緩沖倉，進行分選作業并取樣送檢，驗證其分選的可行性，考察分選效果。

根據單因素影響試驗數據選取六種工況依次對轉龍灣煤進行分選作業，通過卸料端全斷面計時取樣、稱重，得出各個工況的處理量。各排料口分別計時取樣、稱重，計算得出各排料口的產率，檢測各排料口灰分、硫分。由試驗結果可以計算得出各工況下分選效果見表4。

表4 各工況分選效果 %

由以上試驗結果可以看出，轉龍灣煤灰分可降至4.86，產率88%，具有較好的分選效果；末煤干法振動分選機可以分選出低灰、低硫精煤，且產率較高。

4 結論

末煤干法振動梯級分選機可以用于：1）動力煤分選，生產灰分低、發熱量高的優質動力煤；2）原煤排矸，排除煤炭中密度高的脈石和黃鐵礦等，減少煤炭加工利用過程中有害物質的排放；3）對遇水易泥化的低階煤進行分選提質，提高低階煤的利用效率；4）生產超低灰精煤，為制備活性炭、碳素材料等煤基高附加值產品提供優質原料。

末煤干法振動梯級分選機適用性強，應用范圍廣，為干旱缺水地區及易泥化煤炭的分選提質開辟了一條有效的途徑，能有利于去除煤炭燃燒煙氣中的大量塵粒，減少環境污染，有效降低煤炭雜質，破解煤炭分選的“水資源瓶頸”，解決濕法選煤技術因存在煤泥水而產生的環保問題。