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              服務支持

                摘要 本文系統地回顧了潮濕細粒煤炭干法篩分理論及應用的現狀,分析了潮濕細料煤炭篩分的粘附力學模型和非線性運動規律,創立了潮濕細粒煤炭干法篩分新理論,突破了傳統干物料、單顆粒透篩、剛性篩面和顆粒線性運動的理論。在此基礎上進一步研究了潮濕細料煤炭彈性篩面篩分機的篩分機理,建立了琴弦概率篩、聚氨酯篩面振動篩、弛張篩、梯流篩、彈性桿篩等篩分機的篩面動力學方程,給出了篩分機的工藝參數設計公式,建立了潮濕細粒煤炭彈性篩分技術體系,研制出系列的新型潮濕細粒煤炭篩分機,在全國煤炭、電力、化工等領域95家企業應用167臺,取得了顯著的經濟效益和社會效益。

                一、前言

                煤炭是我國主要能源,2004年全國煤炭產量已超過19億噸,約占我國一次能源的70%左右,其中動力煤約占85%,動力煤入選率約為17%。由于煤炭的加工利用程度低,造成了資源浪費和嚴重的燃煤大氣污染。選煤是潔凈煤炭生產經濟、有效的辦法,篩分是選煤的關鍵環節,我國大部分礦區動力煤-13mm細粒含量一般占70%以上,其中-6mm含量高達60%以上、灰分較低,可作為**動力煤直接供應電廠。但現有原煤篩分技術的分離粒度只能達到13mm,如采用篩選和洗選聯合加工工藝,即篩選出-6mm細粒級煤直接供應電廠等用戶,粗粒級煤炭進一步洗選加工,可提高精煤產率約8%。因此,如采用-6mm原煤深度篩分技術,每噸煤可增加利潤約8元,全國每年可新增利潤130億元以上。原煤篩分不僅能降低選煤生產成本、優化煤炭產品結構、提高經濟效益,而且能節約能源,節約運力,減少大氣污染。

                由于原煤綜采等現代化采煤技術的采用,入篩原煤細粒含量增大,加之井下防塵噴水、煤層滲水以及管理等方面原因,使入篩原煤水分增高(外在水分大于7%),導致潮濕煤炭干法深度篩分(6mm以下)時堵孔嚴重,篩分難以進行。潮濕煤炭干法深度篩分是我國煤炭生產中迫切需要解決的關鍵技術,是世界性難題。

                針對普通振動篩只能解決25mm原煤篩分局限,國內外在潮濕煤炭干法深度篩分技術上進行了深入的研究,開發了潮濕細粒煤炭篩分機,主要有概率篩、等厚篩、弛張篩、琴弦篩、螺旋篩等,代表性的是概率篩和等厚篩。Mogensen提出了概率篩分原理,發展了大篩孔、大傾角的概率篩;Burstlein提出了等厚篩分原理,研制的等厚篩實現了原煤的薄層篩分,概率篩和等厚篩都有助于克服篩孔堵塞,有效地解決了13mm原煤篩分問題,但對潮濕煤炭6mm篩分時作用有限,堵孔依然嚴重,篩分效率低下;螺旋篩篩分效率低;弛張篩雖能有效地進行6mm篩分,但結構復雜、材質昂貴、制造成本高,沒能在我國推廣應用;琴弦篩的技術關鍵是篩絲與篩分機的匹配設計,但由于缺乏彈性篩面動力學模型和優化設計公式,實際應用中篩絲振幅小,沒能發揮其技術優勢,堵孔仍然嚴重。

                傳統的篩分機不能進行6mm以下潮濕煤炭有效篩分,必須研究新的篩分理論,開發新型篩分設備,解決我國潮濕煤炭的深度篩分問題。因此有必要系統地研究和總結物料粘附模型、篩面動態特性和對透篩的影響,建立彈性篩面設計計算公式。

                二、潮濕細料物料篩分的基本理論研究

                利用表面物理化學理論研究潮濕細粒煤炭在外在水分和表面張力作用下的團聚過程、堵孔機理及其與篩分機運動參數之間的關系。發現細顆粒煤炭在篩分過程不斷團聚、形成覆蓋膜堵孔;為了克服堵孔,我們從覆蓋膜彈性振動的角度研究覆蓋膜的破裂過程,建立了覆蓋膜彈性振動方程并給出了方程和基頻的解析解。利用高速攝影方法研究不同篩孔尺寸上的覆蓋膜共振情況,找出各種尺寸下覆蓋膜的基頻,驗證了覆蓋膜彈性振動方程和基頻表達式的正確性,給出了覆蓋膜斷裂判據,指出促使覆蓋膜斷裂可通過兩條途徑達到:一是直接采用大振幅、大振動強度篩分工藝來強化覆蓋膜斷裂,二是使覆蓋膜達到共振而斷裂。激發覆蓋膜共振是使覆蓋膜斷裂經濟有效的辦法,一種簡單的方法是直接將篩分機的工作轉速設計為覆蓋膜的基頻,從而實現潮濕煤炭深度篩分大振幅、大振動強度的篩分工藝。但理論計算和實驗結果表明,覆蓋膜的基頻與篩分機入料的物理和化學性質有關,如煤種、水分、灰分、粒度分布等,即使將同一礦區煤炭在同一臺篩分機上進行篩分,不同篩孔上所形成的覆蓋膜基頻也可能存在很大差異。傳統的篩分機只能以單一頻率作用于覆蓋膜,難以克服整個篩面的堵孔,因此必須尋找多頻成分的振蕩篩面。為了研究覆蓋膜破裂受哪些因素的影響,我們建立覆蓋膜的動力學模型。如圖1所示。為研究方便,我們將覆蓋膜的振動分為隨篩分機的剛性振動和自身彈性振動兩種且互不耦合。其運動方程為:

                

              圖片7


                圖1 覆蓋膜粘附力學模型

                ρ2Zt2=T(2Zχ2+2Zy2)+pAω2(1)其中ρ是覆蓋膜的密度,T是顆粒間的粘附力,其受迫振動的基頻成份為:

                Z=PAω2ω1,12-ω2sinπχαsinπybsinωt(2)

                覆蓋膜的破壞是用其變形量大小來衡量的。當變形量大于一定值時,覆蓋膜斷裂。我們從實驗中發現,覆蓋膜頻率較低。如表1所所示。覆蓋膜基頻與篩分機頻率ω相比很小。因此一階振幅(由(2)式可知)近似為-ρA;要破壞覆蓋膜可使ω1.1=ω或增大振幅A,使覆蓋膜的伸長長度達到破裂。

                表1各種篩孔尺寸下的覆蓋膜基頻

                

              篩孔尺寸(mm

              3

              6

              9

              12

              基頻(Hz

              7.5

              4

              2.8

              1.9

                三、彈性篩面篩分機的設計方法

                為了克服堵孔問題,在設計上方面可使篩面產生大振幅,但必須保證篩分機的可靠性,所以要采用了彈性材料作篩面,如琴弦、聚氨脂、橡膠、懸臂梁結構等。在此我們給出它們的彈性動力力模型及篩面參數設計公式。

                1.琴弦篩面動力學模型及參數設計公式

                琴弦篩篩分潮濕細料物料時能有效地克服堵孔,一方面是其開孔率高,另一方面組成篩面的琴弦在篩分過程中能產生彈性振動,則有效地阻止了堵孔。彈性振動振幅如能增大則能增加覆蓋膜的變形,在此我們研究琴弦篩的篩面動力學特性,其力學模型如圖(2)所示,篩絲振動方程為:圖2琴弦篩篩面動力學模型

                其中T0為張緊力,ρ為篩絲密度,S為篩絲截面積,mm為篩絲粘附的物料質量,A為篩分機的振幅,ω是其工作的圓頻率,篩絲的一階彈性振動的解為:

                2yt2-α22yt2=Aω2sin (ωt-ψ)-mmPs+mm(3)

                因工作圓頻率ω由篩分工藝條件決定的,不可隨意變動。如要求增大振幅可使ω1=ω,即產生共振以達到增大篩絲彈性振動振幅的目的,由ω1=ω及ω1的表達式,可在篩面進行安裝時適當張緊,優張緊力的公式為〔5〕〔6〕:

                λn=0.8~1.2

                ω=λnπlT0ρs+mm

                其中l為篩絲長度,按上述張緊力公式設計的琴弦概率篩在工業生產過程中取得應用。應用表明取得了良好的篩分效果。且具有功耗小、動應力低、可靠性高優點。

                2.聚氯脂、橡膠篩面動力學模型及克服堵孔的機理

                將橡膠、聚氨脂彈性篩面改裝到振動篩上去,取得了較好的效果,這類彈性篩面其動力學模型屬平面問題。其力學簡圖如圖3所示。其振動方程為:

                D4+(ρA+ρm)&=(ρA+ρm)Aω2+sin(ωt-φ)(4)

                

              圖片8


                圖3彈性篩面動力學模型

                其中E為篩面彈性模量,h為篩面厚度,μ為泊松比,ρA為篩面單位面積的質量,ρm為粘附到篩面上物料的單位面積的質量,q為激振力,q=ρAZ+Fm,Fm為物料非線性沖擊力?!鳛楣茴D算子。為方便起見,只考慮物料附著在篩面上一起振動的一種狀態。篩面的一階彈性振動解為:

                z=Σ∞n=1,3,5...Σ∞m=1,3,5...An,msinmπxasinnπybsin(ωt-φ)(5)

                n=30πDρA+ρm{(1a)2+(1b2)}(6)

                從(5)式可知,振動篩篩面在振動過程中,彈性篩面自身也在作彈性振動,這樣就有效地增大了篩孔覆蓋膜的長度,促使覆蓋膜斷裂,保持開孔狀態,提高篩分效率。同時對難篩分顆料落入篩孔而言,由于篩孔反復變形,搓揉難篩顆料,使得其上的細小顆料透篩,同時將大顆粒擠出篩孔,減輕了堵孔。式(6)為篩面參數設計公式。3.梯流篩篩面動力學模型及參數設計公式〔8,9〕梯流篩篩面是由一根根可視為懸臂梁的篩條組成,由于篩振動引起懸臂梁產生彈性振動。懸自由端振幅大于兩端固定或鉸支梁的振幅。這種大彈性振動能有效地減輕堵孔,因此在沒計中就盡量增大其彈性振動。其動力學模型、結構簡圖及運動方程式如下:

                

              圖片9


                圖4梯流篩篩面動力學模型

                4yx4+1a2 2yt2=Fsinωt(7)

                篩條自由端振幅為:

                y(l,t)=(Fl48EI)(sinωt-ωω1sinω1t)(8)

                ω1=(1.875)2EIρ1l4

                其中標a=EI/ρ,F=ρAω2,ρ為篩條單位長度的量,E為彈性模量,I為篩條的慣性矩,A為篩分機的振幅,ω為篩分機的工作圓頻率,ω1為篩條彈性振動的固有頻率。為了增大篩分機工作過程中篩條振幅,將篩分機工作圓頻率設計為ω1,即ω=ω1。按中等載荷篩分條件下直徑為4mm計,篩分機工作轉速在此87.73-15.13rad/s時,篩條長度應為(200-155)mm,這正是現在梯流篩的篩條設計參數。

                4.彈性桿篩設計思路

                通過對彈性篩面動力學的進一步分析,提出彈性碰撞多頻振蕩篩面,設計出彈性桿篩。彈性桿篩的篩桿在篩板框架孔中屬于自由梁狀態,篩桿在篩分機激勵力作用下做高強度復雜運動,這種運動除隨篩體主振頻率振動外,還包括附加篩桿與框架壁發生的彈性碰撞振動和自身旋轉運動,篩桿與框架壁發生的彈性碰撞可用δ(t)函數描述,其頻譜連續布滿整個實數域。這種連續頻率成分的振動波,其中必有某一振動波頻率和覆蓋膜基頻重合引起覆蓋膜共振破壞了篩面覆蓋膜,同時彈性桿篩面的高強度復雜運動合成增強了物料松散,大大增強了篩面自清理能力,克服了篩面堵孔,提高了篩分效率和處理量。彈性桿篩面為框架式結構,使用壽命長,篩桿更換方便,篩框可重復使用,大大降低了設備維護工作量和運行成本。中國礦業大學研制的彈性桿篩,它的篩面是由剛性桿插具有裝入孔的模塊篩面,如圖5所示。

                

              圖片10


                圖5彈性桿篩面組成示意圖

                四、彈性篩面篩分機的主要技術規格

                中國礦業大學生產的具有自主知識產權的潮濕細粒煤炭篩分機主要技術規格如下:

              型號

              層數

              入料粒度(mm

              篩孔尺寸(mm

              處理量(t/h

              單振幅(mm

              頻率(Hz

              外型尺寸(mm

              STKB1020

              1

              0200

              6×13

              1430

              35

              16

              1960×1720×1810

              STKB1855

              1

              0200

              6×13

              85×100

              35

              16

              5650×3010×2060

              2STKB2450

              2

              0200

              上層:13×25

              2540

              35

              16

              1960×1720×1810




              下層:6×13





              2STKB2450

              2

              0200

              上層:13×50

              180220

              35

              12

              5010×3980×3070




              下層:6×13





              QGS2020

              3

              080

              上層:6×13

              160320

              45.5

              13

              2060×2200×3600




              中層:20×40








              下層:8×13





              ZQGS1520

              3

              0300

              上層:30×60

              200300

              45.5

              13.76

              1960×1953×568




              中層:2540








              下層:6×13





              CWS3600

              1

              100

              0.525

              120160

              3.54.5

              12.2

              6610×5450×2780

                五、應用情況

                1998年,淮北礦業集團張莊矸石熱電廠使用2STKB1540型多自由度彈性振動篩,代替原設計的2SJ2-1.486×50型節肢振動篩。2STKB1540型多自由度彈性振動篩利用彈性桿在多自由度空間內的碰撞振蕩效應,能達到自清洗的目的,從而有效地消除了篩面上的物料粘結。近幾年來的運行實踐表明使用的2STKB1540型振動篩,不但能保證電廠正常生產運行,而且具有明顯的經濟效益和社會效益。

                多自由度彈性碰撞桿篩板在陳四樓礦選煤廠近幾年的生產實踐表明:這種篩板由于能多自由度運動,使篩板具有自清理功能,煤粒不易粘到篩板上,既提高了深度篩分的篩分效率,又減輕了工人勞動強度。篩板(彈性桿)壽命在4個月以上,并且更換彈性桿篩絲非常方便,解決了深度篩分的難題。

                QGS琴弦概率篩1995年在鄭州煤電集團蘆溝煤礦使用,年篩選原煤45萬,選出-6mm粉煤27萬噸,灰分降低至16%以下,產品直接供應電廠等用戶,解決了長期困擾鄭州礦區煤炭加工上的技術難題,年直接經濟效益125.09萬元。

                中國礦業大學研制的新型系列彈性篩面篩分機,獲8項國家**,在全國煤炭、電力、化工等領域95家企業應用167臺,取得了顯著的經濟效益和社會效益。

                六、結論

                本文建立了潮濕細粒煤炭粘附堵孔力學模型、彈性篩面力學模型以及物料非線性運動理論,創立了潮濕細粒煤炭深度篩分技術體系,開發出系列潮濕細粒煤炭篩分設備,解決了潮濕煤炭深度篩分堵孔的世界性難題。

                (1)建立了潮濕細粒煤炭的粘附模型,給出了堵孔覆蓋膜彈性振動方程、基頻表達式及斷裂判據,提出了實現大振幅、大振動強度篩分工藝的有效途徑。

                (2)研究了顆粒在大振幅、大振動強度下的非線性運動規律,發現顆粒在篩面上運動存在周期分叉、倍周期分叉、混沌運動規律,給出顆粒出現混沌運動的振動強度判據:提出了觸網概率的概念,建立了粒群隨機透篩的仿真模型,創立了粒群透篩理論,給出了彈性篩面篩分機工藝參數優化的理論依據。

                (3)基于篩面剛性與彈性耦合振動研究其振動規律,提出了彈性篩面篩分機動力學模型和優化設計公式,建立了潮濕細粒煤炭彈性篩面篩分機的彈性動態設計方法。

                (4)創立了潮濕細粒煤炭深度篩分技術體系,開發出系列彈性篩面篩分機,它們具有篩面振動強度大、自清洗能力強、不堵孔、篩分機整體動應力低、可靠性和篩分效率高等優點。本文感謝國家自然科學基金重點項目(90210035)和國家杰出青年科學基金項目(50025411)的財政支持。

                參考文獻:

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                (11)陳國平、陳祥恩、胡參軍,多自由度彈性碰撞桿篩板在選煤廠的應用,〔J〕,選煤技術,1999,8,P18~19。

                (12)丁輝,多自由度彈性振動篩的應用實踐,〔J〕,煤炭加工與綜合利用,2000,6,P32~33

                (13)張成勇,多自由度彈性碰撞篩分法簡介,〔J〕,中國礦業大學學報,1997,4,p36


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