空气脉动跳砭分选机理研究

空气脉动跳砭分选机理研究

由于该系统简单可靠，产成率低，对煤质适应性强，跳台装置已成为中国广泛应用的选煤方法。近年来,我国的跳汰技术发展迅速,跳汰机的结构更加合理,自动化水平日趋完善,分选效果进一步提高,使跳汰这一传统的选煤工艺更为成熟可靠。1筛下空气室跳砾机空气脉动跳汰机是目前最为常用的机型,按空气室位置的不同,分为筛侧空气室和筛下空气室跳汰机。筛侧空气室跳汰机的空气室位于跳汰室一侧,易导致脉动水流沿跳汰室宽度各点波高不等,床层受力不均而影响分选效果。目前设备大型化的发展趋势也限制了筛侧跳汰机的发展,因此,筛侧式跳汰机正逐渐被淘汰。筛下空气室跳汰机的空气室位于筛下,水流在跳汰室宽度各点波高一致,床层受力均匀,从而提高了分选效果,因此筛下空气室跳汰机是目前采用最多的机型。为降低跳汰机的分选下限,提高细粒煤分选效果,德国、美国、日本和我国还研制了复振跳汰机。复振跳汰机是通过改变风阀的进风方式来产生有利于分选的脉动波形。据介绍,美国、英国、德国以及澳大利亚还在研究离心跳汰机。离心跳汰机是借助于巨大的离心力场强化细小颗粒的分选效果,使颗粒在几十倍、甚至百倍“g”的离心力作用下分离,有效分选粒度可以达到0.043mm。美国YangDC介绍了充填式跳汰机,分选下限可以达到0.025mm。除空气脉动跳汰机外,德国和我国还相继研制了动筛式跳汰机,主要用于50～300mm的大块煤排矸。它是利用液压或是机械驱动使筛板上下运动,使物料随筛板脉动并实现分层。其优点是工艺简单,不用风,不用顶水和冲水,循环水用量少。液压驱动式动筛跳汰机同机械驱动式动筛跳汰机相比,实现了方便及时的在线调节,具有单位面积处理能力大,分选效果好的优点,但机械驱动式动筛跳汰机结构较简单,易于维修。2在跳砾总体结构参数设计方面的应用影响跳汰分选效果的因素很多,诸如煤质特性、风水制度以及它们之间的相互作用、相互关联性。目前国内外对跳汰分选机理的认识主要还是建立在假说和生产实践的基础上(古典理论、重介理论、位能理论、概率—统计理论等),因此建立完善成熟的跳汰分选理论仍是选煤界面临的主要课题。近年来,随着人们对跳汰过程研究的深化及实践经验的积累,借助于先进的测试手段,对跳汰分选机理又有了新的认识和发展。张荣曾等对跳汰机床层松散与分层的流体动力学进行了研究,从分析跳汰机中脉动水流作用下颗粒受力与床层松散过程出发,建立了较完整的颗粒运动基本方程,并提出水流和床层对颗粒运动的作用与加速度对颗粒作用的惯性新算法;利用示波测试技术提出脉动水流加速度对物料按密度分层的意义,给出了制定跳汰机合理工作制度与确定风压的新方法。张荣曾等还对跳汰机中脉动水流进行了研究,建立了跳汰机中脉动水流的非线性微分方程,并给出了方程中各项参数的具体计算公式,可用于跳汰机结构参数与工作制度的设计,并为跳汰机相似模型试验提供了理论依据和实现方法。杨康等从理论上分析了复振跳汰机提高分选效果的作用机理,指出复振是在主振风阀产生脉动的同时另有一组辅振风阀高频进风叠加在主振脉动上,两者形成复合振动。作用原理是当床层起振时主振阀与辅振阀共同进风迅速将物料托起到一定高度,达到合适的松散度,此后物料因重力作用会迅速回落,这时辅振阀一次又一次地小股进风形成间歇式上冲水流,将低密度物料较长时间地维持在悬浮状态,使高密度物料易于回落并有较充分的回落时间。同时辅振的高频脉冲作用还可使密集的物料粒群在脉动的过程中伴随着高频颤动,减小了颗粒间的相互挤压摩擦力,使它们更易于换位运动,按密度分层。复振可以避免过度透筛,降低分选下限;复振还可以部分替代顶水,减少循环水用量。樊民强等运用彩色人工颗粒,对不同密度颗粒在床层中的沉降速度进行了示踪研究,在试验的基础上对不同密度颗粒在床层中的分布形态进行了归纳,分析了颗粒分布形态与正态分布的联系和区别,用四分位模型描述了颗粒在床层中的分布,并验证了大多数分布为非正态分布。王振翀等运用马尔科夫链理论建立了跳汰分层过程的数学模型,给出了模型参数的试验测定方法,通过计算机的模拟,揭示了跳汰床层中物料分层的形成过程,解释了当中间密度级物料含量多时分选效果变坏的原因。朱金波利用人工神经网络可学习跳汰机操作因素和分选指标的映射关系,在实际分选资料的基础上,用计算机25万次训练学习后,所映射的关系达到很高的精度,利用它预测了一定操作条件下分选指标,并确定了最佳操作参数,试验验证了用人工神经网络所得的结果。王振生分析了跳汰选煤的分层原理与重介质选煤原理的关系,认为二者分选原理是相似的,分析了目前跳汰选煤不如重介选煤效果好的原因,认为现有跳汰机经过改造完善,配以严格的管理和科学的操作方法,选煤效果就有可能赶上甚至超过重介质选煤。3对跳砾机结构和自动控制方面的改进近年来,专家们在对跳汰分选机理进一步深入研究的同时,通过对大量实践经验的积累和总结,对跳汰机的结构和自动控制方面做了大量的改进完善,从而使跳汰机的分选效果和智能化控制进一步提高。3.1稳定分层弹性系统风阀用来控制物料脉动分层,因此风阀性能对分选效果起着决定性的作用。物料实现良好分层,一是脉动水流应有足够的上冲加速度将床层整体托起,并维持较长的松散时间使物料换位分层;二是针对不同煤质应采用有利于其分选的跳汰制度。为此,风阀应能够快速开启并灵活调整出适合于分选的脉动波形,获得良好的分选效果。长期以来,围绕着风阀结构及控制方式,专家们进行了大量的研究和改进。老式跳汰机所采用的电动旋转阀因打开速度慢且难于调整而被数控气动风阀所取代,而数控气动风阀又经历了多次的更新换代。3.1.1数控板式阀德国Batac跳汰机在上世纪70年代应用了数控气动盖板阀技术,随之我国的一些跳汰机上也采用了这种风阀(图1)。数控盖板阀结构简单,打开速度快,能够获得良好的工艺效果。其不足之处是盖板上作用有数百kg的背压,打开风阀必须克服背压,动力消耗大。此外盖板关闭时与管口频繁撞击,易损坏橡胶垫和阀体。3.1.2适用于我国kt和我国skt等跳砾机的密封近年来德国Batac、澳大利亚Apic和我国SKT等跳汰机还采用了蝶阀。蝶阀开关省力,但传动机构较复杂,可靠性有待提高,目前尚未大量推广应用。3.1.3不可破坏,不易损坏为克服盖板阀的不足,煤科总院唐山分院在SKT跳汰机上采用了数控气动滑阀,滑阀运动无背压、无撞击,不易损坏。但因阀芯和阀套间隙较小,调整不当时洗水进入排气阀会阻塞阀芯灵活运动。为此,SKT跳汰机又将圆柱形滑阀改进为圆锥形滑阀,阀芯运动时与阀套产生较大的间隙,可减小摩擦阻力,防止煤泥水阻塞,使用效果明显好于圆柱形滑阀。3.1.4采用风压阀组成植物进行现实的连接,使区域能为克服以上几种风阀的不足,2002年唐山分院研制成功了无背压软接触盖板阀专利技术(图2)。该风阀和原有的盖板阀结构相似,但巧妙地改变了进风方向,将原来阻碍盖板打开的背压转化成了推动盖板打开的动力,缩短了风阀的打开时间并加快了开启速度。该阀还将过去的实心缓冲橡胶垫改成了弧形橡胶圈,盖板关闭时与弧形橡胶圈呈软接触而无硬性撞击,风压的作用恰好促使橡胶圈贴紧盖板免予漏风。这一改进可谓一举多得,它兼备了原有几种风阀的优点,又避免了它们的缺点,它打开无背压,关闭无撞击,运动无磨损,省力节能,不易损坏。现在装配该新型风阀的SKT跳汰机已大量推广应用,使用效果十分理想。3.1.5多室共用风阀数控气动风阀能改善分选效果已得到一致认可,但风阀零部件多,系统复杂,维护量较大。此外还需配用一台功率约40kW的空压机。为此,唐山分院于1999年开发出了多室共用风阀专利技术,将常规两段五室跳汰机的10个阀简化为4个(每段设进、排气阀各一个),还将5套气源三联体改为一套集中净化加油装置。通过以上改进,使风阀的故障率、易损件数量、维护量、高压风用量均下降了70%以上,空压机功率减少近30kW。现在,中小型的SKT跳汰机随机自带一台小型空压机,用户不再需要专门配备大空压机,既节省了资金,又方便了使用。3.1.6跳砾机各段的大量利用和诉讼过程的调整跳汰机矸石段和中煤段物料的粒度组成、密度组成及可选性差异很大。矸石段物料粒度大、密度高,应采用低频大振幅来提供较大的颗粒换位空间。而中煤段物料粒度小、密度小,需要高频低振幅提高分层效率并避免过度透筛。因此跳汰机矸石段和中煤段应采用不同的风水制度和跳汰制度,以适合各自的分选要求。但以往跳汰机的矸石段和中煤段只能采用同一个频率,不能分别调整。对此,煤科总院唐山分院又开发了多频脉动风阀,它可分别调节矸石段和中煤段的脉动频率和振幅,满足各自的分选需要。3.1.7次进风方式为了提高分选效果并降低分选下限,各国还把注意力放在了研究复振变波跳汰机上。德国和美国采用的方法相类似,都是利用两套风阀分别作为主振阀和辅振阀,在主振阀产生低频脉动的同时辅振阀高频进风,叠加在主脉动上。因主振、辅振压力不同,故用两个风源分别向两个阀供风;日本采用的是二次进风方式,即在一个脉动周期将一次进风变成二次进风,先用0.39kg/cm2的风压进一次风,使床层迅速起振到一定高度,当床层回落时再用0.24kg/cm2的风压进一次风,将正弦波形变成梯形波来延长床层的松散期。煤科总院唐山分院研制的复振跳汰机,采用主、辅两套风阀,共用一个风源,它既可以产生叠加振动,也可实现二次进风。目前装备复振风阀的SKT跳汰机已经应用于多家选煤厂。现场反馈信息表明,使用复振风阀后床层分层状况明显改善,提高了精煤产率,降低了矸石及中煤的带煤损失,且有效节省了顶水用量。3.2跳砾机装置的改进与筛侧空气室跳汰机相比筛下空气室跳汰机具有占地面积小、水流脉动均匀等优点,因此现在国内外绝大多数跳汰机都采用筛下空气室结构,大型跳汰机更是如此。筛侧空气室结构一般只用于少数跳汰室宽度不超过2.5m的小型跳汰机上。各个品牌的跳汰机都有自己的特点:①德国Batac跳汰机空气室的位置由原先的在跳汰室两侧各设一个空气室,改为在跳汰室中间设一个空气室(图3),并适当加宽了空气室的宽度,且降低了进气口,改善了空气室内液位的稳定性。末煤Batac跳汰机筛下物采用了钢管导出的方式,既防止了能量扩散,又可以避免扩散的能量破坏排料的平衡;②日本的筛下空气室式跳汰机每一个分室内有两个空气室,基本位于跳汰室的中间;③X型跳汰机空气室在跳汰室的中间(图4),空气室的下方设有流线型的导流板,可减少能量扩散和产生涡流;④SKT跳汰机采用了单格室漏斗形组合式机体,各室侧面设一个空气室(图5),洗水呈无干扰U形振荡,可减少能量损失;上升水流沿导流板扩散产生一前冲力,有利于输送物料前行,提高处理能力;各室底口收缩成漏斗状,通过钢管将透筛物导入排料端,既可阻尼脉动水流向下扩散损失能量,还可大大减少机体自身质量和容水量。上述几种机体结构各具特点,设计者们都通过优化设计,使脉动水流平稳、均匀,以提高物料的整体分层效果,同时减少动力消耗,并减轻机体的体积和重量。3.3排料机构设计物料在跳汰机内经过多次脉动后完成了分层,密度从上向下逐渐增大。排料机构的作用是将不同密度层的物料分别排出,排料精度直接影响到各级产品的质量和产率,所以说排料机构是产品质量的把关环节。衡量排料机构的性能,一是看它能否连续、稳定、准确地将底层物料排出;二是看它对不同物料的适应性以及工作的可靠性。目前跳汰机的排料结构型式多种多样,大体上可以分为末煤、块煤和不分级煤三种排料方式。Batac跳汰机针对末煤和块煤采用了两种不同的排料结构。末煤跳汰机采用液压闸门调节排料口的大小(图6),而块煤跳汰机则是用液压缸调节筛板倾角来调节排料口的大小(图7)。波兰的BOSS-2000型跳汰机,采用了排料闸门和溢流堤互动的排料方式,动力源是伺服马达,调整伺服马达的静态和动态工作参数确定产品的排出量。Apic跳汰机的排料方式是在溢流堰和闸门内部设置了脉动隔板,它由冲孔板制成,使闸门区域到床层末端能够连续不断地脉动,在不断运动中,闸门的开口也随着脉动开闭,不会被堵塞,而且大粒度的物料也会顺利通过。中国选煤厂基本都采用不分级混合洗选,跳汰机入料粒度范围大,而且往往筛分破碎环节把关不严,超粒现象普遍存在,这就要求排料机构必须对宽粒级的物料具有广泛的适应性。中国目前常用的跳汰机有LTX型、LTG型、X型、SKT型等。LTX和LTG型跳汰机是早期设计的机型,均采用溢流堰、直闸门、排料轮和护板组成的排料机构。由于排料轮距下料口太近,排料轮上的物料易受脉动水流作用挤开护板而自行流出,使排料轮难以控制。此外,排料轮放在排料道内容易被大块物料卡住,因此这种结构一直未能得到良好使用。X型跳汰机采用液压拖板的排料方式(图8)。该结构和Batac末煤跳汰机相似,是通过液压缸推拉拖板来调节排料口的大小,以此控制排料量。因末煤粒级窄,排料速度受粒度变化影响小,排料口大小与排料量基本上对应,因此这种结构较适合用于末煤跳汰机。但由于块煤或不分级煤的流动性受粒度变化影响大,流速不均匀,排料口大小与排料量不呈线性对应,故采用拖板排料易造成排料量忽大忽小,不连续、不稳定。为提高对各种不同煤质的适应性,SKT跳汰机采用了无溢流堰深仓式稳静排料方式(图9)。取消溢流堰可防止分好层的物料撞击和翻越溢流堰造成二次混杂;增设活动溢流堤可灵活调节各段底流床层厚度;加深料仓可阻止水流在排料道中上下窜动而影响排料稳定;排料轮设在排料道底口下方可减小排料轮长度,增大过料断面,使大粒物料不易卡轮。因排料轮是强制性主动排料,其转速可无级调整并与排料量呈线性对应,跳汰机可以连续、稳定、准确地控制排料量,产品质量易于保障。3.4筛板和不锈钢条缝焊接筛板筛板用来承托物料、传导脉动水流和排出细粒物料,所以它的开孔率和使用寿命是检验筛板的主要指标。我国跳汰机一般都采用钢制钻孔筛板或不锈钢条缝焊接筛板,钻孔筛板结实耐用,但开孔率较低,一般在50%左右,比较适合块煤跳汰机;不锈钢条缝焊接筛板开孔率可达70%以上,脉动水流上升阻力小,但较易损坏,比较适合末煤跳汰机。部分Batac跳汰机采用聚胺脂筛板,其耐磨性强,不易堵塞。但带有人工床石筛板的Batac跳汰机仍用特制的不锈钢筛板。Apic跳汰机使用的是蜂窝状加肋筛板,重量轻,耐疲劳性强。3.5空气脉动波形的检测近年来各国在跳汰主要参数的检测与控制方面做了大量的研究,目的是提高跳汰机的自动化水平并达到满意的分选效果。但影响跳汰分选效果的因素很多,如原煤特性、入料量、排料量、风压、水量、床层松散度、跳汰周期和频率等,这些因素相互作用,相互影响,目前尚未对它们建立起一套成熟完善的数学关系模型,因此对一些参数的控制模型还是建立在感性认识或试验结果的基础上。对床层厚度和松散度的检测与控制一直是各国专家们研究的重点。初期跳汰机检测床层状态是用来控制排料量,现在则是为了实现跳汰机的智能化,需要控制跳汰机的风、水制度、给煤量和产品灰分等。波兰的Boss-2000型跳汰机能够检测床层的松散度,检测的数据直接控制风量、筛下水、筛上水和风阀。澳大利亚的Apic跳汰机可检测:①脉动速度。可画出位移分布图,而脉动波形正是操作人员所需要的;②空气室中的液位。可以提醒操作人员防止在排气时水位过高进入进气管中;③床层密度的核技术测量(也就是测量床层平均密度)。过去检测床层高度是用浮标装置,但对入料的粒度、密度和脉动波形的影响不能分辩,所以他们开发了核测量计,能精确测量床层的平均密度,测量计的读数是所测床层高度的真实密度。日本的跳汰机能够测量床层脉动的波形、波高、频率,空气室中的压力及给料量、排料量,根据这些数据,可以控制高低压风的进风量和频率,设计出能够满足各种煤质的可变波形跳汰机,使选煤效率大大提高。另外,根据这些检测的数据,再配以数据处理计算机,有些国家已经实现了跳汰机的智能化管理,可不用人工操作(也可人工操作),如:①波兰的Boss-2000型跳汰机,采用EMAG中心AS-2000型控制系统技术,除对排料量、床层松散度、筛下水、筛上水、空气脉动参数进行自动控制以外,还对跳汰机及其所在工作流程的工作状态进行观察和监测,使跳汰机不需要人工操作;②澳大利亚的Apic跳汰机采用了JigScan控制器,它的特点是将采集的大量数据进行储存,这就为现场提供了可参照的历史数据,并能够与现场已有的控制软件交换数据,甚至连成一体。跳汰机检测器还具有许多较普通的操作功能,当出现问题时能代替操作人员接续工作;③Batac跳汰机,它的连锁功能用可编程序控制器PLC控制系统,对所有排料闸门和脉动空气室进行控制,通过调节振幅、频率对吸啜力进行闭环控制。我国的SKT型跳汰机和X跳汰机都采用PLC和触摸屏组成的智能控制系统,并利用浮标传感器检测床层厚度,实现对风阀、排料和给料等参数的自动控制,还可加装精煤在线测灰仪,实现精煤灰分的自动控制。我国选煤厂一般都没有原煤均质化系统,许多选煤厂来煤变化较大。在缺少煤质自动检测仪器的情况下,为使跳汰机实现智能化,即跳汰机能随煤质变化自动调整出优化的分选参数(如给煤量、总风量、总水量、跳汰周期、跳汰频率、矸石和中煤的排料给定值等),并获得理想的分选效果。煤科总院唐山分院在进行SKT型自动化跳汰机的开发研制中,利用三级快浮将某厂入选原煤进行模糊分类并输入计算机,并将日常生产中采用