复合式干法分选机中床层物料的运动分析.pdf

第3 4 卷第4 期 2 0 0 5 年7 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 4N o ．4 J u l ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 4 0 4 4 7 0 5 复合式干法分选机中床层物料的运动分析 沈丽娟，陈建中 中国矿业大学化工学院，江苏徐州 2 2 1 0 0 8 摘要以动力学理论为基础，分析了复合式干法分选机中床层顶、底部物料的受力情况．结果表 明该干选机中物料受多种力的综合作用，处于床层上、下部的物料形成正反方向速度梯度而向各 自的方向运动，即在横断面上产生螺旋运动．物料在横断面上经过多次反复分选，从给料端到排 料端形成灰分由低到高的多种产品．物料在纵断面上的受力分析表明分选机激振力方向应与 分选床横向有一定角度．这样，激振力在分选床纵向的分力可促使分层后进入床层底部的高密 度物料尽快向矸石端移动，后续入料中的高密度物料也可迅速进入底层，从而完善分层和分选； 同时，此分力也可促使整个床层向矸石端移动，提高设备的处理能力． 关键词干法选煤；复合式干选机；横断面；螺旋运动；纵断面 中图分类号T D9 4 2 ．4文献标识码A A n a l y s i so fM a t e r i a lM o t i o ni nC o m p o u n dD r yS e p a r a t o r S H E NL i j u a n ，C H E NJ i a n z h o n g S c h o o lo fC h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nd y n a m i ct h e o r y ，f o r c e se x e r t e do nm a t e r i a l sa td i f f e r e n th e i g h t so ft h eb e da r e a n a l y z e d ．T h er e s u l ts h o w st h a ts e v e r a lf o r c e sa c tu p o ns e p a r a t o rt o g e t h e r ，m a k i n gm a t e r i a l si n d i f f e r e n th e i g h t sf o r mv e l o c i t yg r a d e si nb o t hp o s i t i v ea n dn e g a t i v ed i r e c t i o n sa n dm o v et o w a r d s r e s p e c t i v ed i r e c t i o n ，p r o d u c i n gh e l i c a lm o t i o no nc r o s ss e c t i o n ．T h u sm a t e r i a lo nt h es e c t i o ni s s e p a r a t e da n ds e v e r a lp r o d u c t sf r o ml o wa s hc o n t e n tt Oh i g ha s hc o n t e n ta r eo b t a i n e df r o mf e e d s t o c k t od i s c h a r g e ．T h ea n a l y s i so ff o r c e se x e r t e do nm a t e r i a lo nv e r t i c a ls e c t i o ns h o w st h a tt h e r es h o u l d b ea na n g l eb e t w e e nt h ev i b r a t e df o r c ed i r e c t i o na n dc r o s s w i s eo fs e p a r a t i o nb e d ．S o m ep a r t so f e x c i t i n gf o r c e si nv e r t i c a ld i r e c t i o nc a nm a k eh i g h e rd n e s i t ym a t e r i a l so nt h eb o t t o mo fb e dt om o v e t o w a r d sg a n g u ea sq u i c k l ya sp o s s i b l e ，t h e nt h ef o l l o w i n gh i g h e rd e n s i t ym a t e r i a l so ff e e da r ea b l et o e n t e rt h eb o t t o mq u i c k l y ，a n ds t r a t i f i c a t i o na n ds e p a r a t i o na r ep e r f o r m e d ．M e a n w h i l et h i sp a r to f f o r c e sc a na l s oi m p e lt h ew h o l eb e dt om o v et o w a r d sg a n g u e s ，w h i c hc a ni m p r o v et h ec a p a c i t yo f f a c i l i t i e s ． K e yw o r d s d r yc o a lc l e a n i n gm e t h o d ；c o m p o u n dd r ys e p a r a t o r ；c r o s ss e c t i o n ；h e l i c a lm o t i o n ； v e r t i c a ls e c t i o n 我国能源以煤炭为主的格局不会变，选煤作为 排除煤中杂质，生产洁净煤的第一步，愈来愈重要． 但是我国煤炭储量丰富的“三北”地区，水资源缺乏 已成为制约煤炭分选的重要因素；我国部分变质程 度低的煤种及部分含大量泥质页岩、遇水极易泥 化，不适于湿法分选，急需干法分选作为补充；广大 中、小地方煤矿由于缺乏建设湿选厂的大量资金难 以发展煤炭加工业，若采用干选技术，可大大简化 收稿日期l2 0 0 4 0 8 2 3 作者简介。沈丽娟 1 9 5 6 - ，女，江苏省无锡市人，教授。工学硕士，从事干法选煤、粗煤泥分选、煤系硫铁矿分选回收等方面的研究 E - m a l lI s l j l 0 5 8 3 8 s i n a ．c o r n Is l j l 0 5 8 3 8 1 2 6 ．c o r n 万方数据 4 4 8 中国矿业大学学报 第3 4 卷 工艺流程，节省基建投资和生产成本．因此，加大力 度开发研究、完善提高、推广应用各种干选技术，博 采众长，对提高我国的煤炭质量，促进我国能源基 地的战略西移，发展洁净煤技术，节约能源和水资 源，防止环境污染等都有重要的现实意义和广泛的 应用前景． 复合式干法分选机采用人料中所含煤粉作自 生介质[ 1 ] ，形成气一固两相混合物，入选粒度范围可 达8 0 ～0m m [ 2 ] ．采用机械振动及结构的特殊形式 使物料在床面上作螺旋翻转运动，再配以风力作用 使物料得到多次分选，可根据用户要求在床面纵向 截取质量不同的多种产品．要求的入料外在水分范 围宽 叫 M 。 7 ％～9 ％都能适应；这是它有别于 其他干法分选的突出优点 [ 3 - 4 3 ．由于采用机械振动 和自生介质原理，所需风量仅为传统风选的i ／3 以 下，而单位面积处理量达到1 0t ／ m 2 h ，超过其 他任何干法分选[ 5 ’7 ] ． 1机械结构及工作原理 复合式干法分选机由分选床、空气室、机架、吊 挂装置等组成．分选床又由床面、背板、格条、排料 挡板等部件构成．床面下有若干个可控制风量的空 气室，由离心通风机供风，通过床面上的风孔，使气 流向上作用于分选物料．通过吊挂装置将分选床、 振动器悬吊在机架上．这样，不仅可以任意调节分 选床的纵向和横向坡度，还可以减少动力消耗． 图1 为复合式干法分选机结构示意．人选物料 给入具有一定纵向和横向倾角的分选床，振动器带 动分选床振动，使底层物料向背板方向运动，而床 层表面的煤在重力作用下沿床层表面下滑．由于入 料的压力，使不断翻转的物料形成螺旋运动向矸石 a 床层底部情况 端移动．因床面宽度逐渐减缩，低密度物料从床层 表面下滑，通过排料挡板使最上层煤不断排出；而 高密度物料则以小螺旋运动逐渐集中到矸石端排 出．床面上的格条对底层物料的运动起导向作用， 从而使整个床层物料形成有规律的螺旋运动．格条 之间均匀分布的垂直风孔使物料每经过一次螺旋 运动都受到一次风力分选作用．这样，从给料端到 矸石端物料将进行多次风力分选，从而使精煤质量 有所提高． 图1复合式干法分选机结构示意 F i g ．1 S t r u c t u r es k e t c ho fc o m p o u n dd r ys e p a r a t o r 要使矿粒在分选床横断面上产生螺旋运动，即 靠近床面底层的物料向背板方向运动，而床层表面 的物料向排料挡板方向下滑，这不仅需要床体有一 定的结构形式，给物料的螺旋运动造成外部条件， 还需要对不同密度的物料施加不同方向的力．复合 式干法分选机引入振动，一方面为床层的松散提供 能量，使物料按密度分层；另一方面就是为物料在 分选床横断面上产生螺旋运动提供外力． 2受力分析 2 ．1 振动惯性力 图2 为矿粒在分选床横断面上的受力情况示 意． b 床层上部情况 图2 矿粒在分选床横断面上的受力情况示意 F i g ．2 F o r c ea n a l y s i so fp a r t i c l eo nc r o s ss e c t i o no ft h eb e d 为分析方便，将各力分解为沿床体横向的z 向 z 与床体底面平行 及垂直于床体底面的2 向． 由z ，2 轴组成X O g 平面，即所谓的横断面． 由图2 a 可知，底层物料在z 方向所受的力 为 ，该力是由于分选机床体的振动而使物料受 到的振动惯性力S 在z 方向的分力，其大小为 S 。一S c o s 艿， 1 式中 为物料所受到的振动惯性力S 在z 方向 万方数据 C M Y K 第4 期沈丽娟等复合式干法分选机中床层物料的运动分析4 4 9 的分力；S 为物料所受到的振动惯性力，S 一 ／n O ． 2 旭i n ≯；艿为振动方向角，即床体振动方向与床体 底平面的夹角；m 为被分析的颗粒物料的质量；声 为分选床振动源的振动相位角；O J 为分选机床体振 动的角频率I A 为分选机床体振动的振幅． 惯性力S 的确定以保证物料在床层上沿z 轴 正方向滑行． 2 ．2 重力G 在x 方向的分力G 。 G x G s i n a 詈d 3 f D f P g s i n a ， 2 U 式中G 为颗粒物料的有效重力；G 。为有效重力G 在z 方向的分力；口为分选床面的横向倾角，一般 O 。 口 1 5 。，可任意调节；g 为重力加速度；d 为被 分析物料颗粒的当量直径I 胁为被分析物料颗粒的 密度；P 为气体介质 即空气 的密度． 2 ．3 矿粒运动所受的摩擦力 凡 N 厂 G 一W - S f ， 3 式中凡为颗粒物料向X 方向运动时受到的摩擦 力；N 为颗粒物料所受的正压力；f 为颗粒物料的 动摩擦系数；G 。为颗粒物料的有效重力G 在z 方 向的分力． G ； 詈d 3 p P g c o s m 4 U Ⅳ为风力．设风机的给风量为Q ，分选床开孔 面积为A ，则气流通过分选床面的速度为y 风一Q ／ A ，则风力对颗粒在2 方向上的推力为 Ⅳ C d 2 y 鼠l D 5 式中妒为阻力系数，它是雷诺数的函数；V 风为风 速；S 。为物料所受的振动惯性力S 在2 方向的分 力． S 。一S s i n S m w 2 砖i n 如i n 艿． 6 所以摩擦力 F 。 G 一W S 。 ， 。 广- l 詈d 3 凡一P g c o S O t w 妒d 2 y 氮P L v - ．1 ∥3 p , - p w 2 砖i n j 6 s i n 艿J ．工 7 UJ 对于上层物料 见图2 b ，由于其松散甚至悬 浮，振动对它们的作用已不明显．相反由于床体背 板的作用，受到了一个与激振力方向相反的反推力 丁．但是，尽管物料松散或悬浮，或者说呈流化状 态，但颗粒之间仍有或多或少的接触与碰撞．因此 还受有一定的激振力影响，我们把激振力的这种作 用认为减弱了上部物料所受的反推力T 的作用． 2 ．4 上部物料所受的床体背板的反推力丁 T - - k S 。 8 式中置负号是因为反推力方向与激振力方向相反， 愚 O 愚 1 为修正系数，由于颗粒还受有激振力的 影响而设．则反推力丁在z 方向的分力为 T 。 T c o s 6 - k S c o s 艿． 9 还有颗粒间的相互作用力及气流的粘性摩擦 力等，这些力与上述各力相比都很小，为简化分析 而忽略． 根据以上的受力分析及牛顿第二定律，可以分 别写出床层上、下部颗粒在横断面上向各自方向运 动的微分方程． 3 底部物料向z 正方向的运动方程 m 警韪一G 。一凡一 S c o s S - G s i n a - Q W - S 。 f m o 2 砖i n j 6 c o s d 一詈d 3 B ～I D g s i n a 一 ㈦V d 3 B p g c o s a - ≯d 2 y 鼠I D m ∞2 砖i n 如i n 艿| f ． 1 0 即 警一 0 2 砖i n 声 c o s 艿嘲n 湃 g s i n 口 天渊 譬 等丢 V kf w 2 a s i n 声 c o s S f s i n S 一 1 一丢 S i n 口 。s 啦卅f V ．陆p 孑l ’ 1 1 式中妒7 号妒． 分析式 1 1 ，我们可以看到床体振源的激振 力 即等式右边第一项 是颗粒向z 正方向运动的 决定因素．等式右边的第二项是因为床面有倾角而 引起的重力对颗粒向X 方向运动的影响，第三项 是风力的作用引起摩擦力减小而对颗粒向z 方向 运动的促进作用． 由l D 肛 I D O ．0 0 12 3g ／c m 3 ，B ≈1 ．5g ／c m 3 ， 有妄≈o ，则式 1 1 可简化为 h 警 执n ≯ c o s w ．s i n 湃 g s i n a f c o s a ． 1 2 式 1 2 表明床层底部颗粒向z 正方向运动 决定于床体振源的激振参数，即分选机振动的角频 率∞、振幅A 、振动相位角’I 及振动方向角艿；而床面 横向倾角口的增大只能削弱颗粒向z 正方向运动 的作用；风力对颗粒在z 方向的运动作用很小，可 忽略．从图2 a 也能很直观地理解这一点． 万方数据 4 5 0中国矿业大学学报第3 4 卷 4 上部物料向x 反方向的运动方程 m 警 L G F 。 点S c o s 8 G s i n a - G 。一Ⅵ，一S 。 ， k m o J 2 砖i n j 6 c o s 艿 詈∥ B P g s i n a I 詈d 3 B J D g c o s 口一 妒d 2 y 彘P m o 2 砖i n j 6 s i n dl ／． 1 3 即 百d V x o 。2 A s i n g k c o s 8 f s i n 艿 g s i n 口一f c o s , r 警 - 6 9 凡p V Ⅳz c ￡J 2 砖i n 声 五c o s 艿 f s i n 8 1 一丢 g s i n 口一f c o s a ∥∥鼠罢了1 1 4 注意这里上部物料的运动速度儿的方向是 在X 轴的反方向． 分析图2 b 及式 1 4 可知除了摩擦力外，分 选机床体背板的反推力、颗粒物料的重力、风力都 有助于上部物料向排料侧边运动．但起决定因素的 是床体背板的反推力，实际也是由振动源的激振力 所引起≯其次是重力． 同样由p ／p , ≈O ，式 1 4 可简化为 警 t o Z A s i n 姗c o s 8 小s i n 8 g s i n a f c o s a ． 1 5 式中等式右边的第一项大予第二项，因此，更 显示了上层物料向排料侧边运动的主、次因素． 比较式 1 1 与式 1 4 ；它们的第一项，式 1 1 大于式 1 4 ．因为式 1 4 中的K 1 ，且式 1 4 中 的摩擦系数小于式 1 1 中的 这是由于式 1 4 中表 示的主要是悬浮于上层的轻物料，而式 1 1 中表示 的主要是沉入底层的重物料 ；而式 1 1 中的第二 项小于式 1 4 的第二项 式中O O a 1 5 。 ；第三项 相同．由此可以定性地说顶、底层物料在各自向, 2 7 正方向和z 负方向的运动速度基本相当．因此，复 合式干法分选机中分层后的轻、重物料会向排料侧 方向及背板方向作翻转的螺旋运动． 5 床层物料分选过程分析 由以上分析可以清楚地看到振动不仅可为床 层的松散提供能量，以保证床层达到颗粒相互交换 位置所必需的松散度，从而使床层颗粒按密度分 层；而且可使分层后的物料向各自的方向运动最 下层的高密度物料直接与床面接触，得到的振动惯 性力最大，向背板方向运动；越往上，颗粒所受到的 惯性力越小，到上层的低密度物料受到背板的反推 力最大，加上重力作用而向排料边方向运动；中间 物料层处于床层的中间翻滚，由人料端向尾煤端方 向作螺旋运动，并随着精煤的排出，矸石向尾煤端 的运行，它在床面中间作为中煤排出．这就是振动 使得处于床层不同高度的颗粒物料形成正反方向 速度梯度，从而在横断面上产生螺旋运动的原因． 颗粒在分选床横断面上的这种运动示意见图3 ． 图3 物料在分选床横断面上的运动示意 F i g ．3 M o t i o na n a l y s i so fm a t e r i a l so n c r o s ss e c t i o no ft h eb e d 在整个分选过程中，物料作螺旋翻转运动，每 一次循环都受到一次分选，而每次分选都由排料挡 板截取表层已分离的低密度物料，这是因为在横断 面上物料床层厚度不同，靠排料边薄，混入表层的 矸石能在排料边迅速接近床面而受振动惯性力的 作用向背板方向运动，只有表层密度最小的轻物料 才能越过挡板排出，从而保证了产品的质量．物料 由入料端到矸石排出端形成直径递减的螺旋运动， 每一个循环周期都剥离出部分表层较轻的物料，直 至最后排出矸石．这样，从给料端到排料端，经多次 反复分选，可以形成灰分由低到高的多种产品． 6 床层物料纵向运动分析 要使已形成螺旋翻转运动的物料由给料端不 断地向排料端方向运动，还需要有一个纵向作用 力．采用同样的方法，分析矿粒在分选床纵断面上 的受力情况 图4 [ 8 ] ，可得到矿粒沿纵向运动的速 度表达式 r1 1 ／2 V ， y 人一ly 3 去 s i n f l f c o s p 一善y 鼠f ， 1 6 Lr r 5一 式中y 为颗粒在Y 方向的运动速度；y 人为分选机 一J 的给料速度；y 。为自由沉降末速嗍，碟 斋乞 B P g ；p a 为人料的平均容积密度；卢为分选床面的纵 向负倾角，可任意调节．其他符号意义同前． 分析式 1 6 可以知道矿粒沿Y 方向的运动速 万方数据 第4 期 结 语 使淼麓裟黧搿瓣 ％e nL J ‰p o u n d d r y s e p a l 9 9 7 1 2 2 2 r a t o r [ J _ ] ．c h i n aC 0al23 ． ． ⋯‘L 。J “n m aC o a l ’ m E s J 娄凇嚣棚撕徐 嘞袭怒勰瑟 二 责任编辑李成俊 万方数据