煤泥弧形筛分离粒度与筛缝相关性研究

李时运

(山西煤炭进出口集团有限公司销售分公司，山西 太原030006)

随着社会对环境问题的日益关注，国家对煤炭洗选加工和洁净利用提出了更为严格的要求，近几年，煤炭分选技术取得了令人瞩目的进步。同时，随着煤炭分选技术的发展，重力选煤分选下限不断降低，分选下限从上世纪末的0.5 mm降到2010年的0.25 mm，再到目前的0.125 mm[1-2]。

煤泥弧形筛属于选煤厂的常用设备之一，具有结构简单、能耗低、日常维护量少等优点，煤泥弧形筛依靠筛条入料侧尖锐棱角对物料进行切割，从而实现煤泥分级作业[3]。随着重力选煤有效分选下限的降低，为了能全部有效回收灰分合格的精煤泥，分级设备的筛缝从原来的0.5 mm降至0.15 mm，筛条背宽也从原来的1.50 mm降至0.76 mm，以适应分选设备发展的需要，避免煤泥进入下一环节重复分选的问题，因此选择合适的煤泥弧形筛筛缝显得尤其重要。在选煤厂工程设计选型中，煤泥弧形筛筛缝的选择往往依靠设计经验，缺少一套科学有效的计算方法，因此探索煤泥弧形筛分离粒度与筛缝之间的相关关系，可以为设计选型提供一定的借鉴作用。

1 弧形筛工作原理

弧形筛属于一种无动力固定筛，正常情况下，可实现翻转，便于反复使用，弧形筛筛面由楔形断面不锈钢筛条横向排列组成，纵向(物料运动方向)呈圆弧形，为了增加分级效率，避免筛缝堵塞和物料堆积，可安装击打器或振动卸料装置[4-6]。弧形筛工作时，煤浆由入料箱下部出口沿切线方向均匀给入弧形筛筛面，在煤浆层流动过程中，由于离心力和重力的作用，每根筛条的边棱都会产生切割作用，被切割的煤浆经筛缝排出，成为筛下物；未被切割的煤浆越过筛条，成为筛上物。

2 颗粒在筛面运动力学分析

弧形筛的结构和工作原理看似简单，实质上流动煤浆所含颗粒在筛面上受力十分复杂。初始阶段，由于存在给料高差势能，煤浆的切线速度较快，在筛面上颗粒受到的离心力也较大，同时根据物料粒度不同，在此阶段完成对物料的切割、分离，此段筛面长度约占筛面总长的1/3。随着煤浆被筛条切割，大量流体透过筛缝，其切线速度和离心力将急剧减小，粗颗粒物料开始在筛面堆积，在此阶段，极细颗粒和水不断被滤除，分级效果进一步强化，产品水分大幅度降低。当物料运动到弧形筛筛板尾端时，煤浆的流动性越来越差，颗粒透筛阻力也增大，粗颗粒物料大量堆积，加之弧形筛的振动作用，达到卸料目的。

为了分析弧形筛分离粒度与筛缝之间关系，首先必须了解在离心旋转力作用下，颗粒在筛面的运动和透筛过程。

为了便于分析颗粒在筛板上的运动情况，以单个颗粒为研究对象，沿弧形筛弧长取一微弧长筛面(可以近似看作很短的直筛面)作为研究范围，颗粒在筛面的运动模型如图1所示。假定颗粒呈球形，直径为d，筛缝宽为L，运动轨迹如虚线OO1所示。当颗粒运动到O1点处时，所受的翻转力矩为零，刚好具备透筛的极限条件，若颗粒直径>d，则翻越筛条棱角在筛面上运动，不能形成透筛；若颗粒直径

图1 颗粒在筛面运动力学分析图

颗粒达到透筛的运动轨迹可用下式表示：

y=x·tanα+ax22v2(cosα)2，

式中：v为颗粒的运动速度，m/s；a为颗粒径向加速度，m/s2；α为筛板倾角，(°)。

颗粒重心在位置O1上的坐标为(x1，y1)，则可表示为：

x1=L·cosα-d2(cosα+sinα)，

y1=L·sinα+d2(cosα-sinα)。

位置点O1在颗粒的运动轨迹上，所以坐标x1和y1应当满足颗粒运动的轨迹方程式。将x1和y1代入运动轨迹公式中，得到以下公式:

L=1+tanα2·d+v·da·cosα。

因离心力和径向液流作用产生的径向加速度a远大于颗粒直径d，故在简便计算中可将最后一项忽略不计，上式可简写为：

d=21+tanα·L，

即

d=k·L。

通过单个颗粒在筛面的运动分析可知，弧形筛分离粒度与筛缝呈线性关系，斜率k为随着倾角α变化的常数，由于弧形筛切割作用主要发生在筛板前1/3处，因此，倾角α的取值范围为60°～70°，即k=0.534～0.732。

3 数值拟合分析

根据上述颗粒运动分析中的煤泥弧形筛分离粒度与筛缝之间的相关关系，结合近几年已发表的煤泥弧形筛相关数据[7-9]，选取部分煤泥弧形筛分离粒度与筛缝的数据进行数值拟合，进而推导两者的相关关系式。汇总结果见表1。

表1 煤泥弧形筛分离粒度与筛缝数据统计结果

图2 煤泥弧形筛分离粒度与筛缝的关系

国内常用煤泥弧形筛筛缝的规格大致为表1所列出的5种，其对应的分离粒度平均值为表1第4列所列出的数据，对两者相关关系进行拟合(图2)，数据统计表明：煤泥弧形筛分离粒度与筛板筛缝呈线性关系，因此趋势线方程式为d=aL+b，其中a=0.554，b=0.041，综合可得关系方程式为d=0.554L+0.041，此时，筛缝在0.15～0.50 mm区间范围内，该方程式可靠度为99.7%。当筛缝L取极限值0时，由于式中b值的存在，其分离粒度不为零，这与实际不符合，由于b值较小，且呈现波动变化，因此可将b值视为试验中工况差别或人为误差引起的数值，最终关系式可简化为d= 0.554L，该结论与理论简便计算公式相符合。

4 结论

选煤厂工程设计选型中，通常先根据煤质资料确定煤泥的分离粒度，再选择合适的弧形筛筛缝，这一过程以往都是靠设计经验来完成的。本研究通过理论简便计算和试验数值拟合两种方法，结合颗粒在筛面的运动分析，推导计算出弧形筛分离粒度与筛缝的线性关系为d=k·L(k=0.534～0.732)，这一公式的提出为弧形筛筛条参数及设计选型提供了理论基础。依据已发表的弧形筛筛缝与分离粒度数据的统计，采用数值拟合方法，获得两者的相关关系方程式为d=0.554L，该方程式与理论计算式吻合度较高，进一步定量验证了两者的关系。