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摘 要：從理論上分析了潮濕細(xì)粒煤團(tuán)聚的基本行為以及篩分過程的堵孔機(jī)理.研究表明，潮濕細(xì)泥堵塞篩孔的過程主要分2個(gè)階段：**先是細(xì)泥粘附于篩絲上，降低有效篩分面積;其次是結(jié)團(tuán)細(xì)泥在篩絲上形成覆蓋膜.通過中試實(shí)驗(yàn)得出，琴弦式彈性篩面具有很好的自清洗能力，篩網(wǎng)不易堵塞，而且篩分效率高.
關(guān)鍵詞：篩分;水分;顆粒團(tuán)聚;堵孔機(jī)理;彈性篩面
中圖分類號(hào)：TD 921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
文章編號(hào)：0253-9993(2000)01-0196-04
Study on the mechanism of aperture blinding in the
screening of moist fine coal
TAO Xiu-xiang ZHAO Yue-ming YANG Guo-hua LIU Chu-sheng
(Department of Energy Utilization and Chemical Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008, China)
Abstract：The agglomeration of moist fine coal and the mechanism of aperture blinding in screening are analyzed.The theoretical study shows that the aperture blinding by moist fines may be classified into two stages:first,the fines are stuck onto the wires to reduce the opening area of screen;second,a film of moist fines is formed to cover the meshes.A pilot test proves that the elastic screen mesh has good self-cleaning capability,less aperture blinding and high screening efficiency.
Key words：screening;moisture;agglomeration;aperture blinding mechanism;elastic screen mesh
篩分是煤炭加工利用過程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，特別是潮濕細(xì)粒煤炭的干法深度篩分(6 mm,3 mm)是近年來篩分技術(shù)研究的重要課題.煤炭在開采過程中，由于煤層滲水、井下防塵噴水和其它管理不善等原因造成原煤外在水分在7%以上.而這種潮濕細(xì)粒煤炭由于粒度小、比表面積大，加上有外在水分和粘土等成分的存在，致使相互粘結(jié)成團(tuán)，并附在篩面上堵塞篩孔，從而導(dǎo)致篩分效果變差，篩分過程惡化.筆者在分析潮濕細(xì)粒粒群團(tuán)聚機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出潮濕細(xì)粒煤炭的聚團(tuán)過程和堵孔機(jī)理，尋求解決堵孔問題的方法和途徑.
1 潮濕細(xì)粒物料團(tuán)聚的機(jī)理及其對(duì)篩分過程的影響
1.1 團(tuán)聚機(jī)理
潮濕細(xì)粒煤炭由于表面吸附水分而形成水化膜，當(dāng)表面水多到粒子接觸點(diǎn)處形成透鏡狀或環(huán)狀的液相時(shí)，開始產(chǎn)生液橋力而導(dǎo)致粒子間附著力的增大，形成二次、三次粒子，促使顆粒團(tuán)聚.
液橋力對(duì)粒子粘附成團(tuán)有重要的作用，F(xiàn)isher對(duì)液膜附著力的理論進(jìn)行了較全面的研究.液膜作用、粒子間吸附力可以用下式進(jìn)行計(jì)算(圖1)[1]，即
圖1 顆粒間的液膜附著力
Fig.1 Adhesive force of liquid film between the particles
(1)
式中，R1，R2為液面和液環(huán)的曲率半徑;σ為液體的表面張力.
可以看出，液環(huán)的半徑R2越大，其吸附力越大.
潮濕細(xì)粒粒群煤炭的整體團(tuán)聚力取決于顆粒接觸點(diǎn)上的內(nèi)聚集力，可用張力強(qiáng)度σT來表征.對(duì)于單一直徑隨機(jī)堆積的料層
(2)
式中，ε為粒群堆積空隙度;F為內(nèi)聚力;d為顆粒直徑.
根據(jù)煤炭的粒度分布情況堆積特性，料層的空隙一般不會(huì)全部被液體充填，其張力強(qiáng)度σ′T是液體飽和度ω的函數(shù)，即
(3)
式中，Δp為毛細(xì)壓力;f(θ)為粘附力;θ為接觸角;ω為液體飽和度.
表面潮濕的煤炭其團(tuán)聚狀態(tài)，除了受液橋力的作用外，還要受到范德華力和粘土類礦物的粘附力等作用.潮濕細(xì)粒煤炭的團(tuán)聚是一個(gè)綜合作用的結(jié)果.
1.2 對(duì)篩分的影響
潮濕細(xì)粒煤炭的粒度組成、表面水分及細(xì)泥含量對(duì)篩分過程有著很大的影響，而且往往既相互制約又相互聯(lián)系.試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)原煤干燥無外水時(shí)，原煤中細(xì)粒含量(包括細(xì)泥含量)越多，篩分效率就越高;當(dāng)外在水分增加到一定程度時(shí)(如大于7%)，細(xì)粒含量和細(xì)泥含量的增加都會(huì)使篩分效率降低.概率篩的全篩分效率與入篩原煤中細(xì)泥含量及外在水分之間的關(guān)系如圖2所示.
圖2 篩分效率與原煤中篩下級(jí)別含量及外在水分之間的關(guān)系
Fig.2 Screening efficiency vs fines content and moisture
2 潮濕煤炭篩分過程的堵孔機(jī)理
在煤炭篩分過程中，篩網(wǎng)的堵塞是一種比較常見的現(xiàn)象，特別是當(dāng)煤炭的水分含量高，細(xì)粒粘性物料含量大以及“難篩顆?！倍鄷r(shí)，更容易造成堵孔問題.篩孔的堵塞問題，可分為2種情況：① 難篩顆粒(0.75a≤d≤1.25a)落入篩孔時(shí)，由于顆粒形狀不規(guī)則，容易卡死在篩孔中造成堵孔;② 細(xì)粒在表面水分張力和粘性物料(如粘土)的作用下，易在篩網(wǎng)上形成覆蓋膜而造成堵孔.
在篩分時(shí)，不同相對(duì)粒度(顆粒直徑d/篩孔尺寸a)的物料通過篩孔的透篩概率是不一樣的，往往是相對(duì)粒度越小的物料其透篩的概率越大.在傾斜振動(dòng)的篩面上，粒狀物料的理論透篩概率為
(4)
式中，a為篩孔尺寸;b為篩絲直徑;α為篩面傾角;β為物料下落時(shí)對(duì)篩面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向線垂直線的夾角;Ψ為物料與篩絲內(nèi)側(cè)碰撞后能落入篩孔的系數(shù).
研究表明，越是接近篩孔尺寸的顆粒，越難透篩，當(dāng)顆粒直徑與篩孔直徑之比為0.1時(shí)，顆粒接觸篩面時(shí)的透篩概率為81%;當(dāng)比值為0.8時(shí)，透篩概率只有4%;而當(dāng)比值為0.99時(shí)，概率只有0.01%[2].對(duì)于“難篩顆?！?，不僅透篩概率小，而且容易造成堵孔.由于煤炭的顆粒形狀很不規(guī)則，難篩顆粒堵孔的幾率很大.當(dāng)篩孔不變形時(shí)，篩絲對(duì)顆粒的擠壓力越大，難篩?？缀笤诫y以被擠出，如果采用彈性篩面，則有利于卡孔顆粒的彈出[3].
對(duì)于潮濕細(xì)泥覆蓋膜堵孔的情況來說，它的形成過程可分為2個(gè)階段：① 由于細(xì)粒粘性物質(zhì)等牢固粘結(jié)在篩絲上，使透篩面積減少;② 細(xì)粒物料相互粘結(jié)在篩面上，形成覆蓋膜，這種覆蓋膜的性質(zhì)已接近于薄膜的性質(zhì)，如圖3所示.
圖3 潮濕細(xì)粒煤的堵孔過程
Fig.3 Aperture blinding process of wet fine coal
潮濕細(xì)粒煤炭干法深度篩分的難點(diǎn)是細(xì)顆粒比表面積大，外在水分含量高，當(dāng)外在水分超過7%時(shí)，則顆粒表面形成一層薄薄的水膜，如圖3(a)所示，而相鄰顆粒在液橋力和水膜表面張力作用下互相粘結(jié)成團(tuán)如圖3(b)所示;隨著篩分過程的進(jìn)行，一些潮濕細(xì)粒粘性物料相互粘結(jié)并粘附在篩網(wǎng)上如圖3(c);隨著篩分時(shí)間的逐漸加長(zhǎng)，粘附到篩網(wǎng)上細(xì)小顆粒越來越多，與篩面上的潮濕細(xì)泥一起在液橋力和水膜表面張力的作用下，形成一張覆蓋膜，將篩孔堵塞如圖3(d).一旦篩孔被堵，篩分過程就無法進(jìn)行.因此，必須研究解決覆蓋膜破裂的方法和途徑.
3 琴弦式彈性篩面克服堵孔問題的理論分析與實(shí)驗(yàn)
3.1 理論分析
琴弦式概率分級(jí)篩已在我國(guó)煤礦推廣應(yīng)用，它的特點(diǎn)是第3層篩網(wǎng)由彈簧鋼絲張緊而成的琴弦式彈性篩面，篩絲的運(yùn)動(dòng)可以看成是具有支撐運(yùn)動(dòng)的張緊振動(dòng).設(shè)篩絲上的物料均勻分布，長(zhǎng)為l的篩絲兩端固定在篩箱上，其力學(xué)模型如圖4所示.
圖4 琴弦篩絲的力學(xué)模型
Fig.4 Mechanical model of piano-wire
在圖4中，ys=Asin(ωt-Ψ)是篩箱的振動(dòng)位移，設(shè)oxy為動(dòng)坐標(biāo)系，固定在篩箱上;o1x1y1是靜坐標(biāo)系.
篩絲相對(duì)篩箱的運(yùn)動(dòng)微分方程[4]為
(5)
式中，v為波沿弦長(zhǎng)度方向傳播的速度，
;T0為篩絲的張力;ρ為篩絲單位體積的質(zhì)量;S為篩絲的截面積;mm為篩絲單位長(zhǎng)度上的物料質(zhì)量;g為重力加速度.
邊界條件：
y(0, t)=0,y(l, t)=0.
利用傅立葉級(jí)數(shù)和拉普拉斯變換解方程，得篩絲振動(dòng)穩(wěn)定解為
(6)
式中，λn為第n階頻率比; l為篩絲長(zhǎng)度; Pn為第n階固有頻率.
在篩分過程中，由于篩子工作在共振區(qū)內(nèi)，篩絲的相對(duì)振動(dòng)得到強(qiáng)化，振幅被放大,因此篩絲在共振狀態(tài)下，所需的激振力較小，即篩分機(jī)可以采用較小的加速度，而琴弦篩網(wǎng)卻可達(dá)到較大的加速度和振幅，從而可破裂潮濕細(xì)泥在篩絲上的覆蓋膜，并可自清洗掉粘結(jié)的篩網(wǎng)上的細(xì)泥，使篩網(wǎng)不堵塞.
3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了考察琴弦式篩網(wǎng)在篩分潮濕細(xì)粒煤時(shí)的實(shí)際篩分效果，將半工業(yè)性概率篩分系統(tǒng)上的概率篩第3層編織篩網(wǎng)更換為琴弦篩網(wǎng)，對(duì)某礦煤進(jìn)行6 mm篩分系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),篩分結(jié)果見表1.
表1 篩分試驗(yàn)結(jié)果
Table 1 Sizing test results %
序號(hào) | 入料性質(zhì) | 處理量 | 一次篩分的工藝效果 | 二次篩分的工藝效果 | 篩上產(chǎn)品 | |||||
外在水分 | 含量(d＜6 mm) | 限下率 | 限上率 | 總篩分效率 | 限下率 | 限上率 | 總篩分效率 | |||
1 | 8.81 | 79.64 | 60.48 | 12.42 | 4.86 | 77.68 | 4.34 | 5.65 | 75.89 | 2.56 |
從表1可以看出，對(duì)外在水分含量高(8.81%～13.67%)、細(xì)粒級(jí)含水量大(d<6 mm含量為69.74%～79.64%)的入篩原煤進(jìn)行6 mm分級(jí)，經(jīng)琴弦概率分級(jí)篩一次篩分后，限下率為10.57%～13.79%，限上率4.13%～4.88%，總篩分效率為77.68%～83.47%，經(jīng)二次篩分后，其限上和限下可控制在6%左右[5].而且根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，即使在水分含量大、泥質(zhì)多的情況，下琴弦篩網(wǎng)也不堵孔、不粘結(jié)細(xì)泥，具有較強(qiáng)的自清洗能力.
4 結(jié) 論
(1)煤炭外在水分一般按表面積分布，粒度越細(xì)，比表面積越大，水分越高.
(2)潮濕細(xì)粒煤由于受液橋力、水膜表面張力等作用而粘結(jié)成團(tuán)，其團(tuán)聚的程度取決于水分、煤的潤(rùn)濕性和粘土質(zhì)的含量.
(3)潮濕細(xì)泥堵塞篩孔的過程主要分2個(gè)階段：① 細(xì)泥粘附于篩絲上，降低了有效篩分面積;② 結(jié)團(tuán)細(xì)泥在篩孔上形成覆蓋膜.
(4)琴弦概率分級(jí)篩適用于潮濕細(xì)粒粘性物料的干法分級(jí)，篩孔不堵塞，篩分效率高.
作者簡(jiǎn)介：陶秀祥(1957-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師.1982年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)選礦**，1988年獲南京大學(xué)第二學(xué)士學(xué)位.現(xiàn)主要從事礦物加工和潔凈煤技術(shù)的教學(xué)和科研工作，獲國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)1項(xiàng)、教委理論成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng).發(fā)表“煤炭外水分布規(guī)律及其對(duì)流化床分選的影響”等論文20余篇.
作者單位：陶秀祥(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 能源化工系，江蘇 徐州 221008)
趙躍民(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 能源化工系，江蘇 徐州 221008)
楊國(guó)華(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 能源化工系，江蘇 徐州 221008)
劉初升(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 能源化工系，江蘇 徐州 221008)
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