柔性空氣室跳汰機(jī)的性能及應(yīng)用研究

王燁敏，匡亞莉

（1.山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

與世界各主要產(chǎn)煤國(guó)一樣，我國(guó)對(duì)+0.50 mm粒級(jí)煤炭的分選主要采用重介質(zhì)分選和跳汰兩種選煤方法[1]。跳汰選煤具有工藝流程簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、入料粒級(jí)寬、單機(jī)處理能力大和整體投資少等優(yōu)點(diǎn)[2]。近年來，隨著動(dòng)力煤分選比例的提升，跳汰機(jī)處理能力不斷提升，跳汰選煤作為一種成熟有效的選煤方法在我國(guó)煤炭分選中仍將占有很大比重[3]，尤其是在動(dòng)力煤分選和排矸作業(yè)中，跳汰選有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[4-5]。

選煤設(shè)備大型化和高效化是今后選煤發(fā)展的主要方向之一[6-7]。大型動(dòng)力煤跳汰機(jī)并不是只對(duì)現(xiàn)有的小型跳汰機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單放大。跳汰技術(shù)上的研究成果表明，脈動(dòng)水流均勻分布是實(shí)現(xiàn)物料有效分選的保證[8]。近年來，大型跳汰機(jī)在選煤廠應(yīng)用實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，空氣與水直接接觸和局部空氣分布不均勻?qū)е麓矊硬黄椒€(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響分選精度。研究大型跳汰機(jī)首要問題是隨著跳汰分選面積增大而出現(xiàn)的空氣分布不均勻現(xiàn)象，如果不能有效解決將難以進(jìn)一步發(fā)展[9]。

本實(shí)驗(yàn)首先在實(shí)驗(yàn)室型柔性空氣室模型跳汰機(jī)進(jìn)行工作性能測(cè)定，然后在選煤廠進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用，最后進(jìn)行跳汰機(jī)工業(yè)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，比較柔性空氣室大型跳汰機(jī)與原大型跳汰機(jī)分選性能差異。

1 柔性空氣室跳汰機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了解決以上問題，設(shè)計(jì)多個(gè)氣囊固定在跳汰機(jī)篩下，以替代跳汰室/脈動(dòng)室之間U 型結(jié)構(gòu)，在氣囊充氣時(shí)，氣囊膨脹，將篩下水?dāng)D到篩上，篩上水位上升，氣囊排氣時(shí)被擠癟，篩上水位回落，形成脈動(dòng)水流。在整個(gè)跳汰過程中空氣不直接與水接觸，因此脈動(dòng)水流均勻分布到整個(gè)篩平面上。實(shí)驗(yàn)室型跳汰機(jī)為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院模型跳汰機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置，主體結(jié)構(gòu)由有機(jī)玻璃制成，其中上機(jī)體尺寸為(1100×625×800) mm，下機(jī)體尺寸(1100×625×1400) mm，溢流堰高度372 mm，中間位置篩板由帶有(10×30) mm沖孔的鋼板制成，下機(jī)體中安裝2 個(gè)氣囊。氣囊材料選取膠帶粘合材料、高分子復(fù)合材料、橡膠復(fù)合材料1、橡膠復(fù)合材料2 作為氣囊疲勞實(shí)驗(yàn)材料。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有跳汰機(jī)模型、進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)、檢測(cè)和控制系統(tǒng)、進(jìn)出水系統(tǒng)幾部分構(gòu)成[10]。

2 柔性空氣室跳汰機(jī)性能實(shí)驗(yàn)

新型柔性空氣室-氣囊的材料選擇進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室疲勞實(shí)驗(yàn)、工藝性能實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)化實(shí)驗(yàn)。材料選擇主要是從力學(xué)性能、剛度（安裝后能保持形狀）、變形比、抗疲勞性能、使用壽命等方面考慮。

最后篩選出膠帶粘合材料、高分子復(fù)合材料、橡膠復(fù)合材料1、橡膠復(fù)合材料2 等（從橡膠制品廠購(gòu)買），進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，觀察產(chǎn)生水流的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。最后在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)對(duì)比情況見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.1 Comparision of test results

圖中不能用數(shù)字表示的參數(shù)，給出的是模糊評(píng)判等級(jí)，數(shù)字越大，表示等級(jí)越高，效果越好。

實(shí)驗(yàn)用模型跳汰機(jī)系統(tǒng)中，數(shù)控電磁風(fēng)閥可實(shí)時(shí)設(shè)定和調(diào)節(jié)跳汰周期、進(jìn)氣期、膨脹期、排氣期等實(shí)驗(yàn)參數(shù)。床層跳動(dòng)高度即脈動(dòng)水流水位的高點(diǎn)、低點(diǎn)采用位于機(jī)體上方的超聲波液位探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。床層松散度為跳汰床層中水的體積占床層總體積的百分?jǐn)?shù)，在已知分選顆粒的質(zhì)量和性質(zhì)的情況下，通過公式：θ = (HS-V)/HS 進(jìn)行計(jì)算，其中θ 為松散度，H 為液面高度，S 為篩板面積，V 為顆?？傮w積。

圖2 跳汰周期對(duì)床層松散度的影響Fig.2 Influence of jig cycle on bed looseness

由圖2 跳汰周期對(duì)床層松散度的影響可以看出，跳汰周期為1.3s 處，床層松散度較好。說明周期對(duì)松散度的影響明顯存在。

圖3 跳汰周期對(duì)液面跳動(dòng)的影響Fig.3 Influence of jig cycle on liquid level beating

由圖3跳汰周期對(duì)液面跳動(dòng)的影響可以看出，周期增長(zhǎng)，液面跳動(dòng)變化并不明顯，說明在風(fēng)壓不變、進(jìn)氣期不變的情況下，液面受周期的影響不大，應(yīng)該脈動(dòng)比較穩(wěn)定。

圖4 進(jìn)氣期對(duì)水流脈動(dòng)的影響Fig.4 Influence of intake period on flow fluctuation

由圖4 進(jìn)氣期對(duì)水流脈動(dòng)的影響可以看出，在一個(gè)周期內(nèi)，進(jìn)氣期延長(zhǎng)，液面跳動(dòng)高度增大，說明進(jìn)氣期對(duì)床層松散度影響比較大，也說明氣囊托起床層的力度比較充足，進(jìn)氣沖力大。

圖5 排氣期對(duì)水流脈動(dòng)的影響Fig.5 Influence of exhaust period on flow fluctuation

由圖5 排氣期對(duì)水流脈動(dòng)的影響可以看出，排氣期延長(zhǎng)，液面會(huì)降低比較多，這說明了排氣期長(zhǎng)，氣囊中的空氣可以排除比較干凈，也說明排氣期不要太長(zhǎng)，可以保持床層有一定松散。

實(shí)驗(yàn)室型跳汰機(jī)研究結(jié)果表明，柔性空氣室跳汰機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合傳統(tǒng)跳汰機(jī)床層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，柔性空氣室完全能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的跳汰室/脈動(dòng)室之間U 型結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的脈動(dòng)更平穩(wěn)，進(jìn)氣的沖力更大。

3 工業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

趙固二礦選煤廠位于河南省新鄉(xiāng)市，是一座設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為350 萬t/a 的現(xiàn)代化大型跳汰分選工藝洗煤廠，入洗趙固二礦優(yōu)質(zhì)無煙煤。選煤工藝為：跳汰混合入洗+粗煤泥TBS 分選+煤泥浮選工藝+尾煤泥干燥。實(shí)際生產(chǎn)中，大型跳汰機(jī)出現(xiàn)的問題主要是矸石帶煤含量較高，入洗量沒有達(dá)到預(yù)期要求，主要原因是跳汰面積大，水流與空氣直接接觸，導(dǎo)致局部空氣分布不均勻，甚至產(chǎn)生的脈動(dòng)水流紊亂和床層不平穩(wěn)?，F(xiàn)場(chǎng)跳汰機(jī)床層兩側(cè)的煤質(zhì)存在很大差距，一側(cè)的塊煤（≥13 mm）含量高達(dá)80%以上，而另一側(cè)塊煤含量則低于30%，入洗煤質(zhì)不穩(wěn)定時(shí)含量差距更大，其原因是空氣分布不均勻，造成了床層分布不均勻，這將會(huì)破壞物料按密度分層。

根據(jù)國(guó)家相關(guān)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)趙固二礦選煤廠改造前后大型跳汰機(jī)的分選效果進(jìn)行評(píng)定，使用不完善度、數(shù)量效率和總錯(cuò)配物含量等評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)原跳汰機(jī)和柔性空氣室跳汰機(jī)進(jìn)行對(duì)比。

3.1 原煤可選性曲線

圖6 入選原煤的可選性曲線Fig.6 Washability Curve of raw coal

由圖6 可以看出，原煤-1.50 g/cm 粒級(jí)產(chǎn)率為48.27%，灰分為8.34%，而-1.60 g/cm 粒級(jí)產(chǎn)率高達(dá)73.17%，灰分為10.27%。根據(jù)圖6 原煤可選性曲線可知當(dāng)精煤灰分為11.00%時(shí)，理論分選密度為1.72 g/cm，δ±0.1 含量為8.00%，此時(shí)精煤理論產(chǎn)率為77.00%，由此判斷該煤種為易選，接近中等可選。

3.2 跳汰機(jī)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

工業(yè)型柔性空氣室跳汰機(jī)是由原YT-27 跳汰機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，YT-27 跳汰機(jī)單臺(tái)處理量為350 ～400 t/h，改造中拆除原有三角形空氣室，改造后的柔性氣室跳汰機(jī)氣囊安裝在5 根(200×400) mm 的方鋼管上面，每根方鋼管上有16 個(gè)氣囊座，均勻分布于方鋼管兩側(cè)。氣囊材質(zhì)為橡膠，長(zhǎng)度為1.10 m，底部采用夾板和密封膠膠進(jìn)行密封，上部采用鐵箍和密封膠進(jìn)行密封；在氣囊和方鋼管連接處加裝橡膠墊同時(shí)涂抹密封膠，保證密封完全。跳汰機(jī)分為五個(gè)氣室，每個(gè)氣室加裝一根方鋼管用于供氣和支撐氣囊，每室安裝16 個(gè)氣囊，跳汰機(jī)整體安裝80 個(gè)氣囊。方鋼水平安置于跳汰機(jī)內(nèi)部，一端與機(jī)體進(jìn)氣口連接，另一端與機(jī)體連接，連接位置處密封。柔性空氣室運(yùn)行過程中，出現(xiàn)氣囊破損現(xiàn)象，為延長(zhǎng)使用壽命，尋找了新材質(zhì)氣囊。新式氣囊仍為橡膠材質(zhì)，但其剛性得到較大的提高，新氣囊采用三層帆布橡膠（上層膠3 mm，下層膠1.5 mm），投用以后，使用正常。

工業(yè)型柔性空氣室跳汰機(jī)和選礦廠原跳汰機(jī)在選煤廠進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。改造前后見表1。

表1 改造前后跳汰機(jī)分選指標(biāo)Table 1 Separating indexes of jig before and after transformation

改造后盡管矸石的產(chǎn)率相近，但是精煤和中煤合計(jì)灰分分別15.94%和14.97%，約下降1%。

由跳汰機(jī)分選得到選礦產(chǎn)品的分配曲線計(jì)算出的第一段和第二段的不完善度見表2。

表2 改造前后跳汰機(jī)工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of jig before and after transformation

由表2 可知，跳汰機(jī)改造后，塊矸帶煤率由3.30%降至2.87%，末矸帶煤率由15.10%降至12.58%。這表明柔性空氣室跳汰機(jī)對(duì)煤的回收率得到提高。

由改造前后的錯(cuò)配物曲線可得出第一段和第二段錯(cuò)配物含量見表3。

表3 改造前后跳汰機(jī)錯(cuò)配物含量Table 3 Mismatch content of jig before and after transformation

由表3 可知，跳汰機(jī)改造后，矸石段錯(cuò)配物含量由12.58%降至10.21%，而中煤段錯(cuò)配物含量由10.08%降至8.50%，柔性空氣室跳汰機(jī)分選精度較之前有所提升。

柔性空氣室跳汰機(jī)一個(gè)月的應(yīng)用塊矸石帶煤率和末矸石帶煤率統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別見圖7、8。

圖7 改造前后塊矸石帶煤率Fig.7 Loss rate of coal in block gangue before and after transformation

圖8 改造前后末矸石帶煤率Fig.8 Loss rate of coal in powder gangue before and after transformation

由圖7 可知，改造后塊矸石帶煤率平均為2.87%，改造前塊矸石帶煤率平均為3.30%，比改造前降低了0.43%。由圖8 可知，改造后末矸石帶煤率平均為12.58%，改造前末矸石帶煤率平均為15.10%，比改造前降低了2.52%。由于改造后跳汰機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)過氣囊破損現(xiàn)象，可能導(dǎo)致矸石帶煤率的升高，導(dǎo)致出現(xiàn)曲線中帶煤率突然升高的情況。后續(xù)過程中已將重新制作的新式氣囊安裝于柔性氣室跳汰機(jī)。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

趙固二礦選煤廠改造前，跳汰機(jī)單臺(tái)處理量為350-400 t/h；跳汰機(jī)氣室改造為柔性氣室后，其單位處理為400-450 t/h。在保證煤質(zhì)的前提下，單臺(tái)小時(shí)處理量約提升了50 t/h。2 臺(tái)跳汰機(jī)處理量共提高100 t/h，可以節(jié)省成本共計(jì)954.05萬元/a。

目前，趙固二礦選煤廠塊精煤的平均售價(jià)為1100 元/t，精煤平均價(jià)為800 元/t，矸石的平均售價(jià)為5 元/t。該廠年處理原煤量約為350 萬t/a，改造后塊矸帶煤率下降0.43 個(gè)百分點(diǎn)，末矸帶煤率下降2.52 個(gè)百分點(diǎn)，考慮到這是改造一臺(tái)的結(jié)果，兩臺(tái)改造后多產(chǎn)的精煤所創(chuàng)造的的經(jīng)濟(jì)效益共計(jì)914.86 萬元/a。

改造及維護(hù)投資約為77.13 萬元/a。

綜合經(jīng)濟(jì)效益=節(jié)約成本 + 帶煤率下降的效益 - 改造及維護(hù)費(fèi)用 = 1791.78 萬元/a。

5 結(jié) 論

（1）實(shí)驗(yàn)型柔性空氣室跳汰機(jī)床層運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)合傳統(tǒng)跳汰機(jī)床層的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，說明柔性空氣室跳汰機(jī)能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)空氣室跳汰機(jī)；

（2）與改造前比較，柔性空氣室跳汰機(jī)的脈動(dòng)水流更均勻，去除了脈動(dòng)死角，整個(gè)床層得到了充分分散，保證了分選產(chǎn)品質(zhì)量，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均優(yōu)于原YT-27 跳汰機(jī)，同時(shí)跳汰機(jī)的處理量約提升50 t/h，提高了設(shè)備的使用效率；

（3）降低跳汰機(jī)維護(hù)工作難度。改造前的跳汰機(jī)為復(fù)合式跳汰機(jī)，機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，維護(hù)難度較大；改造后，簡(jiǎn)化了機(jī)體結(jié)構(gòu)，若出現(xiàn)脈動(dòng)死角，只需根據(jù)死角位置，對(duì)其位置處的氣囊進(jìn)行維護(hù)或者更換便可解決問題；

（4）通過采用柔性空氣室新技術(shù)，可為該廠創(chuàng)造1791.78 萬元/a 的可觀經(jīng)濟(jì)效益，為大型跳汰機(jī)改造提供新思路。