潮湿细粒煤炭筛分过程堵孔机理的研究

图1　颗粒间的液膜附着力
Fig.1　Adhesive force of liquid film between the particles

(1)

式中，R₁，R₂为液面和液环的曲率半径；σ为液体的表面张力.
　　可以看出，液环的半径R₂越大，其吸附力越大.
　　潮湿细粒粒群煤炭的整体团聚力取决于颗粒接触点上的内聚集力，可用张力强度σ_T来表征.对于单一直径随机堆积的料层

(2)

式中，ε为粒群堆积空隙度；F为内聚力；d为颗粒直径.
　　根据煤炭的粒度分布情况堆积特性，料层的空隙一般不会全部被液体充填，其张力强度σ′_T是液体饱和度ω的函数，即

(3)

式中，Δp为毛细压力；f(θ)为粘附力；θ为接触角；ω为液体饱和度.
　　表面潮湿的煤炭其团聚状态，除了受液桥力的作用外，还要受到范德华力和粘土类矿物的粘附力等作用.潮湿细粒煤炭的团聚是一个综合作用的结果.
1.2　对筛分的影响
　　潮湿细粒煤炭的粒度组成、表面水分及细泥含量对筛分过程有着很大的影响，而且往往既相互制约又相互联系.试验结果表明：当原煤干燥无外水时，原煤中细粒含量(包括细泥含量)越多，筛分效率就越高；当外在水分增加到一定程度时(如大于7%)，细粒含量和细泥含量的增加都会使筛分效率降低.概率筛的全筛分效率与入筛原煤中细泥含量及外在水分之间的关系如图2所示.

图2　筛分效率与原煤中筛下级别含量及外在水分之间的关系
Fig.2　Screening efficiency vs fines content and moisture

2　潮湿煤炭筛分过程的堵孔机理

　　在煤炭筛分过程中，筛网的堵塞是一种比较常见的现象，特别是当煤炭的水分含量高，细粒粘性物料含量大以及“难筛颗粒”多时，更容易造成堵孔问题.筛孔的堵塞问题，可分为2种情况：①　难筛颗粒(0.75a≤d≤1.25a)落入筛孔时，由于颗粒形状不规则，容易卡死在筛孔中造成堵孔；② 细粒在表面水分张力和粘性物料(如粘土)的作用下，易在筛网上形成覆盖膜而造成堵孔.
　　在筛分时，不同相对粒度(颗粒直径d/筛孔尺寸a)的物料通过筛孔的透筛概率是不一样的，往往是相对粒度越小的物料其透筛的概率越大.在倾斜振动的筛面上，粒状物料的理论透筛概率为

(4)

式中，a为筛孔尺寸；b为筛丝直径；α为筛面倾角；β为物料下落时对筛面的相对运动方向线垂直线的夹角；Ψ为物料与筛丝内侧碰撞后能落入筛孔的系数.
　　研究表明，越是接近筛孔尺寸的颗粒，越难透筛，当颗粒直径与筛孔直径之比为0.1时，颗粒第一次接触筛面时的透筛概率为81%；当比值为0.8时，透筛概率只有4%；而当比值为0.99时，概率只有0.01%^［2］.对于“难筛颗粒”，不仅透筛概率小，而且容易造成堵孔.由于煤炭的颗粒形状很不规则，难筛颗粒堵孔的几率很大.当筛孔不变形时，筛丝对颗粒的挤压力越大，难筛粒卡孔后越难以被挤出，如果采用弹性筛面，则有利于卡孔颗粒的弹出^［3］.
　　对于潮湿细泥覆盖膜堵孔的情况来说，它的形成过程可分为2个阶段：① 由于细粒粘性物质等牢固粘结在筛丝上，使透筛面积减少；② 细粒物料相互粘结在筛面上，形成覆盖膜，这种覆盖膜的性质已接近于薄膜的性质，如图3所示.

图3　潮湿细粒煤的堵孔过程
Fig.3　Aperture blinding process of wet fine coal

　　潮湿细粒煤炭干法深度筛分的难点是细颗粒比表面积大，外在水分含量高，当外在水分超过7%时，则颗粒表面形成一层薄薄的水膜，如图3(a)所示，而相邻颗粒在液桥力和水膜表面张力作用下互相粘结成团如图3(b)所示；随着筛分过程的进行，一些潮湿细粒粘性物料相互粘结并粘附在筛网上如图3(c)；随着筛分时间的逐渐加长，粘附到筛网上细小颗粒越来越多，最终与筛面上的潮湿细泥一起在液桥力和水膜表面张力的作用下，形成一张覆盖膜，将筛孔堵塞如图3(d).一旦筛孔被堵，筛分过程就无法进行.因此，必须研究解决覆盖膜破裂的方法和途径.

3　琴弦式弹性筛面克服堵孔问题的理论分析与实验

3.1　理论分析
　　琴弦式概率分级筛已在我国煤矿推广应用，它的最大特点是第3层筛网由弹簧钢丝张紧而成的琴弦式弹性筛面，筛丝的运动可以看成是具有支撑运动的张紧强迫振动.设筛丝上的物料均匀分布，长为l的筛丝两端固定在筛箱上，其力学模型如图4所示.

图4　琴弦筛丝的力学模型
Fig.4　Mechanical model of piano-wire

　　在图4中，y_s=Asin(ωt-Ψ)是筛箱的振动位移，设oxy为动坐标系，固定在筛箱上;o₁x₁y₁是静坐标系.
　　筛丝相对筛箱的运动微分方程^［4］为

(5)

式中，v为波沿弦长度方向传播的速度，；T₀为筛丝的张力；ρ为筛丝单位体积的质量；S为筛丝的截面积；m_m为筛丝单位长度上的物料质量；g为重力加速度.
　　边界条件：
　　　　　　　y(0, t)=0,y(l, t)=0.
　　利用傅立叶级数和拉普拉斯变换解方程，得筛丝强迫振动稳定解为

(6)

式中，λ_n为第n阶频率比; l为筛丝长度; P_n为第n阶固有频率.
　　在筛分过程中，由于筛子工作在共振区内，筛丝的相对振动得到强化，振幅被放大,因此筛丝在共振状态下，所需的激振力较小，即筛分机可以采用较小的加速度，而琴弦筛网却可达到较大的加速度和振幅，从而可破裂潮湿细泥在筛丝上的覆盖膜，并可自清洗掉粘结的筛网上的细泥，使筛网不堵塞.
3.2　实验结果
　　为了考察琴弦式筛网在筛分潮湿细粒煤时的实际筛分效果，将半工业性概率筛分系统上的概率筛第3层编织筛网更换为琴弦筛网，对某矿煤进行6 mm筛分系统实验,筛分结果见表1.

表1　筛分试验结果
Table 1　Sizing test results　　%

4　结　　论

　　(1)煤炭外在水分一般按表面积分布，粒度越细，比表面积越大，水分越高.
　　(2)潮湿细粒煤由于受液桥力、水膜表面张力等作用而粘结成团，其团聚的程度取决于水分、煤的润湿性和粘土质的含量.
　　(3)潮湿细泥堵塞筛孔的过程主要分2个阶段：①　细泥粘附于筛丝上，降低了有效筛分面积；②　结团细泥在筛孔上形成覆盖膜.
　　(4)琴弦概率分级筛适用于潮湿细粒粘性物料的干法分级，筛孔不堵塞，筛分效率高.

作者简介：陶秀祥(1957-)，男，副教授，硕士生导师.1982年毕业于中国矿业大学选矿专业，1988年获南京大学第二学士学位.现主要从事矿物加工和洁净煤技术的教学和科研工作，获国家发明奖1项、教委理论成果一等奖1项.发表“煤炭外水分布规律及其对流化床分选的影响”等论文20余篇.
作者单位：陶秀祥（中国矿业大学 能源化工系，江苏 徐州　221008）
赵跃民（中国矿业大学 能源化工系，江苏 徐州　221008）　
杨国华（中国矿业大学 能源化工系，江苏 徐州　221008）　
刘初升（中国矿业大学 能源化工系，江苏 徐州　221008）