趙環(huán)帥 尹德奪

(1.中國(guó)冶金礦山細(xì)粒篩分機(jī)械工程技術(shù)研究中心，河北省唐山市，063020;2.唐山杰斯德科技有限公司，河北省唐山市，063020)

煤炭是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)能源，在我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比重約為70%。2018年，我國(guó)原煤產(chǎn)量達(dá)到36.8億t，原煤入選率達(dá)到了71.8%，預(yù)計(jì)2020年我國(guó)原煤入選率要提升到75%。與此同時(shí)，國(guó)家煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃提出要積極推進(jìn)千萬噸級(jí)先進(jìn)洗選技術(shù)裝備研發(fā)應(yīng)用，降低洗選過程中的能耗、介耗和污染物排放，大力發(fā)展高精度煤炭洗選加工，尤其應(yīng)用推廣干法選煤工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤炭深度提質(zhì)和分質(zhì)分級(jí)。因此，研制干法選煤技術(shù)對(duì)煤炭清潔高效利用具有重要意義和廣闊市場(chǎng)前景。基于此，在借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種新型FTG風(fēng)力跳汰干法選煤系統(tǒng)。

1 干法選煤概述

近年來，我國(guó)干法選煤技術(shù)研究和發(fā)展蓬勃開展，先后出現(xiàn)了用于除去矸石的氣動(dòng)分離器和用于在0～80 mm煤中除去矸石的復(fù)合干法分離技術(shù)，其中復(fù)合式干法選煤技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種新型實(shí)用技術(shù)，并在生產(chǎn)中得到推廣和應(yīng)用[1-3]。干法選煤即適用于分選易選煤與中等可選煤，也適用于現(xiàn)有選煤廠在原煤入選前預(yù)排矸，可以提高選煤廠處理量和降低選煤成本。另外也具有煤矸石提純降低熱值、劣質(zhì)煤和臟雜煤的提質(zhì)以及大規(guī)模工業(yè)廢棄物的回收再利用等多種用途[4-6]。與濕法選煤相比，干法選煤的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)水資源方面。我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量的80%集中在西部，我國(guó)煤炭洗選工業(yè)必將伴隨著煤炭資源開發(fā)重心的戰(zhàn)略西移而向西部干旱地區(qū)轉(zhuǎn)移，而水資源的缺乏已成為我國(guó)西部地區(qū)煤炭開發(fā)和利用的制約因素。按照國(guó)家規(guī)劃，我國(guó)2020-2030年煤炭產(chǎn)能增長(zhǎng)將主要來自晉、陜、蒙這3個(gè)省區(qū)，這些干旱地區(qū)沒有足夠的水資源供濕法選煤技術(shù)應(yīng)用，因此采用干法選煤技術(shù)可以在一定程度上緩解西部煤炭資源開發(fā)的水資源短缺難題。

(2)環(huán)保方面。我國(guó)許多原煤未經(jīng)清潔處理直接燃燒，導(dǎo)致嚴(yán)重的能源浪費(fèi)和環(huán)境污染。原煤入選平均可脫除60%的灰分和脫除50%以上的黃鐵礦硫分。洗選后的商品動(dòng)力煤可提高燃煤鍋爐的熱效率3%～8%。干法選煤為動(dòng)力煤排矸、降硫提供了一種經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、有效的實(shí)用技術(shù)。

(3)氣候方面。在北方和高寒地區(qū)，采用干法選煤技術(shù)可避免冬季因產(chǎn)品水分高而凍結(jié)所帶來的生產(chǎn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸與裝卸困難。

(4)成本方面。干法選煤工藝簡(jiǎn)單，可露天作業(yè)，干法選煤廠投資僅為同規(guī)模濕法選煤廠投資的10%～20%，干法選煤作業(yè)成本也僅為濕法選煤作業(yè)成本的1/4～1/3(約2～3元/t)。

(5)煤質(zhì)方面。褐煤占我國(guó)動(dòng)力煤儲(chǔ)量的17.6%，褐煤原煤含矸率較高，且在水中易泥化，不宜濕法分選，干法選煤技術(shù)可解決易泥化煤的分選加工難題[7-9]。

2 FTG風(fēng)力跳汰干法選煤工藝流程和及其原理

2.1 工藝流程

FTG風(fēng)力跳汰干法選煤系統(tǒng)的工藝流程如圖1所示。

圖1 FTG風(fēng)力跳汰干法選煤系統(tǒng)工作流程

2.2 工作原理

FTG風(fēng)力跳汰干法選煤系統(tǒng)主要依據(jù)跳汰選煤原理，其分選過程主要為以下2個(gè)步驟。

(1)在恒壓風(fēng)、脈動(dòng)風(fēng)與高頻激振的共同作用下，分選床層物料形成較為穩(wěn)定、松散的近似流態(tài)化狀態(tài)。在分選床的激振運(yùn)動(dòng)使物料向前輸送的同時(shí)，床層物料在分選床下風(fēng)室送出的垂直上升變速氣流的作用下不斷松散和沉降，使物料漸漸按密度垂直分布，從而完成按密度分層。

(2)在分選床出料端設(shè)置水平分割堰裝置，按照預(yù)先設(shè)定的密度值水平方向分割已按密度垂直分布的床層物料，使密度低于設(shè)定值的精煤從溢流堰上方的精煤口自然溢流排出，而密度高于設(shè)定值的矸石則自溢流堰下方的排矸口排出。

在煤炭分選過程中，F(xiàn)TG風(fēng)力跳汰干法選煤系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)軟件程序與同位素射線技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)數(shù)字控制。為了保持出料精煤質(zhì)量的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，對(duì)分選床出料口溢流堰頂部的料層密度實(shí)施在線測(cè)控，通過對(duì)精煤生產(chǎn)質(zhì)量實(shí)施在線自動(dòng)化測(cè)控，可以獲得較高的分選精度。

2.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

FTG風(fēng)力跳汰干法選煤系統(tǒng)主要由給料裝置、恒壓風(fēng)裝置、脈動(dòng)風(fēng)裝置、除塵裝置、分選床、排料裝置、同位素密度測(cè)控裝置、運(yùn)行操作裝置等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

分選床沿物料前進(jìn)方向分為若干分選階段，每一階段對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立風(fēng)室，各風(fēng)室可單獨(dú)調(diào)控供風(fēng)參數(shù)，以滿足各段床面不同的工作要求，達(dá)到良好的分選效果。

圖2 FTG風(fēng)力跳汰干法選煤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

給料裝置和排料裝置是控制風(fēng)力跳汰干法選煤系統(tǒng)分選效果與生產(chǎn)能力的關(guān)鍵設(shè)備之一。給料裝置調(diào)速的作用是調(diào)整系統(tǒng)的處理量；排料裝置調(diào)速是為了使溢流堰頂端的水平高度與所設(shè)定的密度料層保持一致，且達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。只有給排料裝置動(dòng)作及時(shí)、準(zhǔn)確、連續(xù)和穩(wěn)定，才能保證分選床料層的穩(wěn)定，從而保證產(chǎn)品的數(shù)量與質(zhì)量。FTG風(fēng)力跳汰干法選煤系統(tǒng)的給料裝置和排料裝置采用了變頻數(shù)字控制技術(shù)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且實(shí)用，工作可靠且自動(dòng)化程度高。排料采用PID程序執(zhí)行參數(shù)調(diào)控動(dòng)作，以保證排料控制精確和運(yùn)行穩(wěn)定。

FTG風(fēng)力跳汰干法選煤系統(tǒng)的操控采用PLC程序控制。給料裝置、排料裝置、脈動(dòng)風(fēng)裝置、激振裝置等驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的信號(hào)采集、變頻調(diào)速、系統(tǒng)各電機(jī)的自動(dòng)順序啟停和運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)以及外圍設(shè)備的安全操作等均納入PLC的控制范圍。PLC控制具有故障率低、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，并設(shè)有自動(dòng)安全報(bào)警與緊急停車功能。一旦設(shè)備局部出現(xiàn)故障，可就近操作急停按鈕，使整個(gè)系統(tǒng)和附屬設(shè)備實(shí)現(xiàn)緊急停車，有效保證設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)與操作者的人身安全。

3 FTG風(fēng)力跳汰干法選煤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 分選床設(shè)計(jì)

分選床是風(fēng)力跳汰干法選煤系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)、剛度、振動(dòng)方向角和振幅是影響分選過程有效進(jìn)行的重要因素。通過反復(fù)試驗(yàn)和研究分析，對(duì)分選床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多次改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其降低自重，增加剛度。分選床設(shè)計(jì)增加了布料板，大大改善了料層的均勻性。對(duì)分選床的振幅和振動(dòng)方向角進(jìn)行理論分析與計(jì)算優(yōu)選，分選床經(jīng)過多次試驗(yàn)改造后，進(jìn)一步優(yōu)化了系統(tǒng)的分選效果。

對(duì)床面布風(fēng)板的結(jié)構(gòu)、布風(fēng)孔形狀和開孔率等進(jìn)行了多次試驗(yàn)和比較，確定圓形布風(fēng)孔更有利于床層近流態(tài)化狀態(tài)的形成，且不易堵塞，應(yīng)作為布風(fēng)孔的首選形式。

床層物料在分選床出料端，需用溢流堰切割分離煤層和矸石層，并分別進(jìn)入各自的出料口形成產(chǎn)品。溢流堰裝置曾分別設(shè)計(jì)了擺動(dòng)式和垂直升降式，并對(duì)其安裝位置進(jìn)行了多次試驗(yàn)。經(jīng)生產(chǎn)對(duì)比實(shí)踐證明，垂直升降式溢流堰裝置具有床層運(yùn)動(dòng)阻力小、分選精度高、分選范圍寬以及調(diào)整方便等特點(diǎn)。

3.2 恒壓風(fēng)裝置設(shè)計(jì)

恒壓風(fēng)裝置是形成近流態(tài)化床層的前提，脈動(dòng)風(fēng)裝置是形成風(fēng)力跳汰的條件。試制過程中對(duì)風(fēng)室各段的進(jìn)風(fēng)形式和布風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多次探討和設(shè)計(jì)修改，對(duì)送風(fēng)管路進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。對(duì)脈動(dòng)風(fēng)閥采用變頻控制，便于調(diào)整。將系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)的恒壓風(fēng)裝置改進(jìn)為系統(tǒng)內(nèi)閉路式循環(huán)設(shè)計(jì)，防止粉塵外溢，有利于環(huán)保，同時(shí)減少除塵系統(tǒng)的一次性投資。

3.3 給料裝置和排料裝置改進(jìn)

給料裝置和排料裝置的正常工作是獲得良好分選精度的必要條件。給料裝置試驗(yàn)中曾發(fā)生大塊物料卡葉輪、聚氨酯葉輪板不耐物料切割、給料中物料按粒度離析、床面布料不均等問題，通過數(shù)次較大的設(shè)計(jì)改進(jìn)，最終采用剛性葉輪與彈性擋板結(jié)構(gòu)相配合，同時(shí)修改了進(jìn)料口和出料口的尺寸與結(jié)構(gòu)。

排料裝置準(zhǔn)確和連續(xù)穩(wěn)定的排料動(dòng)作是保證床層穩(wěn)定的另一關(guān)鍵。針對(duì)因物料堆積角和摩擦造成的沿床面寬度排矸不均問題，對(duì)排料裝置結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了多次設(shè)計(jì)改進(jìn)，同時(shí)兼顧了方便維修、零件通用以及制造工藝性等諸方面因素。

改進(jìn)后的給料裝置和排料裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用、工作可靠、自動(dòng)化程度高。給料量和排料量均可根據(jù)工藝要求實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，使用效果良好。

3.4 同位素射線測(cè)控設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)對(duì)分選床料層密度采用同位素射線測(cè)控，排矸速度主要依靠反饋信號(hào)動(dòng)態(tài)控制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制分選，提高分選精度。同位素分選床料層密度回控流程如圖3所示。

圖3 同位素檢測(cè)分選床料層密度回控流程

分選床出料端溢流堰頂處設(shè)置有設(shè)計(jì)料層密度在線檢測(cè)點(diǎn)，把檢測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為1～5 V電信號(hào)輸出。通過預(yù)先儲(chǔ)存的設(shè)定值與PLC 程序比對(duì)，后經(jīng)PID運(yùn)算，反饋信號(hào)到變頻執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)施對(duì)排料速度的動(dòng)態(tài)調(diào)控，從而在分選床出料端處的水平高度，使所設(shè)定密度的料層始終保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定平衡。

對(duì)同位素射線密度測(cè)控進(jìn)行了長(zhǎng)期深入細(xì)致的研究。與北京某同位素應(yīng)用技術(shù)研究所合作，模擬實(shí)際工況，測(cè)試多種密度級(jí)煤樣(密度為1.5～2.1 g/cm3)，觀察密度變化對(duì)射線吸收程度的影響。

首先對(duì)不同型號(hào)同位素放射源進(jìn)行多次靜態(tài)試驗(yàn)對(duì)比和改進(jìn)，選擇出較具實(shí)用價(jià)值的放射源型號(hào)，并改進(jìn)了放射源的射角。試驗(yàn)用電離室作為射線信號(hào)接收器，未能成功。后經(jīng)多次試驗(yàn)和比較分析，最終選用光電倍增管作為射線信號(hào)接收器。

經(jīng)反復(fù)改進(jìn)后的同位素密度檢測(cè)儀靈敏度大大改善，最終得到的信號(hào)強(qiáng)度與物料密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系顯著而且穩(wěn)定。靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，同位素密度儀所測(cè)得的電信號(hào)輸出對(duì)回控的電信號(hào)輸入有實(shí)際應(yīng)用意義。改進(jìn)后的同位素射線密度測(cè)試輸出電壓信號(hào)與物料密度關(guān)系如圖4所示。

從圖4可以看出，測(cè)試數(shù)據(jù)回歸曲線顯示出相關(guān)性十分良好的近似線性。

在上述靜態(tài)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，編制出PLC回控程序，再通過動(dòng)態(tài)試驗(yàn)確定出PLC回控程序中的一系列設(shè)定參數(shù)值(設(shè)定參數(shù)值可調(diào))。對(duì)分選床料層密度測(cè)控程序進(jìn)行了閉路循環(huán)中間工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中較好地實(shí)現(xiàn)了分選床料層密度在線自動(dòng)測(cè)控，工作穩(wěn)定且分選效果良好。

圖4 同位素射線密度測(cè)試輸出電壓信號(hào)與物料密度關(guān)系

3.5 系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制部分設(shè)計(jì)采用PLC觸摸屏閉環(huán)控制。脈動(dòng)風(fēng)閥轉(zhuǎn)速、分選床振動(dòng)頻率、給料機(jī)構(gòu)和排料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速等的調(diào)控釆用了先進(jìn)的數(shù)字變頻技術(shù)。系統(tǒng)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及外圍設(shè)備電機(jī)的順序啟停、床層密度信號(hào)采集、變頻調(diào)速、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)與報(bào)警等均納入PLC的控制范圍，整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)單、故障率低。

4 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新及其應(yīng)用效果

4.1 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

(1)應(yīng)用分選床振動(dòng)對(duì)床層物料的拋擲運(yùn)動(dòng)與分選床下恒壓風(fēng)與脈動(dòng)風(fēng)三者的有效結(jié)合，在分選床面上形成均勻松散和穩(wěn)定的近流態(tài)化床層，為原煤在分選過程中按密度分層創(chuàng)造了有利條件。

(2)分選床的振幅與頻率、給料量、排料量、送風(fēng)量及脈動(dòng)風(fēng)的脈動(dòng)頻率等參數(shù)均能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)整，可適應(yīng)不同原煤煤質(zhì)特性對(duì)分選工藝參數(shù)進(jìn)行有效組合。

(3)各項(xiàng)工藝參數(shù)組合可在PLC中儲(chǔ)存，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)原煤煤質(zhì)的變化情況隨時(shí)調(diào)用。

(4)用同位素密度儀進(jìn)行分選床物料層密度在線測(cè)控(閉環(huán)數(shù)字控制)，提高分選精度。

4.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

(1)FTG風(fēng)力跳汰干法選煤系統(tǒng)與目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷售的產(chǎn)品工作原理不同，分選床單位面積處理能力比目前市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)干法選煤設(shè)備提高30%～40%。

(2)設(shè)備采用系統(tǒng)內(nèi)部恒壓風(fēng)閉路循環(huán)，能有效防止粉塵外溢，并減少除塵耗風(fēng)量和裝機(jī)總?cè)萘?，降低設(shè)備成本和生產(chǎn)運(yùn)行電耗。

(3)分選床振動(dòng)加恒壓和脈動(dòng)供風(fēng)、射線床層自動(dòng)測(cè)控等技術(shù)填補(bǔ)了我國(guó)干法選煤技術(shù)的空白。

4.3 應(yīng)用效果

FTG風(fēng)力跳汰干法選煤系統(tǒng)既適用于80～0 mm粒級(jí)易選煤、中等可選煤的分選，也適用于煤矸石提純以及劣質(zhì)煤入選前的預(yù)排矸等。其分選效果好，用于預(yù)排矸分選床單位面積處理能力在14 t/m2·h以上，可能偏差Ep為0.20，不完善度I為0.1，排矸率大于80%；分選易選煤、中等可選煤時(shí)，分選床單位面積處理能力在13 t/m2·h以上，可能偏差Ep為0.12，不完善度I為0.07，分選效率大于90%。具有原煤脫硫能力，可有效清除原煤中含有的大部分硫鐵礦，大大降低動(dòng)力煤直接燃燒造成的SO2排放污染，試驗(yàn)煤樣平均降硫率為49.7%。

5 結(jié)語

FTG風(fēng)力跳汰干法選煤系統(tǒng)具有分選效果好、原煤脫硫能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，可有效清除原煤中的大部分硫鐵礦硫，大大降低動(dòng)力煤直接燃燒造成的SO2排放污染，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。但也存在一些缺點(diǎn)，比如動(dòng)態(tài)情況的同位素料層測(cè)控技術(shù)尚需進(jìn)一步深入研究和完善。因此今后應(yīng)進(jìn)一步完善試驗(yàn)手段，繼續(xù)開展不同煤質(zhì)及用于其他相關(guān)物料分選的研究，開發(fā)系列化產(chǎn)品，以滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中對(duì)各種煤炭產(chǎn)品的不同需求。