摘　要：從理(lǐ)論上分(fēn)析了潮濕細粒煤團聚的基本行為(wèi)以及篩分(fēn)過程的堵孔機理(lǐ).研究表明，潮濕細泥堵塞篩孔的過程主要分(fēn)2個階段：**先是細泥粘附于篩絲上，降低有(yǒu)效篩分(fēn)面積;其次是結團細泥在篩絲上形成覆蓋膜.通過中(zhōng)試實驗得出，琴弦式彈性篩面具(jù)有(yǒu)很(hěn)好的自清洗能(néng)力，篩網不易堵塞，而且篩分(fēn)效率高.

　　關鍵詞：篩分(fēn);水分(fēn);顆粒團聚;堵孔機理(lǐ);彈性篩面

　　中(zhōng)圖分(fēn)類号：TD 921　　　文(wén)獻标識碼：A

　　文(wén)章編号：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(fēn)是煤炭加工(gōng)利用(yòng)過程的一個重要環節，特别是潮濕細粒煤炭的幹法深度篩分(fēn)(6 mm,3 mm)是近年來篩分(fēn)技(jì )術研究的重要課題.煤炭在開采過程中(zhōng)，由于煤層滲水、井下防塵噴水和其它管理(lǐ)不善等原因造成原煤外在水分(fēn)在7%以上.而這種潮濕細粒煤炭由于粒度小(xiǎo)、比表面積大，加上有(yǒu)外在水分(fēn)和粘土等成分(fēn)的存在，緻使相互粘結成團，并附在篩面上堵塞篩孔，從而導緻篩分(fēn)效果變差，篩分(fēn)過程惡化.筆(bǐ)者在分(fēn)析潮濕細粒粒群團聚機理(lǐ)的基礎上，提出潮濕細粒煤炭的聚團過程和堵孔機理(lǐ)，尋求解決堵孔問題的方法和途徑.

　　1　潮濕細粒物(wù)料團聚的機理(lǐ)及其對篩分(fēn)過程的影響

　　1.1　團聚機理(lǐ)

　　潮濕細粒煤炭由于表面吸附水分(fēn)而形成水化膜，當表面水多(duō)到粒子接觸點處形成透鏡狀或環狀的液相時，開始産(chǎn)生液橋力而導緻粒子間附着力的增大，形成二次、三次粒子，促使顆粒團聚.

　　液橋力對粒子粘附成團有(yǒu)重要的作(zuò)用(yòng)，Fisher對液膜附着力的理(lǐ)論進行了較全面的研究.液膜作(zuò)用(yòng)、粒子間吸附力可(kě)以用(yòng)下式進行計算(圖1)[1]，即

　　圖1　顆粒間的液膜附着力

　　Fig.1　Adhesive force of liquid film between the particles

　　

　　(1)

　　式中(zhōng)，R1，R2為(wèi)液面和液環的曲率半徑;σ為(wèi)液體(tǐ)的表面張力.

　　可(kě)以看出，液環的半徑R2越大，其吸附力越大.

　　潮濕細粒粒群煤炭的整體(tǐ)團聚力取決于顆粒接觸點上的内聚集力，可(kě)用(yòng)張力強度σT來表征.對于單一直徑随機堆積的料層

　　

　　(2)

　　式中(zhōng)，ε為(wèi)粒群堆積空隙度;F為(wèi)内聚力;d為(wèi)顆粒直徑.

　　根據煤炭的粒度分(fēn)布情況堆積特性，料層的空隙一般不會全部被液體(tǐ)充填，其張力強度σ′T是液體(tǐ)飽和度ω的函數，即

　　

　　(3)

　　式中(zhōng)，Δp為(wèi)毛細壓力;f(θ)為(wèi)粘附力;θ為(wèi)接觸角;ω為(wèi)液體(tǐ)飽和度.

　　表面潮濕的煤炭其團聚狀态，除了受液橋力的作(zuò)用(yòng)外，還要受到範德(dé)華力和粘土類礦物(wù)的粘附力等作(zuò)用(yòng).潮濕細粒煤炭的團聚是一個綜合作(zuò)用(yòng)的結果.

　　1.2　對篩分(fēn)的影響

　　潮濕細粒煤炭的粒度組成、表面水分(fēn)及細泥含量對篩分(fēn)過程有(yǒu)着很(hěn)大的影響，而且往往既相互制約又(yòu)相互聯系.試驗結果表明：當原煤幹燥無外水時，原煤中(zhōng)細粒含量(包括細泥含量)越多(duō)，篩分(fēn)效率就越高;當外在水分(fēn)增加到一定程度時(如大于7%)，細粒含量和細泥含量的增加都會使篩分(fēn)效率降低.概率篩的全篩分(fēn)效率與入篩原煤中(zhōng)細泥含量及外在水分(fēn)之間的關系如圖2所示.

　　

　　圖2　篩分(fēn)效率與原煤中(zhōng)篩下級别含量及外在水分(fēn)之間的關系

　　Fig.2　Screening efficiency vs fines content and moisture

　　2　潮濕煤炭篩分(fēn)過程的堵孔機理(lǐ)

　　在煤炭篩分(fēn)過程中(zhōng)，篩網的堵塞是一種比較常見的現象，特别是當煤炭的水分(fēn)含量高，細粒粘性物(wù)料含量大以及“難篩顆粒”多(duō)時，更容易造成堵孔問題.篩孔的堵塞問題，可(kě)分(fēn)為(wèi)2種情況：①　難篩顆粒(0.75a≤d≤1.25a)落入篩孔時，由于顆粒形狀不規則，容易卡死在篩孔中(zhōng)造成堵孔;② 細粒在表面水分(fēn)張力和粘性物(wù)料(如粘土)的作(zuò)用(yòng)下，易在篩網上形成覆蓋膜而造成堵孔.

　　在篩分(fēn)時，不同相對粒度(顆粒直徑d/篩孔尺寸a)的物(wù)料通過篩孔的透篩概率是不一樣的，往往是相對粒度越小(xiǎo)的物(wù)料其透篩的概率越大.在傾斜振動的篩面上，粒狀物(wù)料的理(lǐ)論透篩概率為(wèi)

　　

　　(4)

　　式中(zhōng)，a為(wèi)篩孔尺寸;b為(wèi)篩絲直徑;α為(wèi)篩面傾角;β為(wèi)物(wù)料下落時對篩面的相對運動方向線(xiàn)垂直線(xiàn)的夾角;Ψ為(wèi)物(wù)料與篩絲内側碰撞後能(néng)落入篩孔的系數.

　　研究表明，越是接近篩孔尺寸的顆粒，越難透篩，當顆粒直徑與篩孔直徑之比為(wèi)0.1時，顆粒接觸篩面時的透篩概率為(wèi)81%;當比值為(wèi)0.8時，透篩概率隻有(yǒu)4%;而當比值為(wèi)0.99時，概率隻有(yǒu)0.01%[2].對于“難篩顆粒”，不僅透篩概率小(xiǎo)，而且容易造成堵孔.由于煤炭的顆粒形狀很(hěn)不規則，難篩顆粒堵孔的幾率很(hěn)大.當篩孔不變形時，篩絲對顆粒的擠壓力越大，難篩粒卡孔後越難以被擠出，如果采用(yòng)彈性篩面，則有(yǒu)利于卡孔顆粒的彈出[3].

　　對于潮濕細泥覆蓋膜堵孔的情況來說，它的形成過程可(kě)分(fēn)為(wèi)2個階段：① 由于細粒粘性物(wù)質(zhì)等牢固粘結在篩絲上，使透篩面積減少;② 細粒物(wù)料相互粘結在篩面上，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　潮濕細粒煤的堵孔過程

　　Fig.3　Aperture blinding process of wet fine coal

　　潮濕細粒煤炭幹法深度篩分(fēn)的難點是細顆粒比表面積大，外在水分(fēn)含量高，當外在水分(fēn)超過7%時，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(zuò)用(yòng)下互相粘結成團如圖3(b)所示;随着篩分(fēn)過程的進行，一些潮濕細粒粘性物(wù)料相互粘結并粘附在篩網上如圖3(c);随着篩分(fēn)時間的逐漸加長(cháng)，粘附到篩網上細小(xiǎo)顆粒越來越多(duō)，與篩面上的潮濕細泥一起在液橋力和水膜表面張力的作(zuò)用(yòng)下，形成一張覆蓋膜，将篩孔堵塞如圖3(d).一旦篩孔被堵，篩分(fēn)過程就無法進行.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(lǐ)論分(fēn)析與實驗

　　3.1　理(lǐ)論分(fēn)析

　　琴弦式概率分(fēn)級篩已在我國(guó)煤礦推廣應用(yòng)，它的特點是第3層篩網由彈簧鋼絲張緊而成的琴弦式彈性篩面，篩絲的運動可(kě)以看成是具(jù)有(yǒu)支撐運動的張緊振動.設篩絲上的物(wù)料均勻分(fēn)布，長(cháng)為(wèi)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(zhōng)，ys=Asin(ωt-Ψ)是篩箱的振動位移，設oxy為(wèi)動坐(zuò)标系，固定在篩箱上;o1x1y1是靜坐(zuò)标系.

　　篩絲相對篩箱的運動微分(fēn)方程[4]為(wèi)

　　

　　(5)

　　式中(zhōng)，v為(wèi)波沿弦長(cháng)度方向傳播的速度，

;T0為(wèi)篩絲的張力;ρ為(wèi)篩絲單位體(tǐ)積的質(zhì)量;S為(wèi)篩絲的截面積;mm為(wèi)篩絲單位長(cháng)度上的物(wù)料質(zhì)量;g為(wèi)重力加速度.

　　邊界條件：

　　y(0, t)=0,y(l, t)=0.

　　利用(yòng)傅立葉級數和拉普拉斯變換解方程，得篩絲振動穩定解為(wèi)

　　

　　(6)

　　式中(zhōng)，λn為(wèi)第n階頻率比; l為(wèi)篩絲長(cháng)度; Pn為(wèi)第n階固有(yǒu)頻率.

　　在篩分(fēn)過程中(zhōng)，由于篩子工(gōng)作(zuò)在共振區(qū)内，篩絲的相對振動得到強化，振幅被放大,因此篩絲在共振狀态下，所需的激振力較小(xiǎo)，即篩分(fēn)機可(kě)以采用(yòng)較小(xiǎo)的加速度，而琴弦篩網卻可(kě)達到較大的加速度和振幅，從而可(kě)破裂潮濕細泥在篩絲上的覆蓋膜，并可(kě)自清洗掉粘結的篩網上的細泥，使篩網不堵塞.

　　3.2　實驗結果

　　為(wèi)了考察琴弦式篩網在篩分(fēn)潮濕細粒煤時的實際篩分(fēn)效果，将半工(gōng)業性概率篩分(fēn)系統上的概率篩第3層編織篩網更換為(wèi)琴弦篩網，對某礦煤進行6 mm篩分(fēn)系統實驗,篩分(fēn)結果見表1.

　　表1　篩分(fēn)試驗結果

　　Table 1　Sizing test results　　%

序号	入料性質(zhì)		處理(lǐ)量 /t.m-2.h-1	一次篩分(fēn)的工(gōng)藝效果			二次篩分(fēn)的工(gōng)藝效果			篩上産(chǎn)品 的外水含量
	外在水分(fēn)	含量(d＜6 mm)		限下率	限上率	總篩分(fēn)效率	限下率	限上率	總篩分(fēn)效率
1 2 3 4	8.81 13.67 13.29 12.18	79.64 69.74 74.43 75.39	60.48 60.48 60.48 60.48	12.42 13.79 10.57 11.87	4.86 4.36 4.88 4.13	77.68 82.78 82.11 83.47	4.34 5.43 5.57 4.73	5.65 5.81 5.95 5.12	75.89 83.94 80.23 82.34	2.56 3.65 3.55 3.41

　　從表1可(kě)以看出，對外在水分(fēn)含量高(8.81%～13.67%)、細粒級含水量大(d<6　mm含量為(wèi)69.74%～79.64%)的入篩原煤進行6　mm分(fēn)級，經琴弦概率分(fēn)級篩一次篩分(fēn)後，限下率為(wèi)10.57%～13.79%，限上率4.13%～4.88%，總篩分(fēn)效率為(wèi)77.68%～83.47%，經二次篩分(fēn)後，其限上和限下可(kě)控制在6%左右[5].而且根據實驗觀察，即使在水分(fēn)含量大、泥質(zhì)多(duō)的情況，下琴弦篩網也不堵孔、不粘結細泥，具(jù)有(yǒu)較強的自清洗能(néng)力.

　　4　結　　論

　　(1)煤炭外在水分(fēn)一般按表面積分(fēn)布，粒度越細，比表面積越大，水分(fēn)越高.

　　(2)潮濕細粒煤由于受液橋力、水膜表面張力等作(zuò)用(yòng)而粘結成團，其團聚的程度取決于水分(fēn)、煤的潤濕性和粘土質(zhì)的含量.

　　(3)潮濕細泥堵塞篩孔的過程主要分(fēn)2個階段：①　細泥粘附于篩絲上，降低了有(yǒu)效篩分(fēn)面積;②　結團細泥在篩孔上形成覆蓋膜.

　　(4)琴弦概率分(fēn)級篩适用(yòng)于潮濕細粒粘性物(wù)料的幹法分(fēn)級，篩孔不堵塞，篩分(fēn)效率高.

　　作(zuò)者簡介：陶秀祥(1957-)，男，副教授，碩士生導師.1982年畢業于中(zhōng)國(guó)礦業大學(xué)選礦**，1988年獲南京大學(xué)第二學(xué)士學(xué)位.現主要從事礦物(wù)加工(gōng)和潔淨煤技(jì )術的教學(xué)和科(kē)研工(gōng)作(zuò)，獲國(guó)家發明獎1項、教委理(lǐ)論成果一等獎1項.發表“煤炭外水分(fēn)布規律及其對流化床分(fēn)選的影響”等論文(wén)20餘篇.

　　作(zuò)者單位：陶秀祥(中(zhōng)國(guó)礦業大學(xué) 能(néng)源化工(gōng)系，江蘇 徐州　221008)

　　趙躍民(mín)(中(zhōng)國(guó)礦業大學(xué) 能(néng)源化工(gōng)系，江蘇 徐州　221008)

　　楊國(guó)華(中(zhōng)國(guó)礦業大學(xué) 能(néng)源化工(gōng)系，江蘇 徐州　221008)

　　劉初升(中(zhōng)國(guó)礦業大學(xué) 能(néng)源化工(gōng)系，江蘇 徐州　221008)

　　參考文(wén)獻：

　　[1]曾凡，胡永平.礦物(wù)加工(gōng)工(gōng)程[M].徐州：中(zhōng)國(guó)礦業大學(xué)出版社，1995.29～31

　　[2]吉普尼斯 ш ш.選煤廠技(jì )術檢查[M].于爾鐵譯.北京：煤炭工(gōng)業出版社，1980.165～169

　　[3]劉初升.彈性篩面上潮濕細粒煤炭篩分(fēn)機理(lǐ)和張篩的研究[D].徐州：中(zhōng)國(guó)礦業大學(xué)，1997.18～20

　　[4]陳清如.篩分(fēn)和重選理(lǐ)論及其應用(yòng)的新(xīn)進展[M].徐州：中(zhōng)國(guó)礦業大學(xué)出版社，1994.80～91

　　[5]趙躍民(mín).潮濕煤炭細粒幹法篩分(fēn)的研究[D].徐州：中(zhōng)國(guó)礦業大學(xué)，1991.48～58，86