近年来 , 随着我国煤炭工业的发展 , 煤炭洗选加工业取得了较大的进步. 全国选煤厂的入洗能力不断提高 , 目前原煤的入洗比例达到 32%左右. 同时为了满足国内市场和出口的需要 , 对精煤的质量也提出了更高的要求. 因此浮选精煤的水分成为当今选煤厂迫切需要解决的问题. 沉降过滤式离心机是一种新型和高效的细粒煤脱水设备 , 在选煤厂主要用于煤泥的脱水. 它具有产品水分低 , 处理能力大 , 占地面积小 , 没有辅助设备 , 系统简单和适应物料浓度变化范围大等优点.
1 沉降过滤式离心机的工作原理
沉降过滤式离心机工作原理 如图 1所示. 待分离的矿浆在离心机内分别经历了离心沉降和离心过滤两个过程. 这种离心机主要由呈柱锥形的沉降转鼓、圆柱形过滤转鼓、与沉降过滤转鼓形状相配的螺旋输送器和行星差速器组成. 主电动机通过胶带轮带动转鼓高速旋转, 在行星差速器的作用下 , 差速器的输出轴带动螺旋输送器与转鼓作同向转动 , 但有一定的差转速. 矿浆由进料管通过位于螺旋输送器内筒上的加速器加速后 , 进入沉降转鼓内的柱锥交界处 , 转鼓高速旋转产生的比重力高几百倍的离心力, 使固相颗粒从液体里分离出来 , 并沉降到转鼓内壁 , 该过程称为离心沉降; 经初步脱水后的固相由螺旋推送器推送到带筛网的过滤段 , 在离心力的作用下经过进一步过滤脱水后由排料口排出 , 这一过程称为离心过滤.
2 结构参数对分离效果的影响
沉降过滤式离心机的结构参数是在机械设计时确定的 , 因此在实际操作过程中是不可变更的参数. 沉降过滤式离心机的结构参数与生产能力及分离效果密切相关 , 结构参数主要包括沉降段转鼓直径 D与长度L1、锥段转鼓的半锥角α、过滤段转鼓的直径 Dg 与长度 Lg、筛缝宽度 b、螺旋叶片的导程 S等.
2.1 沉降段转鼓直径 D与长度 L1
转鼓直径 D表征了这类离心机的生产能力 , 直径越大则生产能力越大. 国内用于选煤厂的离心机直径在 900～1 400 mm, 直径 900 mm离心机的生产能力在 10～20 t/h, 而直径增大到 1 400 mm时 , 生产能力则可增大到 50～60 t/h. L1 的大小决定分离液在转鼓内停留时间的长短 , L1 大则分离液在转鼓内的停留时间就长 , 离心液中带走的固体颗粒就越少.
2.2 半锥角α
半锥角α是指转鼓锥段母线与轴线的夹角. 较大的锥角有利于固相的脱水 , 但是要增大轴向推力、输渣功率、增加螺旋叶片的磨损并使输渣效率降低. 由于煤浆中的固相颗粒相对较大 , 属于比较容易输送的物料 , 一般取α=10～15°.
2.3 过滤段转鼓的直径 Dg 与长度 Lg
过滤段转鼓的直径与溢流圆环直径有关 , 设计时应略小于最小的溢流圆环直径. 过滤段转鼓的长度Lg 长 , 固相在过滤段的停留时间就越长 , 容易得到较干的煤泥滤饼. 美国 BIRD公司生产的 SB6400离心机的 Lg =1 128 mm, 与沉降段转鼓的直径 (1 118 mm) 相仿 , 对浮选精煤脱水后的产品水分为 1815%.而国产 WLG900 ×1800II型离心机 (以下简称 G900Ⅱ) 的 Lg =552 mm, 其长度与沉降段转鼓直径的比值为 0161, 对浮选精煤脱水后的产品水分为 15154%. 可见对浮选精煤这种矿浆 , 过长的 Lg 尺寸对降低产品水分的作用不明显.
2.4 筛网材料与筛缝宽度 b
安装在过滤段转鼓内的筛网是沉降过滤式离心机的一个关键易损部件 , 进口离心机的筛网多用碳化钨材料制成 , 耐磨性好 , 使用寿命可达 15 000 h; 国产 G900 ×1800型离心机 (以下简称 G900) 所用筛网采用不锈钢材料 , 寿命只有 1 000 h. 改进设计后的 G900Ⅱ型离心机 , 筛网采用高铝陶瓷材料 , 其耐磨系数为碳化钨的 1/615, 价格为碳化钨的 1/6, 有论文分析高铝陶瓷滤网的使用寿命可达 6 000 h.滤网筛缝的宽度也是影响过滤效果的一个重要参数 , 筛缝过大有可能跑料 , 使产品回收率降低; 筛缝过小 , 增大过滤比阻 , 增加产品的水分. BIRD公司生产的 SB6400离心机的碳化钨筛网缝隙为 0138 mm,国产离心机的筛网缝隙为 012～015 mm, 多数离心机筛缝在 0135 mm.
2.5 螺旋叶片的导程 S
螺旋叶片的导程影响到固相在转鼓内的停留时间、输送效率、输送功率、螺旋输送器所受的轴向力和叶片的磨损. 螺旋导程较大时 , 可减少输送功率、轴向力和叶片的磨损. 缺点是固相在转鼓内的停留时间短 , 可能达不到煤泥脱水所必需的时间 , 输送效率低. 导程过小会引起煤泥在螺旋叶片间搭桥 , 使螺旋通道堵塞 , 造成分离过程不能进行. G900Ⅱ型离心机的导程为 305 mm, 约为转鼓直径的 1/3, 在过滤转鼓内走的路程不到 2圈.
2.6 进口与国产离心机结构参数的比较
进口与国产离心机结构参数的比较见表 1. 
3 操作参数对分离效果的影响
沉降过滤式离心机的操作参数是操作者根据煤浆情况进行调节的 , 操作参数主要包括分离因数 Fr(即转鼓转速 ng )、螺旋输送器与转鼓间的差转速Δn、处理量 Q和液层深度 h等. 根据被分离物料的具体情况 , 选用合适的操作参数 , 除了可以得到理想的分离效果外 , 还可以起到较好的节能作用.
3.1 分离因数 Fr
分离因数 Fr 是转鼓中离心力场强弱的标志 , 它的物理意义是离心加速度与重力加速度之比 , 即
Fr = ωr 2/g,
式中 , r为沉降段圆柱转鼓的内半径 , m; ω为转鼓旋转的角速度 , rad/s; g为重力加速度 , g =9181 m /s2.
Fr 大 , 可以提高分离效果 , 增加生产能力 , 但同时也增加了机器的功率消耗、磨损及转鼓壁上的应力. 转速越高 , 消耗的功率越大. 由于选煤厂煤浆的固液相重度差较大 , 固相颗粒比较疏松 , 因此所用的沉降过滤离心机的分离因数都比较低 , 而国产离心机的 Fr 比进口离心机要更低一些.
3.2 差转速Δn
螺旋输送器与转鼓间的差转速Δn是由行星差速器产生的 , 目前用于这类离心机的差速器有渐开线行星齿轮差速器和摆线针轮差速器两种. 渐开线行星齿轮差速器具有传递功率大、传动效率高的优点, 用于选煤厂的较多. 摆线针轮差速器体积小、质量轻 , 产品较成熟 , 在中小型离心机上用的较多. 差速较大,有利于提高输送固相物料的能力 , 减轻差速器负载. 但是过大的差转速 , 会减少产品在转鼓内的停留时间 , 增加产品的水分 , 因此差转速应控制在一个合适的范围.
由于差速器的速比是固定不变的 , 因此 , 差转速Δn也常用转差率 a表示 , 即
Δn
a = -------- ×100%.
ng
经统计 , 沉降过滤离心机的转差率一般在 118%～215%之间.
3.3 处理量 Q
离心机的处理量一般是指机器单位时间的进料流量 , 它是表示生产能力的一个重要指标 , 合适的处理量应认为是在满足产品分离要求下的最大进料量. 处理量还与进料浓度有关 , 选煤厂常按进料干煤量(t/h)计. 给料量小 , 生产效率低 , 经济性差; 给料量过大 , 有可能达不到分离要求. 通常 , 机器安装后,要根据被分离物料的具体情况进行现场调试 , 通过调节不同的进料量来分析分离效果 , 从而确定该离心机的处理量.
3.4 液层深度 h
液层深度 h可由位于转鼓大端盖上的溢流孔的位置进行调节. 液层深度大 , 螺旋叶片对转鼓内液池的扰动小 , 有利于降低离心液浓度从而获得较高的回收率. 由于这种离心机上增加了过滤段 , 产品的脱水主要在过滤段完成 , 因此在实际使用过程中 , 可以选用较高的液层深度.
4 进口与国产离心机分离效果的比较
20世纪 80年代以前 , 我国选煤厂多采用盘式真空过滤机进行煤泥脱水 , 生产能力低 , 产品的水分比较高. 从 20世纪 80年代初 , 我国开始研制沉降过滤式离心机 , 由于受制造技术的制约 , 生产的离心机使用寿命短 , 螺旋和滤网磨损快 , 检修困难 , 影响了国产离心机的推广应用. 改革开放以来 , 我国先后从美国 DMI公司、BIRD公司和德国 KHD公司引进了多台不同型号的沉降过滤式离心机 , 应用于国内部分选煤厂 , 取得了较好的效果. 进口与国产离心机分离效果的比较见表 3.
由表 3可以看出 , 对原生煤泥 , 国产设备与进口机的生产能力相近 , 其中产品水分国产设备要优于进
口机 , 其余分离效果由于入料性能不一 , 不能作简单的比较. 对浮选精煤 , 美国 SB6400型与国产的LG1100型离心机转鼓内径相近 , 但生产能力要比国产机高近 50%, 产品水分比国产设备低 18%左右,说明国产离心机与进口设备还存在较大的差距.
5 结论
(1) 深入研究了被分离物料的性质 , 分析了国内外现有产品的结构参数和操作参数 , 提出了适合中国国情的设计参数.
(2) 提高离心机分离因数的难度在于制造技术 , 重点要解决主轴的支承和润滑问题 , 在制造过程中要确保主要零部件加工和整机组装的同轴度 , 提高转鼓和螺旋输送器组件的动平衡精度.
(3) 加强对筛网、螺旋输送器叶片等易磨损件的研究 , 提高易磨损件的使用寿命.
(4) 差速器是沉降过滤式离心机的一个关键部件, 建议采用 2 - 2K - H型渐开线行星齿轮差速器,以提高整机的工作可靠性.
(5) 离心机主驱动电机和调节差速用的辅电机可采用变频调速 , 既可以降低起动功率 , 也可以根据物料情况 , 调节转鼓转速和差转速. 增加差速器转臂的扭矩测量装置和进料阀自动控制系统 , 以便在机器超载时起自动保护作用 , 确保机器的安全运行.
