風力跳汰選煤

風力跳汰選煤是指依靠氣流以及相關機械工藝的振動來從原煤中分離出精煤。而這一技術所使用的分選介質通常使用無污染和無干擾的空氣，依靠不同的密度以及粒度來進行重力分選。

基本介紹

• 中文名：風力跳汰選煤
• 外文名：Jigging by wind
• 出現時間：十九世紀的70年代
• 原理：氣流以及相關機械工藝的振動
• 前景：廣闊
• 學科：選煤技術

研究背景

煤炭是我國經濟發展的基礎能源，選煤是煤炭工業生產中提高煤炭質量必不可缺少的環節，是綜合利用資源，節約能源和環境保護的有效途徑。風力跳汰選煤的最大優點就是完全不用水，節省水資源，解決了選後產品脫水和煤泥水處理的環保難題。

這一技術首次面世是在十九世紀的70年代．而最早套用於實際生產的是美國。之後英國以及前蘇聯都陸續地開始採用這一技術。而一直到上個世紀六十年代末．我國才開始有對風力設備的研究並且進行相關實驗的例子之後。到了八十年代和九十年代，我國對風力跳汰選煤的套用才開始逐漸步入實際的正軌。

選煤技術適用於現有選煤廠原煤入選前的預排矸，以提高選煤廠的處理量和降低選煤成本；劣質煤、髒雜煤的提質；煤矸石提純降低熱值；大規模工業廢棄物的回收再利用等多種用途。因此，研製有效的選煤技術對煤的清潔和有效利用有著重要意義和廣闊的市場套用前景。

工作原理

風力跳汰選煤系統根據跳汰洗選的原理，首先使分選床層的物料在高頻激振和恆壓風、脈動風共同作用下，形成較為穩定、鬆散的近似近流態化狀態。在分選床的激振運動下使物料向前輸送的同時，床層物料在分選床下風室送出的垂直上升變速氣流中不斷鬆散、沉降，使物料逐漸按密度垂直分布，完成按密度分層。在分選床出料端設定水平分割堰裝置，按照預先設定的密度值，水平方向分割已按密度垂直分布的床層物料，使密度低於設定值的精煤自溢流堰上方的精煤口自然溢流出；而密度高於設定值的矸石則自溢流堰下方的排矸口排出。風力跳汰選煤系統的工作流程如右圖所示。

在分選過程中套用同位素射線技術與計算機軟體程式實現系統的閉環數字控制。對分選床出料口溢流堰頂部料層密度實施線上監控，以保持出料精煤質量的動態穩定。通過對精煤生產質量實施線上自動化監控，獲得較高的分選精度。

1、床層的鬆散和近流態化狀態

分選床面上物料的鬆散與近流態化是由床面激振和方向垂直於床層的恆壓風、脈動風的共同作用實現的。完全流化後的氣-固流化床，其運動表觀狀態很像沸騰的液體，並在很多方面都呈現類似於流體的性質。風力跳汰選煤系統分選床料層的運動狀態表觀上與流態化的定義相符。

理論上的固體流態化是顆粒狀物料與流動的氣體或液體相接觸，並在後者的作用下呈現某種類似於流體的狀態。在本系統中若僅採用恆壓風與脈動風作用於床層時只是一種固定床狀態；若僅採用高頻激振時床層的鬆散度又比較小。而當入選物料在分選床面上被以一定的拋射角、振動頻率與振幅產生拋擲運動的同時，分選床面下對應的風室透過布風孔送出垂直於床面的恆壓風，與一定頻率的脈動風和運動的物料充分混合，就形成了穩定的鬆散和近似流態化的狀態。

2、近流態化床層的分選作用

一定密度的物料與空氣組成了氣-固兩相混合介質，形成了具有一定厚度、一定分散度的穩定的近流態化床層。根據熱力學第二定律，任何封閉體系都趨向於自由能降低。分層前床面物料的位能高於分層後的位能，在穩定鬆散的近流態化床層的條件下，密度較大的物料(矸石)會自動下沉，密度較小的物料(煤)則自動上浮，即通過礦粒的密度再分布達到總體位能降低，逐漸形成床層物料按密度梯度垂直分布。

3、脈動風的分選作用

脈動風的方向與床面垂直，方向向上。在脈動風的作用下，床層進一步鬆散，為物料顆粒按密度分層提供足夠的時間與空間。脈動風速度與時間關係曲線如右圖所示。

在圖2中的t₁階段，風的加速度為正值，振動與介質加速度共同促使低密度礦粒比高密度礦粒更快地上升，對按密度分層有利；在t₃階段，風的加速度為負值，介質加速度促使低密度礦粒比高密度礦粒更快地下降，但由於恆壓風垂直向上的作用力使礦粒受脈動風負加速度的影響減小，恆壓風此時的作用如同水力跳汰時的頂水作用，使t₃階段的影響減小。因此，恆壓風對跳汰過程中按密度分層有重要作用。礦粒與介質間產生相對運動時的阻力加速度與礦粒密度有關，還與礦粒的粒度與形狀有關，與相對運動速度的平方成正比。由於空氣黏度遠遠小於水的黏度，使粒度與形狀的影響弱化，有利於按密度分層以得到比較理想的分選效果。在風力跳汰過程中，物料由於分選床高頻振動被向前輸送，鬆散的物料經過反覆的上下運動，逐漸實現按密度分層。

恆壓風和脈動風在下風室混合，通過分選床面布風孔作用於床層。要求床面設計成布風均勻、不漏料、不易堵孔的同時，儘量降低風阻，增大床層物料的鬆散度。經過數次試驗和研究改進，使床面布風孔的孔型、孔徑與開孔率等設計參數合理搭配，達到了預期的跳汰效果。

在分選過程中，通過調整工藝參數，使顆粒之間、粒群與風之間的相對運動速度減小，保持適當的床層鬆散度，既能使床層迅速達到穩定的近流態化狀態，又可以起到互為重介的作用。

4、粒群相互作用的浮力效應

在風力跳汰選煤的過程中，要求分選床全寬度上風的脈動速度和床層鬆散度均勻一致，長度方向按入料段、中間段和出料段不同的工藝要求調整恆壓風和脈動風的工藝參數，以保證床層鬆散度和各段床面的分層功能。不同粒度的原煤在振動作用和風力的作用下相互擠壓和碰撞，產生一種浮力效應。在料層向出料端移動的過程中，低密度顆粒不斷上浮向頂層聚集，而底層矸石產品則不斷得到淨化。

選煤系統結構

1、系統結構

風力跳汰選煤系統由給料裝置、分選床、排料裝置、恆壓風裝置、脈動風裝置、除塵裝置、機架、運行操作裝置和同位素密度監控裝置等組成。其結構示意如右圖所示。

給排料裝置是控制風力跳汰選煤系統生產能力和分選效果的關鍵設備之一。給料裝置調速的作用是調整系統的處理量，而排料裝置調速則是為保持所設定密度料層與溢流堰頂端水平高度保持一致，並達到動態穩定。只有給排料動作準確，及時，連續和穩定，才能保證分選床料層的穩定和產品的數量與質量。風力跳汰選煤系統的給、排料裝置採用變頻數字控制技術，根據煤質設定其密度，從接收器所取得的這些數據與排料、給料等其他數據相結合，可以比較準確地反映出分選系統床層按密度分層的狀態。

2、電氣控制

系統採用PLC工業設計，觸摸人機互動界面。主要包括常壓風控制、脈動風控制、流化床振動頻率控制、排料機構控制及故障信號報警等，全部的控制通過PLC內部的PID來智慧型控制。分選床振動頻率、脈動風閥轉速、給排料機構轉速等的調控皆採用先進的數字變頻技術。系統各運動機構及外圍設備電動機的順序啟停、變頻調速、床層密度信號採集、設備運行狀態自動檢測與報警等均納入PLC的控制範圍。整個系統自動化程度高，故障率低，操作簡單。分選床料層密度採用同位素射線監控，通過反饋信號動態控制排矸速度，以實現分選過程自動控制，提高分選精度。

設計料層密度線上監測點位於分選床出料端溢流堰頂處，檢測數據轉換為1～5V電信號輸出。通過PLC程式與預先儲存的設定值比對，再經PID運算反饋信號給變頻執行機構，實施對排料速度的動態調控，以使所設定密度的料層在分選床出料端處的水平高度始終保持動態穩定平衡。

靜態試驗結果表明，同位素密度儀所測得的電信號輸出對回控所需的電信號輸入是完全有實際套用意義的。右圖為同位素射線密度測試輸出電壓信號與物料密度的關係，測試數據回歸曲線顯示出相關性十分良好的近似線性。將這些數據轉換為電壓信號後送給PLC系統，經過PID處理，確定物料的給、排料速度等工藝數據，系統通過變頻調速器自動調節排料輪速度，實現對分選系統的閉環控制。

根據上述靜態試驗結果，編制出PLC回控程式，再通過動態試驗確定出PLC回控程式中的一系列設定參數值(設定參數值可調)。對分選床料層密度監控程式進行閉路循環的中間工業性試驗表明，系統在運行過程中較好地實現了分選床料層密度線上自動監控，工作穩定，分選效果良好。

套用前景

近年來，位於我國華北地區河北省的唐山分院組織了選煤的學術性研討會，獲得了歷史性的相關成就而且通過基於國際間的合作手段。根據我國煤炭分部情況、技術特點以及我國對煤炭需求的現狀等。

風力選煤機與相關配套的設備與工藝等。此外，利用這些設備進行了高仿真度的實驗，取得了可喜成績。類似的，我國內蒙古地區也進行了相關測試，確認了風力選煤的可用性。

綜上所述，在選煤工藝的選擇上，應該立足於建廠選址、資金籌措等客觀情況。同時在原煤的可選性、成品所套用的範圍、以及經濟效益等方面來進行綜合考慮。因此，不同的選煤工藝都有不同的適用範圍。風力選煤技術也是如此。而考慮到最適合風力選煤的環境，就是在高寒或者乾旱地區，在那裡可以對不同形式的動力煤進行加工。因為那裡的原煤除了大量的矸石以外，質量上沒有問題：同時可以省去本身不太充沛的水資源，保護環境，同時可以防止為了防凍等進行處理的成本預計在以後我國選煤工藝的發展中，由於煤炭開發在地理位置上不斷向西推進，以風力選煤為代表的技術將會得到大力推廣。

套用效果

生產實踐表明，風力跳汰選煤系統適用於0～80mm粒級易選煤和中等可選煤的分選，劣質煤入選前的預排矸及煤矸石提純等。

2006年4月，黑龍江某建材公司利用矸石做制磚原料，因矸石中含煤(δ=-1.8g/cm³密度級含量12.69%)，熱值偏高(g=5.350MJ/kg)，直接作為制磚原料質量不合格，需要進行矸石提純處理，降低含煤量，使矸石符合制磚原料的熱值標準(要求熱值g<4.182MJ/kg)。選用本文中所述的風力跳汰選煤系統作為提純設備，不僅選出了合格的制磚原料(熱值g=3.851MJ/kg)，同時還獲得了作為副產品的部分低質煤(熱值g=11.521MJ/kg)。分選結果比較滿意，其分選結果(記錄)如下表所列。

產物/（克/立方厘米）		產率%	灰分%	熱值/（MJ/kg）
入選原料	+1.8~-1.8	100.00	75.39	5.350
選後低質煤	+1.8~-1.8	19.04	60.95	11.521
選後矸石	+1.8~-1.8	79.68	79.20	3.851
粉塵		1.28	53.00	6.888

系統還具備原煤脫硫能力，可有效清除原煤中的大部分硫鐵礦硫，大大降低動力煤直接燃燒所造成的SO₂排放污染。