摘　要：从理论上分析了潮湿细粒煤团聚的基本行为以及筛分过程的堵孔机理.研究表明，潮湿细泥堵塞筛孔的过程主要分2个阶段：**先是细泥粘附于筛丝上，降低有效筛分面积;其次是结团细泥在筛丝上形成覆盖膜.通过中试实验得出，琴弦式弹性筛面具有很好的自清洗能力，筛网不易堵塞，而且筛分效率高.

　　关键词：筛分;水分;颗粒团聚;堵孔机理;弹性筛面

　　中图分类号：TD 921　　　文献标识码：A

　　文章编号：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

　　筛分是煤炭加工利用过程的一个重要环节，特别是潮湿细粒煤炭的干法深度筛分(6 mm,3 mm)是近年来筛分技术研究的重要课题.煤炭在开采过程中，由于煤层渗水、井下防尘喷水和其它管理不善等原因造成原煤外在水分在7%以上.而这种潮湿细粒煤炭由于粒度小、比表面积大，加上有外在水分和粘土等成分的存在，致使相互粘结成团，并附在筛面上堵塞筛孔，从而导致筛分效果变差，筛分过程恶化.笔者在分析潮湿细粒粒群团聚机理的基础上，提出潮湿细粒煤炭的聚团过程和堵孔机理，寻求解决堵孔问题的方法和途径.

　　1　潮湿细粒物料团聚的机理及其对筛分过程的影响

　　1.1　团聚机理

　　潮湿细粒煤炭由于表面吸附水分而形成水化膜，当表面水多到粒子接触点处形成透镜状或环状的液相时，开始产生液桥力而导致粒子间附着力的增大，形成二次、三次粒子，促使颗粒团聚.

　　液桥力对粒子粘附成团有重要的作用，Fisher对液膜附着力的理论进行了较全面的研究.液膜作用、粒子间吸附力可以用下式进行计算(图1)[1]，即

　　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σT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，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，ys=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;mm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，得筛丝振动稳定解为

　　

　　(6)

　　式中，λn为第n阶频率比; l为筛丝长度; Pn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　　%

序号	入料性质		处理量 /t.m-2.h-1	一次筛分的工艺效果			二次筛分的工艺效果			筛上产品 的外水含量
	外在水分	含量(d＜6 mm)		限下率	限上率	总筛分效率	限下率	限上率	总筛分效率
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

　　从表1可以看出，对外在水分含量高(8.81%～13.67%)、细粒级含水量大(d<6　mm含量为69.74%～79.64%)的入筛原煤进行6　mm分级，经琴弦概率分级筛一次筛分后，限下率为10.57%～13.79%，限上率4.13%～4.88%，总筛分效率为77.68%～83.47%，经二次筛分后，其限上和限下可控制在6%左右[5].而且根据实验观察，即使在水分含量大、泥质多的情况，下琴弦筛网也不堵孔、不粘结细泥，具有较强的自清洗能力.

　　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**，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)

　　参考文献：

　　[1]曾凡，胡永平.矿物加工工程[M].徐州：中国矿业大学出版社，1995.29～31

　　[2]吉普尼斯 ш ш.选煤厂技术检查[M].于尔铁译.北京：煤炭工业出版社，1980.165～169

　　[3]刘初升.弹性筛面上潮湿细粒煤炭筛分机理和张筛的研究[D].徐州：中国矿业大学，1997.18～20

　　[4]陈清如.筛分和重选理论及其应用的新进展[M].徐州：中国矿业大学出版社，1994.80～91

　　[5]赵跃民.潮湿煤炭细粒干法筛分的研究[D].徐州：中国矿业大学，1991.48～58，86