侯 婧

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術研究中心，河北 唐山 063012)

煤炭作為我國主要的能源之一，在現(xiàn)代化工業(yè)中依然發(fā)揮著重要作用[1]。開采出的煤炭要經(jīng)過選煤廠進行洗選加工，在提高了煤炭的產(chǎn)品質量的同時也實現(xiàn)了最大程度地煤炭清潔，避免環(huán)境污染[2]。隨著采煤機械化程度的不斷提高，原煤中煤泥含量也顯著增加，使?jié)穹ㄟx煤中煤泥水處理難度變大。煤炭產(chǎn)品水分是產(chǎn)品質量的重要指標，產(chǎn)品水分低不僅有利于提高產(chǎn)品發(fā)熱量，而且具有方便運輸、防止煤在冬季結冰、節(jié)約水資源等優(yōu)點，因此煤泥脫水作業(yè)成了選煤工藝中決定產(chǎn)品質量和經(jīng)濟效益的關鍵環(huán)節(jié)[3]。

目前，我國選煤廠采用的煤泥脫水設備主要有板框壓濾機、沉降過濾離心機、加壓過濾機等。加壓過濾機作為大型機電一體化設備，與其他煤泥脫水設備相比，具有處理能力大、脫水效果好、濾液濃度低、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點，是選煤廠使用較廣泛的一種煤泥脫水設備。國外加壓過濾機最大處理面積已經(jīng)達到168 m2，主要應用在有色金屬、煤炭和食品行業(yè)。目前國內(nèi)加壓過濾機已形成系列化產(chǎn)品，按照處理面積可劃分成60，72，96，120，140 m2五種規(guī)格[4]。近年來，隨著選煤相關技術的發(fā)展，結合生產(chǎn)過程中加壓過濾機的工作情況，加壓過濾機的關鍵結構、加工工藝、制作材料、控制系統(tǒng)等都有了不同程度的優(yōu)化升級，并且已經(jīng)在生產(chǎn)中得到應用[5-7]。

加壓過濾機密封排料裝置是設備的關鍵部件，其可靠性對加壓過濾機的穩(wěn)定運行至關重要，但在實際生產(chǎn)過程中該裝置時常出現(xiàn)閘板打不開、閘板關不到位、排料不連續(xù)(造成產(chǎn)品質量不均勻且當排料量太大時可造成下游給煤機“堵死”)、液壓系統(tǒng)故障、充氣密封圈磨損嚴重等情況。為了解決加壓過濾機密封排料裝置在生產(chǎn)過程中存在的這些問題，提高加壓過濾機運行的可靠性和穩(wěn)定性，對加壓過濾機密封排料裝置的排料方式、機械結構和驅動方式進行了優(yōu)化設計。

1 加壓過濾機

1.1 結構與工作原理

加壓過濾機主要由加壓倉、盤式過濾機、刮板輸送機、密封排料裝置、控制系統(tǒng)五個部分組成(圖1)。盤式過濾機安裝在加壓倉內(nèi)，是加壓過濾機的核心部分；刮板輸送機布置在盤式過濾機卸料側的下部，機頭布置在密封排料裝置上倉口。

1—加壓倉；2—盤式過濾機；3—刮板輸送機；4—密封排料裝置

加壓過濾機工作時，加壓倉內(nèi)壓力升高至0.2～0.5 MPa，煤漿通過加壓過濾機給料泵送入盤式過濾機的槽體內(nèi)，保證濾盤的浸入深度達到50%；盤式過濾機是加壓過濾機的核心部分，通過濾盤內(nèi)外的壓差，使物料在濾布表面形成濾餅；濾餅在卸料刮刀和反吹作用下落入下方刮板輸送機內(nèi)，以下鏈運輸?shù)姆绞竭\送到機頭位置下方的密封排料裝置內(nèi)，最后排出倉外[8]。

1.2 密封排料裝置工作原理

密封排料裝置需要在保證加壓過濾機內(nèi)部壓力不外泄的情況下進行排料，是加壓過濾機的重要組成部分，其工作的可靠性和穩(wěn)定性直接影響加壓過濾機的生產(chǎn)效率。加壓過濾機密封排料裝置結構示意如圖2所示。

現(xiàn)有的加壓過濾機密封排料裝置為倉體和水平閘板結構，通過閘板交替開閉進行排料。倉體分為上倉體和下倉體，兩倉體的倉底分別與上、下閥體連接，兩閥體內(nèi)分別設置液壓驅動的閘板和充氣密封圈，在上、下閘板交替開閉時，對應的上、下充氣密封圈通過放氣和充氣來防止壓力外泄[9]。

1—上倉體；2—上閥體；3—下倉體；4—下閥體；5—上充氣密封圈；6—上閘板；7—下充氣密封圈；8—下閘板

加壓過濾機工作時，密封排料裝置的上閘板關閉，上充氣密封圈充氣，使上倉體內(nèi)壓力與加壓倉內(nèi)壓力相同，刮板輸送機把濾餅運至上倉體；當上倉體內(nèi)濾餅積累到設定高度時，上充氣密封圈放氣，上閘板打開，將上倉體內(nèi)濾餅卸落到下倉體；卸料完成后，上閘板關閉，上充氣密封圈充氣，此時上倉體和下倉體獨立密封；當下倉體壓力減至與大氣壓力相同時，下充氣密封圈放氣，下閘板打開，將下倉體內(nèi)濾餅排出倉外；排料完成后，下閘板關閉，下充氣密封圈充氣，下倉體增壓至與上倉體壓力相同。

1.3 存在問題

由于工作環(huán)境較差，現(xiàn)有的密封排料裝置在實際生產(chǎn)過程中存在以下問題：

(1)密封排料裝置的上下閘板交替打開進行排料，間歇性將濾餅排出加壓過濾機外，且一次性排料較多，不僅容易撒料，還容易造成給煤機“堵死”等故障。

(2)充氣密封圈作為易損件更換頻率大，且需要工人進入密封排料裝置內(nèi)進行更換，操作空間小，更換困難。

(3)密封排料裝置的上下閘板由液壓系統(tǒng)驅動，液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時，很難快速定位故障點[10-12]。

為此，對加壓過濾機密封排料裝置的結構、密封方式和驅動及控制方式進行了優(yōu)化設計。

2 優(yōu)化設計

2.1 結構

優(yōu)化后的密封排料裝置(圖3)由排料殼體、排料筒和轉軸組成，排料殼體可以劃分成三個工作區(qū)域，中間位置是旋轉區(qū)，上部為入料區(qū)，下部為排料區(qū)。排料殼體的上下兩端均為法蘭結構，分別與加壓倉和給煤機連接，沿軸向兩側分別是法蘭端蓋和法蘭透蓋，其中法蘭透蓋側轉軸伸出與電機連接，法蘭端蓋側用于對轉軸進行固定，防止出現(xiàn)軸向移動。轉軸上安裝排料筒，在電機驅動下，轉軸帶動排料筒在排料殼體內(nèi)旋轉。排料筒內(nèi)部空間被四塊隔板均勻分成四個獨立倉室[14]，隔板頂端安裝有橡膠密封片，在排料筒旋轉過程中，四個獨立倉室可以與排料殼體之間形成密封的空間，從而將入料區(qū)的濾餅旋轉到排料區(qū)。

1—排料殼體；2—排料筒；3—轉軸

優(yōu)化后的密封排料裝置采用電機驅動的旋轉倉體進行排料，沿軸向兩側均采用法蘭連接，這種連接方式不僅方便拆裝，而且為設備檢修提供了更多可利用空間。優(yōu)化后的密封排料裝置將內(nèi)部空間也進行了合理劃分，能夠實現(xiàn)均勻連續(xù)排料，不僅降低了能耗，簡化了檢修和維護過程，而且整體尺寸比原密封排料裝置減小，控制方式簡單，實現(xiàn)了降低加壓過濾機生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率的目標。

2.2 密封方式

加壓過濾機工作壓力在0.2～0.5 MPa之間，密封排料裝置在排料過程中的密封性要求較高。如果密封排料裝置的密封性能不好，在排料過程中出現(xiàn)壓縮空氣外泄，輕則出現(xiàn)噴料，重則發(fā)生爆炸。

優(yōu)化后的密封排料裝置采用物料密封和結構密封的雙重密封方式。物料密封是利用濾餅填滿密封排料裝置內(nèi)倉室，從而使排料筒在旋轉的過程中將倉體內(nèi)壓縮空氣與倉體外大氣隔絕，保證在排料過程中壓縮空氣不外泄。結構密封分為徑向密封和軸向密封，其中：徑向密封是在排料筒內(nèi)隔板上安裝密封片，使排料筒在旋轉的過程中與排料殼體的圓弧面形成密封；軸向密封是在排料筒側板之間安裝膨體聚四氟乙烯盤根(圖4)，兩條盤根并排安裝，保證在排料筒旋轉時其側板與排料殼體的圓弧面之間形成密封，使壓縮空氣不會發(fā)生軸向泄露。膨體聚四氟乙烯盤根具有極低的摩擦系數(shù)和良好的自潤滑性能，抗摩擦能力強，同時具有固體材料中最小的表面張力，不黏附任何物質，在相對惡劣的工作環(huán)境中，膨體聚四氟乙烯盤根不管是自身性能還是使用壽命都要優(yōu)于其他填料密封產(chǎn)品[15-16]。

1—排料殼體；2—盤根；3—排料筒

2.3 驅動及控制方式

優(yōu)化后的密封排料裝置采用電機驅動、變頻器控制方式，實現(xiàn)了無級調(diào)速，取消了現(xiàn)有密封排料裝置的液壓站，既降低了成本又節(jié)省了空間；此外還省略了現(xiàn)有密封排料裝置對密封圈的充放氣，節(jié)省了能耗。

對優(yōu)化后的密封排料裝置的濾餅量進行實時監(jiān)測，結果表明，變頻電機能根據(jù)濾餅量調(diào)整轉速，使積存的濾餅量始終保持在兩個倉室容積以上。該控制方式可以有效防止優(yōu)化后的密封排料裝置倉室內(nèi)濾餅填充不足而出現(xiàn)的壓縮空氣泄漏問題，使系統(tǒng)只需要根據(jù)料位計的反饋信號即可對驅動電機的轉速實行閉環(huán)控制，既簡化了控制系統(tǒng)，也在一定程度上降低了系統(tǒng)故障率。

3 結論

密封排料裝置是加壓過濾機的重要部件，想要使加壓過濾機連續(xù)、穩(wěn)定、高效生產(chǎn)，提高密封排料裝置的可靠性、穩(wěn)定性至關重要。加壓過濾機密封排料裝置的優(yōu)化設計已于2022年5月獲得實用新型專利授權。通過對密封排料裝置的優(yōu)化設計，得出以下結論：

(1)將密封排料裝置的排料方式改進為旋轉排料，可以將濾餅均勻且連續(xù)地排出加壓過濾機，排料均勻、沖擊小，避免了撒料和給煤機“堵死”等故障的發(fā)生。

(2)將密封排料裝置的密封方式改進為物料密封和結構密封，密封效果好，且成本相對較低，密封件更換時只需要將排料筒經(jīng)排料殼體側面拉出即可更換，不受空間限制，操作方便。

(3)將密封排料裝置的驅動及控制方式改進為電機驅動、變頻器控制，不僅減少了設備的故障點，降低了設備的故障率，優(yōu)化了后期的檢修及維護，而且取消了液壓站密封圈的充放氣，降低了能耗，也大大提高了加壓過濾機的可靠性和穩(wěn)定性。