趙啦啦，江海深，趙躍民，段晨龍，李允旺，劉初升

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

我國(guó)“富煤、貧油、少氣”的能源稟賦特點(diǎn)，決定了煤炭在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)仍然是最經(jīng)濟(jì)可靠的戰(zhàn)略資源。篩分是實(shí)現(xiàn)煤炭資源高效加工和清潔利用的關(guān)鍵基礎(chǔ)工藝，也是實(shí)現(xiàn)原煤脫粉入選的首要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)代機(jī)械采煤工藝使原煤中的末煤及外水含量可分別高達(dá)70%和7%以上。由于受到原煤水分和矸石泥化的影響，普通干法篩分設(shè)備極易發(fā)生“篩面堵孔”等問(wèn)題，從而導(dǎo)致難以進(jìn)行粒級(jí)13 mm以下原煤的有效篩分，其中粒級(jí)6 mm和3 mm原煤的干法深度篩分理論與技術(shù)更是當(dāng)前國(guó)際篩分領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題[1-2]。

普通干法篩分設(shè)備進(jìn)行細(xì)粒原煤篩分時(shí)極易發(fā)生篩面堵孔、篩面損壞、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件斷裂等問(wèn)題，而高g類(lèi)篩分設(shè)備(如弛張篩)存在篩面壽命短、單位篩面處理量小等不足。已有篩分過(guò)程理論缺少顆粒物理特性及顆粒間微觀力學(xué)行為對(duì)篩面顆粒流動(dòng)特性和篩分性能的影響機(jī)理等關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題的研究，制約了新型篩分技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。此外，我國(guó)篩分設(shè)備的整體設(shè)計(jì)水平與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品之間仍具有明顯的差距，亟需進(jìn)一步發(fā)展新型篩分設(shè)備的設(shè)計(jì)理論和方法。

交叉篩是一種適用于濕黏細(xì)粒原煤干法深度篩分的極具應(yīng)用前景的新型篩分設(shè)備，具有篩面不堵孔、篩分效率高、單位篩面處理量大、可靠性高、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在選煤、電力等行業(yè)有了一定的應(yīng)用，并逐漸發(fā)展成為一種原煤干法深度篩分的重要設(shè)備。然而，目前有關(guān)交叉篩分技術(shù)的研究主要是國(guó)內(nèi)開(kāi)展的少量應(yīng)用研究，國(guó)際上仍未開(kāi)展交叉篩的相關(guān)篩分基礎(chǔ)理論研究，缺少交叉篩關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法，制約了交叉篩的應(yīng)用和發(fā)展。

基于此，結(jié)合煤炭資源高效加工和清潔利用的國(guó)家重大需求，為突破濕黏細(xì)粒原煤干法篩分過(guò)程中面臨的篩面易堵孔、篩面壽命短等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，有必要對(duì)目前已有的濕黏細(xì)粒煤干法深度篩分理論及技術(shù)研究現(xiàn)狀，以及具有廣泛應(yīng)用前景的交叉篩技術(shù)有關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析和總結(jié)。所得結(jié)論，能夠?yàn)榇龠M(jìn)濕黏細(xì)粒煤干法深度篩分理論的研究，以及為新型高效篩分設(shè)備的研制等提供參考。

1 濕黏細(xì)粒煤篩分理論及技術(shù)現(xiàn)狀

從目前公開(kāi)的文獻(xiàn)資料來(lái)看，濕黏細(xì)粒煤干法深度篩分涉及的有關(guān)基礎(chǔ)理論和技術(shù)方法已有一定的研究成果，主要涉及干法篩分技術(shù)及設(shè)備、濕黏細(xì)顆粒系統(tǒng)分離機(jī)理和篩分過(guò)程的模擬優(yōu)化等方面的研究。

1.1 干法篩分技術(shù)及設(shè)備現(xiàn)狀

篩分理論研究是發(fā)展新篩分技術(shù)和研制新型篩分設(shè)備的基礎(chǔ)。多年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)濕黏細(xì)粒煤的干法深度篩分，國(guó)內(nèi)外研究者提出了概率篩分、等厚篩分、弛張篩分等多種方法，發(fā)展了相應(yīng)的概率篩、等厚篩及弛張篩等多種篩分設(shè)備[2]。在實(shí)際應(yīng)用中，利用傳統(tǒng)振動(dòng)篩分設(shè)備進(jìn)行濕黏細(xì)粒煤干法篩分所面臨的主要問(wèn)題有：濕黏細(xì)粒煤極易造成篩面堵孔而無(wú)法有效篩分，篩面篩條易損壞而無(wú)法精確篩分，以及振動(dòng)篩橫梁等關(guān)鍵件在交變動(dòng)應(yīng)力作用下而斷裂破壞等，如圖1所示。

圖1 濕黏細(xì)粒煤干法篩分主要問(wèn)題Fig. 1 Main problems in dry screening of wet cohesive fine coal

目前廣泛應(yīng)用的兩種細(xì)粒煤篩分設(shè)備：弛張篩和等厚篩(香蕉篩)如圖2所示。其中，圖2a為奧地利Binder弛張篩，圖2b為美國(guó)Birtley香蕉篩。弛張篩的主要特點(diǎn)是篩面拋擲強(qiáng)度高(可達(dá)50g,g為重力加速度)、不堵孔、篩分效率高、分級(jí)下限可達(dá)3 mm，但料層厚度較薄，處理量相對(duì)較小，篩面易疲勞損壞，篩面壽命短。一般情況下，進(jìn)口弛張篩聚氨酯篩網(wǎng)的壽命為6個(gè)月左右，而國(guó)產(chǎn)篩網(wǎng)的壽命僅為3個(gè)月左右。如果安裝和使用不當(dāng)，還容易造成篩網(wǎng)斷裂、沖擊破損等問(wèn)題，從而使篩網(wǎng)的實(shí)際壽命更短[3]。因此，弛張篩在得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，仍需在弛張篩分基礎(chǔ)理論、篩面及結(jié)構(gòu)可靠性等方面開(kāi)展深入研究[4]。有關(guān)弛張篩的篩分理論研究國(guó)內(nèi)外已有一定的成果：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)劉初升課題組研究了彈性篩面的動(dòng)力學(xué)特性[5-6]，太原理工大學(xué)熊曉燕課題組研究了聚團(tuán)顆粒與彈性篩面之間的耦合特性[7-8]，文獻(xiàn)[9]利用Liwell弛張篩模型機(jī)對(duì)1 mm和2 mm粒級(jí)顆粒的篩分性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但其篩分物料為干燥顆粒。另一種應(yīng)用廣泛的細(xì)粒煤篩分設(shè)備香蕉篩或等厚篩，是一種基于等厚篩分原理發(fā)展而來(lái)的篩分設(shè)備。其主要特點(diǎn)是處理能力大、篩分效率高、分級(jí)下限多為13 mm、振動(dòng)強(qiáng)度為5g左右，但當(dāng)分級(jí)下限降低、物料水分增加時(shí)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的堵孔現(xiàn)象。同時(shí)，受限于等厚篩的結(jié)構(gòu)原理，其振動(dòng)強(qiáng)度很難得到更大的提高，難以滿足6 mm和3 mm粒級(jí)高濕黏原煤干法深度篩分的要求[10]。另外，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，相同入料和分級(jí)粒度條件下，與型號(hào)接近的弛張篩相比，等厚篩的篩分效率隨著處理量的增加而下降得更快，弛張篩的整體工藝性能優(yōu)于等厚篩[11]。等厚篩的篩分理論研究代表性成果有：CLEARY等[12-13]基于數(shù)值模擬方法研究了等厚篩振動(dòng)篩分過(guò)程中篩面顆粒的流動(dòng)特性及透篩機(jī)理，LIU等[14]研究了等厚篩的篩面結(jié)構(gòu)對(duì)篩分過(guò)程的影響規(guī)律，文獻(xiàn)[15]建立了等厚篩的機(jī)械模型，并討論了篩孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)篩分性能的影響。

圖2 常用細(xì)粒煤篩分設(shè)備Fig. 2 Commonly used screening equipment for fine coal particles

此外，國(guó)內(nèi)近年來(lái)發(fā)展了多種細(xì)粒煤的篩分技術(shù)及設(shè)備。例如，篩面拋擲強(qiáng)度可高達(dá)80g～100g的拋射篩[16]、剛?cè)狁詈蠌椥院Y[17]、變振幅彈性桿篩[18]、高幅篩[2]，以及具有顯著應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Φ慕徊婧Y[3，19-20]等。然而，我國(guó)篩分技術(shù)的有關(guān)研究多為應(yīng)用研究，篩面顆粒流動(dòng)特性、透篩機(jī)理以及顆粒物理特性對(duì)篩分過(guò)程的影響等相關(guān)基礎(chǔ)理論研究不足，制約了新篩分技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，篩分設(shè)備的整體設(shè)計(jì)水平與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品之間仍具有較大的差距，新型篩分設(shè)備的設(shè)計(jì)理論和方法也有待進(jìn)一步發(fā)展。

1.2 濕黏細(xì)顆粒系統(tǒng)分離機(jī)理研究現(xiàn)狀

顆粒分離現(xiàn)象普遍存在于散料加工領(lǐng)域中，當(dāng)物料顆粒的粒度、形狀及密度等物理性質(zhì)不同時(shí)，在外界激勵(lì)的作用下均可發(fā)生分離現(xiàn)象。顆粒分離的機(jī)理主要有振動(dòng)式分離(粒度分離)、拋擲式分離(運(yùn)動(dòng)分離)及流態(tài)化分離(密度分離)等，如圖3a所示。篩分過(guò)程中的顆粒分離主要是粒度分離，只有完成分離并與篩面接觸的細(xì)顆粒才有機(jī)會(huì)穿過(guò)篩孔而實(shí)現(xiàn)透篩。因此，顆粒分離機(jī)理是篩分基礎(chǔ)理論的重要研究?jī)?nèi)容。

圖3 顆粒系統(tǒng)分離機(jī)理Fig. 3 Separation mechanism of particle system

已有的顆粒分離研究主要集中在顆粒的振動(dòng)分離機(jī)理、振動(dòng)分離構(gòu)型和振動(dòng)模式對(duì)顆粒分離的影響等方面：研究了振動(dòng)參數(shù)[21]、顆粒粒徑分布特性[22]等對(duì)顆粒分離過(guò)程的影響機(jī)理，揭示了不同粒徑顆粒的分離速度在不同的顆粒聚集區(qū)內(nèi)具有不對(duì)稱(chēng)性的特性[23]；研究了不同振動(dòng)條件下顆粒系統(tǒng)呈現(xiàn)出的“巴西果”、“反巴西果”、“三明治”等多種分離構(gòu)型[24-26]；探討了水平直線[27]、水平圓[28]，以及垂直圓和橢圓[29]振動(dòng)模式下的顆粒系統(tǒng)分離特性和分離機(jī)理。由圖3b和圖3c所示的濕黏球顆粒和非球形顆粒的振動(dòng)分離結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，除了顆粒粒徑和振動(dòng)條件，顆粒形狀及濕顆粒間的黏聚力均對(duì)顆粒分離過(guò)程具有顯著的影響[30]。然而，目前已有的研究主要針對(duì)球形干顆粒在單一振動(dòng)激勵(lì)下的分離機(jī)理研究，缺少非球形濕黏顆粒系統(tǒng)的分離行為研究。

1.3 篩分過(guò)程的模擬優(yōu)化研究現(xiàn)狀

篩分過(guò)程中篩面顆粒流動(dòng)特性是篩分理論研究的基礎(chǔ)，而傳統(tǒng)篩分試驗(yàn)不僅效率低、成本高，而且難以獲取篩分過(guò)程中的顆粒級(jí)信息，不利于深入理解篩面顆粒間的碰撞及透篩等機(jī)理。因此，基于離散元方法(DEM，Discrete Element Method)的數(shù)值模擬成為近年來(lái)國(guó)際上研究篩分理論及技術(shù)的重要方法[12-13,31-33]。

對(duì)于篩面顆粒運(yùn)動(dòng)機(jī)理和篩分設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)對(duì)篩分過(guò)程的影響規(guī)律等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一系列的DEM模擬工作，研究了運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)對(duì)香蕉篩[34]、直線振動(dòng)篩[35]、圓振動(dòng)篩[36]、橢圓振動(dòng)篩[37]、變幅振動(dòng)篩[38-39]及滾軸篩[40]等的篩分過(guò)程影響規(guī)律，討論了篩孔形狀對(duì)振動(dòng)篩分過(guò)程的影響[41]，分析了篩分過(guò)程DEM模擬試驗(yàn)次數(shù)對(duì)結(jié)果平穩(wěn)性的影響[42]。一方面，在已有的模擬研究中，大多采用了簡(jiǎn)單、運(yùn)算效率高的球形顆粒模型。為了提高模擬精度，常采用超二次曲面[31]和多球顆粒[43]2種非球形顆粒模型。這2種顆粒模型均能在模型精度和計(jì)算效率之間達(dá)到較好的平衡，但由于與實(shí)際顆粒形狀之間仍存在明顯的差異，因此模擬過(guò)程中會(huì)引起一定的誤差。為此，對(duì)球形和非球顆粒模型的模擬準(zhǔn)確性開(kāi)展了有關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證研究[44-45]。另一方面，在實(shí)際篩分過(guò)程中，濕細(xì)顆粒在黏聚力作用下容易聚集成團(tuán)，從而影響篩面顆粒流動(dòng)特性和透篩過(guò)程。濕顆粒間的黏聚力對(duì)工業(yè)尺度雙層香蕉篩的篩分過(guò)程影響[31]如圖4所示。

可以看出，當(dāng)黏聚力較小時(shí)(圖4a)，篩分過(guò)程無(wú)明顯異常；而當(dāng)黏聚力較大時(shí)(圖4b)，篩面顆粒流運(yùn)動(dòng)速度緩慢，透篩顆粒減少，篩分過(guò)程受到明顯的影響。該研究是通過(guò)在顆粒接觸模型中添加黏聚力的方法模擬干法篩分過(guò)程中的濕顆粒聚團(tuán)問(wèn)題，而對(duì)于濕法篩分，可利用DEM-SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)耦合方法研究液相對(duì)篩分過(guò)程的強(qiáng)化作用[32]。另外，除剛性篩面外，弛張篩彈性篩面上濕黏聚團(tuán)顆粒的篩分機(jī)理也開(kāi)展了有關(guān)DEM模擬研究[7-8]。

圖4 濕黏顆粒物料的篩分過(guò)程模擬Fig. 4 Numerical study of screening process of wet cohesive particulate materials

可見(jiàn)，在篩分過(guò)程的DEM模擬優(yōu)化研究中，顆粒形狀及濕黏顆粒間的黏聚力對(duì)篩分過(guò)程的影響機(jī)理是目前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，缺少顆粒間微觀力學(xué)行為對(duì)篩面顆粒流動(dòng)特性及篩分性能的影響機(jī)理研究。

2 交叉篩篩分技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

交叉式細(xì)粒滾軸篩(交叉篩)是基于巴爾篩(Barr screen)發(fā)展而來(lái)的一種適用于濕細(xì)物料干法深度篩分的設(shè)備，是一種適用于濕細(xì)原煤干法深度篩分的極具應(yīng)用前景的新型篩分設(shè)備，其篩分原理如圖5所示[19-20]。交叉篩的篩面由多根相互平行的篩片式篩軸組成，具有多段式篩面傾角，篩軸具有偏心且同向回轉(zhuǎn)，交叉排列的篩片及偏心軸之間形成“動(dòng)態(tài)篩孔”。篩面濕黏顆粒在回轉(zhuǎn)篩片的摩擦剪切作用下實(shí)現(xiàn)分離，同時(shí)，聚團(tuán)顆粒受到篩片的沖擊和擾動(dòng)作用后發(fā)生破碎解聚。分離后的濕細(xì)顆粒通過(guò)動(dòng)態(tài)篩孔實(shí)現(xiàn)透篩并成為篩下物，動(dòng)態(tài)篩孔及逆向剪切作用可避免濕黏細(xì)顆粒堵孔、糊孔，而大顆粒沿篩面輸運(yùn)至排料端并成為篩上物。因此，交叉篩用于濕黏細(xì)粒煤的干法深度篩分時(shí)篩面不堵孔，篩分效果優(yōu)良。

圖5 交叉篩面細(xì)粒煤篩分原理Fig. 5 Screening principle of fine coal particles on cross-screen surface

交叉篩已經(jīng)在選煤、電力等行業(yè)有了一定的應(yīng)用，并逐漸發(fā)展成為一種處理粒級(jí)13 mm以下原煤的重要干法深度篩分設(shè)備[3, 46]。然而，目前國(guó)內(nèi)外仍未開(kāi)展交叉篩的相關(guān)篩分基礎(chǔ)理論研究，缺少交叉篩關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法，制約了交叉篩在細(xì)粒煤干法深度篩分領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

交叉篩在國(guó)內(nèi)主要由石家莊功倍重型機(jī)械有限公司進(jìn)行研發(fā)，其主要結(jié)構(gòu)如圖6所示。交叉篩主要由篩片式篩軸、電機(jī)、篩箱、防塵罩、入料口及底座等結(jié)構(gòu)組成，相鄰篩軸上的篩片交叉排列，篩軸相互平行且由獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)并同向回轉(zhuǎn)，篩面傾角為多段式。交叉篩的主要技術(shù)特點(diǎn)為：篩面不堵孔、篩分效率高、篩片壽命長(zhǎng)、入料粒度上限高、單位篩面處理量高、整體尺寸小、無(wú)振動(dòng)、動(dòng)載荷小、對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)影響小、無(wú)粉塵污染等[19-20]。

圖6 交叉篩主要結(jié)構(gòu)Fig. 6 Main structure of cross-screen

目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)交叉篩技術(shù)的研究主要是應(yīng)用研究：探討了交叉篩在循環(huán)流化床鍋爐篩分系統(tǒng)[46]，以及在選煤廠脫粉入選[47]等工藝系統(tǒng)中的應(yīng)用情況及經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)，分析了交叉篩在煉焦配煤生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用前景[48]。另外，與弛張篩等細(xì)粒篩分設(shè)備進(jìn)行了比較分析，得出交叉篩單位篩面處理量可達(dá)到同粒級(jí)弛張篩的7倍、入料粒度上限是弛張篩的2～4倍、占用空間更小、可靠性更高等結(jié)論[3, 20, 49]。同時(shí)，交叉篩也存在篩面結(jié)構(gòu)笨重、功耗大、價(jià)格較高、維修耗時(shí)較長(zhǎng)等問(wèn)題[3]。國(guó)外有關(guān)交叉篩分技術(shù)的研究報(bào)道極少，文獻(xiàn)[50]利用類(lèi)似交叉篩的試驗(yàn)裝置對(duì)篩軸轉(zhuǎn)速、篩面傾角及輔助結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度對(duì)篩分效率的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但篩分物料為粒級(jí)20 mm的干燥碎石顆粒，未涉及濕黏細(xì)顆粒的篩分過(guò)程?？梢?jiàn)，目前尚未對(duì)交叉篩的篩分過(guò)程基礎(chǔ)理論進(jìn)行深入研究，未掌握交叉篩面高濕黏顆粒流動(dòng)特性及透篩機(jī)理，缺少交叉篩的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)(如篩軸、篩片)及工藝參數(shù)(如篩面寬和長(zhǎng)、處理量)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法研究。

3 結(jié)論與展望

綜合相關(guān)文獻(xiàn)可以看出，隨著國(guó)內(nèi)外研究者不斷研究和探索，涉及濕黏細(xì)粒煤的干法深度篩分理論以及交叉篩分技術(shù)的相關(guān)研究得到了逐步發(fā)展，但仍存在許多問(wèn)題亟需解決：

1)已有篩分過(guò)程理論模型多為唯象模型，缺少篩面濕黏顆粒的流動(dòng)特性、透篩機(jī)理以及顆粒物理特性對(duì)篩分過(guò)程的影響等關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題的研究，篩分設(shè)備的整體設(shè)計(jì)水平有待進(jìn)一步提高，亟需發(fā)展新型設(shè)計(jì)理論和方法。

2)顆粒分離機(jī)理是篩分基礎(chǔ)理論的重要研究?jī)?nèi)容，但已有的研究主要集中在球形干顆粒在單一振動(dòng)激勵(lì)下的分離機(jī)理，缺少非球形濕黏顆粒系統(tǒng)的分離行為研究。

3)基于DEM的篩分過(guò)程模擬優(yōu)化研究中，忽略了顆粒形狀及濕顆粒間的黏聚力對(duì)篩分過(guò)程的影響作用，未掌握篩分過(guò)程中篩面高濕黏顆粒流動(dòng)特性及透篩機(jī)理。

4)已有的應(yīng)用研究驗(yàn)證了新型交叉篩的應(yīng)用潛力，但尚未開(kāi)展交叉篩的篩分過(guò)程相關(guān)基礎(chǔ)理論研究，缺少交叉篩的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法研究，制約了交叉篩在細(xì)粒煤干法深度篩分領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

基于上述分析，為進(jìn)一步發(fā)展?jié)耩ぜ?xì)粒煤的干法篩分基礎(chǔ)理論，在篩面顆粒流的運(yùn)動(dòng)特性、透篩機(jī)理以及非球形濕黏顆粒系統(tǒng)的分離機(jī)理等方面仍需開(kāi)展深入研究，可基于DEM數(shù)值方法從顆粒尺度研究篩分過(guò)程中的有關(guān)顆粒運(yùn)動(dòng)行為。為進(jìn)一步發(fā)展交叉篩分技術(shù)，可基于篩面-顆粒耦合模擬方法對(duì)其篩分過(guò)程機(jī)理進(jìn)行研究，并在交叉篩的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)和節(jié)能優(yōu)化控制等方面開(kāi)展研究。