沙坪选煤厂离心机筛篮及螺旋刮刀的改进设计

李鼎

（晋神能源有限公司 沙坪洗煤厂，山西 沂州 036500）

1 概 况

为降低原煤中的杂质、灰分和水分，达到煤炭质量要求，需对原煤进行分选。在分选工艺中，降低精煤中的水分是提高原煤质量的关键。离心机由于分选效果好、结构简单以及噪音低被广泛应用。但离心机的故障率高、维修量大，制约着原煤的分选效率。本文以沙坪洗煤厂离心机为例，对离心机进行改进设计。

2 离心机结构

目前应用于精煤脱水的离心机类型包括卧式振动离心机、立式振动离心机和刮刀卸料离心机。沙坪洗煤厂为刮刀卸料离心机，其工作部分主要包括筛篮、刮刀、钟形罩以及筛网等。筛篮一般与钟形罩连接为一体，并通过螺栓将钟形罩固定与设备的外部轴上。刮刀为离心机的直接执行部件，通过螺栓、花键与心轴进行固定连接。在正常工况下，设备刮刀的转动速度慢于筛篮的转动速度。

刮刀卸料离心机的工作原理是待脱水的原煤送入筛篮与刮刀之间，在离心力的作用下将原煤中水与颗粒分离。其中，分离出的水通过排液管排出设备，脱水后的煤炭颗粒留在筛网内侧。由于刮刀与筛篮之间存在一定的速度差，刮刀将筛篮上滞留的煤炭颗粒刮出并落入设备下方的收料漏斗中。筛篮和刮刀的结构如图1、图2所示。

图1 离心机筛篮结构Fig.1 Centrifuge basket structure

图2 螺旋刮刀结构Fig.2 Structure of spiral scraper

离心机筛篮由圆锥形的骨架和筛条组成，筛条间距通常为0.35～0.5 mm。图中筛条按照锥形布置可降低煤炭颗粒在上方运动的阻力。

离心机刮刀呈现螺旋结构，每个刮刀上有16个螺旋叶片。为方便后续更换刮刀，通过螺栓连接的方式将叶片固定在刮刀上，当其中一片刮刀磨损严重时可进行替换，降低离心机刮刀的维护费用。

3 离心机现状分析

（1）离心机处理能力偏低，可处理物料的粒度较小。

沙坪洗煤厂离心机在实际生产中存在一定的问题，主要表现为：离心机的处理能力较低，仅为80 t/h；离心机可处理物料的粒度较小，最大粒度仅为13 mm；离心机在应用中磨损严重，增加了设备的维修量。

离心机处理能力的计算公式：

式中：k为填充系数，一般取0.4；γ0为物料的散密度，煤炭的散密度取900 kg/m3；A为螺旋过料面积；V为煤炭颗粒沿着筛篮轴线的滑动速度。

根据式（1）可知，离心处理能力低可能是螺旋过料面积小以及煤粒沿筛篮轴线滑动速度小造成，与螺旋刮刀和筛篮之间的螺旋过料面积、螺旋外锥直径、内锥直径以及螺旋刮刀的头数相关。

（2）离心机的输煤效率较低。

离心机筛篮滑动速度在垂直方向的分量较小，导致输煤效率偏低。在脱水操作中煤炭颗粒沿筛篮轴向方向的滑动速度与螺旋的导程、筛篮与刮刀之间的速度差和输煤效率相关，滑动速度的垂直分量与上述3个因素成正比。因此，可通过提高煤炭颗粒沿筛篮滑动速度的垂直分量，控制螺旋导程和筛篮与刮刀之间的速度差，达到增加离心机输煤效率的目的。

（3）离心机设备磨损严重且维修成本高。当离心机其中一个零部件出现故障时，需将整机分解检查，导致离心机维修量大。采用独立整体差速器解决离心机维修量大的问题。

4 离心机的改进设计

在对影响离心机效率原因分析的基础上，对离心机的筛篮和螺旋刮刀进行改进设计。

4.1 筛篮的改进设计

当煤炭物料从分配盘落在筛篮上时，由于分配盘与筛篮之间的距离不合理，导致筛篮仅有75%的面积被利用，设备利用率不高；当物料落在筛篮上时，由于煤炭物料与筛篮之间存在速度差，煤炭物料滞留于筛篮上方，制约了离心机的处理能力。因此，针对筛篮结构进行改进。

（1）在原筛篮结构上方增加一个预旋器，结构形状为锥体。在预旋器的作用下，煤炭颗粒进入筛篮之前先在离心力的作用下沿着预旋器的内壁下滑，当物料到达筛篮上方时其速度与筛篮的速度相近，解决了煤炭颗粒与筛篮之间速度差较大的问题。预旋器的结构如图3所示。

图3 预旋器结构Fig.3 Precyclone structure

（2）离心机分配盘的角度也是影响离心机处理能力的关键因素。当分配盘角度过大时对预旋器的冲击较大，导致处理量小；当分配盘的角度过小时，虽然处理量大，但是精煤的脱水效果较差。因此，通过研究分析，分配盘的最佳角度为120°。

（3）筛篮半锥角的改进。筛篮半锥角主要决定煤炭颗粒在筛面上停留的时间和运动状态，影响离心机的排料效率。

当待过滤物料容易被过滤时，由于过滤速度较快，对应所需的脱水时间较短，因此筛篮的半锥角应大于相应的摩擦角，保证设备的排料能力，间接提升整体的处理能力；当待过滤物料不容易被过滤时，筛篮的半锥角应小于相应的摩擦角，延长停留时间，保证设备的脱水效果。

在参照国外离心机的设计经验，兼顾设备脱水效果和处理能力的情况下，最终将筛篮半锥角设计为18°。

（4）理论上说筛篮越长，物料滞留时间越长，脱水效果越好。但由于在原筛篮结构上方增设了一个预旋器，为保证筛篮与预旋器的机械性能，筛篮长度不能过长。因此将筛篮的长径比控制为0.5。

4.2 螺旋刮刀的改进设计

原离心机螺旋刮刀采用的材质为铸钢件，每个刮刀上均安装16个螺旋叶片，螺旋升角约为50°。螺旋升角越大对应设备的处理能力越大，但输煤效率较低，对设备造成的磨损也越严重。

为解决当前螺旋刮刀处理能力与输煤效率不能兼顾的问题，将螺旋刮刀的螺距减少至500 mm，头数减少至4个，高度增大至500 mm，螺旋刮刀大端直径1 000 mm，螺旋升角从50°减少至20°。螺旋刮刀改进后如图4所示。

图4 螺旋刮刀改进后的剖面图Fig.4 Improved profile of spiral scraper

（1）将螺旋刮刀的升角和螺旋头数均适当减小，使物料能够在筛篮表面停留更长的时间，保证脱水效果。

（2）螺旋升角减小使物料与螺旋刮刀之间的摩擦力减小，提升设备的输煤效率。

（3）螺旋刮刀对应的高度和螺距减小，减少了物料对螺旋刮刀的磨损，降低了离心机设备的维修量和维修成本。

5 离心机改进的效果验证

将筛篮和螺旋刮刀结构改进后的离心机应用沙坪洗煤厂的实际生产中，对处理能力和脱水效率进行验证。实践表明，改进后，设备的物料平均处理能力由之前的109 t/h增大至190.3 t/h，脱水率由之前的52%增大至74%。对筛篮有无预旋器的处理能力进行对比，结果见表1。有预旋器筛篮的处理能力明显优于无预旋器筛篮的处理能力，验证了筛篮增加预旋器的有效性。

表1 筛篮有无预旋器处理能力的对比Table 1 Comparison of the treatment capacity of sieve basket with or without pre-spinner

6 结 语

离心机为选煤工艺精煤脱水操作的关键设备，沙坪洗煤厂实际应用中发现当前离心机存在处理能力低、设备磨损严重、脱水效果不佳等问题。为此，对离心机的筛篮和螺旋刮刀的结构进行改进设计。改进后，设备的物料平均处理能力增大至190.3 t/h，脱水率增大至74%，达到了改进目的。