块煤装船防破碎工艺技术

块煤装船防破碎工艺技术
姚文钊
【摘要】为避免块煤在高速度、高落差的运输物理环境下大量破碎,对现有装船流程的设备实施改造,通过对全流程带速采用变频方式实施降速调整,对关键转接点使用曲线溜槽,以及更换装船机溜筒等方法,降低块煤降落速度,从而降低块煤在装船过程中的破碎率.
【期刊名称】《港口装卸》
【年(卷),期】2018(000)003
【总页数】4页(P60-63)
【关键词】块煤装船;防破碎;变频;曲线溜槽
【作者】姚文钊
【作者单位】神华粤电珠海港煤炭码头有限责任公司
【正文语种】中文
1 引言
神华粤电珠海港原块煤装船流程为：依靠斗轮堆取料机取料，通过地面皮带运输转载，上料至装船机，通过装船机进入船舱。

此流程与普通煤种运输方式完全一致，没有充分考虑块煤在高速运动及高落差情形下的破碎问题，块煤破碎率非常高，客户无法接受，导致块煤业务只能通过汽车倒运的方式，转运至其他港口装船，使公司块煤业务成本增高、客户减少、业务量下降。

为此，神华粤电珠海港(以下简称
珠海港)根据自身设备的工艺特点，对公司其中一条流程实施改造，对主要涉及破碎的关键点进行了详细的研究，以降低块煤破碎率。

影响块煤破碎的主要因素有：块煤抗击力度、强度、硬度、韧性、形状、尺寸、湿度、温度、密度和均匀质性，以及外部的条件如物料块群在破碎瞬间相互作用及分布状态等[1]。

一般情况下，煤炭在转载和落料过程中，在自由落体情况下，其运动轨迹可近似地(不考虑空气阻力等因素)认为是自由落体和沿初始速度方向的匀速运动轨迹的叠加。

在沿溜槽底板运行过程中，其运行轨迹和底板吻合，其速度需同时考虑物料与底板的摩擦力、重力和底板的支撑力，三力产生的加速度与初始速度的叠加。

块煤转载时落煤的瞬间产生的碰撞是块煤破碎的主要原因，块煤受力与其运动速度成正比，与碰撞时间成反比[2]。

因此，在煤炭转载环节，降低块煤的运行速度是降低破碎率的有效方法。

2 块煤装船流程及防破碎工艺简介
珠海港共有8条取料线，以BDQ1-8命名，分别对应8台堆取料机以及2台取料机，堆取料机以SR1-8命名，单线取料；取料机以R2-3命名，可双线取料(见图1)。

取料汇聚到装船过渡皮带线，共4条线，以BJ1-4命名，BDQ线任意一条皮带可通往BJ线任意一条皮带。

通过BJ线后，流程进入装船线，以BZ1-4命名。

在BZ线码头区域分别配有4台装船机，以SL1-4命名。

装船流程就是利用用任意一台堆取料机或取料机对堆场煤垛进行取料作业，通过上述作业顺序实施装船，可实现4条船同时作业，最大能力可达12 000 t/h[3]。

块煤防破碎装船工艺流程在原设计流程上进行改造，根据1号堆场和2号堆场为块煤专用堆场、SL4装船机作业量少等情况，选取SR1、BDQ1、BJ4、BZ4以及SL4整条作业线作为改造流程。

针对不同形式的转接点，设计制造了不同结构的块煤防破碎缓冲装置，并通过更换变频电机，对皮带进行降速，从而降低块煤受到的冲击，保障整个运行系统的块煤率。

图1 取料装船流程
3 电机变频改造及控制系统改造
3.1 变频调速原理
变频调速通过改变定子的供电频率来改变电动机的同步转速，具有设定启动加速度、曲线自动跟踪控制、多机功率平衡等功能，能在低速情况下长时间运行，还可根据生产情况相应设定带式输送机的运行速度，运量较小时，可采用较低带速，以减小托辊、输送带磨损和减小电耗[4]。

变频调速效率高、功率因数高，在0.95以上，具有工业网络及通信接口，便于实现自动控制，方便地实现闭环自动控制，节点效率高。

变频调速是目前最先进、最节能的调速形式。

为满足工艺半速运行要求，驱动方式采用高压变频器。

本设计高压变频调速系统采用多重化移相多单元串联正弦脉宽调制(SPWM)叠压技术,变频器采用直接“高-高”式, 功率模块为交-直-交型电压源变频调速器。

变频器额定输入电压允许变化范围为10 kV±10%；系统输出电压0～10 kV；输
入侧功率因数大于0.95；变频器效率大于0.96；总谐波含量应在国家标准规范要
求范围内；能接受和输出0～10 V/4～20 mA工业标准信号；能进行运行数据和
操作记录，打印输出运行报表；具有过压、欠压、过载、过电流、过热、缺相等保护。

同一条皮带机由多台变频器驱动时，变频器具有主从控制功能。

3.2 变频改造
为降低物料的流速，采取变频调速方式实现全流程降速功能，对全流程9台电机
实施变频改造，分别在每条皮带的驱动位置增设变频器室，共设置5处，分别为：(1)SR1堆取料机悬臂带式输送机变频改造。

SR1堆取料机悬臂带式输送机配套电
机为10 kV/315 kW。

在堆取料机上设SR1变频器室，内设1台适合10 kV/315 kW电机重载启动一拖一紧凑型变频器,为SR1堆取料机悬臂带式输送机供电。

低
压控制电源引自SR1堆取料机380/220 V低压系统。

(2)BDQ1带式输送机变频改造。

BDQ1带式输送机配套电机为10 kV/450 kW，共4台。

在BDQ1机头附近设BDQ1变频器室，内设4台10 kV/450 kW重载启动一拖一紧凑型变频器，为BDQ1带式输送机变频器供电。

低压控制电源引自1#变电所380/220 V低压系统。

(3)BJ4带式输送机变频改造。

BJ4带式输送机配套电机为10 kV/450 kW。

在BJ4皮带机机头附近钢平台上设BJ4变频器室，内设1台10 kV/450 kW重载启动一拖一紧凑型变频器，为BJ4带式输送机变频器供电。

低压控制电源引自1#变电所380/220 V低压系统。

(4)BZ4带式输送机变频改造。

BZ4带式输送机配套电机为10 kV/500 kW，共2台。

在BZ4皮带机机头附近设BZ4变频器室，内设2台10 kV/500 kW重载启动一拖一紧凑型变频器，为BZ4带式输送机变频器供电。

低压控制电源引自1#变电所380/220 V低压系统。

(5)SL4装船机带式输送机变频改造。

SL4装船机带式输送机配套电机为10
kV/160 kW，在装船机上设装船机高压变频器室，内设1台适合10 kV/160 kW 电机重载启动紧凑型一拖一变频器为SL4带式输送机供电。

低压控制电源引自SL4装船机380/220 V低压系统。

3.3 控制系统改造
对PLC控制系统软、硬件进行改造，通过4～20 mA模拟量输出实现控制系统对变频器的调速。

通过采集电动机综合保护器及变频器各种参数，对电动机及变频器故障、运行等状态进行显示。

对高压柜进行改造，满足对电动机启、停及配电设备的保护。

实现主运输系统带式输送机的远程集中控制和监视，使块煤运输系统带式输送机能根据煤流、煤位自动顺序起动、停机，完成对块煤装船系统的控制功能。

4 转接点防破碎装置的应用
4.1 SR1、BDQ1、BJ4曲线溜槽改造
在BDQ1、BJ4机头和SR1出料环节采用了曲线溜槽的设计，作用原理是降低块煤运动速度和延长颗粒的碰撞时间，同时在颗粒由运动到静止的过程中，通过切向分速度，避免了完全非弹性碰撞，有效地防止块煤的破碎[5]。

在设计溜槽时，主要通过以下4个方面控制物料流动：
(1)将散开的物料流集中, 将物料流主体的扩散降到最低，最大程度地减少物料流所携带的空气混入溜槽中。

(2)减小物料流对装置冲击的角度和力度。

理论上，冲击角度需控制在15°～20°之间。

(3)控制物料在溜槽里的速度变化范围，减少速度突变对物料的冲击力。

(4)不可避免被冲击的部位采用缓冲装置进行缓冲。

BDQ1、BJ4机头和SR1出料环节所采用的结构类似，选取BDQ1处转接点进行说明，BDQ1带式输送机改用变频调速后，带速2.5～4.2 m/s可调，低带速时主要通过块煤；高带速时运量增大，且以末煤为主。

带式输送机带速2.5 m/s时，为使转载溜槽中块煤达到更佳的防破碎效果，同时又满足带速4.2 m/s时的大通过量，采取分段式设计(见图2)，把溜槽分为上下两段，其中上段(头罩段)内部采用可调节弧形挡板的方式，保证不同带速下煤流抛物线均可与弧形挡板相切导流，避免煤流与溜槽的正面冲击，使煤流尽可能平顺地过渡到溜槽下段；下段(曲线段)采用整体弧形设计，通过DEM仿真最终确定弧形入口与出口切线方向、角度以及弧形底板半径，使得出料口煤流速度接近下部带式输送机(BJ4)带速，以减少煤流所受到的冲击，提高块煤率。

溜槽母板采用8 mm厚Q235钢板，16 mm厚的NM400衬板，头罩内部可调节挡板用20 mm厚的NM400做弧形板，采用上下双调节装置，保证挡板位置与角度均可调节。

图2 BDQ1溜槽示意图
4.2 装船机曲线溜筒改造
装船机装船作业，是物料坠落高度最大的作业环节，从悬臂皮带至溜筒上口3.3 m，溜筒高12 m，距离物料承载面一般约为3 m，总落差约为18 m。

经实验证明，50 kg块煤，经装船机臂架皮带处坠落至地面，块煤落至船舱底板或煤堆前的瞬时速度约为20 m/s，块煤破碎率为15%，严重影响块煤质量。

根据冲量定理可知，碰撞前瞬时速度越大，物料冲击时的冲撞力会越大，块煤的破碎率会越高。

因此可通过降低块煤下落过程中的速度，以减小块煤对船舱底板或煤堆的冲击力，从而降低块煤的冲击破碎率。

悬臂皮带经过变频改造后，带速由4.8 m/s降为2.5 m/s，流量降低至1 500 t/h，基于这个原因，对装船机溜筒进行更换，将直径增大至2 m，内部增加导流板，使之成为螺旋溜筒(图3)，煤流完全能够按照导流板路径螺
旋滑落，降低物料运动速度，减少煤流进入船舱的冲击力，避免垂直坠落导致的块煤破碎问题。

装船机卸料溜槽头罩内部采用可调节弧形挡板设计，作用及原理同BDQ1带式输送机机头块煤防破碎缓冲装置。

溜筒采用20 mm厚Q235钢板，为降低溜筒重量，内部螺旋溜底板及侧板直接采用专用耐磨钢板制作，在保证其耐磨性能的前提下，比国内高锰钢板厚度减小20%。

螺旋溜槽底板投影宽度为800 mm，外螺旋展开线倾角为45°，煤流流出溜筒的设计理论速度为5.8 m/s。

图3 装船机卸料曲线溜槽及螺旋式溜筒示意图
5 结语
系统改造前后，分别选用现场货源充足、市场需求量高、对防破碎要求高的“三九块”煤种进行块煤破碎率测试。

测得块煤经原系统转运后破碎率约为23%；采用
块煤防破碎装船工艺后，转运破碎率约为7.2%，比原系统降低了约16%，符合预期要求。

块煤破碎率降低之后，客户块煤装驳船意愿高涨。

2015年，驳船装块煤共计15.7万t，2016年驳船装块煤31.4万t，2017年驳船装块煤79.4万t，逐年呈大幅上涨趋势，由此节约了汽运倒运费用，每吨节约5元，总计降低成本632.5万元。

不仅块煤装船的产量增加，客户资源也随着业务的需求而不断扩大，
隐性带动公司装船量持续提高。

2017年公司装船量达到1 278.5万t，相比2015年装船量465.1万t提高了813.4万t，效益提升明显。

参考文献
【相关文献】
[1] 冯现经. 提高块煤率有效途径的探讨[J]. 科技与企业, 2012(05):111.
[2] 于腾飞. 螺旋溜槽在块煤防破碎中的设计及应用[J]. 煤矿机械, 2014(11):207-209.
[3] 姚文钊.精细化配煤工艺的研究与应用[J]. 神华科技, 2016,14(4):78-82.
[4] 张明.凯达煤矿井下运输设计特点[J]. 山西煤炭,2015(2):63-66.
[5] 涂必训. 螺旋输送防破碎技术的现状及其新进展[J]. 选煤技术, 2009(01):68-70.。