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選粉機在水電工程砂石生產系統制砂工藝中的應用

摘 要:錦屏水電站砂石加工系統的制砂料源主要采用大理巖,由于錦屏工程大理巖具有抗壓強度指標較低,軟化系數大,錘擊易成粉的特性,其制砂主要采用全干法生產制砂工藝,即立軸制砂機+選粉機制砂工藝。對選粉機在錦屏電站全干法制砂工藝中的運用情況進行了介紹,以資在其它水電工程中借鑒應用。

1、選粉機運用于全干法制砂工藝的背景

1. 1 料源特性

水工混凝土中砂石料占混凝土重量的80%左右,因而砂石加工系統被譽為大壩的“糧倉”。制砂工藝是砂石生產工藝的核心工藝,石粉是制砂過程中的伴生物,石粉控制是制砂工藝的重要組成部分,而石粉含量的多少與制砂料源的巖石特性有直接的關系。錦屏工程東端模薩溝砂石系統、西端三灘砂石系統制砂料源均為大理巖,抗壓強度低、軟化系數大、錘擊易成粉為其顯著特點。

1. 2 大理巖立軸制砂工藝參數

錦屏工程砂石加工系統料源為大理巖,在生產過程中,由于大理巖的抗壓強度低、軟化系數大、錘擊易成粉等原因,其生產成品含粉率高達40% ~50%,且成品砂級配較差。通過立軸制砂機做生產性試驗,其級配、細度模數、石粉含量等數據具有如表1所示的關系。

人工砂有關參數表

表1 人工砂有關參數表

通過表1中的數據可以看出:

(1)相同線速度情況下,原狀砂獲得率隨進料粒徑增大而減少;線速度越大,原狀砂成砂率隨線速度增大而增大。

(2)原狀砂的石粉含量高(遠超過規范標準);石粉含量隨線速度減小而減少,石粉含量與進料粒徑的關系不十分明顯。

(3)原狀砂中粒徑0. 315~2. 5 mm顆粒含量偏少,粒徑2. 5 mm以上顆粒含量偏大,砂的級配曲線不完全在中砂的級配曲線內。原狀砂的細度模數隨線速度減小而增大。

1. 3 錦屏工程東端砂石加工系統制砂工藝設計背景

錦屏工程東端砂石加工系統不僅承擔錦屏二級水電站成品砂石骨料的生產任務,還需要為二灘公司官地水電站提供50萬t優質石粉。

針對大理巖料源特性,結合生產性試驗結果,在立軸全干法制砂工藝中,不僅需要解決大理巖制砂產生的高石粉含量和粒徑0. 315~2. 5 mm顆粒含量偏少的問題,還需要解決石粉的回收再利用問題,即石粉回收、輸送、儲存、裝袋等工藝措施,以確保石粉質量和產量達到設計求。

傳統的石粉去除方案是用水噴淋沖洗去除法,即原狀砂經水洗后采用螺旋洗砂機回收成品砂,而石粉則隨洗砂漿液進入廢水處理池進行后處理。試驗顯示,成品砂的石粉含量仍在25%以上,且中間顆粒流失量較大。因廢水中含有大量石粉,且其中還含有部分粒徑大于0. 16 mm的細石料,不但增加了廢水處理工作量,也無法解決石粉干化回收再利用的問題。

通過方案比較論證,借鑒其它行業粉料生產工藝,系統生產首次采用了立軸制砂+選粉機分級、回收的生產工藝,能夠較好地滿足系統需要。

1. 4 選粉機實施機理

選粉機是粉料分級設備,原主要用于水泥工業生產工藝,同時在化工、冶金等行業也有著廣泛的應用。在實際工況下,將需分選的物料由選粉機上部加料口喂入,落到與轉子成一體的撒料盤上,在離心力的作用下沿徑向甩出而分散于選粉室內。物料在選粉室內與上旋的氣流相遇,物料中的細顆粒因質量小而隨氣流上升,經由隨轉子旋轉的分級圈分級,合格的細粉穿過分級圈柵條繼續上升進入旋風筒,經旋風筒收集后落入集灰斗,由細粉管排出;清除細粉后的空氣則從旋風筒中心經風管返回風機形成氣流閉路循環;粗顆粒因質量較大在撒料盤和分級圈的作用下與細物料分離、下落,從粗粉管排出。產品的粗細可通過改變主軸的轉速及風機的風量來調節。

在制砂工藝中采用選粉機,其主要功能是分離出多余石粉和有用顆粒并分別進行回收。它的工作原理是:將氣、粉混合,形成氣固兩相流,旋轉的撒料盤和高速氣流使含粉氣流在旋轉時獲得離心力,不同粒徑顆粒獲得的離心力不同,從而實現粗細粉粒分離。同時,采用相應的方法對粗細粉粒分別進行回收。有用顆粒即為成品砂,無用細粉則為棄料。

選粉機的主要工作參數為:進料流量、供風量、撒料盤(主軸)轉速。

2、錦屏工程東端砂石系統概況及制砂工藝

東端砂石加工系統毛料處理能力為800 t/h,成品料生產能力為580 t/h,其中人工砂生產能力為232 t/h。東端砂石加工系統加工料源采用東端引水隧洞開挖料(其中: 1#、3#隧洞為TBM掘進機開挖, 2#、4#為鉆爆法開挖),毛料最大粒徑d≤300 mm。系統布置在錦屏二級水電站東端模薩溝棄渣場,系統半成品料場、成品料場、檢查篩分車間、2#風選車間及石粉裝袋廠等布置在1 430m高程平臺,在1 430 m高程平臺南側的山坡上開挖形成1 445、1 440、1 435 m高程三個臺地,分別布置主篩分車間、預篩分中碎車間、1#風選車間、超細碎車間等車間,系統占地面積約3. 5萬m2。

2. 1 系統制砂工藝

錦屏工程東端砂石加工系統采用兩段破碎+選粉機去粉的制砂工藝,其工藝見圖1

制砂工藝流程圖

圖1 制砂工藝流程圖

2. 2 主要設備選型

主要制砂設備為:

(1)中碎:配置兩臺NP1315型反擊制砂機,銘牌處理能力為840 t/h。

(2)細碎:配置兩臺PL9500型立軸制砂機,銘牌處理能力為600 t/h

(3)選粉機:1#風選車間配置XF3500型選粉機4臺,銘牌處理能力為320 t/h; 2#風選車間配置XF3000型選粉機4臺,銘牌處理能力為240 t/h。

考慮到大理巖制砂出砂率高,細度模數偏小的特點,制砂機選用了石打石型的PL-9500立軸沖擊式破碎機。為調節砂的細度模數,配置了分選設備對主篩分和制砂車間出的砂進行了風選處理,以調節砂的細度模數。

3、項目實施效果

錦屏工程東端砂石加工系統于2007年6月中旬開始建安, 2007年11月底系統全線投產,經過兩年多時間的運行,其結果顯示,系統設計可靠,能夠滿足施工需要。

3. 1 立軸制砂

通過大理巖立軸生產性試驗和其它工程相關資料,該系統在設備定貨時將PL9500立軸制砂機的線速度設定為62 m/s,其生產實測相關數據見表2(未經選粉機去粉的原狀砂)。根據實測結果,在立軸線速度為62 m/s的情況下,原狀砂的成砂率在60% ~65%之間,原狀砂的石粉含量在40%左右。

3. 2 選粉機

東端砂石系統采用的選粉機為XF3500型和XF3000型兩種,其單臺處理能力分別為80 t/h和60 t/h兩種。系統設置兩個風選車間,分別配置2臺XF3500和2臺XF3000,其中1#風選車間的進料來自反擊破破碎經第一篩分車間的、粒 徑<5mm的原狀砂, 2#風選車間的進料來自立軸破碎料經第二篩分車間的、粒徑<5 mm的原狀砂,生產過程中的實測生產數據見表3(以2#選車間的單臺實測數據為例)

表2 未經選粉機去粉的原狀砂特性表

未經選粉機去粉的原狀砂特性表

  表3 經選粉機去粉處理后的粒度特性表

經選粉機去粉處理后的粒度特性表

以上數據顯示,在進料含水率為2%左右時,選粉機的成砂率在60% ~70%之間;由試驗可知,在保證供料穩定和選粉機為同一技術參數的情況下,將成品砂中的石粉含量控制在一個穩定的范圍內是有可能的。

為確保原狀砂中多余的石粉能夠得到有效剔除,當進料流量增大時,供風量和撒料盤轉速應相應增加;當進料流量減少時,若供風量和撒料盤轉速不變,則原狀砂中的石粉、甚至有用顆粒將被剔除的較多,以致出現成砂率降低、細度模數增大的不利結果。

3. 3 成品砂

在生產過程中,對立軸+選粉機制砂后的成品進行隨機取樣檢測,其數據見表4。

成品砂特性表

表4 成品砂特性表

從表4中可以看出,原狀砂含水量在2%以下時,成品砂的石粉含量可以控制在18±2%以內,細度模數可以控制在2. 8±0. 2以內,成品砂顆粒級配較好。

3. 4 石 粉

通過對回收石粉進行檢測,在毛料含水小于2%的情況下,石粉回收效果較好,回收石粉的粗粒徑含量(>0. 16 mm)小于15%,含水在1%左右,可滿足后續工程石粉需求。

3. 5 實施效果評價

通過以上生產數據可以得到以下結論:

(1)經選粉機選粉后的成品砂中石粉含量隨選粉機主軸轉速和風機的風量變化而變化,說明通過調整選粉機的技術參數來控制成品砂中的石粉含量是可行的。

(2)從試驗可知,在保證供料穩定和選粉機在同一技術參數情況下,成品砂中的石粉含量在一個穩定的范圍內是有可能的。

(3)原狀砂的來料流量、石粉含量、含水率等都是影響選粉機選粉能力和選粉效果的重要因素。當進料含水率在2%時,選粉機能夠較好地發揮其效率。

(4)通過調整選粉機主軸轉速和風機風量,可以控制成品砂中石粉含量在18±2%范圍內。

4、立軸+選粉機制砂工藝在錦屏水電站西端砂

石加工系統中的應用在錦屏工程中,繼東端在模薩溝砂石加工系統采用立軸+選粉機的制砂工藝后,在后續的錦屏西端三灘砂石加工系統中也采用了立軸+選粉機的制砂工藝。

4. 1 系統制砂工藝

錦屏西端三灘砂石加工系統采用四段破碎+選粉機去粉的全干法生產工藝,其工藝見圖2。

全干法生產工藝示意圖

圖2 全干法生產工藝示意圖

(1)料源特性。錦屏西端砂石加工系統的原料為專用料場鉆爆開采,其原料粒徑組成可根據生產特性設計爆破參數,使原料盡可能的滿足生產需要,且含水、含粉率比較易于控制;而錦屏東端砂石加工系統是利用引水隧洞開挖料做為生產原料,其含水、含粉量大且受地質條件限制。

(2)成品要求。錦屏西端砂石加工系統需要生產合格的成品砂石骨料,石粉全部作為棄料;錦屏東端砂石加工系統不僅需要生產合格的砂石骨料,還需要回收部分優質石粉供官地水電站應用。

(3)制砂工藝。 錦屏西端砂石加工系統為自行鉆爆料,加工工藝采用了四段破碎+選粉機去粉工藝,即:粗碎(鄂破)+中碎(反擊破)+細碎(PL9500立軸)+超細碎 (PL8500立軸)+選粉機去粉;而錦屏東端砂石加工系統由于為TBM掘進料(粒徑小于300 mm),在實施中采用兩段破碎+選粉機去粉+石粉回裝置,即:中碎(反擊破)+細碎(PL9500立軸)+選粉機去粉+石粉回收裝置。

4. 2 實施效果

在錦屏西端砂石加工系統生產過程中,也一度出現因雨天開采毛料含水過大而導致選粉機去粉效果不理想,甚至出現“兩頭大”(石粉含量大或細度模數大)的情 況,后經嚴格控制毛料含水等措施,在毛料含水量在2%以下時,成品砂的石粉含量可以控制在18±2%以內,細度模數可以控制在2. 8±0. 2以內,成品砂顆粒級配較好,取得了較好的實施效果。

5、立軸+選粉機工藝在實施過程中存在的問題

及改進在錦屏水電站東、西端砂石加工系統中,都出現過由于毛料含水超標等原因影響造成成品砂質量波動的情況發生,通過一系列措施,在一定程度上解決或緩解了矛盾,保證了系統的正常供應。

5. 1 存在問題

(1)原料含水問題:在錦屏東、西端砂石生產過程中,都存在毛料含水超標問題,尤其是錦屏東端砂石加工系統所用原料為電站引水洞開挖料,其含水一般在 20% ~30%之間,而系統由于場地限制,調節料場脫水能力有限,進入中碎的毛料含水在10%以上,進入選粉機的破碎料原狀砂含水量也在5%以上,嚴重降低了選 粉機的去粉效果(選粉機的進料含水宜控制在2%以下)。

(2)原料含粉問題:料源為大理巖,在洞室開采過程中通過鉆爆或TBM掘進機開挖破碎后其原料自身石粉含量高達25%以上,加上兩級破碎產生的石粉,使得進選粉機的原狀砂石粉含量高達45%以上,從而增大了兩級破碎和選粉機的無用負荷,降低了成品率,增加了加工成本。

(3)目前使用的選粉機并非定型的專用制砂設備,選粉機自帶風機的供風量的調節范圍小且不能隨原狀砂來料量的變化隨時進行調節。只要原狀砂的來料流量、石粉含量、含水率發生變化,則該機的處理能力和選粉效果均會隨之發生變化,這是成品砂生產質量波動的重要原因。

針對以上問題,我們對系統在運行生產中采取了以下措施:

(1)盡可能減少雨天開采,加大毛料堆存量。

(2)對原料含水和石粉含量進行分析,其含水和石粉含量主要集中在粒徑20 mm以下的毛料中,經過現場多次試驗調整各項技術參數,在預篩分車間增設了一條皮帶,將20 mm以下粒徑料根據來料的含水含粉量情況有比例剔除部分作為棄料直接棄掉,從而減少了毛料含水量和石粉含量,提高了選粉機的選粉效果,減少了無用負荷,提 高了成品率。實踐證明,改造效果良好。

(3)針對毛料存在大量超徑問題,系統增加了粗碎系統(移動式破碎站),提高了毛料有用料比例并直接棄掉大部分粒徑20 mm含量以降低毛料含水量和石粉含量,同時盡可能增大調節料場容積,作好料場排水,延長脫水時間,以提高系統砂成品率。

(4)在后續工程中選用選粉機時,應根據水電行業生產環境特點,在選粉機風量、轉盤轉速的調節范圍、調節的靈活性等方面進行深入的研究,使其能更好地滿足水電工程施工環境下的生產要求。

6、結語

通過選粉機在錦屏工程中的應用,說明人工砂中含有的多余的石粉可以通過干法風選予以剔除,特別是要求石粉回收再利用的一些工程,可以采用風選分級細骨料,而且剔除的效果較濕法生產明顯優越,不但可以剔除成品砂中多余的石粉,而且可較好地調整成品砂的級配分布。

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