基于EDEM的露天矿破碎系统降本提质升级.pdf

露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月2000年后我国露天煤矿得到了迅速发展，各类型的破碎站也得到了广泛的应用，至今部分露天矿的生产系统已经使用近20年，随着工业资源综合高效利用的行业要求，受制于当时设备和工艺理念的限制，有些生产系统高耗能、高成本、低效率运行的技术缺陷凸显，亟待解决。1露天矿破碎系统露天矿用破碎站基本上由受料部分、给料部分、破碎部分、筛分部分、输送部分、辅助结构及控制系统组成1，其中破碎部分作为破碎站的核心组件，其使用性能的优劣决定了破碎站的效率，破碎系统一般分二级或者三级破碎实现大块物料到产品要求粒度的破碎。呼伦贝尔东明露天矿额定产能400万t/a，所用2 000 t破碎站系统1套，应用两级破碎设备将1 500 mm入料原煤破碎到100 mm以下产品粒度。2 000 t破碎站应用至今已10余年，在自然资源综合高效利用与绿色开采的政策要求下，通过生产单位精细化管理，近期发现此破碎站系统存在着高耗能、低效运行等诸如问题，生产系统的20耀100 mm产品块率仅为40%左右，生产用时每天高达16 h，破碎系统每月生产耗电数百万元，这完全相悖于目前绿色环保的矿山生产要求，其中两级破碎系统凸显的技术问题直接导致了破碎站系统的低效运行。两级破碎设备均为双齿辊型破碎设备。基于 EDEM 的露天矿破碎系统降本提质升级张晓广1，刘振2，张金瑞1，徐振兴1，赵文军1，史有志1，（1.呼伦贝尔东明矿业有限责任公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000；2.泰伯克（天津）机械设备有限公司，天津 301712）摘要：为解决露天矿生产系统存在的成块率低、能耗大、成本高等问题，分析了露天矿破碎工艺、破碎设备特性及设备能耗，提出了破碎齿再设计、减少破碎过程中的破碎次数、破碎设备双驱动结构优化、破碎齿材质性能优化等方案，借助EDEM软件模拟验证可行性并进行优化。结果表明：露天矿破碎系统优化后产品粒度比提高了6.21%，取得了较好的经济效益。关键词：分级破碎设备；破碎齿；成块率；露天矿；低碳中图分类号：TD824文献标志码：B文章编号：1671-9816（2023）03-0086-03Cost reduction and quality upgrading of crushing system based on EDEM in open-pit mineZHANG Xiaoguang1,LIU Zhen2,ZHANG Jinrui1,XU Zhenxing1,ZHAO Wenjun1,SHI Youzhi1（1.Hulunbei er Dongming Mine Co.,Ltd.，Hulunbei er 021000,China；2.Top Crusher Co.,Ltd.,Tianjin 301712,China)Abstract:In order to solve the difficulties of the crusher system in the open-pit mine low lumping rate,high energy consumptionand high cost,the article analyzes the crushing process,characteristics of crushing equipment and equipment energy consumption,and puts forward the optimization schemes,such as redesign the crusher teeth,reduce crushing times in the crushing process,optimize the dual-drive structure of crushing equipment and strengthen crushing teeth,analyses and optimizes the scheme with theaid of EDEM software.The results show that the optimized crushing system scheme can increase the particle size ratio by 6.21%and achieve better economic benefits.Key words:grading crushing equipment；crusher teeth；lumping rate；open-pit mine；low carbon移动扫码阅读收稿日期：2023-0圆-圆4责任编辑：张夙作者简介：张晓广（1984），男，内蒙古赤峰人，工程师，本科，2007 年毕业于武汉理工大学，主要从事煤矿生产机电设备方面的技术管理工作。DOI:10.13235/ki.ltcm.2023.03.023张晓广，刘振，张金瑞，等.基于 EDEM 的露天矿破碎系统降本提质升级 J.露天采矿技术，2023，38（3）：86原88.ZHANG Xiaoguang,LIU Zhen,ZHANG Jinrui,et al.Cost reduction and quality upgrading of crushing systembased on EDEM in open-pit mine 允.Opencast Mining Technology,2023,38（3）:86原88.86露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月2破碎系统存在问题及解决措施露天矿用破碎设备属于双齿辊分级试破碎设备，标准分级破碎机驱动方式为电机-液力偶合器-减速器-联轴器-破碎辊部件。该系列双齿辊破碎机的主要工作部件为2个平行安装的破碎辊，每个破碎辊沿轴向布置一定数量的破碎齿（齿板）,根据破碎物料性质及参数的不同而向内、外旋转，物料或是在相互垂直应力下被拉裂，或是在剪切力的作用下产生滑移，或是在两者的共同作用下破碎。通过对物料的剪切、刺破、劈裂等作用实现破碎的目的，充分利用了岩石、煤炭、焦炭等大部分岩矿物料的强度特性：抗压强度抗剪强度抗拉强度圆，同时双齿辊破碎机的破碎齿型及其布置形式根据实际要求而特殊设计，大块物料被一次性啮入，入料中小于要求粒级的部分会直接通过破碎腔而不会遭到二次破碎。分级破碎机的转速很低，减少了破碎过程破碎齿对物料进行刮削的几率，直接减少了产品中粉煤的含量。而露天矿在用两级破碎设备相比较标准分级破碎设备还多一道下齿工作副即破碎梁，在破碎齿的剪切撕拉破碎后还要经过破碎梁的挤压破碎得到最终产品。造成破碎系统低效高耗能问题的原因为：1）破碎机工作部结构造成过粉碎。目前设备为双辊向内旋转+破碎梁辅助破碎结构，破碎过程分为3个阶段：一级破碎与二级破碎阶段主要靠物料在两破碎齿间被夹住受剪切和拉伸作用而破碎；三级破碎阶段物料受破碎辊与破碎梁的挤压作用而破碎，而大部分岩矿物料的抗压强度远高于其抗剪和抗张强度猿。岩石的抗压强度与抗张、抗剪强度之比大致为10颐1，在剪切力和拉力作用下，岩矿物料的缺陷(节理、裂纹和损伤)处易产生应力集中而破裂，而在挤压作用下更易产生细颗粒物料源。2）现有破碎工艺引起过粉碎。目前从煤仓开始，全部物料经过一级破碎机、二级破碎机破碎，形成一级破碎机破碎完成后100 mm以下的物料，又经过二级破碎机破碎，这个过程中产生的过粉碎较高。3）设备电机选型较大。受制于传统设计理念的限制，选配的电机功率远超设备实际应用功率，从正常生产时运行电流仅为额定电流的1/4，也进一步得到验证。3系统优化1）破碎齿再设计。现有设备的破碎齿更多是依靠破碎齿的挤压作用进行破碎，再设计中抛弃原有结构，对破碎齿的齿形与布置方式进行优化，借鉴大部分岩矿物料的强度特性，即抗压强度跃抗剪强度跃抗拉强度的本质属性，充分利用剪切、刺破、劈裂等作用实现物料的破碎。在提高破碎比上限的前提下，最大限度地提高块煤率，减少过粉碎和限上率，并充分发挥破碎辊的布料作用，进而提高破碎辊的使用效率和设备处理能力缘。2）减少破碎过程中的破碎次数。去除破碎梁结构，改变设备破碎过程中3次破碎的现状，降低物料过粉碎的发生，提高设备的处理能力。3）设备双驱动结构优化为单驱动结构。基于电机的功率应该与单位时间的破碎物料的功耗相同的原则远，即认为电机的功率及功耗为：核算正常工况下设备需求功率为360耀450 kW，理论上设备改为单驱可行。F=QW/浊（1）式中：F为电机功率，kW；Q为破碎机的生产能力，t/h；W为单位生产量的功耗，kWh/t；浊为破碎机的传动效率。W=11m（1E蚤-1A蚤）（圆）式中：m为Bond功指数，煤的Bond功指数为7.91 kWh/t;E为占排料粒度80豫以上的组成部分的粒度尺寸，滋m；A为占给料粒度80豫以上的组成部分的粒度尺寸，滋m；i为常指数，取0.450.5。4）破碎齿材质性能优化。作为破碎设备的核心部件，破碎齿耐磨性是保证破碎效果的关键，破碎齿经泰伯克（天津）机械设备有限公司TBM型表面强化技术应用后，预期使用寿命提高1倍以上。5）EDEM分析验证。借助EDEM仿真分析软件，建立颗粒系统的参数化模型，定义颗粒的煤岩力学特性参数，模拟散状物料加工处理过程中颗粒体系的行为特征，进一步优化设计方案。本次定义颗粒块体为1 500 mm 伊1 200 mm 伊1 000 mm，由20 000个准10 mm的小球黏结而成。对物料的各项参数进行设置，煤和钢的泊松比分别设置为0.25和0.3，剪切模量分别设置为3伊107Pa和1伊1010Pa，密度分别设为1 600 kg/m3和7 850 kg/m3；煤-煤弹性恢复系数设为0.1，静摩擦系数设为0.8，动摩擦系数设为0.2；煤-钢弹性恢复系数设为0.2，静摩擦系数设为0.5，动摩擦系数为0.01；接触半径设置为12 m，黏结半径设为13.5 mm。经分析预期设备块率能提高5%87露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月以上，达45%以上。4现场应用4.1设备成块率及设备耗能设备技术升级完成后，针对现场着重关注的块率、能耗指标完成了一系列数据统计，项目实施完成后20100 mm产品粒度由43.95%提高到50.16%，成块率提高了6.21%。通过本次技术升级项目一级破碎设备由双电机驱动实现单电机驱动破碎辊总成，直接取消了1台电压等级为6 kV的400 kW电机，2022年10月份2 000 t/h破碎站1级破碎机运行268 h，单位电价按照0.49元计算，2 000 t/h破碎站所用一级破碎设备电机实际运行功率421 kW。项目实施完成后10月份消耗电能为112 828kWh，节约电费5.52万元。参考2 000 t/h破碎站1级破碎机2022年19月运行总时长为1 914 h，单电机运行9个月可节省电费为39.48万元；据此按年计算，每年可节约电费55万元以上。4.2经济效益破碎系统技术升级完成后取得的经济效益非常明显，主要体现在：1）通过本次改造，产品粒度比例提高了6.21%,按照2022年度上半年销售了20万t块煤计算，可多产出机选块煤1.42万t，按机选块煤与粉煤每吨差价50元计算，可提高利润71万元；参照40万t年产量，在投入相同原煤量的情况下，可直接提高年销售利润90万元。2）项目实施完成后除年节约电费55万元以上外，设备备件维护减少，设备维护成本每年可降低近百万元。3）改造后提高的产品粒度比例达6.31%，年可减少供应原料煤12.42万t，占额定产能总量的3.1%，有利于改善矿井目前紧张的资源分配，提高资源利用率和增加公司经济效益，按吨煤成本120元计算，每年可减少采煤投入费用1 490.4万元。根据统计，每节约1 kWh电，就相应节约了0.4 kg标准煤，减少污染排放0.272 kg碳粉尘、0.997 kg二氧化碳,参照本项目年节约用电量，每年减少碳粉尘排放量368 270 kg,减少二氧化碳排放量1 349 874 kg。相当于植树近千万棵，同时减少了二氧化硫、氮氧化物等愿。5结语1）借助EDEM仿真实现破碎齿优化再设计，去除破碎设备副齿结构，减少了破碎过程的破碎次数，项目实施后产品粒度的成块率提高了6.21%，增加了经济效益。2）设备由双驱结构优化为单驱动结构，减少备件库存，实现系统精简，降低系统维护成本。3）响应绿色矿山节能降耗的政策需求，显著降低了用电量，大大减少了碳排放量。参考文献：1 姬长生援露天采矿方法 酝 援徐州：中国矿业大学出版社，圆园员源援2 潘永泰援国内外分级破碎技术的研究 允 援选煤技术，圆园园猿（猿）：苑原怨援3 王宏迪援双齿辊破碎机工作参数与破碎机理数值模拟研究 阅 援长春：吉林大学，圆园员苑援4 高有茂，杜金霞，牛波援圆孕郧杂 型分级破碎机齿形及破碎齿布置方式探讨 允 援矿山机械，圆园园愿，猿远（员猿）：苑源-77援缘 潘永泰援新齿型分级破碎机齿型结构及齿心布置形式的研究 允 援洁净煤技术，圆园园员（源）：员园原员猿援远 贡凯军，何有钧，杨庆佛援新型双齿辊破碎机生产能力和功率的计算方法 允 援煤炭加工与综合利用，员怨怨苑（圆）：圆1-22援苑 王国强，郝万军，王继新援离散单元法及其在 耘阅耘酝 上的实践 酝 援西安：西北工业大学出版社，圆园员园援愿 罗金，陈星援低碳视角下传统能源企业转型路径 允 援化工管理，圆园圆圆（猿源）：员缘原员苑援88