一种新型煤炭制样辅助系统的设计与应用-中国口岸科学技术-2024年10期

一种新型煤炭制样辅助系统的设计与应用

作者：赖志彬麦智强杨树洁刘烨黄植生吴长俊陈福张辉

赖志彬麦智强杨树洁刘烨黄植生吴长俊陈福张辉

赖志彬^1,2 麦智强^1,2 杨树洁³ 刘烨^1,2 黄植生^1,2 吴长俊⁴ 陈福^1,2 张辉^{1,2 *}

摘要 煤炭是一种化学和粒度组分都不均匀的混合物，在其质量检测过程中，制样环节至关重要。本文通过对几种煤炭常用制样设备的分析比较，将上料设备、粒度筛网以及给料运输等系统相结合，设计了一种煤炭制样辅助系统。该系统能够更好地满足煤炭制样标准中逐级破碎的要求，有效改善工作环境。同时，投料均匀，可大幅降低人为因素干扰和减轻工作人员的劳动强度。此系统能够适配传统制样设备，无需重新购置自动化制样设备，既节省了制样成本，又缩短了检测周期，提高了工作效率和检测结果的准确性，可满足日常工作需要，具有良好的应用和推广价值。

关键词 煤炭制样；辅助系统；工艺设计；推广应用

Design and Application of a New Auxiliary System for Coal Sample Preparation

LAI Zhi-Bin^1,2 MAI Zhi-Qiang^1,2 YANG Shu-Jie³ LIU Ye^1,2

HUANG Zhi-Sheng^1,2 WU Chang-Jun⁴ CHEN Fu^1,2 ZHANG Hui^1,2*

Abstract Coal is a heterogeneous mixture in terms of both chemical composition and particle size, making sample preparation a critical step in quality testing. This paper presents the design of an auxiliary system for coal sample preparation, developed by integrating feeding equipment, particle size screen mesh, and feeding and transportation systems after comparing several commonly used coal sample preparation devices. The system effectively meets the requirements of stepwise crushing in coal sample standards and improves the working environment. The uniform feeding feature significantly reduces human interference and lessens the labor intensity of the operators. Moreover, the system is compatible with traditional sample preparation equipment, eliminating the need for costly automatic sample preparation systems. This not only reduces the cost of sample preparation but also shortens the testing cycle, enhances work efficiency, and improves the accuracy of the results. The system meets the needs of routine operations and holds great potential for widespread application and promotion.

Keywords coal sampling; auxiliary system; process design; application

基金项目：广东省口岸安全智能化检测重点实验室资助（2023B1212010011）；湛江市非资助科技攻关计划项目（2024B01093）

第一作者：赖志彬（1988—），男，汉族，广东梅州人，本科，高级工程师，主要从事煤炭矿产品检验工作，E-mail: laizhibin1988@163.com

通信作者：张辉（1978—），男，汉族，河南开封人，硕士，工程师，主要从事煤炭矿产品管理和检测工作，E-mail: 37403633＠qq.com

1. 广东省口岸安全智能化检测重点实验室广州 510700

2. 黄埔海关技术中心广州 523087

3. 湛江海关技术中心湛江 524022

4. 中国检验认证集团广东有限公司广州 510623

1. Guangdong Provincial Key Laboratory of Intelligent Port Security Inspection, Guangzhou 510700

2. Huangpu Customs Technology Center, Guangzhou 523087

3. Zhanjiang Customs Technology Center, Zhanjiang 524022

4. China Certification & Inspection Group Guangdong Co., Ltd., Guangzhou 510623

煤炭是我国重要的基础能源和原料，在国民经济中具有重要的战略地位，对能源保供具有“压舱石”和“稳定器”作用。其消费主要集中在电力、冶炼等领域，约占消费总量的80%^[1]。根据我国煤炭资源分布情况，东南沿海地区每年需进口大量的煤炭来保障用煤需求。为保护国家生态环境和保障国民身心健康，海关需对进口煤炭的品质进行检测。鉴于煤炭来源、种类、性质的复杂性和不均匀性，统计分析表明，制样环节所带来的误差约占采制化误差的20%^[2]，因此煤炭采制样就显得尤为重要。

随着我国煤炭制样设备的不断发展，当前部分检测机构采用自动化制样设备来制备煤炭样品，但该类设备购置及维修维护成本较高，存在一定局限性。另外，还有部分检测机构所使用的煤炭制样设备相对简单，仍需人工操作或者联合制样机辅助人工的方式进行，制样周期长、工人劳动强度大，同时还可能会带来人为误差和二次污染^[3-8]。上述问题不仅给制样工作带来不便，在煤炭贸易中还容易引发供需双方的质量纠纷。为有效解决上述问题，本文基于对几种煤炭常用制样设备的分析比较，研究设计了一种煤炭制样辅助系统。该系统主要包括上料设备、粒度筛网以及给料运输系统等部分，能够为高效的煤炭制样提供技术支撑。

1 制样机技术现状

煤炭是一种化学组成和粒度组成都不均匀的混合物，要将大量的煤样制成少量化学和物理特性都能代表初始煤样的试样，就必须严格按照标准规定的操作程序对煤样进行加工处理，否则制成的分析试验煤样就失去了代表性，其化验结果不能准确反映所抽采煤样的品质^[9]。因此，检测结果的准确与否在制样环节至关重要，其误差也直接影响到煤炭检测的最终结果。我国现行的煤炭制样标准主要为GB/T 474—2008《煤样的制备方法》^[10]和GB/T 19494.2—2004《煤炭机械化采样第2部分：煤样的制备》^[11]，标准对制样过程作了规定，严格按照标准进行制样可有效减少制样的偏差，同时也需要性能良好的制样设备进行辅助。经过一段时间的发展，我国的煤炭制样设备已从最初的简单形态逐步升级为智能与自动化，为煤炭制样提供了更多的选择。

1.1 传统制样机

传统的煤炭制样系统智能化程度相对较低，受人为因素影响较大，在系统稳定性、工作效率和操作安全性等方面均有提升空间。下面介绍几种常用的制样设备。

（1）颚式破碎机。张占军^[12]和刘荣成等^[13]针对颚式破碎机在样品制备过程中出现的问题，提出了理论分析和解决方案，为在生产时再出现此类故障提供参考。汪建新等^[14]采用新型双腔复摆运行方式，设计了一种颚式破碎机。该机型可减少能量损耗，对破碎效率有了大幅度提高。但仪器上料时需人工逐一投料，在整个制样过程中存在一定不足。

（2）对辊破碎机。孟郊波^[15]针对原有对辊破碎机故障率高、工作效率不足等问题，对辊齿结构和密封性进行改进，增加了仪器的耐磨性和整体工作面的持续运输性能，使设备工作效能得到大幅度提升。李国微^[16]针对辊破碎机的安装、维护等常见故障排除提出了一定的参考意见。但矿石硬度较高，对辊破碎机零件磨损严重，导致对辊破碎机的使用寿命缩短。

（3）锤式破碎机。庄红峰等^[17]采用锤式破碎机对煤样进行制备，并对设备在使用过程中的维护和保养提出了相关案例分析。栗思伟等^[18]通过对设备结构和材料进行优化，将两者有机结合，提高了设备的耐磨强度和受力范围，延长了仪器使用寿命，降低了生产成本。但仪器自动化程度低，样品粒度大、湿度大时容易堵塞下料口，增加了工作人员在制样时的劳动强度。

1.2 自动式联合制样机

李进^[19]将破碎机和缩分器有机结合，研发了一款联合制样设备，该设备制样效率高，降低了工作人员的劳动强度，且能满足出料粒度要求。马飞跃^[20]通过对破碎机和缩分设备的优化，研发了一种全自动煤炭制样机，该设备较大程度上解决了混料、上料问题，大大提高了智能化程度，有效减少了样品污染。但自动式仪器购置及保养维护成本较高，普通检测机构难以承担，具有一定的局限性。

2 系统设计与实施

针对自动式制样机与传统制样机在工作中存在的问题，以传统制样机为基础，结合实际制样情况，设计出一种煤炭制样辅助系统。该系统主要由煤炭上料设备、粒度筛网以及给料输送机等部分组成。

2.1 上料设备设计

由于上料设备材料对选择的要求较高，需综合考虑制样设备的耐磨性、耐腐蚀性、受力范围及便于投料等，采用钢质材料与普通铁质材料进行两者性能比较，设计了一种上料设备（图1），通过比较后得出，采用钢质材料可行性更高、操作性更强，更能满足煤炭现场制样生产要求。上料设备的基本参数包括上料斗主尺寸、形状、倾角和下料口尺寸等。

图1 上料设备主体

Fig.1 Main body of the feeding equipment

依据常用煤炭制样设备入料口尺寸以及一批煤炭制样所需的总样量情况，从实现料斗体积利用率最大化的角度出发，设计了一种上料斗为长方体的结构，其尺寸为长800 mm、宽 800 mm、高600 mm。下料斗呈倾斜平面状，下料口尺寸为长100 mm、宽100 mm，以此确保煤炭能够均匀且顺利地流出。考虑到烟煤、无烟煤等煤样在水分较大时，样品黏性大、流动性差，因此下料斗的倾角斜率应尽可能大一些。为有效控制样品的下料流速，在下料口处安装了一个手动丝杆开关，既方便针对不同黏性的煤样调节下料流速，又可在制样过程中遇到设备发生故障时关闭煤样下料。同时，在上料设备的底部四角安装了可旋转式轮滑，便于在地面上移动料斗，解决了上料设备较为笨重，设备移动不便的问题。

2.2 粒度筛网设计

原煤粒度大小不一，部分大颗粒的进口煤到港粒度高达200 mm（图2），直接将煤样投入制样设备中破碎，容易造成入料口堵塞，需使用电冲锤对大颗粒煤样进行预破碎，将煤样破碎到一定粒度后再投入制样机入料口进行制样。为保障所投入的样品不会堵塞制样机入料口，按国家煤炭制样标准规定以及结合日常制样工作情况，设计一种粒度为50 mm的粒度筛网。粒度筛网基本参数包括筛孔径、线径、筛网面积等。

图2 大颗粒煤炭样品

Fig.2 Large particle coal sample

考虑到煤炭采取的总样量较大以及样品量重的特点，为有效与上料设备配套使用，采用不锈钢制作外边框长为800 mm 的正方形筛网。孔径大小是筛网设计的关键参数，孔径越大，所需预破碎的样品就越少，但堵塞制样设备入料口的概率也会越高。同时，筛网内线的厚实程度以及耐磨、耐腐蚀性决定了其牢固程度和使用寿命，筛网工作时持续使用时间较长且承受重量较大，结合国家煤炭制样标准，选用孔径为5 mm 的拧丝钢线，将筛网孔径设计为边长50 mm 的正方形，如图3所示。为更方便快捷地将大颗粒煤样预破碎至50 mm 以下并过筛，配备可充电电冲锤，能够极大地减少工作人员的劳动强度及安全隐患。

图3 粒度筛网

Fig.3 Particle size screen mesh

2.3 给料输送系统选择

一艘6 万吨的进口煤船所需采集的样品总量约为1395 kg，若采用人工搬运样品倒入设备入料口，不仅工作人员劳动强度大，还将带来一定的安全隐患。而本研究设计的给料输送系统主要由起升降、运行机结构和桥架机构组成，其中起升降、运行机结构能够将装有煤样的上料设备垂直升降和平行移动，使其准确地送到制样机入料口支架上，这一结构是整个给料输送系统中最为基础、关键的部分；桥架机构则是将两侧支腿牢固地固定在地面上，横梁采用钢槽进行光滑连接，从而构成龙门吊架形状的升降平移桥架。

3 设备操作与维护

3.1 设备操作简介

将粒度筛网固定于上料斗顶部，把待制备的煤炭置于粒度筛网上进行过筛，粒度较大的筛上物，用电冲锤击碎后再次过筛，至煤样全部进入料斗。再将装有样品的料斗移至龙门吊旁，用起重机将其吊起，放于制样机入料口处，打开下料口开关，使煤样匀速流入制样机入料口。

3.2 设备保养维护

设备的正常运行是提高制样效率的重要保障之一。高效的制样离不开完好的设备，而设备能否保持良好性能与日常维护保养密切相关，及时处理设备存在的故障隐患，可确保设备长期稳定运行，为按时完成工作任务提供技术保障^[21-26]。因此，样品制备前，需检查上料设备的手动开关和轮滑是否顺畅、桥架机构固定点是否松动，确保设备处于最佳使用状态后，再开始制样工作。操作升降、平移机构时，应注意提升和降下上料斗的速度要均匀平稳，在上料斗设备未吊离地面前，不得进行平移运动。样品制备结束后，应及时清理设备系统上的煤样及粉尘，保持良好整洁的工作环境。

4 效果评价

通过辅助系统的应用，检测机构对制样实现了较大的升级，将辅助系统与制样设备融为一体，使煤样制备更加自动化，既省时省力，又大幅减少人为干扰因素，降低工作人员劳动强度。具体应用效果可总结为以下3点：

（1）优化了煤炭制样的整体工作流程，提高了检测机构制样设备的适用范围与稳定性。辅助系统与制样设备相结合，实现系统、设备与人的互联制样，自动化程度显著提高。该辅助系统使用前，一般制样需5名工作人员，使用后仅需3名，工作效率大幅提升。

（2）改进了上料系统的结构设计，将上料设备与粒度筛网相结合，减少了人工使用大锤破碎大粒度样品的环节，同时消除了人工投料引入的干扰因素，使煤炭制备投料落料均匀、速度可控，极大减少工作人员上料时存在的安全隐患，更符合国家煤炭制样标准中逐级破碎的要求。

（3）上料设备与给料输送机有效结合，可将煤样机械运送到制样机入料口，既避免大量使用劳动力，优化制样工艺流程，降低人工成本，实现资源利用最大化，又减少煤粉扬尘，改善工作环境，降低工作人员因吸入过多粉尘带来的安全卫生隐患，对保护工作人员身心健康起到极大促进作用。

5 结语

本文在传统煤炭制样设备的基础上，通过增加上料设备、粒度筛网以及给料输送等系统，设计了一种煤炭制样辅助设备。该辅助设备采用机械化上料方式，大幅降低了人为干扰因素，并能减轻工作人员劳动强度，可使煤炭制样投料均匀，有助于提高样品结果的准确性。粒度筛网与电冲锤相结合，可将大颗粒样品破碎至一定粒度，更符合国家煤炭制样标准中逐级破碎的要求。此系统与制样设备相结合，使煤样制备过程更加自动化，提高了工作效率，降低了人力成本，对煤炭的生产和检测起到了促进作用。

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