煤的机械化采制样技术及应用

对于煤这类用量极大又不均匀的物料，最好的采样方法是机械法。机械法效率高，又易做到随机采样，精确度高。目前，国内机械采样装置已较广泛地应用于入厂煤与入炉煤的采制样，技术性能有较大的改善和提高。

（一）采制样机基本结构

煤炭采制样机要替代人工采制样，必须具备一定的条件：采样应具有代表性，精密度应符合有关标准要求，且不允许存在系统误差；制样应具有代表性，煤样制样与分析总方差应符合0.05P2的要求，P为采制样总精密度，且不允许存在系统误差；采制样机应具有运行可靠性，其年投运率达到95%以上，检修周期要与输煤系统大致相同，一般为1～2年。

1.采制样机的结构和流程

各类煤炭采制样机的结构组成大致相同，主要包括采样头、给煤机、破碎机、缩分器、余煤处理装置等。在系统流程上，根据采样地点、采样对象的不同又有所区别。以皮带采制样机的系统流程为例，根据其破碎—缩分单元的数目，可分为一级采样制样和二级采样制样两种。

一级采制样机含有一套破碎—缩分单元，通常设计出料粒度小于13mm或6mm，满足全水分和普通分析煤样的保留量的要求。从采样头采集到的样品经给煤机送到破碎机，经破碎机破碎后进入缩分器，按照一定的缩分比进行缩分，需保留的部分进入集料器，其余的做弃煤处理。一级采制样机系统流程如图2-5所示。

二级采制样机含有两套破碎—缩分单元，通常设计一级破碎的出料粒度小于13mm，二级破碎的出料粒度小于3mm，在一级出料处收集全水分煤样，在二级出料处收集分析煤样，基本流程如图2-6所示。

图2-5 一级采制样机系统流程

图2-6 二级采制样机系统流程

2.采制样机的主要部件与要求

性能良好的采制样机装置，其各组件的技术性能应达到技术规范，才能发挥其各组件的作用，达到良好的应用效果。

（1）采样器。

1）用于输煤皮带端部下落的煤流采样。进料口宽度至少为煤最大粒度的3倍；容积大小要满足当带式输送机在额定出力下，采取全横断面煤流样时，不发生溢流或梗阻现象；采样时，采样器的切割速度始终保持恒定，一般以不超过0.46m/s为限；采样周期可依据需要调节，调节范围一般为2～10min。

2）用于输煤皮带中部移动煤流采样。进料口宽度至少为最大煤粒度的3倍，采样时，不发生“犁煤”、溅煤和留底煤现象；横过煤流的切割速度要大于输煤皮带的运行速度，一般以4～10m/s为限。采样时，刮板式采样器的两旁封闭板要稍离输煤皮带（尽可能小），而后封闭板与输煤皮带软接触；采样器移动的弧度要与采样段输煤皮带的弧度相一致，每动作一次能切割一完整煤流横断面，动作周期在2～10min内可调。

采样器操纵机构的设计要合理，选材要符合机械规范设计要求，当采样器后续的任一组件发生故障、带式输送机断煤或停运时，采样器均可自动停止工作。

（2）集料槽。集料槽应能收集从采样器采到的全部子样量，且不发生任何损失煤样的现象；应具有防止比设计大的煤块进入集料槽内，以防止煤样下落管及制样设备堵塞；集料槽出口下落管道要采用不锈钢或其他防堵材料做成，其直径应不小于通过煤的最大粒度的3～4倍。

（3）给料机。给料机适应湿煤能力要强，不发生煤沉淀，煤中水分为8%时仍能正常给料；能在两个子样的时间间隔内，将一个子样的煤全部喂到下一个组件中去；给料速度应是可调节的，以适合不同水分煤的需要。

（4）破碎机。破碎机转速必须是低速的，一般不高于300～400r/min，若采用高速破碎机，为防止水分损失，则要在破碎机进出口间串接一个水分循环平衡管；破碎后的煤样粒度应能满足下一组件工作的需求，其中受限制的最大粒度煤不超过5%；破碎工件应耐磨，工作中不应有明显发热；适应破碎湿煤能力强，要求煤中水分Mf在8%左右时仍能正常工作。

（5）缩分器。缩分器切割（进料）口宽度至少为通过煤的最大粒度的3～4倍；缩分比要稳定，一般不超过5%～10%，并能随着采取子样量的变化自动调节，使其缩分分出的留样量始终保持符合粒度的要求；缩分出的留煤样在粒度组成上要与弃煤样一致，使缩分精密度达到小于0.37PL（PL为采制化总精密度）和缩分无系统偏差的要求；抗湿煤能力要强，煤中水分Mf在8%左右时能正常工作。

（6）弃煤处理系统。弃煤处理系统要尽量利用现场条件设计简单易行、运行可靠和投资少的处理系统；抗湿煤能力要强，要求煤中水分Mf在8%左右时能正常工作；能在带式输送机额定出力下于两个子样时间间隔内将弃煤全部返回到采样点煤流的下游处或其他适宜的地方。

3.常见各组件的不同形式

国内外机采样装置中常用的采样器、破碎机和缩分器的形式大致有以下几种：

（1）采样器。

1）溜槽式采样器，见图2-7。它是上大下小的窄形容器，采样时采样器从皮带侧面垂直于煤流做往复运动，单向截取斜横断面煤流。该采样器适用于不同粒度的煤。

图2-7 溜槽式采样器

2）料斗式采样器，见图2-8。它像矩形箱子，底部设有供卸煤用的活动小门，采样时采样器从皮带侧面垂直于煤流或从输煤皮带正面迎着正横断面煤流。该采样器适用于不同粒度的煤。

3）重锤式扇形采样器，见图2-9。它被设计成夹层扇形体，三面封闭，一面敞开，两侧封闭板的前沿为弧形，后侧封闭板的前沿加设有弹性耐磨材料，采样时采样器横过皮带截取一个斜横断面煤流。该采样器适用于粒度不太大的煤和皮带宽度小于1.5m的带式输送机。

4）摇臂式采样器，见图2-10。它的外形与料斗式采样器类似，不同之处是，它借助摇臂（含旋转臂）操纵机构进行采样，采样时采样器从皮带侧面垂直于下落煤流，或从皮带背面逆着下落煤流做往复运动，单向截取斜横断面煤流或正横断面煤流。该采样器适用于各种粒度的煤和现场空间小、受限制、不易布置的场合。

图2-8 料斗式采样器

（a）侧向垂直切割；（b）正向垂直切割

图2-9 重锤式扇形采样器

图2-10 摇臂式采样器

（a）侧向切割；（b）背向切割

5）刮板式采样器，见图2-11。它由一块四边无任何封闭板的矩形平板作为采样器，采样时采样器从皮带侧面横过煤流，由于铰链作用，采样器只单向截取斜横断面煤流，采样效果差。该采样器适用于粒度不太大的煤和皮带宽度较小的带式输送机。

图2-11 刮板式采样器

6）簸箕式采样器，见图2-12。它是针对刮板式采样器的缺陷改进设计而成的，不同的是在矩形板四边，除进料口边敞开外，其余进料口都加设封闭板，形似簸箕，采样时采样器旋转横过皮带一次可以截取一个斜横断面煤流。该采样器适用于粒度不太大的煤和皮带宽度较小的带式输送机。

7）旋转圆板式采样器，见图2-13。它是一块开设有矩形孔的圆形板（或弧形板），采样时圆形板或弧形板从皮带侧面截取一个斜弧形横断面煤流。该采样器适用于粒度不太大的煤。

图2-12 簸箕式采样器

图2-13 旋转圆板式采样器

8）管勺式采样器，见图2-14。它像一根空芯管子，管的一端开设一符合要求的进料口，上下方向可摆动90°，采样时，管子向上摆动迎着下落煤流，单向截取局部横断面煤流。该采样器适用于粒度较小且均匀性较好的煤。

（2）破碎机。

1）卧式环锤破碎机，见图2-15。它是在一根水平转动轴上安有多排锤子，转速为954～1450r/min，进出料口间一般设有气流循环平衡管，以减轻水分损失，破碎效率高；出料口装有限制筛，使出料粒度有保证，但容易堵煤。

图2-14 管勺式采样器

图2-15 卧式环锤破碎机

2）立式环锤破碎机，见图2-16。它可伸缩的环锤套接在水平臂上，而水平臂则固定在一根垂直的转动轴上，转速一般要求低于700r/min，否则，煤样受热水分蒸发损失严重；出料口设有防堵刮板，破碎效率高，但出料粒度不易保证。

3）活动单颚式破碎机，见图2-17。它由转动的单辊和相对固定的颚板组成，由电动机带动的单辊转动，转动速度慢，一般只有每分钟数十转，不会产生强烈气流，对减少水分损失有利，在采制样机装置中，通常要和其他破碎设备组合成两级破碎才能达到使用要求。

图2-16 立式环锤破碎机

图2-17 活动单颚式破碎机

4）异径对辊式破碎机，见图2-18。它是由两个不同直径的辊棒组成，一个为主动轴，由电动机带动；另一个为从动轴。主动轴一般为每分钟数十转，同样破碎效率相对较低，在采制样机装置中，要和其他破碎设备组合成两级破碎才能达到使用要求。(www.xing528.com)

5）锥式（哈夫）破碎机，见图2-19。它的中央有一均匀布置凸钉的锥形磨件，磨件与外壳之间构成一个上大下小的圆形腔体，煤从破碎机上方料斗进入，依靠磨件转动，煤逐渐下移而被挤压磨碎，磨碎后的煤样经下方出料口排出破碎机外。

图2-18 异径对辊式破碎机

图2-19 锥式（哈夫）破碎机

6）鼠笼式破碎机，见图2-20。它由两个焊有圆短棒且相互错开的圆盘组成，一个为主动盘，另一个为从动盘。盘的周围有限制粒度筛，煤样从从动盘中间进入被破碎，符合粒度要求的煤样依靠离心力作用穿透筛进入样品集中槽。

（3）缩分器。

1）旋转锥体缩分器，见图2-21。它的圆锥台表面开设一道缝隙（可调），由电动机带动旋转，每旋转一圈就从给料煤流中切割少量煤样作为留样的一部分。

图2-20 鼠笼式破碎机

图2-21 旋转锥体缩分器

2）旋转缝隙缩分器，见图2-22。它由上下两层的扇形体组成了两级缩分器，第一级是固定的，第二级是可旋转的。当给料煤流经分配盘进入一级缩分器后，被缩分出的少量煤样又经分配盘进入二级缩分器，缩分出少量煤作为留样的一部分。

3）旋转料斗缩分器，见图2-23。给料煤流进入料斗后，从它的下端管口排出，在排料口下面的适当部位设置一个固定的切割器，料斗每旋转一圈，切割器就从料斗排出的煤样中采样一次。若需要，切割器可设置多个。

图2-22 旋转缝隙缩分器

图2-23 旋转料斗缩分器

4）旋转平盘缩分器，见图2-24。在一个平圆板上按等弧线布置开设若干缝隙，平盘由电动机带动旋转。当给料煤流下落时，由盘上的缝隙切割器切割煤流，每转一圈切割两次，切割采到的煤样经集样槽流出，多余的煤样通过犁板流入弃煤槽排出。

5）链式料斗缩分器，见图2-25。采样料斗安装在一条等节距的链子上，料斗按单方向移动，若预先设置时间周期，也可改变移动方向。料斗每通过给料煤流一次，就采到组成留样量的一部分煤样；当料斗移动到链子头端时，经翻转将煤样卸入留样槽中。

图2-24 旋转平盘缩分器

图2-25 链式料斗缩分器

6）皮带缝隙缩分器，见图2-26。在一条皮带上按等同距离开设若干切割缝隙，当皮带转动时，每当切割缝隙经过给料煤流时就切割煤流一次，采到一个子样，采到的煤样经倾斜槽排出作为留样。

图2-26 皮带缝隙缩分器

（二）采制样机的种类与特点

在火力发电厂中，大型燃煤锅炉为输送燃煤都设置有带式输送机，这为实现机械采取燃煤试样提供了极其有利的条件。用于带式输送机的机械采样装置，因其安装位置不同有两种类型，一种是用于皮带端部下落煤流采样的机械采样装置；另一种是适用于皮带中部移动煤流采样的机械采样装置。下面介绍几种典型的机械采样装置。

1.重锤式机械采样装置

重锤式机械采样装置是我国最早使用的一种设计较完善的机械采样装置，适于皮带中部移动煤流采样，其采样系统见图2-27。采样器设计成簸箕形，其上配有质量很大的扇形体，安装在皮带上方的主轴上，由电动机驱动。簸箕体接触皮带的边缘敷设有毛刷。采样时，簸箕体连同扇形体突然脱开半月形棘轮凸齿失掉平衡，依靠重力作用加速下落（刮煤部分的平均圆周速度超过6m/s）截取一个横断面煤流作为一个子样，而后依靠其运动惯性冲向棘轮并与其上凸齿啮合。同时受到制动力作用不能后退，只能沿着半月形棘轮逐步上升，到达最高位置后又脱开棘轮失去平衡，簸箕体又加速下落采取一个煤样，如此循环采样。采到的煤样经集料槽进入贮煤斗，贮煤斗可容纳一班所采集的煤样。由化学人员操作，将贮煤斗内的全部煤样通过绞龙输送机均匀地送入卧式环锤破碎机（出料口设置有3mm的条筛），破碎成3mm的粒度，而后依次流经一级旋转扇形缩分器和二级转盘缩分器（两级缩分比为1∶324）进行缩分，缩分出的煤样进入样品罐。

此机械采样装置的采样系统流程设计较合理，采样器选用目前国内广泛采用的簸箕体结构，并加重锤配置，采样时切割煤流断面速度快，且采样器接触皮带边缘加设毛刷，消除了留底煤的现象。但由于在流程中增设了贮煤斗，因此煤样在贮煤斗内贮存时间较长，致使下部煤样受压变实不易排出，尤其在严冬季节，遇到煤中水分含量大时，易冻结成块状，更无法排出。

2.ZC-1型机械采样装置

ZC-1型机械采样装置是一种适于皮带中部采样的较新颖的采样装置，见图2-28。采样时，由微机程控采样器（簸箕形）按预置的时间间隔或质量间隔指令操纵采样器自动旋转，从运行的带式输送机上截取一个横断面煤流，采取的煤样进入带有除铁功能的集料槽，经落煤管到旋振筛给料机，筛分出粒度大于6mm的煤样直接进入立式环锤破碎机，破碎成不大于6mm的粒度，继而被送入锥形缝缩分器（缩分比为1∶40）的受样斗内与通过旋振筛的小粒度煤样会合后，进入缩分器，缩分出的煤样流入样品罐，弃煤经由环形弃煤回送器返回到煤流下游。这种机械采样装置整机结构紧凑，低位布置，便于使用和维护，其工作流程与一般机械采样装置采用的工作流程略有不同。它选用了旋振筛给料机，该给料机既具有均匀给料功能，又具有筛分功能，可减少煤样水分的损失和提高破碎机的防堵能力。实践证明，该机械采样装置在一定程度上增加了整机的抗湿煤性能；但均匀给料能力较差，同时对缩分器也提出了更高的要求。

图2-27 重锤式机械采样装置

1—取样斗；2—受煤斗；3—输煤斗；4—贮煤斗；5—绞龙；
6—伞齿轮；7—碎煤机；8—缩分器（扇形）；9—一次余煤排出管；10—减速器；11—离合器；12—煤样桶；
13—转盘缩分器；14—第二次余煤排出管；15—调整手柄；
16—制动；17—棘轮；18—主轴；19—配重

图2-28 ZC-1型机械采样装置

3.3S-ND型机械采样装置

3S-ND型机械采样装置适于采取皮带端部下落的煤流，其结构见图2-29。它实际上是一种悬臂式的采样装置，采样器为一个底部开设有活动门的长方形接斗。制样系统配备二级破碎机、二级缩分器，是典型的二级采样系统。采样时，采样器迎着皮带运行方向穿过整个下落煤流断面接取一个子样。采到的煤样依次经集料槽、落料管到达皮带给料机，而后进入一立式环锤破碎机，被破碎成粒度小于13mm后进入一级旋转漏斗斜槽式缩分器，缩分出两部分煤样，一部分煤样供测定全水分用，另一部分煤样进入二级破碎机，被破碎成粒度小于3mm后送入二级圆盘式缩分器，最终缩分出试验室煤样。该机械采样装置的采样系统流程是典型的二级采样系统工作流程，设计较合理，既能使各组件承受的负荷相对较小，又能较均匀地分配，有利于增加整体防堵能力。此外，在采样器接料斗上加设间距为100mm的条筛，可防止超过设计的煤块或其他杂物混入装置内，增强了安全运行的可靠性；但接斗容积偏小，煤样有溢流现象。

图2-29 3S-ND型机械采样装置

1—输煤皮带；2—采样器摇臂；3—采样器料斗；4—芯样管；
5—振荡器；6—皮带给料机；7—磁铁分离器；8—一级环锤式破碎机；9—一级缩分器；10—全水分样品收集容器；
11—一级余煤排出管；12—下层皮带；13—三通；
14—旁路；15—加热器；16—二级破碎机；
17—二级缩分器；18—样品罐；19—二级余煤排出管；20—采样器运动轨迹

4.CYJ型机械采样装置

CYJ型机械采样装置是电力系统使用较早的一种产品，见图2-30。采样器为一个四边未加封闭板的矩形平板，通过连接臂固定在皮带上方的主轴上，由液压推动器驱动主轴操纵采样器工作。制样部分为粗、细两级破碎，粗碎机为辊筒—活动颚板式（I=7～8），细碎机为差动对辊式（I=4～5），缩分采用旋转缝隙缩分器，两级缩分，其缩分比为1/12×1/12。采样时，由液压推动器操纵刮板式采样器，迅速横过皮带截取一个横断面煤流作为一个子样。采取到的煤样经落煤管到两级破碎机，被破碎成粒度小于3mm后依次进入两级缩分器缩分，缩分出的煤样流入样品罐。这种机械采样装置结构紧凑、体积小、易现场布置，破碎机与缩分器均采用低速，有利于制备煤样时减少水分损失和保持原煤样的代表性。为防止煤中混入的特硬非磁性金属使破碎设备损坏，设置反排功能，及时将金属异物排出系统外。但这样做也存在一些缺点，采样系统流程不合理，早期产品未装置给料机，会增加破碎机甚至整机的堵煤机会；采样器设计成平板形，且采样器进料口边缘采样时与皮带距离大，因此在采样时发生“犁煤”和“留底煤”现象严重，采集煤样的代表性差。

图2-30 CYJ型机械采样装置

5.SCSU型单元式采样装置

SCSU型单元式采样装置属于在皮带端部采样的一种机械采样装置，是美国拉姆齐公司生产的，其采样系统流程是一级的，见图2-31。采样头类似一个扇形体，扇形体下部开口宽度为80mm（燃煤粒度＜25mm），臂长约800mm并附有配重，臂的端部与转轴连接。采样时，采样头以大于皮带运行的速度截取皮带上移动煤流断面，采到的煤样经落煤管、一级皮带给料机进入卧式环锤破碎机（转速为1450r/min），被破碎成粒度小于3mm后，又进入二级皮带给料机，由安装在该皮带上方的小刮斗采取煤样（相当于缩分器），缩分出的煤样送入样品桶中，弃煤送入专用的小车中，每天由人工运往贮煤场。此装置的特点有：①采样头设计合理，扇形体两面敞开，其后挡板边缘加设有硬毛刷，可有效地防止产生“犁煤”和“留底煤”现象。②利用小型皮带输送机，使给料和缩分（采样）组合在一起，结构紧凑，不会发生机械缩分器堵煤的现象，但缩分精密度相对降低。③采样皮带段（采样器的前后皮带）上方设有密封罩子，可防止采样时煤样的飞溅和撒落。④整机的主要连接管道及其易发生堵煤的部件全部采用不锈钢材质。

该装置对湿煤适应性能不高，一般在8%（Mt）下能长期运行，若水分再增加，容易发生堵煤现象。为了解决破碎机堵煤问题，已将限制粒度条筛的间距从3mm扩宽到5mm。另外，该装置各组件体积大，流程基本按垂直方式布置，在一定程度上可减少堵煤机会；但整机体积庞大，高度达20m。

6.旋转锥式采样装置

旋转锥式采样装置如图2-32所示，它是摇臂式采样装置的一种，用于皮带端部采样，由意大利Sala有限公司提供。采样器为一锥体料斗，一边小一边大，其旋转工作半径为1200mm，每小时运转10次，破碎机为卧式环锤式（转速为1450r/min），二级旋转式缩分器总缩分比为1∶400。采样时，采样器以倾斜角15°从下落煤流中截取一个横断面煤量（约70kg），采到的煤样通过螺旋输送机（给料机）送到破碎机中，将破碎到粒度小于10mm的煤样，经振动式给料机均匀地送入二级振动式缩分器，缩分出的煤样依次送入二级振动式给料机、二级旋转式缩分器，最终缩分出试验室煤样流入样品罐中，所有弃煤则经螺旋输送机输送到弃煤集中槽，由斗式回煤提升机送到弃煤皮带，而后返回到指定的场所。此装置的特点：①在整个采样系统流程中加设了3个为监督煤样用的三通管（落煤管出口、一级缩分器出口和回煤提升机出口）。②在一、二级缩分器前都加设有振动式给料机，提高了缩分的精密度；但该装置同样体积庞大，不便于现场布置。

图2-31 SCSU型单元式采样装置

图2-32 旋转锥式采样装置

（a）旋转锥式采样系统；（b）旋转式取样头运行方式
1—旋转式取样头；2—取样螺旋输送机；3—冲击式破碎机；
4—一级振动输送器；5—一级旋转缩分器；6—二级振动输送器；7—二级旋转式缩分器；8—回煤螺旋输送机；
9—斗式回煤提升机；10—回煤叉管；11—煤样收集桶；
12、13—试验旁路三通

7.管勺式机械采样装置

管勺式机械采样装置是日本三菱公司生产的，整机采样系统流程见图2-33。采样头为一根直径较粗的空芯管子，其一端开设一个缺口（切分器），宽度为100mm，切取次数为10～20次/h，可调。采样时，管子向上摆动（摆动角度为90°）截取下落煤流断面中部的少量煤量（约7kg）作为一个子样，采到的煤样经皮带给料机进入卧式活动环锤破碎机，粒度小于40mm的煤样被破碎到小于10mm，破碎过的煤样进入螺旋输送机（原为皮带输送机）到皮带缝隙缩分器，该皮带可正向运行。当皮带上方形孔切割下落煤流时，就采取一个子样。此装置尽管结构简单，但由于只采取下落煤流的局部断面，故采到的煤样代表性差，因此，它只适用于粒度较小而均匀性较好的煤炭。

图2-33 管勺式机械采样装置流程