煤泥浮選智能化控制系統研制

王占富，程會朝，許慧林，程 開，高 航，李紅旗，衛中寬，史英祥，劉鋼槍

(1.中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司；2.中煤(天津)礦山科技有限責任公司；3.中煤天津設計工程有限責任公司，天津 300120)

隨著我國煤炭開采的機械化水平不斷提高，礦井井下綜采占比越來越大，導致產出的原煤產品中細粒煤占比越來越高[1-2]，在部分礦井的原煤產品中小于0.5 mm粒級產品占比甚至達到20%～25%。浮選便是細粒和極細粒物料分選中應用最廣、效果較好的一種方法[3-5]，由于原煤品質的變化導致浮選設備入料的煤泥含量一直處于波動狀態，通過崗位工人觀察浮選效果、進行浮選過程參數調節存在調整不及時、不同經驗的崗位工人對浮選生產過程的調整能力不同，容易使浮選產品品質出現較大波動，精煤浮出率也難以保障。隨著國家環保要求和煤炭用戶需求的不斷提高，精煤質量也要進一步提高，同時要減少環境污染，因此，浮選生產過程智能控制變得尤為重要。浮選過程工藝機理復雜，整個浮選過程受入浮煤質、煤漿性質、藥劑制度、浮選工藝、浮選設備性能、浮選操作條件等因素影響[6-9]，通過研究浮選工藝可控參數，進行了浮選智能化控制系統研制，通過浮選智能化系統在王家嶺選煤廠二期主廠房浮選生產工藝環節的應用，節省了藥劑，提高了精煤浮出率，降低了工人勞動強度，創造了可觀的經濟和社會效益。

1 影響浮選全流程生產主要參數

1.1 煤泥性質

煤泥性質是煤泥客觀存在的自然屬性，包括煤的變質程度、煤表面的氧化程度、煤巖組分、礦物雜質、粒度組成等。

1.2 煤漿性質

煤漿性質主要包括煤漿中的無機電解質、殘存的浮選劑和絮凝劑、酸堿度等，這些因素都對浮選工藝效果有影響。

1.3 藥劑制度

在浮選過程中藥劑種類的選取，使用復合藥劑或起泡劑與捕收劑兩種藥劑同時使用，設置單個藥劑添加點進行藥劑一次添加或設置多個藥劑添加點進行藥劑分段添加，將原始藥劑直接加入浮選設備的藥劑添加點或者將原始藥劑經過乳化、疏散再添加到浮選設備藥劑添加點。

1.4 浮選工藝

浮選工藝分為粗選工藝、精選工藝和分級浮選工藝三種，其中精選工藝又分為全部精選、部分精選和二次浮選三種工藝。

1.5 浮選設備性能

浮選設備的性能也是影響浮選工藝效果的重要因素，具體包括兩個方面，即浮選設備的種類及其磨損情況。

1.6 操作條件

操作條件主要指浮選設備的操作條件，包括煤漿流量、煤漿濃度、充氣量、泡沫層厚度等。

2 浮選智能控制系統設備選型及研制

2.1 浮選過程主要可控參數

影響煤泥浮選效果的參數雖然較多，但是能夠在線測量及在線調節的主要參數分別是：操作條件、藥劑制度。依據浮選過程的操作條件及藥劑制度參數進行在線檢測儀表選型、試驗，選取或研制滿足工況要求的在線傳感器或在線檢測裝置[10-11]。

2.2 在線儀表選型及研制

2.2.1 入浮礦漿流量計選型

由于沒有任何一種流量檢測儀表能夠適用于所有流體的流量檢測，因此現有流體流量檢測傳感器種類大概60余種。主要分為：容積式流量計、差壓式流量計、浮子流量計、渦輪流量計、電磁流量計、流體振蕩流量計中的渦街流量計、質量流量計和插入式流量計、探針式流量計。

對比各種流量計的原理和應用條件發現：差壓流量計在測量含固體顆粒流體時易發生堵塞，因而產生壓力損失，影響精度；容積流量計適用于潔凈單相流體；渦輪流量計可精確測量潔凈的液體和氣體，測量含固體顆粒的流體時轉動部件會堵塞卡死；超聲流量計測量的流體若經過管道污濁會影響精度，同樣易受到工業現場的超聲噪音和流體所含氣泡干擾，影響測量精度；渦街流量計對測量臟污介質適應性差，渦街流量計的發生體極易被介質臟污或被污物纏繞，對測量精度造成極大影響；熱質量流量計只能用于測量干燥的非爆炸性的氣體流量；科里奧利流量計可用于液體、漿體、氣體或蒸汽的質量流量的測量，但要對管道壁進行定期的維護，防止腐蝕、結垢，另外一般口徑較小，難以匹配浮選入料流量的工業現場管道。

電磁流量計：測量原理，法拉第電磁感應定律證明一個導體在磁場中運動將感應生成一個電勢。采用電磁測量原理，流體就是運動中的導體。感應電勢相對于流速成正比并被兩個測量電極所檢測，然后變送器將它進行放大，根據管道橫截面積計算出流量。具有傳導性的流體在流經電磁場時，通過測量電壓可得到流體的速度。電磁流量計沒有移動部件，不受流體的影響。在滿管時測量導電性液體精度很高，但是要求被測流體具有導電性。由于浮選入料礦漿具有導電性，電磁流量計的工況要求及測量精度能夠滿足入浮礦漿流量檢測作為入浮礦漿流量的檢測儀表，但是需要在儀表安裝時注意管道內流體滿管，并且滿足儀表前后設計足夠長度的直管段，以保證測量精度。所選的測量浮選入浮煤泥水電磁流量計的技術參數為：測量精度0.5%，供電電壓 220V AC，輸出信號4～20 mA電流信號，具備485通訊接口，接線方式為四線制，電極材質選用耐磨防腐蝕材料不銹鋼碳化鎢，襯里材質選用耐磨聚氨酯橡膠襯里，連接口徑根據現場管路實際管徑確定，管路壓力PN10，傳感器與二次儀表選用分體式結構，設備防護等級為IP65。

2.2.2 入浮礦漿密度計選型

浮選入料礦漿濃度檢測是通過對入料礦漿的密度檢測，再進行密度到濃度的數值計算得到礦漿內固體顆粒的濃度值，而煤泥浮選礦漿濃度在80 g/L左右是最有利的浮選濃度，最大濃度盡量不超過120 g/L，對應的礦漿密度值較小，密度區間在1.02～1.04 g/L區間波動，對在線密度檢測傳感器的精度和穩定性要求很高，浮選入料礦漿密度檢測一直是亟待解決的問題，對密度計進行了大量比較而進行了選型。常用的在線礦漿密度計及其適用條件如下：

(1)差壓式密度計是通過固定高差上流體產生的壓強差△P=ρgh來計算出密度ρ，缺點是測量誤差大、測量不穩定，適用于測量精度要求不高的場合。

(2)音叉密度計根據液體流過叉體諧振頻率發生變化，從而通過電子處理單元計算出準確的密度值。音叉密度計測量純凈流體時穩定性和精度都很高，但該密度計用于測量易結晶、結垢、有顆粒性、有氣泡介質時效果不理想。

(3)γ射線式密度計通過射線衰減量檢測流體密度。但放射源需經過國家環保部門審批后方可使用，每年還需要對管理、使用該設備的人員進行健康監測，手續繁瑣；如果被測流體通過的管道內壁結垢及磨損將引起測量誤差。

(4)超聲波密(濃)度計的產品價格較高，而且測量受氣泡影響比較大，還存在自身電路的局限和工業現場的環境超聲信號干擾，該產品的精度還有待提高。

(5)科氏力質量流量計?？剖狭|量流量計是根據科里奧利力原理制造的一種新型的直接測量封閉管道內流體質量流量的測量儀表，其結構一般由信號測量傳感器和信號轉換器兩部分組成。工作原理：測量管連續地以一定的共振頻率進行振動，振動頻率隨流體的密度變化而變化，因此共振頻率是流體密度的函數，通過測量共振頻率即可獲得流體的密度。質量流量計可以同時測量質量流量與密度、溫度。而且測量精度較高，運行穩定，缺點是用于測量有顆粒性介質時，易磨損和堵塞。

經過在現場工業試驗最終選擇科氏力質量流量計作為浮選入浮礦漿濃度參數檢測傳感器，選用不銹鋼材質作為過流面，避免腐蝕、耐磨損，同時安裝時要保證傳感器滿管且不會發生堵塞。其技術參數為：液體密度測量精度達到0.000 5 g/L，密度重復性為0.000 25 g/L，供電電壓24 V DC，功耗約10 W，輸出信號4～20 mA直流電流信號，接線方式為四線制，防護等級IP67。

2.2.3 高精度藥劑計量裝置研制

藥劑制度是影響煤泥浮選效果的一個重要因素，合理、準確的使用浮選藥劑能達到提高浮選精礦浮出率、節省藥劑消耗的效果，由于浮選藥劑的瞬時流量較小，而檢測小流量且精度較高的流量傳感器基本都是應用于實驗室環境，由于設備的過流管徑較小，對流體粘度、純凈程度有較高要求，但是多數選煤廠浮選生產環節所使用的藥劑為化工副產品，其中含有較多雜質，應用于實驗環境的流量計難以在煤泥浮選工業現場應用。因此設計并研制了能夠進行單位時間內浮選藥劑平均流量及累計檢測和統計的計量裝置，該裝置由規則外形(圓柱體、長方體)的容器作為浮選藥劑的緩沖、存儲容器，藥劑緩沖容器的外形尺寸可根據小浮選實驗時的藥劑消耗值進行設計，以1 mm精度液位傳感器作為液位變化檢測元件，傳感器的檢測距離根據藥劑緩沖器的高度來確定。通過在單位時間內液位的變化換算出浮選藥劑的體積流量。規則容器的截面積為S，液位變化值為h，液位變化時間為t，單位時間內的浮選藥劑平均流量為Q，則Q=S·h/t。由于t的取值時間較短，則將單位時間內的藥劑平均流量近似于藥劑的瞬時流量。此緩沖裝置需根據藥劑液位進行低液位補充和高液位停止補充，因此每次補充的藥劑量是固定的，通過統計補充的次數即可準確統計出藥劑的使用總量。高精度流量計量裝置如圖1所示。

圖1 高精度流量計量裝置外形及結構示意

2.2.4 煤泥浮選礦漿液位檢測裝置研制

煤泥浮選設備內的礦漿液位影響到浮選效果，但是工業現場很少進行測量或者測量不準確，因為煤泥浮選的精礦產品是附著在泡沫層上，這層泡沫層浮在浮選礦漿表層，通過非接觸式的雷達、超聲波液位計均無法透過泡沫層測量到浮選礦漿界面，而接觸式的射頻導納液位計、電容式液位計、導波雷達液位計、磁致伸縮液位計，由于浮選泡沫會對檢測信號產生干擾、泡沫中的煤泥粘附在設備上產生假信號或使浮球卡住無法正常下落，所以無法得到準確的液位數值或者無法進行液位測量。為解決沫煤浮選礦漿液位難以檢測的問題，設計研制了通過浮球作為隨浮選礦漿移動的移動端，在浮球上連接光滑不銹鋼平板，在不銹鋼平板上方設置激光位移傳感器檢測反光平板的位置，通過數學運算得到浮選礦漿距離浮選設備溢流堰的距離作為浮選礦漿液位數值。礦漿液位檢測裝置研制成功后，與浮選尾礦閘板提升裝置形成聯動，構建了礦漿液位控制系統。設備結構示意圖如圖2所示。

圖2 浮選礦漿液位檢測裝置結構示意

2.2.5 煤泥浮選泡沫層多點電信號檢測裝置研制

作為操作條件的浮選泡沫層厚度是影響煤泥浮選效果的一個重要因素，因為氣泡上附著浮選精礦而聚集成的泡沫層難以通過傳感器進行精確厚度檢測，而浮選泡沫層的厚度在生產過程中也是一個數值區間并非一個固定、準確厚度數值，根據浮選泡沫層的弱導電性，選擇多個檢測電極配合電極式液位控制器進行浮選泡沫層多點電信號檢測，分別設置了泡沫層低限檢測、高限檢測、超高限檢測，通過開關量信號將檢測到的泡沫層限位信號接入控制系統，控制系統可根據浮選泡沫層限位信號對浮選藥劑進行微調，以提高浮選生產過程的智能化水平。煤泥浮選泡沫層多點電信號檢測裝置結構示意如圖3所示。

圖3 浮選泡沫層多點電信號檢測裝置結構示意

2.2.6 煤泥浮選藥劑計量、乳化、添加一體機不同結構的研制

為適應選煤廠浮選車間生產實際需要，將浮選藥劑計量、乳化、添加一體機進行了細化。在已經投產且安裝了藥劑罐的浮選生產車間，將加藥機與藥劑罐分體設計與研制；在沒有藥劑罐但是配電室具備控制柜安裝空間的浮選車間，進行藥劑罐、加藥機一體化設計與研制；在沒有藥劑罐且配電室沒有預留控制柜安裝空間的浮選車間，進行藥劑罐、加藥機、防爆控制柜的一體化設計與研制。

3 浮選智能控制系統結構

3.1 硬件系統結構

煤泥浮選智能控制系統由監視監控層、網絡層、控制層、現場儀表層的4層硬件結構組成[12-14]，硬件系統結構如圖4所示。

圖4 煤泥浮選智能控制系統硬件結構

3.2 多變量浮選過程專家系統

煤泥浮選智能化系統控制策略是以浮選礦漿流量、浮選礦漿濃度、起泡劑瞬時流量、捕收劑瞬時流量、浮選礦漿液位參數、浮選泡沫層限位檢測信號、浮選藥劑用量與浮選入料濃度關系作為輸入變量，以浮選藥劑輸送設備機械隔膜計量泵作為執行機構，以浮選藥劑瞬時流量作為被控對象，通過在PLC控制器內建立專家控制系統進行浮選藥劑用量的精確控制[15-16]。該系統是以浮選礦漿液位為被控對象，以泡沫層限位信號、入浮礦漿流量為擾動量，以浮選尾礦閘板升降裝置為執行機構的礦漿液位模糊控制系統。多變量浮選專家系統結構如圖5所示。

圖5 多變量浮選過程專家系統結構

4 應用效果

2021年6—8月為選煤廠手動調控浮選生產統計數據，2022年1— 2月為浮選智能化控制系統投入運行后浮選生產統計數據，數據統計見表1。浮選智能化控制系統投入運行前后噸原煤藥劑消耗、精礦壓濾板數比例統計見表2。

表1 浮選生產數據統計

浮選智能化控制系統研制完成并在中煤華晉集團王家嶺選煤廠投入運行之后，每噸入洗原煤對應的浮選藥劑消耗由0.193 kg降低到0.167 kg，降低藥劑消耗13.47%。對比浮選智能化控制系統投入運行前后壓濾精煤板數在壓濾精煤及壓濾尾煤總板數中的占比由81.43%提高到84.28%，提高了浮選精煤比例2.85%。浮選智能化控制系統具備自感知、自調節能力，大大降低了浮選崗位司機的工作量，將浮選崗位和TBS崗位合并為一個工作崗位，由一名崗位工人進行巡視，減少了1個勞動崗位設置。

表2 浮選精煤產品比例、藥劑消耗數據對比

5 結 語

實踐證明，浮選智能化控制系統成功研發，并在王家嶺選煤廠二期廠房浮選生產系統投入運行，提升了選煤廠浮選生產過程的智能化水平。生產數據對比表明，浮選智能化系統成功投運后，能夠降低崗位工人的勞動強度、提升現場工人的幸福感、提升浮選精礦的浮出率、降低浮選藥劑消耗，符合國家提出的高效清潔利用煤炭的思路。