洗煤廠凝聚劑自動加藥裝置的研發與應用

李煥娣

（晉能控股煤業集團有限公司技師學院， 山西大同037003）

0 引言

凝聚劑（PAC）自動加藥裝置主要針對洗煤廠的入選原煤呈現高含量、高灰分的超細粒級微泥化，煤含量高達2.17～5.75%，循環水系統澄降效果差，洗水濃度高，絮凝劑（PAM）用量極具增加，重介系統的介質消耗量猛增，導致整體洗選系統運行紊亂、成品煤指標下降，嚴重影響洗煤廠正常生產運營。 凝聚劑自動加藥裝置是選煤行業必不可少的工藝控制環節， 主要用于煤泥水加速沉降和凈化溢流水循環使用過程， 以往大多數洗煤廠都是靠人工配置溶液和人工控制配比量， 造成人工成本和凝聚劑成本的增加。市面上的成套凝聚劑自動投加系統設備，均有不同程度的缺陷，三箱式的加藥系統存在配比不均勻、藥劑極易結塊、堵塞溶液通道等問題。上下結構式的加藥系統存在制備時間長、體積大等問題。兩種設備的市場價格均在20 萬元以上，并且存在售后不及時等問題，給洗煤廠的正常運營造成一定的影響。

針對上述原因， 晉能控股煤業集團有限公司技師學院和大同煤業有限公司洗煤廠校企合作，積極組織化工、機電、 礦物加工等專業教師與煤炭洗選公司相關專家共同研究，通過現場多次試驗，制定了在大同煤業有限公司洗煤廠添加絮凝劑前級工藝環節中，再加入凝聚劑，讓凝聚劑與絮凝劑聯合共同作用洗選工藝， 完善洗選系統的工藝設計和設備改造。

1 凝聚劑自動加藥裝置概述

凝聚劑自動加藥裝置采用凝聚劑（PAC）行業內俗稱為黃藥與絮凝劑（PAM）行業內俗稱為白藥聯合共同作用的工藝方案，達到降低絮凝劑的使用量、重介質的消耗達到正常消耗量，使洗煤廠生產經營成本大幅度下降。

1.1 凝聚劑（PAC）和絮凝劑（PAM）特點

（1）凝聚劑自動加藥裝置的凝聚劑（PAC）是一種新型凈水材料，無機高分子混凝劑，簡稱聚合氯化鋁，英文縮寫為PAC （poly aluminum chloride）， 是介于AlCl3和Al（OH）3之間的一種水溶性無機高分子聚合物，化學通式為[Al2（OH）nCl6-nLm]，其中m 代表聚合程度，n 表示PAC 產品的中性程度，具有Keggin 結構的高電荷聚合環鏈體，對水中膠體和顆粒物具有高度電中和及橋聯作用， 并可強力去除微有毒物及重金屬離子，性質狀態穩定。

（2）絮凝劑（PAM）化學分子式C3H5NO，化學名稱為聚丙烯酰胺，是水溶性高分子聚合物，不溶于大多數有機溶劑，具有良好的絮凝性，可以降低液體之間的磨擦阻力，按離子特性可分為非離子、陰離子、陽離子和兩性型四種類型。 絮凝劑在廢水處理中的絮凝作用是由于它的長鏈（線）狀的分子結構和聚丙烯酰胺分子中含有大量活性基團，聚丙烯酰胺是直鏈狀聚合物，每個分子由十萬個以上的單體聚合構成，分子鏈相當長，如果完全伸直，其長度要比一般的分子（如蔗糖）或離子（如Ca2+）長數萬倍以上。由于它的分子長而細，會彎曲或卷曲成不規則的曲線形狀， 長分子鏈向外側伸出許多化學活性基團酰胺基-conh2及羧基-cooˉ。 絮凝劑在煤泥水沉降過程中的使用，加快了煤泥在水中沉降速度， 能夠快速獲取澄清后的清水， 確保洗選生產過程中洗水的及時補充和洗水的重復利用。如不能保證洗水的澄清度，將會對洗選過程中的預先脫泥環節造成脫泥效率低， 對重介質分選過程的懸浮液介質的穩定性產生破壞作用。

2 凝聚劑自動加藥裝置的結構

凝聚劑自動加藥裝置總箱體結構尺寸4000mm×1500mm×1400mm ，分為藥粉混合攪拌箱、熟化儲存箱和成品儲存箱，總容積8m3，總裝機功率為9.45kW。 凝聚劑自動加藥裝置的三個隔離箱體內配裝了不銹鋼材質的單軸和雙葉片形式的攪拌器，加快藥劑的充分溶解，不銹鋼藥箱內壁涂抹氟碳耐腐蝕涂層， 加藥泵選用不銹鋼殼體的耐腐蝕加藥泵等系列防腐蝕措施。 加藥量根據計算采用一備一用兩臺耐腐蝕加藥泵的工作模式， 單臺電動機功率為4kW，可加藥配比總量為8m3/H，完全滿足大同煤業有限公司洗煤廠的生產需要，如圖1 所示。

圖1 凝聚劑自動加藥裝置示意圖

凝聚劑自動加藥裝置可實現精確計量的凝聚劑自動配制和準確的自動計量投加。 全部控制過程均為可視化觸摸屏控制，畫面形象直觀，可實現精確的藥劑濃度配比和精確的自動計量投加， 全部的控制過程均為可視化觸摸屏控制，具備水壓、缺料、水位等報警和溶液流量的顯示功能。 凝聚劑自動加藥裝置根據添加藥劑聚合氯化鋁藥劑化學特性，對藥粉儲存箱設置了可調恒溫加熱裝置，對藥粉儲存箱內的PAC 藥粉進行加熱干燥，防止藥粉結塊，如圖2 所示。

圖2 PAC 加藥裝置加工制造現場照片

根據現場要求，凝聚劑自動加藥裝置供電電源采用AC660V，電氣控制箱內增設了一臺10kVA 的三相電源變壓器，實現了AC660V/380V電壓系統均可通用。 電氣控制箱防護等級為IP66，滿足現場防塵、防潮、防爆等要求，配套濃度監測系統通過檢測澄清水濁度和煤泥沉降速度來調節控制加藥量， 外設遠程控制端口實現遠程啟動和與其關聯閉鎖設備的聯鎖停機功能。

3 凝聚劑自動加藥裝置工作原理

3.1 啟動過程

首先把聚合氯化鋁固體粉末倒入到儲存料斗， 蓋好上蓋，將恒溫加熱板溫度調節至60℃，確保進水管道處有壓力，且壓力表保持在0.2～0.5MPa 之間，打開配電箱上的電源開關，觸摸屏顯示操作畫面，點擊“自動開始”設定開始自動運行的參數，包括成品藥箱的高、中、低液位值、藥粉添加頻率、加藥泵運行頻率，點擊觸摸屏“自動運行”按鈕，進水閥門自動打開，同時振動電動機自動啟動，等待溶解箱液位上升至設定的“中”位時，自動給藥螺桿裝置啟動，并同時啟動攪拌裝置。當攪拌溶解的藥液液位上升至高液位時， 通過溢流管路由溶解箱底部溢流到熟化箱，熟化箱液位上升至“中”液位后溢流至成品藥箱，當成品藥箱液位上升至“中”液位后啟動不銹鋼加藥泵給生產系統進行藥劑添加， 并通過流量計對加藥的瞬時量和累計量進行顯示、統計和記錄，如圖3、圖4 所示。

圖3 凝聚劑自動加藥裝置電路圖

圖4 參數設定畫面

3.2 運行過程

凝聚劑自動加藥裝置有自動模式和手動模式兩種操作方式?？傠娫撮_關合上后，打開配電箱上總開關，10s 后顯示主界面，即自動狀態畫面如圖6 所示；初次使用，設定好上下箱高中低液位參數值。加藥設定時間單位為秒，攪拌延時時間為分鐘，根據實際要求設定相應數值，點擊配藥開始，設備自動運行，電機與閥門壓力表開關工作時變綠色，停止時變紅色，加藥時間、攪拌延時時間、螺桿泵出口流量計流量都在觸摸屏上顯示。自動模式下藥粉添加、攪拌、熟化、藥液添加等環節構成的連續運行工作模式，只需一鍵啟動即可，當成品藥箱的液位上升到設定的“高”液位時，藥粉添加裝置和進水閥門關閉，溶解箱內攪拌裝置不停將繼續攪拌，等待成品藥箱的液位下降至“中”液位時，系統自動啟動給藥螺桿裝置，同時打開進水閥門，保證系統連續運行。加藥裝置運行過程中附加的循環水濁度計將對循環水的渾濁度進行采樣，并顯示在液晶屏中。自動狀態制備投加均可實現一鍵啟動， 全自動運行過程實現了無人值守，如圖5 所示。

圖5 運行過程

圖6 自動操作畫面

手動模式下，進入手動界面（見圖7），手動點擊開關，變綠為啟動，變紅為停止，手動操作完畢，點擊手動停止，手動狀態操作簡潔、清晰可靠，參數設置靈敏準確。系統可實現對單臺攪拌器、加藥泵、給藥螺桿裝置、振動器進行單獨啟動和停止操作。

圖7 手動操作畫面

3.3 停機過程

進水處安裝的水壓電接點壓力表在達到設定壓力要求時打開進水電磁閥，當水位上升至上箱中位時（可靈活設定）啟動藥粉給料裝置，藥粉給料裝置進料時間設定為秒，達到設定時間停止加藥，同時啟動三臺攪拌電機，藥粉經特殊設計的混料裝置進入制備藥箱， 當上箱配置的藥液上升上箱高位時同時停止進水氣動閥， 三臺攪拌電機延時（設定時間為分鐘）后停止。

當下箱水位低于中位時設定水位值時打開放料電氣動閥將制備好的藥液放至成品藥箱，供螺桿泵加藥使用，如果上箱水位低于上箱低位設定值或者達到下箱水位上限設定值高位設定時，放料氣動閥關閉，制備藥箱液位下降至上箱低位置時關閉放料電磁閥，同時打開進水電磁閥進行下一個制備過程的循環。 成品藥箱液位上升至下箱高位置時關閉放料電磁閥，上箱制備藥液攪拌時間到后同時停止制備程序的進程，當下箱成品藥箱液位下降到低位時螺桿泵停止運行。

凝聚劑自動加藥裝置預留外部停機控制端口， 自動狀態下與凝聚劑自動加藥裝置有工藝聯鎖的設備出現故障停機， 只需給凝聚劑自動加藥裝置一個無源接點動作信號，便可使系統進入停止狀態，進水閥門、給藥螺桿裝置、加藥泵同時停止工作（攪拌器繼續工作），待故障設備恢復后，可對凝聚劑自動加藥裝置進行重新一鍵啟動。系統正常停機時只需點擊觸摸屏自動畫面中的“自動停機”按鈕，另外系統還設有緊急急停按鈕，預防出現意外時的緊急處置，如圖8 所示。

圖8 停機過程

3.4 報警提示

凝聚劑自動加藥裝置自動運行時，當料倉內缺藥，進水水壓降低，下箱水位下降到A2 以下時，水壓低報警，缺料報警，下箱低水位報警，同時對成品藥箱低液位、螺桿給料變頻器故障、加藥泵變頻器等故障，均在觸摸屏上有報警顯示， 同時在帶紅色指示燈的蜂鳴器有聲光報警聲提示，極大提升安全性和警示性。

4 設計思路

凝聚劑自動加藥裝置自動化程度高， 采用了觸摸屏和西門子SMART200 型PLC 可編程邏輯控制器作為控制單元，實現水位、水壓、缺料、流量等報警功能，并預留足夠量的數字量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出，具有可擴展性功能， 為后續增加智能化控制提供了足夠的點位空間。應用組合紅外吸收散射光線型濁度計，對澄清水進行采用記錄， 濁度計具有4～20mA 標準輸出信號的現場濁度采樣儀器， 下一步只需將此濁度計的采樣數據與本加藥系統進行數學建模， 即可實現加藥量隨著澄清水濃度進行智能調節的功能。

凝聚劑自動加藥裝置對藥粉的配比和藥劑的用量采用了變頻器控制。整體裝置的控制過程可一鍵啟動，運行過程實現了無人值守。給藥頻率、藥粉添加量均可通過變頻器進行調節， 輸送藥粉頻率與重量的關系，1Hz 對應1.8kg/h。凝聚劑自動加藥裝置系統最大加藥量為50Hz 輸送量90kg/h。 自動配藥時間為每個循環不大于60min。 凝聚劑自動加藥裝置的控制系統， 對加藥量采用了電磁流量計，對加藥的瞬時量和累計量進行精確計量統計，為精細化的生產管理提供可靠的依據。

凝聚劑自動加藥裝置屬于校企合作研發制造， 針對聚合氯化鋁的藥劑特性，藥箱內壁涂抹了防腐蝕涂層，給藥泵采用了不銹鋼殼體離心泵，增加防腐蝕性，提高了耐用性。凝聚劑自動加藥裝置的料斗箱、藥粉輸送絞龍均采用可調節恒溫加熱裝置，進行恒溫加熱，防止藥粉出現結塊現象。

5 應用情況

凝聚劑自動加藥裝置在大同煤業有限公司洗煤廠投入運行，設備運行狀態平穩，參數執行準確，操作靈活便捷，大大降低了絮凝劑的使用量，介質消耗在1.5kg 噸原煤的設計要求范圍內， 整體設備投入運行后達到了預期效果。生產運行情況看，凝聚劑自動加藥裝置設備投入運行后， 絮凝劑的消耗量從入選噸原煤消耗35g 降到了16g， 根據大同煤業有限公司洗煤廠年入洗量為120 萬t計算，平均一年的絮凝劑可節省22.8t，可節約資金29.64萬元；介質消耗從入選噸原煤的2.3kg，降到了1.5kg，一年就節省960 噸，可節約資金81.6 萬元。

6 結束語

選煤廠凝聚劑自動加藥裝置設備的研制是校企聯合、多元發展，思維創新的一個重要舉措。 設備投入運行以來，運行狀態平穩，參數執行準確，操作靈活便捷，大大降低了絮凝劑的使用量，達到了預期使用效果。

凝聚劑自動加藥裝置是針對當地煤礦原煤中超細粒煤泥呈現高含量和高灰分特點， 應對入選帶有火成巖的原煤時，具有現場應用的代表性，可以很好的解決火成巖入洗困難的問題。 凝聚劑自動加藥裝置采用凝聚劑與絮凝劑聯合共同作用的工藝方案，不止適用于選煤行業，也可獨立應用于環保污水澄清處理的凝聚劑添加作業環節中，市場應用前景相當可觀，值得進行推廣應用。