超聲波在線粒度儀在水峪選煤廠的應用

汪小琪，李少華，熊向前

(1.山西焦煤汾西礦業(集團)有限責任公司，山西 介休 032000；2.丹東東方測控技術股份有限公司,遼寧 丹東 118002)

煤炭是我國主要能源，在我國一次能源中的占比在60%左右。 當前我國正處于工業化中后期的高速發展階段，對煤炭及清潔能源有著強勁的需求。為了提高煤炭利用效率，減少原煤對環境的污染，需要對原煤進行分選，但原煤在分選過程中將產生大量的煤泥水，且煤泥水的處理在整個選煤工藝系統中起著至關重要的作用。隨著智能制造技術在各行各業的不斷深入發展，一批新標準、新技術、新方法也在礦物加工領域不斷涌現。

當前，我國選煤行業的智能化建設水平相對滯后，其面臨的主要問題有：在線自動化儀表不完備，針對行業定制的傳感器和在線檢測手段有限；數據分析、數據挖掘、數據融合技術在行業內應用比較少，行業內的數字建模技術剛開始起步；優化控制技術與過程故障診斷對于基礎的過程數據依賴性較高,通用性的理論和方法并不多。

目前，在煤泥水處理環節中，煤泥水濃度和煤泥粒度的測量均采用傳統的人工采樣和化驗方法，存在化驗結果受人為因素影響大，時效性差，不能有效指導生產等問題，為解決選煤廠生產過程中煤泥水關鍵參數的測量，山西焦煤汾西礦業水峪選煤廠采用DF-CPSM超聲波在線粒度儀對煤泥粒度和濃度進行檢測，填補了國內選煤廠煤泥水檢測的技術空白，為選煤廠煤泥水系統智能化建設起到了積極的推進作用[1-4]。

1 選煤廠概況

1.1 生產工藝

水峪選煤廠隸屬于山西焦煤汾西礦業(集團)有限責任公司，位于山西省孝義市兌鎮水峪村。經改擴建該廠現生產能力為5.0 Mt/a，其中：一車間設計能力為2.0 Mt/a，采用脫泥有壓兩產品重介質旋流器分選+粗煤泥干擾床分選機分選 +細煤泥浮選的聯合工藝流程；二車間設計能力為3.0 Mt/a，采用不脫泥無壓三產品重介質旋流器分選+粗煤泥重介質旋流器分選+細煤泥浮選的聯合工藝流程。該廠洗選產品有精煤洗混煤，其中精煤產品屬中灰、高硫焦精煤，質量指標為：灰分(Ad)≤10.00%，硫分(St,d)≤2.50%，揮發分(Vdaf)在20.00%～24.00%之間，黏結指數(GR.I)≥80，膠質層厚度(Y值)在16～20 mm之間。

1.2 浮選入料性質分析

水峪選煤廠入選原煤全部來源于水峪礦井，入選方式為高、低硫原煤配煤入選。該廠浮選入料濃度為82 g/L，通過小篩分試驗和X射線衍射分析，得到浮選入料小篩分試驗結果和物相分析結果，分別見表1和表2。 X射線衍射圖譜如圖1所示。

圖1 煤樣XRD圖譜Fig.1 XRD spectra of sampled flotation feed

表1 浮選入料小篩分試驗結果Table 1 Flotation feed sieve analysis %

表2 煤樣物相分析結果Table 2 Mineralogical analysis

由表1可知：浮選入料中<0.045 mm粒級為主導粒級，灰分為29.15%，產率為35.15%； 0.25～0.125、0.125～0.075、0.075～0.045 mm粒級產率相當，均在20%左右；浮選入料中<0.5 mm各粒級物料隨著粒度減小，灰分逐漸增加。

由表2和圖1可知，浮選入料中的主要脈石礦物為高嶺石和石英。

1.3 存在問題

由于煤質波動，導致浮選入料粒度、濃度變化較大，造成浮選入料采、制、化工作難度增加，檢測勞動強度大，而且存在檢測結果不準確及嚴重滯后的問題，生產過程中無法根據濃度、粒度等關鍵參數的實時變化及時調整生產操作。

2 DF-CPSM超聲波在線粒度儀

2.1 工作原理

超聲波在線粒度儀是一種利用懸浮在礦漿中的固體顆粒對超聲波的黏滯和散射現象來獲取顆粒信息的物料粒度分析裝置。超聲波在礦漿(均勻懸浮液)中傳播一定的距離后，其振幅會發生變化，也就是超聲波的衰減，衰減值的大小與礦漿濃度、礦粒粒度及組成、工作電壓、超聲波頻率、礦漿溫度和傳播距離等多種因素有關，而超聲波的振幅或能量與工作電壓成正比[5-8]。在工作電壓、傳播距離等因素固定時，超聲波頻率越高，其能量衰減越大；礦漿濃度越大，衰減系數值越大。物料粒度對超聲波衰減的作用比較復雜，但對頻率較高的超聲波，在一定粒度范圍內，衰減系數值隨顆粒粒度增大而增加[9-12]。超聲波在線粒度儀測量粒度原理圖如圖2所示。

圖2 超聲波在線粒度儀測量粒度原理圖Fig.2 Working principle of the ultrasonic online size analyzer

2.2 超聲波在線粒度儀技術特點[13-15]

(1)檢測結果代表性強，準確度高，能真實反映整個煤泥水中顆粒粒度分布情況。

(2)測量效率高，可以實時獲得測量結果。

(3)現場適應性強，能有效降低礦漿濃度及其中固體顆粒粒度波動對測量結果的影響。

(4)可同時有效監測>0.5 、>0.25 、0.25～0.045 mm等5個粒級等關鍵指標。

(5)安裝容易，操作簡單,維護工作量小。

(6)儀器堅固耐用,使用壽命長。

超聲波在線粒度儀技術參數如下：

流道數

1—4流道

測量粒度范圍

≤1 000 μm

測量礦漿濃度范圍

50～300 g/L

粒度檢測精度

絕對誤差小于2%

濃度檢測精度

絕對誤差小于10 g/L

通信接口

4～20 mA/Profibus DP或PROFINET等

輸出

粒度、濃度

顯示

人機交互界面

3 現場應用

3.1 設備安裝

結合水峪選煤廠設備布置特點，將用于煤泥粒度、煤泥水濃度檢測的DF-CPSM超聲波在線粒度儀安裝于主廠房二層浮選給料池上方，浮選尾煤通過自流取樣器進入粒度儀分礦箱中。粒度儀通過雙流道轉換器分時吸取浮選入料和浮選尾煤樣品進行檢測，檢測后的煤泥水樣品經粒度儀回礦管道返回浮選入料池內。該粒度儀安裝示意圖如圖3所示。

圖3 粒度儀安裝示意圖Fig.3 Sketch showing the installation of the size analyzer

3.2 調試標定

在實際應用中，對流經粒度儀的樣品取樣30組以上，確保樣品濃度、粒度指示覆蓋整個工藝波動范圍。采用篩析法進行樣品粒度測定，采用烘干稱重法進行樣品濃度測定，將測定值與超聲衰減因數錄入標定軟件中進行線性回歸計算以獲得標定公式。通過添加或刪減樣品數據點得出最終的濃度、粒度標定公式，完成標定工作。

3.3 測試結果

DF-CPSM超聲波在線粒度儀具有多種粒級檢測的能力，根據生產需要，可對浮選入料中>0.5、<0.25、<0.125、<0.075 mm粒級和浮選尾煤中的<0.045 mm粒級進行實時檢測。標定工作完成后，在線取20組樣品進行精度檢驗。浮選入料濃度對照表見表3、圖4，產率對照結果見表4—表8，數據對比曲線如圖4—圖9所示。通過儀表檢測值與實驗室化驗值可以看出，超聲波在線粒度儀的在線檢測精度比較高，兩種結果的跟隨性較好，測量趨勢一致。

表3 浮選入料濃度對照表Table 3 Comparison of detected and actually measured flotation feed concentration values g/L

圖4 浮選入料濃度對比曲線Fig.4 Curves of detected and analytical flotation feed concentration values

表4 浮選入料中>0.5 mm粒級產率對照表Table 4 Detected and actually measured yield values of the >0.5 mm size in flotation feed %

圖5 >0.5 mm粒級產率對比曲線Fig.5 Comparison of detected and actually measured yield values of the >0.5 mm size in flotation feed

表5 浮選入料中<0.25 mm粒級產率對照表Table 5 Detected and actually measured yield values of the <0.25 mm size in flotation feed %

圖6 <0.25 mm粒級產率對比曲線Fig.6 Comparison of detected and actually measured yield values of the <0.25 mm size in flotation feed

表6 浮選入料<0.125 mm粒級產率對照表Table 6 Detected and actually measured yield values of the <0.125 mm size in flotation feed %

圖7 <0.125 mm粒級產率對比曲線Fig.7 Comparison of detected and actually measured yield values of the <0.125 mm size in flotation feed

表7 浮選入料<0.075 mm粒級產率對照表Table 7 Detected and actually measured yield values of the <0.075 mm size in flotation feed %

圖8 <0.075 mm粒級產率對比曲線Fig.8 Comparison of detected and actually measured yield values of the <0.075 mm size in flotation feed

表8 浮選尾煤中<0.045 mm粒級產率對照表Table 8 Detected and actually measured yield values of the <0.045 mm size in flotation feed %

圖9 <0.045 mm粒級產率對比曲線Fig.9 Comparison of detected and actually measured yield values of the <0.045 mm size in flotation feed

3.4 應用分析

浮選入料濃度和粒度是判斷上游分級、分選工藝效果的重要依據，同時也是指導浮選生產操作的重要依據，對浮選效果起到至關重要的影響。根據浮選入料檢測指標，通過對浮選藥劑用量、泡沫層厚度、充氣量等變量進行優化調整，可提高浮選精煤產率，降低浮選藥劑用量5%以上，取得良好的經濟效益。

生產實踐表明，DF-CPSM超聲波在線粒度儀可及時反饋浮選入料、浮選尾煤的粒度、濃度數據，高效指導生產，實現了浮選工藝指標的可視化，可有效監測浮選入料“夾粗”，浮選尾煤“跑煤”現象，將浮選尾煤灰分穩定在70%左右，提高浮選精煤產率1個百分點。在穩定生產提高經濟效益的同時，還保護了稀缺的煉焦煤資源，社會效益明顯。

4 結語

DF-CPSM超聲波在線粒度儀在水峪選煤廠的成功應用，有效解決了困擾該廠智能化建設的卡點。應用至今，粒度儀運行穩定可靠，濃度在線檢測誤差小于10 g/L，粒度在線檢測誤差小于2%，為生產提供了準確的檢測數據，從而實現了對生產的有效指導，經濟效益和社會效益明顯。DF-CPSM超聲波在線粒度儀智能化程度很高，操作簡便，維護量小，可大大減輕現場工人勞動強度，為選煤廠智能化建設提供了可靠的數據支撐，具有良好的應用前景。