基于重介質選煤過程的三維虛擬仿真系統

柴宛彤

摘要：本文結合當前的虛擬仿真技術，研究一套重介質選煤過程三維虛擬仿真系統，從而為開展選煤過程的優化與控制研究提供仿真平臺。為保證凈煤中的碳含量以及減少能源損耗，建立了重介質選煤的動態數學模型進行過程

關鍵詞：重介質選煤;虛擬仿真;動態模型;3D Max;Unity3D

煤炭洗選利用是煤炭生產和綜合利用的重要環節，是實現煤炭清潔生產、節能減排、可持續發展的前提條件^[1]。再加之目前應原煤煤質變差，市場要求低灰精煤的需求變大，以及我國潔凈煤技術發展戰略的實施，分選控制，利用Unity3D以及3D Max技術建立模擬可視化界面，利用Matlab與可視化界面交互數據，實現重介質選煤工廠的3維虛擬仿真。效率高且容易實現自動化的重介質選煤方法脫穎而出。

選煤主要利用在洗煤過程中的重力作用實現分離，整個選煤過程的控制便尤為重要。而實現控制系統需要這有利于改善設備性能，保證產品質量與生產效率，還可以減少由于擾動造成的設備損耗，即減少被控變量與期望值之間的差異。在保證凈煤中的碳含量以及減少能源損耗的條件下，基于質量守恒原理，建立了重介質選煤的動態數學模型進行過程控制。

由于該過程具有綜合復雜性，其工藝參數難以連續檢測，現場生產過程在實驗室難以精確復現。因此本文利用虛擬現實技術作為“中介”建立起實驗仿真和現場生產過程的橋梁。在選煤流程設計中的應用可以使該過程設計更直觀，且具有更好的兼容性、修改性、實時性。應用三維建模軟件創建選煤廠廠房、設備、管道的三維虛擬模型，并導入虛擬現實平臺，建立一個重介質選煤廠三維系統，提高了設計方案的精確性，進一步降低了實驗成本。

為此，本文結合當前的虛擬仿真技術，提出了重介質選煤過程三維虛擬仿真系統，從而為開展選煤過程的優化與控制研究提供仿真平臺。針對重介質煤過程建立數學模型，利用Matlab軟件數據交互，實現實時控制。

1、重介質選煤工藝原理

重介質選煤技術理論基礎是阿基米德原理，即浸沒在液體中的顆粒所受的浮力等于顆粒所排開的同體積的液體重量^[2]。在懸浮液中運動的顆粒，會受重力和浮力以及懸浮液體的阻力作用^[2]。顆粒越大，與懸浮液的相對速度越大，分選速度越快，分選的效率也會越高^[2]。由此可見，重介質選煤是嚴格按照不同密度進行分選的，選煤時，會加入一種分選介質，其密度介于煤與矸石之間，通過調整介質密度，可使介質中煤和矸分別從不同的地方流出，實現分離。分選介質的密度選擇是影響選煤過程是否精準，以及分選速度和分選效率的關鍵因素。

2、重介質選煤工藝流程

重介質選煤的工藝流程如圖，可將工藝過程分為三步：分選前的準備作業（破碎、篩分）、分選作業、選后產品的處理作業。

2.1分選前的準備作業

原煤首先通過分級篩進行篩分，用分級篩中帶孔的篩面將顆粒大小不同的原料篩分成各種粒級。精選機械所能處理的煤炭顆粒有一定的范圍度，超過這個范圍的大塊要經過破碎才能洗選^[3]，被分級篩篩出的大塊物料通過破碎機粉碎成小顆粒。

2.2分選作業

分級后的原煤經過給煤機送到重介旋流器中，然后將稀釋的分選介質以一定壓力打入旋流器中，在分選介質中按照顆粒密度的不同進行選煤，從而可以分選出矸石、中煤和精煤。重介選煤的主要優點是分選效率高、入選粒度范圍寬，生產控制易于自動化^[4]。重介選煤的缺點是生產工藝復雜，生產費用高，設備磨損快，維修量大^[4]。

2.3選后產品處理

分選后的精煤、中煤和矸石先經過弧形篩脫水，在分別經過精煤脫介篩、中煤脫介篩和矸石脫介篩進行脫介，至于剩下的篩下物，就分別進入到濃縮池和磁選機來進行精煤的二次回收和介質的回收。

重介質選煤的核心是分選作業過程，分選介質密度的選擇直接影響了分選的結果。合適的分選介質不僅可以使選煤更加精確，也可以提高分選速度以及分選效率。

3、選煤過程數學模型

在重介質旋流器選煤過程中，需要經常不斷的對選煤工藝參數進行檢測和調整，保證產品質量和數量的穩定，并保證生產過程的安全進行^[5]。尤其是對重介質懸浮液的密度和流變特性的檢測和調整更為重要，因為它直接影響產品的灰分和回收率^[3]。根據旋流器中的質量守恒原理以及選煤過程中的具體參數變化，建立控制過程的動態模型。

動態模型由混合箱、重介旋流器模型組成。混合箱模型的開發，它作為礦石與合格介質進行混合的場所，并基于整體質量守恒定律;為了動態模擬重介分選的產量，一方面要基于整體質量守恒定律，另一方面通過成分質量守恒來模擬煤質。

如圖可以看出，原煤和分選介質在加入旋流器之前先放入混合箱中，在混合箱中根據質量守恒原理，可以得出：

（1）

（2）

（3）

其中和是介質的密度和體積流量，和是毛煤到混合箱和懸浮液到旋流器的質量流率，變量和代表雜質在毛煤和旋流器懸浮液中的組分百分比，代表懸浮液中的介質百分比。

在旋流器中根據質量守恒原理，可以建立動態模型

其中進入和退出DMC的泥漿中不同組分的比例關系由如下關系控制：

（4）

（1）令旋流器中的混合物體積為，假設旋流器中上溢流體的體積與下溢流體的體積被分成一個恒定的體積a，有、。

（2）也由恒定比例a確定。

（3）由守恒關系有。

變量含義為：

變量

含義

上溢流體中雜質和煤的組分比例的變化