沙曲選煤廠重介分選智能化的研究與實踐

張治軍，周海淵，郭世明，薛學(xué)勇

(1.山西焦煤集團 洗選加工部， 山西 太原 030024； 2.華晉焦煤集團 沙曲選煤廠， 山西 呂梁 033300)

重介分選密度智能控制是重介選煤廠的核心和關(guān)鍵技術(shù)，目前絕大部分重介選煤廠基本實現(xiàn)了重介分選密度自動補水，但未實現(xiàn)自動分流，補介更是需要人工參與。基于重介精煤灰分進行密度智能設(shè)定與控制，受限于精煤灰分在線檢測存在難度，目前實現(xiàn)重介密度智能設(shè)定與控制沒有得到很好地解決。

沙曲選煤廠是一座處理能力8 Mt/a的大型煉焦煤選煤廠。重介分選采用兩段兩產(chǎn)品重介旋流器主再洗分選工藝。從控制角度講，密度控制獨立實現(xiàn)，具備控制靈活性，但現(xiàn)重介分選系統(tǒng)存在如下問題：沙曲礦井不同工作面煤質(zhì)差別較大，礦井無法實現(xiàn)分裝、分運，地面無法實現(xiàn)分儲，以致煤質(zhì)均值化難以實現(xiàn)；重介分選目前依靠手動遠程調(diào)節(jié)密度，手動調(diào)節(jié)分流量，煤質(zhì)波動和工況波動時，密控系統(tǒng)適應(yīng)性存在較大問題，選后產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性不易控制。選煤廠為保證用戶權(quán)益，只能生產(chǎn)低灰分產(chǎn)品，即要求灰分11%的產(chǎn)品，只能考慮按精煤產(chǎn)品灰分10%～10.5%生產(chǎn)。這樣，保證了產(chǎn)品質(zhì)量合格，但精煤損失大，未能實現(xiàn)效益最大化。為此，亟需開發(fā)應(yīng)對煤質(zhì)波動和工況波動的密度智能設(shè)定與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動補水、自動分流、自動補介。

1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

開發(fā)重介懸浮液密度、煤泥含量雙變量寬域智能控制系統(tǒng)，保證重介分選精度，保證重介精煤產(chǎn)品質(zhì)量；開發(fā)基于重介精煤灰分的重介懸浮液密度智能設(shè)定控制系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定前提下最大限度提高精煤回收率。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實施方案

2.1 重介分選智能化整體架構(gòu)設(shè)計

該廠重介分選智能控制主要包括以下部分：1) 旋流器入口壓力閉環(huán)控制。2) 重介懸浮液密度、煤泥含量智能控制。3) 重介分選相關(guān)桶位閉環(huán)控制。4) 重介懸浮液密度設(shè)定值智能控制。其全流程控制結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 重介分選全流程控制結(jié)構(gòu)圖

2.2 高精度重介精煤灰分檢測設(shè)計

安裝中子活化多元素煤質(zhì)分析儀1臺，安裝于704精煤皮帶上方。該分析儀自帶自動采制樣系統(tǒng)一套，為提高中子活化儀采集精度，系統(tǒng)設(shè)計了旁線采集方式，取樣源自精煤離心機下溜槽，樣品經(jīng)取樣器、皮帶輸送、破碎、斗提機、分析儀進行分析(分析過程同步留樣，用于驗證和標(biāo)定用)，其他分析完料樣返回到704皮帶中，整個采制樣過程連續(xù)自動運行。自動采制樣裝置工藝見圖2.

圖2 重介精煤自動采制樣裝置圖

中子活化多元素煤質(zhì)分析儀采用中子活化瞬發(fā)γ分析(PGNAA)技術(shù)，慢化后的熱中子照射煤樣，煤中各元素原子核與中子發(fā)生熱中子俘獲反應(yīng)，放射出不同能量的特征γ射線，通過檢測特征γ射線的能量辨識物料中元素種類，通過檢測特定能量γ射線的強度計算出元素含量。中子活化原理見圖3.

圖3 PGNAA原理圖

中子活化技術(shù)采用中子源做為激發(fā)源，中子呈電中性，具有極強穿透能力，可實現(xiàn)物料全斷面檢測，檢測代表性更強。探測器接收到能量較高的伽瑪射線，不受水汽、粉塵等惡劣環(huán)境的影響，現(xiàn)場適應(yīng)性更好。中子活化技術(shù)可實現(xiàn)對煤中灰成分分析，灰分檢測精度不受灰成分變化影響。檢測精度高，精煤檢測精度優(yōu)于0.3%. 中子活化多元素煤質(zhì)分析儀安裝后，經(jīng)標(biāo)定并進行了實驗室化驗灰分與檢測灰分的對比分析，數(shù)據(jù)分析結(jié)果見圖4，分析儀和人工采制化之間的標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.21.

圖4 分析儀測量值和人工化驗值曲線圖

2.3 重介懸浮液密度、煤泥含量雙變量智能控制

重介旋流器入口壓力自動控制是實現(xiàn)重介分選的基本條件，采用PID控制算法即可實現(xiàn)。桶位控制和密度、煤泥含量控制密切相關(guān)。

重介懸浮液密度、煤泥含量雙變量智能控制是典型的多輸入多輸出控制系統(tǒng)，分析重介懸浮液密度、磁性物含量、煤泥含量、合介桶桶位、補水閥開度等變量的耦合特性。針對重介懸浮液密度、煤泥含量控制系統(tǒng)是一個多輸入(密度值、磁性物含量給定、桶位和自動補水閥開度給定)和多輸出(自動補水閥、自動分流閥、自動補介泵)系統(tǒng)，建立基于PID控制的補水閥開度控制和基于預(yù)測控制的分流閥開度、補水泵變頻器頻率預(yù)測模型，從而實現(xiàn)自動補水、自動分流和自動加介，保證懸浮液密度在設(shè)定值上下波動范圍不超過±0.005 g/cm3，控制基本框架見圖5.

圖5 重介懸浮液密度煤泥含量雙變量寬域智能控制架構(gòu)圖

2.4 基于灰分的重介懸浮液密度設(shè)定值智能控制

采集重選精煤灰分在線檢測值，基于重介精煤灰分統(tǒng)計過程控制(SPC)分析，確立合理的煤質(zhì)波動模型，以此為基礎(chǔ)，建立基于預(yù)測控制算法來實現(xiàn)密度值自動設(shè)定的復(fù)雜控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包含內(nèi)環(huán)和外環(huán)，其中內(nèi)環(huán)為密度、煤泥含量雙變量智能控制，外環(huán)為基于灰分的重介密度智能設(shè)定，控制邏輯見圖6.

圖6 基于精煤灰分的重介懸浮液密度智能設(shè)定控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 運行效果

系統(tǒng)在沙曲選煤廠進行了工業(yè)性試驗，通過2個月的調(diào)試運行，目前已經(jīng)實現(xiàn)了重介分選過程的透明檢測，實現(xiàn)了重介懸浮液密度、煤泥含量雙變量寬域調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了基于精煤灰分指標(biāo)的重介分選密度的智能設(shè)定，監(jiān)控界面見圖7，圖8，目前系統(tǒng)進入實際運行階段。

圖7 重介懸浮液密度、煤泥含量智能控制界面

圖8 基于灰分的密度智能設(shè)定運行曲線圖

實施重介分選智能控制后，對1分鐘灰分值、10分鐘灰分值和1小時灰分值進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表1. 從表1可以看出，小時灰分值在目標(biāo)值要求10.5%的情形下，實際控制到10.356%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.196%，實現(xiàn)了高精度控制。

表1 重介分選過程智能控制下的灰分指標(biāo)表

經(jīng)濟效益估算：按沙曲選煤廠2018年的生產(chǎn)任務(wù)，單系統(tǒng)入洗能力為4.5 Mt/a，精煤260萬t，當(dāng)年精煤售價為1 400元/t，中煤售價150元/t，按照重介精煤回收率提高0.8%考慮，產(chǎn)生利潤為：260×0.8%×(1 400-150)=2 700萬元，則每年可創(chuàng)造經(jīng)濟效益2 700萬元以上。

4 結(jié) 語

重介分選智能化系統(tǒng)的實施，有效提升了沙曲礦選煤廠重介分選的智能化水平，降低了操作人員的勞動強度，提高了選煤廠的經(jīng)濟效益和社會效益。