選煤廠浮選智能化技術研究及應用

金明國，張秀峰

(天津美騰科技股份有限公司，天津 300385)

隨著采煤機械化程度的提高，選煤廠原煤中粉煤含量越來越高，一般約占原煤總量的10%～25%[1]。浮選是細粒、極細粒煤分選應用最廣泛、效果較好的一種方法[2-4]，該法利用礦物表面物理化學性質的差異(特別是表面濕潤性)，在固-液-氣三相界面，有選擇性地富集一種或幾種目的物料，從而達到與廢棄物料分離[5-7]。近年來，為了實現精煤產率的最大化，最大限度回收資源，提升選煤廠經濟效益，浮選作業在選煤生產中的作用變得越來越重要[8-10]。同時，浮選作業也是選煤廠煤泥水處理系統中的重要環節，對實現煤泥水閉路循環和保護環境具有重要作用[11-12]。

目前，我國選煤廠浮選系統自動化水平普遍不高，智能化基礎薄弱，浮選生產基本停留在依賴人工經驗操控的水平，需要根據浮選司機眼看、耳聽、手摸等感官結果進行定性操作，沒有精確定量的概念，既不準確，也不及時[13]，浮選效果及控制精度取決于人為因素[14]。此外，浮選操作的位置非常分散，生產時浮選司機需要頻繁 “爬”到預處理器或浮選設備上調節加藥量，或“跑”到浮選機尾部調節閘板和觀察尾礦情況，加之車間內充滿浮選藥劑的刺激性氣味，導致浮選生產崗位環境非常不友好，不僅作業人員勞動強度大，且健康保障差[15]。因此，浮選系統實現智能化勢在必行。

1 浮選智能化的目標

煤泥浮選過程復雜，影響浮選過程的因素(圖1)很多，各個影響因素之間又存在一定的耦合作用，從而使得浮選控制過程的輸入和輸出之間表現為非線性關系。另外，浮選過程具有滯后性，再加上生產環境惡劣、控制裝置及檢測儀表的局限性，給浮選智能化控制帶來了很大的困難[16-17]。

圖1 煤泥浮選過程的影響因素

大量的調查和研究表明，要想實現浮選智能化，關鍵在于以下三個方面：

(1)浮選設備的控制裝置及執行機構。對于浮選機、浮選柱、浮選床等浮選設備，可通過配套控制裝置和執行機構，實現操作參數(藥劑制度、充氣量、液位高度等)、設備參數(攪拌強度、刮泡速度等)的自動控制，提高浮選設備的自動化程度，使與浮選系統相關的影響因素可調。

(2)高精度的變量檢測傳感器。高精度的傳感器可實現入料性質(入浮濃度、入浮流量、入浮灰分等)、產品指標(浮精灰分、浮尾灰分、浮精產量、浮尾產量等)的實時監控，因此需要提高傳感器的精度和穩定性，使與浮選系統相關的變量可測。

(3)具有機器學習功能的浮選智能化系統算法。按照浮選智能化系統算法，以浮選效果和目標設定值為基準，進行浮選系統生產過程控制，根據每個選煤廠的煤質特點和浮選系統調節經驗，通過高精度的變量檢測傳感器，將現場浮選系統的狀態和調節經驗數據化，對采集數據進行進一步分析、擬合，形成調節算法，再通過機器學習功能，不斷自主優化調節算法，即形成浮選智能化系統算法。

綜上所述，浮選系統智能化是以高精度的變量檢測傳感器代替人的眼看、耳聽、手摸，以浮選設備的控制裝置及執行機構代替人的手動控制，再通過浮選智能化系統算法代替人的邏輯判斷。當選煤廠浮選系統異常或煤質發生變化時，智能化系統能夠快速監測并感知到異常，進而及時進行生產參數調整以適應這種變化，從而保障浮選系統的正常運行，同時滿足產品指標要求。

2 浮選智能化的研究進展

選煤生產中浮選系統的控制方式主要有三類：人工操作、自動控制、智能控制。人工操作是完全依靠人工經驗進行操作控制；自動控制主要是根據入浮干煤泥量的多少，自動完成藥劑量的精準添加，但當系統狀態和煤質等發生變化時，需依賴人工修改相應參數，是僅具有前饋的控制；智能控制是在自動控制的基礎上，通過增設的反饋傳感器，快速識別系統狀態和煤質等變化，及時有效地自主修改相應參數，實現同時具有前饋和反饋的閉環控制，從而滿足正常生產的需要。

目前絕大多數選煤廠的浮選生產仍處于人工操作的階段。部分現代化選煤廠應用了浮選自動加藥系統，但大部分應用效果一般，原因主要是儀表、執行機構和控制設備性能欠佳，難以對關鍵參數實時監控，實際加藥仍然依靠人工，生產指標的量化管理無從實施[18]。

2.1 控制裝置及執行機構

2.1.1 自動加藥裝置

煤泥浮選過程加藥執行機構是控制系統輸出的關鍵機構，是影響浮選狀態的重要因素。目前選煤廠浮選藥劑的添加裝置常用的有電磁閥、蠕動泵和隔膜計量泵。根據現場實際應用情況，浮選藥劑多為化工副產品中的油類和醇類，且含有一定雜質，電磁閥啟閉時會因雜質堵塞而影響藥劑的正常添加，蠕動泵也受雜質影響較大。目前，工業應用中以隔膜計量泵為主的自動加藥裝置(圖2)居多，在此基礎上通過增設乳化裝置，可提高藥劑的使用效率。

圖2 自動加藥裝置

2.1.2 液位控制裝置

浮選設備的液位控制常通過手動或電動調節閘板的高度來實現。目前很多選煤廠安裝了配套電動執行器的閘板提升裝置(圖3)，使用按鈕點動即可抬高或降低閘板高度，從而調節液位高度，但這種液位高度基本都是相對距離。由于目前缺少絕對高度測量的反饋傳感器，因此導致智能化控制缺乏數據支持。不過，此類問題解決相對簡單，可考慮采用增補激光測距傳感器或磁力伸縮傳感器進行閘板絕對高度檢測。

圖3 閘板提升裝置

2.1.3 入料濃度調節裝置

入料濃度是影響浮選效果的重要因素之一，入料濃度過高或過低都會導致浮選效果不佳。很多選煤廠都設置了浮選入料礦漿的稀釋水管路，并在稀釋水管道上設有手動或電動調節裝置，以確保入料濃度可調。

2.1.4 其他調節裝置

要想真正實現浮選系統智能化，除了上述自動加藥裝置、閘板提升裝置、入料濃度調節裝置等關鍵因素的可調節，煤泥浮選過程的其他影響因素也可通過設置控制裝置和執行機構來進行調節，如通過變頻器控制攪拌電機的攪拌速度來調節礦漿的攪拌強度和吸氣量；通過變頻器控制刮泡電機的轉速來調節刮泡速度；通過變頻器控制浮選入料泵來調節浮選入料量等。

2.2 高精度的變量檢測傳感器

2.2.1 浮選入料濃度計和流量計

濃度計的類型主要有射線濃度計、超聲波濃度計、光電式濃度計、差壓式濃度計等。其中：射線濃度計測量精度高，量程大，但是由于放射源存在環境和安全隱患，在選煤廠很少應用；差壓式濃度計只有在介質和溶劑密度差較大時才適用，且壓力測量容易受流體流動等沖擊的影響，不適用于浮選入料濃度的檢測。因此，選煤廠浮選入料濃度計以超聲波濃度計和光電式濃度計為主。

流量計的類型主要有電磁流量計、超聲波流量計、渦街流量計、楔形流量計等。考慮到測量對象是浮選入料煤泥水以及使用工況，選煤廠一般采用電磁流量計作為浮選入料流量的檢測。

圖4所示為安裝在生產現場管道上的濃度計和流量計。

圖4 安裝在管道上的流量計和濃度計

2.2.2 礦漿灰分儀

由于缺乏適用于參數檢測的傳感器，煤泥浮選過程自動控制水平至今仍然沒有顯著提高，其中煤漿灰分在線檢測分析儀器的發展已成為制約煤泥浮選自動化進程的首要因素[19]。國內采用的浮選控制策略主要是基于噸干煤泥量的前饋控制[20]，因無法實時檢測精煤產品灰分指標，因此無法保證精煤質量。就精度控制而言，只有實現閉環控制，才可能有效實現加藥自動控制。雖然國外已有用于煤漿的測灰儀，但價格昂貴，安全、維護成本高，推廣困難[21]。隨著測試儀表、測試技術等檢測手段的進步，國內也研制成功了用于礦漿灰分檢測的傳感器，根據檢測原理主要分為X熒光法和圖像法兩類。

(1)X熒光法。該法檢測的基本原理是：X射線管產生的一次X射線照射到樣品上，將原子內層電子激發出軌道而產生空穴，外層電子躍遷至內層，空穴所釋放的能量以輻射的形式放出，便產生了X射線熒光。由于能量差完全由該元素原子的殼層電子能級決定，故稱之為該元素的特征X射線熒光。如圖5所示[22]：當空穴產生在K層，不同外層(L、M、N…層)的電子向空穴躍遷時放出的能量各不相同，產生的一系列輻射統稱為K系輻射(Kα、Kβ)；同樣，當空穴產生在L層，所產生一系列輻射則統稱為L系輻射(Lα、Lβ)。圖6所示的礦漿灰分儀即是一種采用X熒光技術、可通過檢測礦漿樣品在線獲得礦漿中煤泥灰分的在線檢測設備。

圖5 X射線熒光基本原理

圖6 礦漿灰分儀

(2)圖像法。隨著機器視覺與圖像處理技術的不斷發展，其在浮選過程中也得到很多的應用。機器視覺能夠準確快速地提取泡沫物理和動態特征[23-24]，通常將泡沫圖像特征值與精煤灰分作相關性分析，尾礦圖像與尾礦灰分作相關分析[25-26]。該方法利用工業視覺傳感器在線捕獲煤泥浮選尾礦的原始圖像，通過線性加權平均濾波器降低原始圖像中的噪點，然后利用線性灰度空間映射去除反光的影響，再經過色彩空間轉換和分組特征匹配算法估算采集到的尾礦灰度相對應的閾值。圖7所示是通過長時間的灰度與灰分數據比對得到的一組尾礦灰分與圖像灰度的數學關系[27-28]。但圖像識別傳感器目前尚處于研發試用階段，少有工業應用的案例。

圖7 不同灰分圖像數據

2.2.3 其他傳感器

要想真正實現浮選智能化，除了上述濃度計、流量計、礦漿灰分儀外，煤泥浮選過程影響因素中的入料性質和產品指標也均需要由相應的傳感器來檢測，如：采用粒度分析儀對浮選入料的粒度分布進行檢測；采用皮帶秤計量浮精產量、浮尾產量；采用液位計檢測浮精桶液位，以預防浮精桶冒桶等。

3 浮選智能化研發及應用進展

近年來，天津美騰科技股份有限公司一直致力于研發智能浮選系統，擬通過采用先進的監測和控制手段，實現浮選生產過程趨于“浮精灰分合格且穩定、回收率高”的穩定、理想的運行狀態。為了實現該系統，公司自主研發了能直接用于礦漿灰分檢測的礦漿灰分儀、可實現精準加藥的智能加藥站、采用智能浮選系統控制算法的智能浮選控制平臺，填補了行業缺少礦漿測灰的反饋傳感器和加藥執行機構的空白，為實現浮選智能化提供了可能。

3.1 系統架構

智能浮選系統的系統架構(圖8)分為四層：第一層為數據采集層，主要有濃度計、流量計、礦漿灰分儀等重要傳感器，用于采集浮選系統現場生產數據，為系統采集實時的基礎數據；第二層為數據層，將第一層采集到的數據進行存儲、清洗和分析，同時存儲的還有基礎、設備、操作、故障、生產等數據，計算用于系統執行的參數；第三層為控制邏輯層，按照第二層的參數，實現設備運行控制、加藥控制、故障診斷、數據分析，保障系統按照控制算法執行；第四層為用戶感知層，能夠完成生產監控、設備控制、報警管理、設備維護、報表管理等操作和交互。

圖8 智能浮選系統架構

3.2 系統算法

智能浮選系統算法簡化流程如圖9所示。該系統主要的計算和控制有：

圖9 智能浮選系統算法簡化流程

(1)通過高精度濃度計和流量計，分別對浮選入料濃度和流量進行實時檢測，并計算實時干煤泥量，將該數據作為系統的前饋數據。

(2)通過礦漿灰分儀對浮精礦漿灰分進行實時檢測，并預測灰分波動和趨勢，將該數據作為該系統的反饋數據。

(3)通過智能浮選控制平臺，將前饋和反饋數據利用“前饋+反饋大數據分析算法”，計算得出浮選系統所需加藥量，下發至智能加藥站執行。浮選智能化算法是前饋+反饋大數據分析算法，其本質是一種采用機器學習預測與類PID結合的算法。該平臺以數據積累為支撐的智能化手段，根據傳感器的檢測數據，以數學關系模型和閉路控制邏輯為支撐，采用浮選智能化算法，首先采集大量數據，將大量的傳感器檢測數據、設定的產品指標目標值及參數設置和調整值等數據輸入至算法系統，建立浮選過程影響因素和產品指標的對應關系模型；系統應用時，根據傳感器檢測數據及要求的產品指標，通過預測模型計算出所需的浮選參數，快速識別到系統狀態和煤質等方面的變化，并通過執行機構進行智能調節，以滿足浮選產品指標要求。

(4)通過智能加藥站，完成浮選藥劑的乳化和定量添加。

3.3 系統組成

智能浮選系統(圖10)主要包括：浮選智能加藥站、礦漿灰分儀、智能浮選系統平臺、流量計、濃度計等。該智能浮選系統實現了基于入浮量的前饋控制，通過實時檢測浮精礦漿灰分進行反饋控制，來實現浮選系統的閉環控制。

圖10 智能浮選系統組成

(1)浮選入料濃度計和流量計。浮選入料濃度計使用固體懸浮物濃度計，采用90°角散射光原理，安裝在浮選入料管路上，對浮選入料濃度進行實時檢測。浮選入料流量計使用電磁流量計，采用電磁感應原理，安裝在浮選入料管路上，對浮選入料流量進行實時檢測。

(2)智能加藥站。智能加藥站的型號為TFRS100，采用射流乳化原理和計量泵定量加藥技術，藥劑來源為廠房的浮選藥劑桶，經乳化和定量后的藥劑按要求輸送至礦漿預處理器和浮選機各分室。

(3)礦漿灰分儀。型號為DSA100，采用X熒光檢測技術，可對浮精礦漿產品灰分進行實時檢測。灰分儀取樣來自浮精礦漿管道，檢測后的廢樣返回浮精桶。

(4)智能浮選控制平臺。智能浮選控制平臺運行在高性能服務器上，軟件系統使用B/S架構，支持多點訪問，并通過以太網通信協議，為集控中心任何局域網內的主機提供操作界面(圖11)，遠程啟停系統。

圖11 智能浮選控制平臺操作界面

3.4 智能浮選系統應用效果

2020年8月，智能浮選系統在兗州煤業股份有限公司濟寧三號煤礦選煤廠順利投入運行，目前已連續穩定運行半年左右。

為了評價智能浮選系統的應用效果，收集了該選煤廠6、7兩個月份的生產檢查報表作為人工操作時的浮選數據，統計了9、10兩個月份的生產檢查報表作為智能浮選系統數據，并對兩個數據進行對比分析。浮精灰分分布對比如圖12所示，浮選效果對比見表1。

圖12 浮精灰分分布對比

表1 智能浮選和人工操作浮選效果對比

由圖12可以看出，智能浮選(9、10月)浮精灰分控制比人工操作浮選(6、7月)更為精準，說明智能浮選的浮精灰分比人工操作浮選更低，灰分控制更為精準。

由表1數據可以看出：人工操作浮選的浮精灰分平均值為11.76%，浮精灰分范圍(1σ)主要集中在9.17%～14.35%之間，極差為5.18%，浮精灰分在8.5%～10.5%的占比為29.55%；智能浮選浮精灰分平均值為10.12%，浮精灰分范圍(1σ)主要集中在8.69%～11.56%之間，極差為2.87%，浮精灰分在8.5%～10.5%的占比為63.64%。與人工操作浮選相比，智能浮選浮精平均灰分降低了1.64個百分點，極差降低了2.31個百分點，浮精灰分在8.5%～10.5%的占比提高了34.09個百分點。可見，智能浮選有助于穩定產品質量，浮選效果較人工操作浮選優勢顯著。

3.5 智能浮選發展規劃

在現階段，要想真正實現選煤廠浮選系統的智能化還有很多工作要做。為此，規劃了智能浮選系統的工藝流程全景圖，如圖13所示。智能浮選系統通過將控制技術、計算機技術、網絡技術等結合，協調運作，從而使浮選生產達到最優效果，進而實現選煤企業利益最大化。可以預見，隨著智能化技術的不斷發展，智能浮選將很快再上一個臺階。

圖13 浮選系統智能化工藝流程全景圖

4 結論

(1)目前選煤廠浮選系統智能化水平普遍比較低，實現浮選系統智能化勢在必行。浮選設備控制裝置及執行機構、高精度的變量檢測傳感器、機器學習功能的系統算法的技術發展，是實現浮選系統智能化的前提和基礎。

(2)浮選智能化應用實踐表明：智能浮選的浮精灰分比傳統浮選更低(降低了1.64個百分點)，灰分區間(1σ)更窄(降低了2.31個百分點)，浮精灰分在8.5%～10.5%的占比提高了34.09個百分點。此外，智能浮選系統可大大改善浮選崗位的工作環境，降低工人的勞動強度。因此，浮選系統智能化具有良好的經濟效益和社會效益。

(3)在現階段，要想真正實現浮選智能化尚有很多工作要做，但是隨著智能化技術的不斷發展，浮選智能化將得到快速發展，再上新的臺階。