智能化新技術在選煤廠的應用

于海選，廖祥國，宋寶強，郜二鵬

(平頂山天安煤業天宏選煤有限公司，河南 平頂山 467000)

1 引 言

在《中國制造2025》[1]規劃中，中國計劃用30 a時間，通過“三步走”的戰略，實現從制造業大國向制造業強國的轉變，智能制造工程是其中提出的五大工程之一，提出要開發智能裝備和產品，實現智能化管理、智能化服務等。這為選煤行業提出了發展方向和目標。

2020年3月，發改委、能源局等八部委聯合發布的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》[2]，將人工智能、工業物聯網、云計算、大數據、機器人、智能裝備等與現代煤炭開發利用深度融合，形成全面感知、實時互聯、分析決策、自主學習、動態預測、協同控制的智能系統，實現煤礦開拓、采掘(剝)、運輸、通風、洗選、安全保障、經營管理等過程的智能化運行。

智能化選煤廠建設的目標是：實現精準分離、精細管理、增量提效[3]。而達到這些目標主要是通過各種技術控制來實現的。

2 選煤各環節的新技術應用

2.1 原煤環節

2.1.1 給煤系統PID變頻控制

在選煤生產過程中，原煤加煤量的穩定是保證產品質量穩定的基礎環節。傳統給煤機要么是定頻的，通過人工打開閘板大小來調節煤量，要么是通過調節給煤機變頻電機的頻率來調節，這2種方式都需要人工操作并根據皮帶秤顯示數據人工實時做調整，工人勞動強度大，而且受人為因素的影響，導致不準確或不及時，從而影響加煤量及下游洗選環節的穩定性。

棗礦集團高莊選煤廠[4]通過為給煤機安裝變頻器，同時關聯電子皮帶秤的測量數據，通過PID變頻控制調節給煤機煤量，實現了對原煤給煤量的自動跟蹤調節，為選煤后續生產環節提供穩定入料，為產品質量穩定控制打下良好基礎。

2.1.2 雜物智能分選系統

除雜環節是選煤廠非常重要的環節，及時有效地除去原煤中的雜物，可避免下游設備因雜物堵塞影響生產，減少非計劃停機時間。

傳統雜物分選是通過人工手選完成，勞動強度大，且分選的準確度受光線、經驗等人為因素影響較大，為影響后續生產環節帶來很多不確定性。

一項基于機器視覺的智能識別與機械手精準抓取的煤中雜物智能分選系統研發成功，并在淮北礦業集團渦北選煤廠調試使用，系統雜物分揀率為91.64%[5]。該系統主要通過圖像采集，上傳至圖像分析系統。圖像分析系統通過機器學習算法，進行識別及分類，確定雜物位置和姿態，確定物料的運動時間后，上傳至智能控制系統，由智能控制系統組成確定機械手的控制策略，啟動機械手完成雜物抓取工作。

2.1.3 智能干選系統

智能干選系統通過圖像識別技術和X射線聯合，運用深度學習算法等先進技術對煤和矸進行識別，聯鎖控制儲氣罐用氣體進行分離。智能干選系統不耗水、不耗介、不產生次生煤泥、成本低、識別率高。

哈爾烏素選煤廠[6]的200～50 mm的塊原煤用智能干選系統代替重介淺槽，塊煤加工成本大大降低，而且減少了次生煤泥的加工費用，經濟效益顯著。

曙光選煤廠[7]改造后，分選效果較好，矸石含煤率在1%以下，不僅減少了工人勞動強度，同時改善了工作環境，具有較好的經濟效益和社會效益。

2.2 重介環節

2.2.1 重介質智能添加系統

傳統介質添加方式是人工控制抓斗進行的，而在智能化的大形勢下，智能化技術也應用到了介質添加環節。

周增宏[8]研究的重介質智能添加系統采用激光雷達掃描裝置，采集介質堆體表面距離數據，建立介質堆體表面三維模型，運用路徑規劃算法，優化介質抓取點。通過雷達測距傳感器對識別出的抓取點的位置進行立體定位，通過控制電機行進，直至抓斗行進到介質堆抓取位置，完成抓介過程。

目前，該技術已在神東某選煤廠進行工業性試驗，處于試用階段，還需進一步的實踐和研究。

2.2.2 智能密度控制系統

選煤廠重介環節的密度控制可以分2種：一種是人工調節，通過人工調節分流閥和補水閥進行密度實時調節；另一種是PID程序控制調節分流閥和補水閥的開度來達到設定密度。但這都是先設定密度值，然后根據1 次/h的快灰結果進行調整。灰分沒有參考原煤性質和質量變化，而且密度控制參考的1 次/h的快灰結果太過滯后，很難對生產進行實時有效指導。

中國礦業大學進行了選煤廠重介分選過程智能控制的研究[9]，該研究基于原煤密度組成和灰分，實現對原煤性質和操作參數在線預測，包括：原煤密度組分預測、產品產率和灰分預測優化、介質密度和期望密度的優化等。根據原煤的實時性質智能確定所需的密度，從而減少控制滯后和人為因素的影響，實現重介密度和分選的智能控制。

胡生根[10]開發出一種智能化的重介質旋流器分選系統。該系統可以依據在線檢測的介質密度和產品產率，配合成熟的產品分配模型，可在線預測產品分配曲線和原煤的可選性曲線。再結合原煤瞬時灰分曲線，可以在線預測產品的灰分和增量灰分。預測產品灰分或增量灰分與給定灰分一致時可以得到最佳分選密度，可實時指導生產。該系統在工業性試驗中得到成功應用。

2.3 浮選環節

2.3.1 浮選自動加藥系統

浮選是煉焦煤選煤廠重要的生產環節之一，是目前為止分選小于0.5 mm物料最有效的方法。浮選的分選效果和藥劑消耗直接關乎精煤產率和選煤成本的大小。而傳統的浮選控制是人工憑經驗調節的，藥劑添加不及時或調節不準確就會導致生產指標的波動，而且勞動強度也很大。

石板選煤發電廠采用FJR120浮選藥劑自動加藥系統[11]，用濃度計和流量計測出濃度和流量，傳輸至工業計算機和PLC組成的控制系統，控制藥劑自動跟蹤入浮干煤泥量，控制藥劑泵變頻調速，進行精準加藥。藥劑消耗明顯降低，浮精質量穩定，產率提高，既降低了工人勞動強度，又提高了生產效益。

常村煤礦選煤廠[12]投入了由藥劑儲備系統、藥劑定量輸送系統、藥劑乳化輸送系統、藥劑定點定量添加系統、礦漿流量和濃度檢測系統等組成的浮選自動加藥系統，使浮選關鍵參數信息化，浮選精煤產率提高2%，藥劑消耗降低10%。

呂家坨選煤廠浮選環節增設自動加藥及乳化控制系統[13]，浮選精煤產率提高1.0%～1.5%，藥劑消耗降低10%～15%，經濟效益顯著。

中國礦業大學對煤泥浮選過程進行了模型仿真及控制的研究[14]，通過在線快灰儀、流量計、濃度計等在線檢測手段檢測原煤的灰分、浮選濃度和礦漿流量，建立三者之間的關系預測模型，結合入料測量模型可對浮選入料的灰分進行監測，實現在線數據分析和智能加藥。

灰分作為浮選過程控制的反饋是浮選系統的發展方向。

2.3.2 礦漿灰分在線檢測

天津美騰科技公司研發了可以直接檢測礦漿灰分的礦漿灰分在線檢測儀。通過X射線技術建立與煤質相適應的數學模型，智能控制器可控制進行采樣、處理、檢測、分析最后得到灰分結果，檢測時間10～30 min，精度最高可達±0.4%。該公司已在棗莊礦業付村選煤廠和西山煤電官地選煤廠成功完成工業試驗。

2.4 煤泥水處理環節

煤泥水處理環節是選煤廠至關重要的環節，循壞水質量的好壞直接影響各環節分選產品的質量。傳統煤泥水處理環節的絮凝劑藥劑添加是人工憑經驗添加，控制不精確，很容易造成循環水水質波動大，甚至影響生產。

邵清[15]提出了一種基于案例推理技術與模糊控制方法相結合的藥劑協同優化控制方法，實現藥劑協同控制添加，通過在設定閾值條件下運用相似度方法實現藥劑添加量的預測。投入使用后，噸煤泥聚合氯化鋁藥劑消耗降低5.16%，噸煤泥聚丙烯酰胺藥劑消耗降低6.67%，降低了藥劑消耗，經濟效益顯著。

陶亞東、潘月軍[16]以煤泥水沉降實驗為基礎依據，運用智能化加藥系統根據濃縮池入料性質、入料濃度檢測數據，用實際經驗建立的數學模型計算加藥量，以循環水濁度和清水層厚度作為反饋，實現加藥系統與煤質變化聯動控制，實現選煤廠煤泥水處理系統的高效、穩定運行，并達到節支降耗的效果。

3 結 語

工業智能化已上升為國家戰略，智能化選煤也已提上日程，選煤各項技術也發展迅速，但選煤廠核心工藝的智能控制技術研究尚未取得突破性進展，如重介、浮選過程的智能控制的算法、數學模型、控制模塊等，這些瓶頸問題未得到有效解決。另外，很多環節還不能實現對生產過程的各項參數進行實時分析和優化控制，缺乏數據充分分析和挖掘，而智能控制恰恰是以分析和優化數據為基礎，從而實現智能決策和智能控制，因此，數據的分析和挖掘是以后發展的重點方向。

鑒于目前智能化選煤廠還沒有統一的標準，智能化的建設必定需要大量的資金投入，且考慮到實際的經濟效益，建議結合各選煤廠自身情況及新技術的適用性，從局部自動化、單機智能化入手，分環節、分層次逐步實現智能化。