超聲波在線粒度儀在水峪選煤廠的應(yīng)用

汪小琪，李少華，熊向前

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

煤炭是我國(guó)主要能源，在我國(guó)一次能源中的占比在60%左右。 當(dāng)前我國(guó)正處于工業(yè)化中后期的高速發(fā)展階段，對(duì)煤炭及清潔能源有著強(qiáng)勁的需求。為了提高煤炭利用效率，減少原煤對(duì)環(huán)境的污染，需要對(duì)原煤進(jìn)行分選，但原煤在分選過(guò)程中將產(chǎn)生大量的煤泥水，且煤泥水的處理在整個(gè)選煤工藝系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。隨著智能制造技術(shù)在各行各業(yè)的不斷深入發(fā)展，一批新標(biāo)準(zhǔn)、新技術(shù)、新方法也在礦物加工領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)。

當(dāng)前，我國(guó)選煤行業(yè)的智能化建設(shè)水平相對(duì)滯后，其面臨的主要問(wèn)題有：在線自動(dòng)化儀表不完備，針對(duì)行業(yè)定制的傳感器和在線檢測(cè)手段有限；數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)融合技術(shù)在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用比較少，行業(yè)內(nèi)的數(shù)字建模技術(shù)剛開(kāi)始起步；優(yōu)化控制技術(shù)與過(guò)程故障診斷對(duì)于基礎(chǔ)的過(guò)程數(shù)據(jù)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(huán)節(jié)中，煤泥水濃度和煤泥粒度的測(cè)量均采用傳統(tǒng)的人工采樣和化驗(yàn)方法，存在化驗(yàn)結(jié)果受人為因素影響大，時(shí)效性差，不能有效指導(dǎo)生產(chǎn)等問(wèn)題，為解決選煤廠生產(chǎn)過(guò)程中煤泥水關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)量，山西焦煤汾西礦業(yè)水峪選煤廠采用DF-CPSM超聲波在線粒度儀對(duì)煤泥粒度和濃度進(jìn)行檢測(cè)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)選煤廠煤泥水檢測(cè)的技術(shù)空白，為選煤廠煤泥水系統(tǒng)智能化建設(shè)起到了積極的推進(jìn)作用[1-4]。

1 選煤廠概況

1.1 生產(chǎn)工藝

水峪選煤廠隸屬于山西焦煤汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，位于山西省孝義市兌鎮(zhèn)水峪村。經(jīng)改擴(kuò)建該廠現(xiàn)生產(chǎn)能力為5.0 Mt/a，其中：一車間設(shè)計(jì)能力為2.0 Mt/a，采用脫泥有壓兩產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選+粗煤泥干擾床分選機(jī)分選 +細(xì)煤泥浮選的聯(lián)合工藝流程；二車間設(shè)計(jì)能力為3.0 Mt/a，采用不脫泥無(wú)壓三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選+粗煤泥重介質(zhì)旋流器分選+細(xì)煤泥浮選的聯(lián)合工藝流程。該廠洗選產(chǎn)品有精煤洗混煤，其中精煤產(chǎn)品屬中灰、高硫焦精煤，質(zhì)量指標(biāo)為：灰分(Ad)≤10.00%，硫分(St,d)≤2.50%，揮發(fā)分(Vdaf)在20.00%～24.00%之間，黏結(jié)指數(shù)(GR.I)≥80，膠質(zhì)層厚度(Y值)在16～20 mm之間。

1.2 浮選入料性質(zhì)分析

水峪選煤廠入選原煤全部來(lái)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(guò)小篩分試驗(yàn)和X射線衍射分析，得到浮選入料小篩分試驗(yàn)結(jié)果和物相分析結(jié)果，分別見(jiàn)表1和表2。 X射線衍射圖譜如圖1所示。

圖1 煤樣X(jué)RD圖譜Fig.1 XRD spectra of sampled flotation feed

表1 浮選入料小篩分試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Flotation feed sieve analysis %

表2 煤樣物相分析結(jié)果Table 2 Mineralogical analysis

由表1可知：浮選入料中<0.045 mm粒級(jí)為主導(dǎo)粒級(jí)，灰分為29.15%，產(chǎn)率為35.15%； 0.25～0.125、0.125～0.075、0.075～0.045 mm粒級(jí)產(chǎn)率相當(dāng)，均在20%左右；浮選入料中<0.5 mm各粒級(jí)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(wèn)題

由于煤質(zhì)波動(dòng)，導(dǎo)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(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且存在檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確及嚴(yán)重滯后的問(wèn)題，生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法根據(jù)濃度、粒度等關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)變化及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)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(duì)超聲波的黏滯和散射現(xiàn)象來(lái)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(huì)發(fā)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(guān)，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(shí)，超聲波頻率越高，其能量衰減越大；礦漿濃度越大，衰減系數(shù)值越大。物料粒度對(duì)超聲波衰減的作用比較復(fù)雜，但對(duì)頻率較高的超聲波，在一定粒度范圍內(nèi)，衰減系數(shù)值隨顆粒粒度增大而增加[9-12]。超聲波在線粒度儀測(cè)量粒度原理圖如圖2所示。

圖2 超聲波在線粒度儀測(cè)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(shù)特點(diǎn)[13-15]

(1)檢測(cè)結(jié)果代表性強(qiáng)，準(zhǔn)確度高，能真實(shí)反映整個(gè)煤泥水中顆粒粒度分布情況。

(2)測(cè)量效率高，可以實(shí)時(shí)獲得測(cè)量結(jié)果。

(3)現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)，能有效降低礦漿濃度及其中固體顆粒粒度波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

(4)可同時(shí)有效監(jiān)測(cè)>0.5 、>0.25 、0.25～0.045 mm等5個(gè)粒級(jí)等關(guān)鍵指標(biāo)。

(5)安裝容易，操作簡(jiǎn)單,維護(hù)工作量小。

(6)儀器堅(jiān)固耐用,使用壽命長(zhǎng)。

超聲波在線粒度儀技術(shù)參數(shù)如下：

流道數(shù)

1—4流道

測(cè)量粒度范圍

≤1 000 μm

測(cè)量礦漿濃度范圍

50～300 g/L

粒度檢測(cè)精度

絕對(duì)誤差小于2%

濃度檢測(cè)精度

絕對(duì)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(jī)交互界面

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 設(shè)備安裝

結(jié)合水峪選煤廠設(shè)備布置特點(diǎn)，將用于煤泥粒度、煤泥水濃度檢測(cè)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(guò)自流取樣器進(jìn)入粒度儀分礦箱中。粒度儀通過(guò)雙流道轉(zhuǎn)換器分時(shí)吸取浮選入料和浮選尾煤樣品進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)后的煤泥水樣品經(jīng)粒度儀回礦管道返回浮選入料池內(nèi)。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(diào)試標(biāo)定

在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)流經(jīng)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(gè)工藝波動(dòng)范圍。采用篩析法進(jìn)行樣品粒度測(cè)定，采用烘干稱重法進(jìn)行樣品濃度測(cè)定，將測(cè)定值與超聲衰減因數(shù)錄入標(biāo)定軟件中進(jìn)行線性回歸計(jì)算以獲得標(biāo)定公式。通過(guò)添加或刪減樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)得出最終的濃度、粒度標(biāo)定公式，完成標(biāo)定工作。

3.3 測(cè)試結(jié)果

DF-CPSM超聲波在線粒度儀具有多種粒級(jí)檢測(cè)的能力，根據(jù)生產(chǎn)需要，可對(duì)浮選入料中>0.5、<0.25、<0.125、<0.075 mm粒級(jí)和浮選尾煤中的<0.045 mm粒級(jí)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。標(biāo)定工作完成后，在線取20組樣品進(jìn)行精度檢驗(yàn)。浮選入料濃度對(duì)照表見(jiàn)表3、圖4，產(chǎn)率對(duì)照結(jié)果見(jiàn)表4—表8，數(shù)據(jù)對(duì)比曲線如圖4—圖9所示。通過(guò)儀表檢測(cè)值與實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)值可以看出，超聲波在線粒度儀的在線檢測(cè)精度比較高，兩種結(jié)果的跟隨性較好，測(cè)量趨勢(shì)一致。

表3 浮選入料濃度對(duì)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(duì)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(jí)產(chǎn)率對(duì)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(jí)產(chǎn)率對(duì)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(jí)產(chǎn)率對(duì)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(jí)產(chǎn)率對(duì)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(jí)產(chǎn)率對(duì)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(jí)產(chǎn)率對(duì)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(jí)產(chǎn)率對(duì)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(jí)產(chǎn)率對(duì)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(jí)產(chǎn)率對(duì)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(jí)產(chǎn)率對(duì)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(yīng)用分析

浮選入料濃度和粒度是判斷上游分級(jí)、分選工藝效果的重要依據(jù)，同時(shí)也是指導(dǎo)浮選生產(chǎn)操作的重要依據(jù)，對(duì)浮選效果起到至關(guān)重要的影響。根據(jù)浮選入料檢測(cè)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)浮選藥劑用量、泡沫層厚度、充氣量等變量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，可提高浮選精煤產(chǎn)率，降低浮選藥劑用量5%以上，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

生產(chǎn)實(shí)踐表明，DF-CPSM超聲波在線粒度儀可及時(shí)反饋浮選入料、浮選尾煤的粒度、濃度數(shù)據(jù)，高效指導(dǎo)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了浮選工藝指標(biāo)的可視化，可有效監(jiān)測(cè)浮選入料“夾粗”，浮選尾煤“跑煤”現(xiàn)象，將浮選尾煤灰分穩(wěn)定在70%左右，提高浮選精煤產(chǎn)率1個(gè)百分點(diǎn)。在穩(wěn)定生產(chǎn)提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，還保護(hù)了稀缺的煉焦煤資源，社會(huì)效益明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

DF-CPSM超聲波在線粒度儀在水峪選煤廠的成功應(yīng)用，有效解決了困擾該廠智能化建設(shè)的卡點(diǎn)。應(yīng)用至今，粒度儀運(yùn)行穩(wěn)定可靠，濃度在線檢測(cè)誤差小于10 g/L，粒度在線檢測(cè)誤差小于2%，為生產(chǎn)提供了準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)的有效指導(dǎo)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益明顯。DF-CPSM超聲波在線粒度儀智能化程度很高，操作簡(jiǎn)便，維護(hù)量小，可大大減輕現(xiàn)場(chǎng)工人勞動(dòng)強(qiáng)度，為選煤廠智能化建設(shè)提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，具有良好的應(yīng)用前景。