弘財選煤廠煤泥重介控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

郭學(xué)坡

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司， 河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心， 河北 唐山 063012)

弘財選煤廠煤泥重介控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

郭學(xué)坡1,2

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司， 河北 唐山 063012；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心， 河北 唐山 063012)

為確保弘財選煤廠煤泥重介質(zhì)旋流器運行的穩(wěn)定性，設(shè)計了煤泥重介控制系統(tǒng)。主要介紹了該控制系統(tǒng)的設(shè)計原理、系統(tǒng)組成、系統(tǒng)功能、技術(shù)特點，并簡單分析了其應(yīng)用效果。生產(chǎn)實踐表明：該控制系統(tǒng)設(shè)計先進，性能優(yōu)異，實現(xiàn)了對煤泥重介分選工藝系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。

煤泥重介；系統(tǒng)組成；系統(tǒng)功能

弘財選煤廠是一座洗選能力為1.20 Mt/a的礦區(qū)型選煤廠，原煤以不分級、不脫泥方式直接入選，主選工藝為：50～0.5 mm粒級由無壓入料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選，0.5～0.25 mm粒級由煤泥重介質(zhì)旋流器分選，<0.25 mm粒級由機械攪拌式浮選機浮選，實現(xiàn)洗水閉路循環(huán)。該廠主要入選弘財、范家寨、荒田三個煤礦的原煤，均為貧瘦煤，具有低中灰、低硫、高發(fā)熱量的特點，主導(dǎo)產(chǎn)品為瘦精煤和高爐噴吹煤。

該廠0.5～0.25 mm粒級原煤為極難選煤，采用煤泥重介質(zhì)旋流器對其進行分選，以彌補無壓入料三產(chǎn)品重介質(zhì)旋流器分選下限高，無法有效分選煤泥的缺點。但煤泥重介分選工藝在我國應(yīng)用時間較短，各工藝參數(shù)之間相互影響、相互制約，實際操作中存在一定困難。因此，與該設(shè)備配套的、確保其運行穩(wěn)定的控制系統(tǒng)的設(shè)計就顯得十分重要。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計原理

該廠煤泥重介工藝原則流程為：精煤脫介弧形篩篩下物的一部分，即含有介質(zhì)和精煤泥的懸浮液被分流到煤泥合介桶，再由煤泥合介泵輸送至NZXφ250×6煤泥重介質(zhì)旋流器組分選；旋流器溢流隨精煤稀介進入精煤磁選機，旋流器底流隨中煤稀介進入中煤磁選機，分別回收其中的合格介質(zhì)和煤泥產(chǎn)品。

在煤泥重介分選工藝中，影響洗選精度的主要工藝參數(shù)包括重介懸浮液密度、重介懸浮液煤泥含量、旋流器入料壓力、煤泥合介桶液位，設(shè)計煤泥重介控制系統(tǒng)前必須對這些參數(shù)進行分析。

1.1 重介懸浮液密度

煤泥重介質(zhì)旋流器選煤是利用阿基米德原理在離心力場中完成的。合介泵將重介懸浮液以一定壓力沿切線方向給入旋流器，并形成兩個螺旋流，沿旋流器內(nèi)壁向下運動的為外螺旋流，圍繞旋流器軸向向上運動的為內(nèi)螺旋流。由于內(nèi)螺旋流具有負(fù)壓而吸入空氣，并沿旋流器軸向形成空氣柱[1]。顆粒在懸浮液中受到不同力的作用，半徑r處的合力為F[1]，

式中：V為顆粒體積，cm；δ為顆粒密度，g/cm；ρ為懸浮液密度，g/cm；Vt為顆粒切向速度，cm/s。

當(dāng)顆粒密度大于重介懸浮液密度時F為正，顆粒被甩向外螺旋流，即重產(chǎn)物隨外螺旋流從底流口排出；當(dāng)顆粒密度小于重介懸浮液密度時F為負(fù)，顆粒向內(nèi)螺旋流運動，即輕物隨內(nèi)螺旋流從溢流口排出[1]。要提高煤泥的分選精度，煤泥重介控制系統(tǒng)必須能精確地控制重介懸浮液密度。

1.2 重介懸浮液煤泥含量

在煤泥重介質(zhì)旋流器選煤過程中，煤泥含量過高時，重介懸浮液粘度增加，旋流器內(nèi)部的密度分層遭到破壞，產(chǎn)品脫介難度增大，系統(tǒng)介耗增加，精煤產(chǎn)品被污染，進而影響分選效果；煤泥含量過低時，重介懸浮液沉淀速度加快，進而導(dǎo)致懸浮液密度無法穩(wěn)定，同樣影響分選效果[2]。因此，快速、準(zhǔn)確地檢測和控制重介懸浮液中的煤泥含量，對控制系統(tǒng)的控制效果很重要。

1.3 旋流器入料壓力

為了保證煤泥重介質(zhì)旋流器的有效分選下限，必須使重介懸浮液中的顆粒獲得足夠的離心因數(shù)，而增加離心因數(shù)的關(guān)鍵在于提高顆粒的離心力，顆粒在懸浮液中受到的離心力F為[1]：

式中：d為礦粒直徑，cm；k為切向速度系數(shù)；D為旋流器直徑，cm；H為旋流器入料壓力，MPa；g為重力加速度，m/s2。

由上式分析可知：離心力與入料壓力成正比，入料壓力越大，顆粒所受的離心力越大[1]。為了保證旋流器的分選精度，必須將入料壓力控制在最佳范圍內(nèi)。

1.4 煤泥合介桶液位

保證煤泥合介桶的液位穩(wěn)定，有利于提高煤泥重介系統(tǒng)的洗選效果。實現(xiàn)由主選系統(tǒng)分流過來的介質(zhì)與煤泥重介系統(tǒng)返回主洗系統(tǒng)的介質(zhì)平衡，才能保證整個洗選系統(tǒng)的正常生產(chǎn)，進而達到最佳分選效果[3-4]。因此，煤泥合介桶液位是一個非常重要的參控工藝參數(shù)。

2 系統(tǒng)組成與功能

2.1 系統(tǒng)組成

煤泥重介控制系統(tǒng)主要由檢測儀表、執(zhí)行機構(gòu)、控制站組成，檢測儀表主要包括煤泥重介管在線密度計、磁性物含量計、旋流器入料口壓力計、煤泥合介桶液位計，執(zhí)行機構(gòu)主要包括補介分流裝置、泵與加水裝置、煤泥合格介質(zhì)泵變頻器、電磁閥(圖1)。

圖1 煤泥重介控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of coal slime heavy medium separation control system

為了保證控制系統(tǒng)的先進性和可靠性，控制站采用西門子S7-300系列PLC作為控制核心[5]，研華610H工業(yè)控制計算機為上位管理與操作計算機，基于KINGWIEW 6.53組態(tài)王軟件開發(fā)人/機界面(圖2)。

2.2 系統(tǒng)功能

煤泥重介分選系統(tǒng)的控制主要由以下四個閉環(huán)控制系統(tǒng)組成：重介懸浮液密度控制系統(tǒng)、重介懸浮液煤泥含量控制系統(tǒng)、旋流器入料壓力控制系統(tǒng)、煤泥合介桶液位控制系統(tǒng)。

(1)重介懸浮液密度控制系統(tǒng)的作用就是檢測、調(diào)控煤泥重介質(zhì)旋流器的分選密度。在煤泥重介質(zhì)旋流器組入料管路上安裝在線密度計，連續(xù)檢測管路中的重介懸浮液密度。為主選精煤脫介篩合介段和磁選機的精礦分別設(shè)置分流箱，向煤泥合格介質(zhì)桶分流部分合格介質(zhì)，該設(shè)計的目的主要是考慮通過主選重介質(zhì)旋流器的分級、濃縮作用，使大部分<0.5 mm粒級煤泥和特細(xì)介質(zhì)一起隨精煤從溢流口排出。溢流重介懸浮液密度低、介質(zhì)粒度細(xì)，可較好的解決煤泥重介分選需要特細(xì)介質(zhì)的問題，無需單獨設(shè)置超細(xì)粒介質(zhì)系統(tǒng)即可實現(xiàn)對0.5～0.045 mm粒級煤泥的分選。分流箱內(nèi)置翻板，在泵入料管上引入清水管，并增設(shè)電動加水執(zhí)行器。懸浮液密度低時，加大磁選精礦分流箱開度，向煤泥合格介質(zhì)桶補加介質(zhì)；懸浮液密度高時，加大加水執(zhí)行器開度，向煤泥合格介質(zhì)桶補加清水[6]。

圖2 煤泥重介控制系統(tǒng)人/機界面Fig.2 Interface of coal slime heavy medium separation control system

在實際生產(chǎn)過程中，原煤配料系統(tǒng)工作穩(wěn)定，主選系統(tǒng)原煤入選量平穩(wěn)，洗選系統(tǒng)中煤泥量呈線性增長趨勢。實踐表明，當(dāng)精煤篩下分流箱開度在60%時，通過微調(diào)即可保持主選系統(tǒng)煤泥量穩(wěn)定，從而保證煤泥合介桶入料的穩(wěn)定。主選精煤磁選機合介段分流箱開度固定在最佳位置時，通過調(diào)節(jié)加水量即可實現(xiàn)分選密度的有效調(diào)整，從而實現(xiàn)密度的單參數(shù)閉環(huán)控制。

(2)重介懸浮液煤泥含量控制系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)重介懸浮液中的煤泥量。在煤泥重介質(zhì)旋流器組入料口管路上安裝磁性物含量計，檢測物料中的磁性物含量，同時借助密度計測出其密度，由計算機根據(jù)煤泥含量公式計算出重介懸浮液中的煤泥量。當(dāng)煤泥量大時，加大煤泥合介桶的加水量，同時補加介質(zhì)，確保分選密度穩(wěn)定[7]。

在實際生產(chǎn)過程中，由于煤泥含量采用帶式調(diào)節(jié)，控制范圍在35%～60%之間，且煤泥含量與重介懸浮液密度、煤泥合介桶液位等參數(shù)有較大的耦合性，因此該系統(tǒng)采用人工智能控制。

(3)旋流器入料壓力控制系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)入料壓力的大小。在煤泥重介質(zhì)旋流器組入料口安裝壓力傳感器，該傳感器具有就地液晶顯示窗，便于現(xiàn)場實時觀測入料口壓力值，同時遠(yuǎn)程輸出檢測信號。煤泥合介泵配備有變頻器，采用PID控制，根據(jù)壓力反饋值實時控制泵的轉(zhuǎn)速，確保壓力在旋流器最佳工作壓力范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)壓力的單參數(shù)閉環(huán)控制[8]。

(4)煤泥合介桶液位控制系統(tǒng)的功用就是保證合介桶液位的穩(wěn)定、平衡。在煤泥合介桶底部安裝壓差式液位計，該液位計可連續(xù)測量，性能可靠，安裝簡便，易于維護。通過安裝于精煤弧形篩下的分流箱實時調(diào)節(jié)分流量[9]，保證煤泥合介桶的液位穩(wěn)定，但分流箱的主要作用是調(diào)節(jié)主選煤泥量。為了保證煤泥合介桶液位的穩(wěn)定，在每個旋流器入料口設(shè)置電控氣動閥門，通過電磁閥控制閥門的開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)煤泥合介桶液位較低時，自動減少打開閥門的數(shù)量，減少旋流器的工作臺數(shù)，直至液位升高；當(dāng)煤泥合介桶液位高時，自動增加打開閥門的數(shù)量，增加旋流器的工作臺數(shù)，直至液位降低，從而實現(xiàn)煤泥合介桶液位的單參數(shù)閉環(huán)控制。根據(jù)實際生產(chǎn)情況，煤泥合介桶液位的平穩(wěn)是其他參數(shù)穩(wěn)定的重要因素[10]。

3 技術(shù)特點

煤泥重介控制系統(tǒng)具有如下技術(shù)特點:

(1)以西門子PLC為控制核心，采用模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的先進性、可靠性、控制精度、抗干擾能力較高；

(2)實現(xiàn)了對煤泥重介系統(tǒng)懸浮液密度的自動控制，控制精度較高，在0.5%～1%之間，在有效降低精煤灰分的同時提高了其產(chǎn)率；

(3)重介懸浮液煤泥含量采用人工智能控制，較好地解決了煤泥含量與其他工藝參數(shù)的耦合性，提高了系統(tǒng)的可操作性和控制精度。

4 結(jié)語

煤泥重介控制系統(tǒng)的使用，實現(xiàn)了對重介懸浮液密度、旋流器入料壓力、煤泥合介桶液位等參數(shù)的在線檢測和自動控制；同時，結(jié)合專家系統(tǒng)實現(xiàn)了對重介懸浮液煤泥含量的計算和人工智能控制。

煤泥重介控制系統(tǒng)投入使用后，精煤泥灰分由16.98%降至13.46%，降灰效果明顯。該系統(tǒng)與主選重介分選系統(tǒng)的配合使用，使整個選煤工藝進一步得到完善，在主選重介與浮選之間起到承上啟下的過渡作用，有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量。該系統(tǒng)的應(yīng)用使煤泥重介質(zhì)旋流器的工作穩(wěn)定性增強，為選煤廠節(jié)能增效起到了重要作用，對于煤泥重介分選工藝的推廣和應(yīng)用有著十分重要的意義。

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Design and application of coal slime heavy medium separation control system in Hongcai coal preparation plant

GUO Xue-po1,2

(1.China Coal Technology & Engineering Group Tangshan Research Institute Co., Ltd., Tangshan, Hebei 063012,China; 2.Coal Preparation Engineering & Technology Research Center in Hebei Province, Tangshan, Hebei 063012,China)

In order to ensure coal slime heavy medium cyclone running stably in Hongcai coal preparation plant, designed the slime heavy medium separation control system.Mainly, introduced design principle, composition and function, technical features of this control system as well as analyzed its application.The practice shows that the slime heavy medium separation process is in better control, with advanced design and great performance of this control system.

coal slime dense medium separation; system composition; system function；

1001-3571(2015)03-0071-03

TD948.9

A

2015-06-12

10.16447/j.cnki.cpt.2015.03.020

郭學(xué)坡(1976—)，男，河北省遵化市人 ，高級工程師，從事選煤自動控制系統(tǒng)的研發(fā)與推廣工作。

E-mail：tsgxp@163.com Tel:：0315-7759438