動力煤精準(zhǔn)配煤工藝在選煤廠的應(yīng)用

侯 磊，吳新財，張淑強(qiáng)

(天津美騰科技股份有限公司，天津 300110)

近年來，各大煤炭集團(tuán)為提高煤炭開采率，多采用多煤層同時開采模式，采后在選煤廠進(jìn)行洗選配煤[1]，針對自動化配煤的相關(guān)研究逐漸增多。2015年哈兒烏素露天礦通過電子皮帶秤反饋實現(xiàn)了簡單的配煤[2]，2014年臨渙選煤廠實現(xiàn)了倉上自動配煤[3]。自動化配煤系統(tǒng)研究不僅在選煤廠有應(yīng)用，在焦化廠應(yīng)用更加廣泛，多數(shù)采用倉下自動配煤[4]。綜上所述，自動化配煤技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用前景都比較廣泛，應(yīng)用價值比較高。

筆者近期有幸應(yīng)邀為某集團(tuán)5個選煤廠提供精準(zhǔn)配煤改造方案，通過對該集團(tuán)5個選煤廠詳細(xì)調(diào)研，分析選煤工藝以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)。這些選煤廠生產(chǎn)工藝相似，原煤開采煤層相同，均為3號、8號、9號、15號無煙煤，主要銷售產(chǎn)品為塊煤和末煤。為打造集團(tuán)煤炭品牌效應(yīng)，擬將各個選煤廠的末煤產(chǎn)品發(fā)熱量指標(biāo)由21.34 MJ/kg提升為22.18 MJ/kg，而目前末原煤的發(fā)熱量均在20.92 MJ/kg以下，都需要摻配洗后末精煤。目前各個選煤廠的配煤條件有所不同，可大致將配煤分為2種形式：產(chǎn)品倉前配煤和產(chǎn)品倉下配煤。由于倉下配煤方式單一，通過定量給煤機(jī)均可實現(xiàn)，本文不做贅述。重點(diǎn)針對某廠復(fù)雜的倉前配煤，論述如何保證配煤精度達(dá)到±0.209 MJ/kg，及實現(xiàn)精準(zhǔn)配煤后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價值。

1 某廠配煤現(xiàn)狀及存在問題

由于該廠末煤倉儲系統(tǒng)與洗精煤倉儲系統(tǒng)位置相距較遠(yuǎn)，且末煤裝車火車軌道與精煤火車裝車軌道不同，導(dǎo)致倉下配煤難以實現(xiàn)，因此考慮在末煤入倉前的膠帶輸送機(jī)上摻混末精煤，實現(xiàn)產(chǎn)品入倉前的精準(zhǔn)配煤。

1.1 配煤工藝流程

該廠來煤分為東西礦井，2個選煤生產(chǎn)系統(tǒng)。東井為高硫煤，采用跳汰洗選工藝，產(chǎn)品用于末煤摻配，倉前雙系統(tǒng)交叉配煤，配煤流程復(fù)雜；西井為低硫煤，采用重介質(zhì)旋流器分選工藝，產(chǎn)品作為噴粉煤銷售。

1.2 煤質(zhì)情況

小于13 mm末原煤：Ad=25%～40%；Mar=6%～7%；Qnet，ar=19.25～20.92 MJ/kg；St，ad<1.5%。

洗后跳汰末精煤：Ad=10%～17%；Mar=9%；Qnet，ar=25.10～27.20 MJ/kg； St，ad≈1%。

1.3 發(fā)熱量公式

通過工業(yè)分析計算的發(fā)熱量經(jīng)驗公式為：

Aar=Ad×(100-Mt)/100

Qnet，ar=35.4062-0.3698×Mt-0.4010×Aar

Qgr，ad=35.9763-0.3977×Ad

式中：Aar—收到基灰分，%；Ad—干燥基灰分，%；Mt—煤的全水分，%；Qnet，ar—收到基低位發(fā)熱量，MJ/kg；Qgr，ad—空干基高位發(fā)熱量，MJ/kg。

根據(jù)發(fā)熱量公式分析和生產(chǎn)經(jīng)驗得：灰分每提高1個百分點(diǎn)，低位發(fā)熱量降低0.377 MJ/kg左右；水分每提高1個百分點(diǎn)，低位發(fā)熱量降低0.335 MJ/kg左右。

1.4 人工配煤存在問題

(1)各個選煤廠均缺少先進(jìn)的煤質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備，煤質(zhì)信息全部依靠人工采制化來獲取，整個過程需要2 h左右，檢測數(shù)據(jù)滯后嚴(yán)重，無法實時指導(dǎo)配煤調(diào)節(jié)。

(2)配比調(diào)節(jié)不精準(zhǔn)，發(fā)熱量波動范圍20.56～24.95 MJ/kg。現(xiàn)場人員根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，估算末原煤灰分每增長1個百分點(diǎn)大約需要摻配多少末精煤，依次手動調(diào)節(jié)精煤下料閘板開度和溜槽翻板，由于灰分獲取的滯后性、缺少精確的配比計算和手動調(diào)節(jié)的不確定性，導(dǎo)致配煤不精準(zhǔn)。

(3)人工配煤會根據(jù)化驗計算值調(diào)高精煤配入量，保證混煤發(fā)熱量合格來避免罰款，造成原煤過量入洗，發(fā)熱量過高，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。

2 精準(zhǔn)配煤工藝流程設(shè)計

2個生產(chǎn)系統(tǒng)的配煤流程設(shè)計為配煤流程一和配煤流程二，見圖1。配煤設(shè)計原則為檢測配入煤的數(shù)量和灰分。以下針對配煤流程二詳細(xì)論述：通過1302膠帶輸送機(jī)機(jī)頭增加配煤量數(shù)控調(diào)量裝置粗調(diào)，再通過301膠帶輸送機(jī)的電子皮帶秤監(jiān)測量反饋調(diào)節(jié)，實現(xiàn)跳汰入洗量控制；通過706膠帶輸送機(jī)的水分儀和701膠帶輸送機(jī)電子皮帶秤計算出配后綜合混煤的累計一段時間(根據(jù)灰分儀數(shù)據(jù)間隔時長確定)的發(fā)熱量，再通過269膠帶輸送機(jī)的灰分儀和電子皮帶秤計算出末原煤的累計發(fā)熱量；流程一將跳汰精煤的灰分反饋到流程二中，通過加權(quán)平均算法計算出333刮板的配煤量數(shù)控調(diào)量裝置開度，通過701現(xiàn)有皮帶秤數(shù)量減去269原煤量，計算出333刮板實際配入精煤量反饋調(diào)節(jié)；最后通過706膠帶輸送機(jī)的水分儀產(chǎn)生的發(fā)熱量，整體反饋調(diào)節(jié)1302和333刮板的配煤量數(shù)控調(diào)量裝置，確保最終產(chǎn)品合格。

圖1 配煤流程示意

3 煤質(zhì)在線監(jiān)測和數(shù)量調(diào)控設(shè)備

3.1 X光灰分儀

目前選煤廠配煤過程中有使用天然射源(無源)灰分儀[5]、γ射線灰分儀[6]和X光灰分儀[7]，本次配煤設(shè)計采用近年來精度和穩(wěn)定性更高的X光灰分儀進(jìn)行設(shè)計應(yīng)用，經(jīng)過對X光灰分儀使用情況調(diào)研，灰分在15%～30%，均方根誤差不大于1.0%。

3.2 電子皮帶秤

電子皮帶秤已在選煤廠配煤中廣泛應(yīng)用[2]，常用的電子皮帶秤為陣列式皮帶秤，根據(jù)皮帶秤采用的稱重傳感器的數(shù)量多少決定皮帶秤稱量精度，根據(jù)配煤最終產(chǎn)品精度要求可選擇精度不同的皮帶秤。電子皮帶秤受物料落料的沖擊影響，安裝位置要求比較高，且皮帶秤需要定期校準(zhǔn)和清灰，保證精度[8]，經(jīng)過對多廠家調(diào)研，2組稱重傳感器的精度可以達(dá)到±0.125%，1組稱重傳感器的精度也可以達(dá)到±0.25%。

3.3 激光體積監(jiān)測儀

激光體積監(jiān)測儀的工作原理是利用攝像機(jī)采集激光投射在被測物料表面漫反射的激光輪廓線，通過內(nèi)置的高精度算法處理，實時輸出高精度的體積數(shù)據(jù)，根據(jù)體積計算物料量[9]。激光體積監(jiān)測儀有不受落料點(diǎn)影響、不與被測物料接觸使用的優(yōu)點(diǎn)，適用于電子皮帶秤無法安裝但需要計量的位置，在同一條皮帶上安裝多個，精度互不干擾。目前激光體積儀也已在選煤廠研究應(yīng)用多年[10]，隨著現(xiàn)代視頻技術(shù)不斷升級，精度也越來越高，經(jīng)過對使用情況調(diào)研，檢測體積精度可以達(dá)到±2.5%。

3.4 微波水分儀

微波水分儀測量原理利用高頻電磁波在穿透物料時會產(chǎn)生衰減以及相位的改變，可以計算出物料中的水分含量[11]。水分儀測定的全水分與傳統(tǒng)的無煙煤全水測定國標(biāo)GB/T211測定的結(jié)果一致[12]。微波水分儀可與灰分儀集成于一臺設(shè)備灰水儀，根據(jù)植入發(fā)熱量公式，計算出準(zhǔn)確的發(fā)熱量值，相關(guān)廠家提供精度為：水分范圍在5%～10%時，均方根誤差不大于0.5%。

3.5 配煤量數(shù)控調(diào)量裝置

配煤過程中均通過調(diào)控閘板開度控制配入煤量。閘板開度與煤量并非線性關(guān)系，需要通過流體力學(xué)模擬相關(guān)閘板開度和煤流情況，擬合參數(shù)由煤質(zhì)情況、落料粒度、膠帶輸送機(jī)或刮板帶速以及閘板等多重因素決定，初步擬合閘板開度與落料量關(guān)系，再通過膠帶輸送機(jī)上的煤量監(jiān)測設(shè)備反饋調(diào)節(jié)閘板開度；同時通過設(shè)定配煤指標(biāo)累計加權(quán)補(bǔ)償機(jī)制，設(shè)定單位時間或單位量補(bǔ)償，滿足一段時間或一定煤量內(nèi)累計發(fā)熱量合格，解決煤量波動造成的產(chǎn)品短時間不合格。

4 配煤精度范圍分析

配煤考核指標(biāo)為發(fā)熱量，影響配煤系統(tǒng)綜合精度的主要因素有灰分儀精度、水分儀精度、皮帶秤精度、體積儀精度、配煤量數(shù)控調(diào)量裝置精度以及發(fā)熱量計算公式誤差，其中影響因子最大的是灰分儀精度。灰分儀的精度受帶煤量影響較大，據(jù)相關(guān)研究將灰分儀和過煤量以及化驗快灰，通過LSSVM算法可進(jìn)行在線灰分儀實時校正，均方根誤差可以達(dá)到0.1747[13]。精準(zhǔn)配煤系統(tǒng)將影響發(fā)熱量的相關(guān)因子進(jìn)行回歸模型分析預(yù)測，根據(jù)該廠煤質(zhì)配置精準(zhǔn)配煤模型，確保最終實現(xiàn)配煤誤差不大于0.418 MJ/kg。

5 應(yīng)用價值分析

(1)提高裝車合格率，實現(xiàn)裝車合格率為100%。根據(jù)2019年裝車發(fā)熱量不合格情況統(tǒng)計分析，全年共銷售末煤615.57萬t，其中有13.88 t不合格，合格率為97.75%，因發(fā)熱量不合格共繳納罰款992.14萬元，精準(zhǔn)配煤可有效杜絕發(fā)熱量不合格情況，實現(xiàn)裝車合格率為100%，僅杜絕發(fā)熱量罰款帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益就達(dá)到了992.14萬元。

(2)減少配入精煤量，降低原煤入洗量，提高混煤銷售量。根據(jù)近2個月135批次裝車352組發(fā)熱量化驗數(shù)據(jù)分析，累計裝車噸數(shù)為98.58 t，累計加權(quán)平均發(fā)熱量為22.95 MJ/kg，裝車發(fā)熱量曲線見下圖2，按精準(zhǔn)配煤誤差值最大考慮(22.18～22.59 MJ/kg為裝車發(fā)熱量范圍)，人工裝車的發(fā)熱量波動范圍大，極差達(dá)到了4.38 MJ/kg。其中，小于22.18 MJ/kg有9組，占比2.56%；大于22.59 MJ/kg有274組，占比77.84%；在22.18～22.59 MJ/kg之間的僅有69組，合格率僅為19.60%，計算累計發(fā)熱量達(dá)到了22.95 MJ/kg，裝車存在較嚴(yán)重的發(fā)熱量過剩。

圖2 近期2個月裝車發(fā)熱量曲線

根據(jù)儀器儀表誤差精準(zhǔn)配煤后，發(fā)熱量精度可控制在22.18～22.59 MJ/kg范圍內(nèi)，根據(jù)該廠煤質(zhì)情況：末原煤：19.25～20.92 MJ/kg，跳汰末精煤：25.10～27.20 MJ/kg，按0.418 MJ/kg的組距排列組合共計30種情況，全部進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)分析。煤質(zhì)情況根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況一般煤質(zhì)好的時候，原煤和摻入精煤的發(fā)熱量均高，煤質(zhì)差時原煤和摻入精煤均低。經(jīng)濟(jì)效益最大、經(jīng)濟(jì)效益最小、煤質(zhì)最好和煤質(zhì)最差的分析結(jié)果見表1。

計算取值標(biāo)準(zhǔn)：人工配煤發(fā)熱量取累計加權(quán)平均值22.95 MJ/kg，精準(zhǔn)配煤發(fā)熱量取誤差最大值22.59 MJ/kg；以年銷售末煤量615.6萬t計算，混煤銷售價格取近期銷售價格400元/t，跳汰噸煤加工成本(去除人工成本)4.68元，原煤經(jīng)跳汰分選后精煤產(chǎn)率取現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)驗值48%。

表1 經(jīng)濟(jì)效益分析

精準(zhǔn)配煤通過減少精煤配入量，配比小于人工精煤配比，以出售相同的原煤，可減少精煤配入量，相應(yīng)也減少混煤銷售量，將少摻配的精煤選擇不入洗，計算出原煤量，按精準(zhǔn)配煤配比再入洗，可減少相應(yīng)的原煤入洗量，增加混煤的銷售量，計算出年經(jīng)濟(jì)效益范圍為1.59～0.83億元，目前煤質(zhì)情況比較好的發(fā)熱量與第4組接近，每年可帶來的經(jīng)濟(jì)價值為11 808.89萬元。

6 結(jié) 語

隨著儀器儀表的精度越來越高，以及大數(shù)據(jù)算法的優(yōu)化，自動化配煤的精度也越來越高，該廠實施的精準(zhǔn)配煤最大熱值誤差不超過0.418 MJ/kg，相比目前人工配煤最大誤差2.76 MJ/kg，可帶來非?？捎^的經(jīng)濟(jì)價值，每年預(yù)計可帶來最少經(jīng)濟(jì)效益就達(dá)到11 808.89萬元。該選煤廠年累計銷售產(chǎn)品發(fā)熱量每降低4.18×10-3MJ/kg，就可以帶來近146.16萬元的效益，精準(zhǔn)配煤作為煤炭銷售精細(xì)化的第一步，應(yīng)用價值和前景均非常樂觀。