基于重介质选煤过程的三维虚拟仿真系统

柴宛彤

摘要：本文结合当前的虚拟仿真技术，研究一套重介质选煤过程三维虚拟仿真系统，从而为开展选煤过程的优化与控制研究提供仿真平台。为保证净煤中的碳含量以及减少能源损耗，建立了重介质选煤的动态数学模型进行过程

关键词：重介质选煤;虚拟仿真;动态模型;3D Max;Unity3D

煤炭洗選利用是煤炭生产和综合利用的重要环节，是实现煤炭清洁生产、节能减排、可持续发展的前提条件^[1]。再加之目前应原煤煤质变差，市场要求低灰精煤的需求变大，以及我国洁净煤技术发展战略的实施，分选控制，利用Unity3D以及3D Max技术建立模拟可视化界面，利用Matlab与可视化界面交互数据，实现重介质选煤工厂的3维虚拟仿真。效率高且容易实现自动化的重介质选煤方法脱颖而出。

选煤主要利用在洗煤过程中的重力作用实现分离，整个选煤过程的控制便尤为重要。而实现控制系统需要这有利于改善设备性能，保证产品质量与生产效率，还可以减少由于扰动造成的设备损耗，即减少被控变量与期望值之间的差异。在保证净煤中的碳含量以及减少能源损耗的条件下，基于质量守恒原理，建立了重介质选煤的动态数学模型进行过程控制。

由于该过程具有综合复杂性，其工艺参数难以连续检测，现场生产过程在实验室难以精确复现。因此本文利用虚拟现实技术作为“中介”建立起实验仿真和现场生产过程的桥梁。在选煤流程设计中的应用可以使该过程设计更直观，且具有更好的兼容性、修改性、实时性。应用三维建模软件创建选煤厂厂房、设备、管道的三维虚拟模型，并导入虚拟现实平台，建立一个重介质选煤厂三维系统，提高了设计方案的精确性，进一步降低了实验成本。

为此，本文结合当前的虚拟仿真技术，提出了重介质选煤过程三维虚拟仿真系统，从而为开展选煤过程的优化与控制研究提供仿真平台。针对重介质煤过程建立数学模型，利用Matlab软件数据交互，实现实时控制。

1、重介质选煤工艺原理

重介质选煤技术理论基础是阿基米德原理，即浸没在液体中的颗粒所受的浮力等于颗粒所排开的同体积的液体重量^[2]。在悬浮液中运动的颗粒，会受重力和浮力以及悬浮液体的阻力作用^[2]。颗粒越大，与悬浮液的相对速度越大，分选速度越快，分选的效率也会越高^[2]。由此可见，重介质选煤是严格按照不同密度进行分选的，选煤时，会加入一种分选介质，其密度介于煤与矸石之间，通过调整介质密度，可使介质中煤和矸分别从不同的地方流出，实现分离。分选介质的密度选择是影响选煤过程是否精准，以及分选速度和分选效率的关键因素。

2、重介质选煤工艺流程

重介质选煤的工艺流程如图，可将工艺过程分为三步：分选前的准备作业（破碎、筛分）、分选作业、选后产品的处理作业。

2.1分选前的准备作业

原煤首先通过分级筛进行筛分，用分级筛中带孔的筛面将颗粒大小不同的原料筛分成各种粒级。精选机械所能处理的煤炭颗粒有一定的范围度，超过这个范围的大块要经过破碎才能洗选^[3]，被分级筛筛出的大块物料通过破碎机粉碎成小颗粒。

2.2分选作业

分级后的原煤经过给煤机送到重介旋流器中，然后将稀释的分选介质以一定压力打入旋流器中，在分选介质中按照颗粒密度的不同进行选煤，从而可以分选出矸石、中煤和精煤。重介选煤的主要优点是分选效率高、入选粒度范围宽，生产控制易于自动化^[4]。重介选煤的缺点是生产工艺复杂，生产费用高，设备磨损快，维修量大^[4]。

2.3选后产品处理

分选后的精煤、中煤和矸石先经过弧形筛脱水，在分别经过精煤脱介筛、中煤脱介筛和矸石脱介筛进行脱介，至于剩下的筛下物，就分别进入到浓缩池和磁选机来进行精煤的二次回收和介质的回收。

重介质选煤的核心是分选作业过程，分选介质密度的选择直接影响了分选的结果。合适的分选介质不仅可以使选煤更加精确，也可以提高分选速度以及分选效率。

3、选煤过程数学模型

在重介质旋流器选煤过程中，需要经常不断的对选煤工艺参数进行检测和调整，保证产品质量和数量的稳定，并保证生产过程的安全进行^[5]。尤其是对重介质悬浮液的密度和流变特性的检测和调整更为重要，因为它直接影响产品的灰分和回收率^[3]。根据旋流器中的质量守恒原理以及选煤过程中的具体参数变化，建立控制过程的动态模型。

动态模型由混合箱、重介旋流器模型组成。混合箱模型的开发，它作为矿石与合格介质进行混合的场所，并基于整体质量守恒定律;为了动态模拟重介分选的产量，一方面要基于整体质量守恒定律，另一方面通过成分质量守恒来模拟煤质。

如图可以看出，原煤和分选介质在加入旋流器之前先放入混合箱中，在混合箱中根据质量守恒原理，可以得出：

（1）

（2）

（3）

其中和是介质的密度和体积流量，和是毛煤到混合箱和悬浮液到旋流器的质量流率，变量和代表杂质在毛煤和旋流器悬浮液中的组分百分比，代表悬浮液中的介质百分比。

在旋流器中根据质量守恒原理，可以建立动态模型

其中进入和退出DMC的泥浆中不同组分的比例关系由如下关系控制：

（4）

（1）令旋流器中的混合物体积为，假设旋流器中上溢流体的体积与下溢流体的体积被分成一个恒定的体积a，有、。

（2）也由恒定比例a确定。

（3）由守恒关系有。

变量含义为：

变量

含义

上溢流体中杂质和煤的组分比例的变化