超声波在线粒度仪在水峪选煤厂的应用

汪小琪，李少华，熊向前

(1.山西焦煤汾西矿业(集团)有限责任公司，山西 介休 032000；2.丹东东方测控技术股份有限公司,辽宁 丹东 118002)

煤炭是我国主要能源，在我国一次能源中的占比在60%左右。 当前我国正处于工业化中后期的高速发展阶段，对煤炭及清洁能源有着强劲的需求。为了提高煤炭利用效率，减少原煤对环境的污染，需要对原煤进行分选，但原煤在分选过程中将产生大量的煤泥水，且煤泥水的处理在整个选煤工艺系统中起着至关重要的作用。随着智能制造技术在各行各业的不断深入发展，一批新标准、新技术、新方法也在矿物加工领域不断涌现。

当前，我国选煤行业的智能化建设水平相对滞后，其面临的主要问题有：在线自动化仪表不完备，针对行业定制的传感器和在线检测手段有限；数据分析、数据挖掘、数据融合技术在行业内应用比较少，行业内的数字建模技术刚开始起步；优化控制技术与过程故障诊断对于基础的过程数据依赖性较高,通用性的理论和方法并不多。

目前，在煤泥水处理环节中，煤泥水浓度和煤泥粒度的测量均采用传统的人工采样和化验方法，存在化验结果受人为因素影响大，时效性差，不能有效指导生产等问题，为解决选煤厂生产过程中煤泥水关键参数的测量，山西焦煤汾西矿业水峪选煤厂采用DF-CPSM超声波在线粒度仪对煤泥粒度和浓度进行检测，填补了国内选煤厂煤泥水检测的技术空白，为选煤厂煤泥水系统智能化建设起到了积极的推进作用[1-4]。

1 选煤厂概况

1.1 生产工艺

水峪选煤厂隶属于山西焦煤汾西矿业(集团)有限责任公司，位于山西省孝义市兑镇水峪村。经改扩建该厂现生产能力为5.0 Mt/a，其中：一车间设计能力为2.0 Mt/a，采用脱泥有压两产品重介质旋流器分选+粗煤泥干扰床分选机分选 +细煤泥浮选的联合工艺流程；二车间设计能力为3.0 Mt/a，采用不脱泥无压三产品重介质旋流器分选+粗煤泥重介质旋流器分选+细煤泥浮选的联合工艺流程。该厂洗选产品有精煤洗混煤，其中精煤产品属中灰、高硫焦精煤，质量指标为：灰分(Ad)≤10.00%，硫分(St,d)≤2.50%，挥发分(Vdaf)在20.00%～24.00%之间，黏结指数(GR.I)≥80，胶质层厚度(Y值)在16～20 mm之间。

1.2 浮选入料性质分析

水峪选煤厂入选原煤全部来源于水峪矿井，入选方式为高、低硫原煤配煤入选。该厂浮选入料浓度为82 g/L，通过小筛分试验和X射线衍射分析，得到浮选入料小筛分试验结果和物相分析结果，分别见表1和表2。 X射线衍射图谱如图1所示。

图1 煤样XRD图谱Fig.1 XRD spectra of sampled flotation feed

表1 浮选入料小筛分试验结果Table 1 Flotation feed sieve analysis %

表2 煤样物相分析结果Table 2 Mineralogical analysis

由表1可知：浮选入料中<0.045 mm粒级为主导粒级，灰分为29.15%，产率为35.15%； 0.25～0.125、0.125～0.075、0.075～0.045 mm粒级产率相当，均在20%左右；浮选入料中<0.5 mm各粒级物料随着粒度减小，灰分逐渐增加。

由表2和图1可知，浮选入料中的主要脉石矿物为高岭石和石英。

1.3 存在问题

由于煤质波动，导致浮选入料粒度、浓度变化较大，造成浮选入料采、制、化工作难度增加，检测劳动强度大，而且存在检测结果不准确及严重滞后的问题，生产过程中无法根据浓度、粒度等关键参数的实时变化及时调整生产操作。

2 DF-CPSM超声波在线粒度仪

2.1 工作原理

超声波在线粒度仪是一种利用悬浮在矿浆中的固体颗粒对超声波的黏滞和散射现象来获取颗粒信息的物料粒度分析装置。超声波在矿浆(均匀悬浮液)中传播一定的距离后，其振幅会发生变化，也就是超声波的衰减，衰减值的大小与矿浆浓度、矿粒粒度及组成、工作电压、超声波频率、矿浆温度和传播距离等多种因素有关，而超声波的振幅或能量与工作电压成正比[5-8]。在工作电压、传播距离等因素固定时，超声波频率越高，其能量衰减越大；矿浆浓度越大，衰减系数值越大。物料粒度对超声波衰减的作用比较复杂，但对频率较高的超声波，在一定粒度范围内，衰减系数值随颗粒粒度增大而增加[9-12]。超声波在线粒度仪测量粒度原理图如图2所示。

图2 超声波在线粒度仪测量粒度原理图Fig.2 Working principle of the ultrasonic online size analyzer

2.2 超声波在线粒度仪技术特点[13-15]

(1)检测结果代表性强，准确度高，能真实反映整个煤泥水中颗粒粒度分布情况。

(2)测量效率高，可以实时获得测量结果。

(3)现场适应性强，能有效降低矿浆浓度及其中固体颗粒粒度波动对测量结果的影响。

(4)可同时有效监测>0.5 、>0.25 、0.25～0.045 mm等5个粒级等关键指标。

(5)安装容易，操作简单,维护工作量小。

(6)仪器坚固耐用,使用寿命长。

超声波在线粒度仪技术参数如下：

流道数

1—4流道

测量粒度范围

≤1 000 μm

测量矿浆浓度范围

50～300 g/L

粒度检测精度

绝对误差小于2%

浓度检测精度

绝对误差小于10 g/L

通信接口

4～20 mA/Profibus DP或PROFINET等

输出

粒度、浓度

显示

人机交互界面

3 现场应用

3.1 设备安装

结合水峪选煤厂设备布置特点，将用于煤泥粒度、煤泥水浓度检测的DF-CPSM超声波在线粒度仪安装于主厂房二层浮选给料池上方，浮选尾煤通过自流取样器进入粒度仪分矿箱中。粒度仪通过双流道转换器分时吸取浮选入料和浮选尾煤样品进行检测，检测后的煤泥水样品经粒度仪回矿管道返回浮选入料池内。该粒度仪安装示意图如图3所示。

图3 粒度仪安装示意图Fig.3 Sketch showing the installation of the size analyzer

3.2 调试标定

在实际应用中，对流经粒度仪的样品取样30组以上，确保样品浓度、粒度指示覆盖整个工艺波动范围。采用筛析法进行样品粒度测定，采用烘干称重法进行样品浓度测定，将测定值与超声衰减因数录入标定软件中进行线性回归计算以获得标定公式。通过添加或删减样品数据点得出最终的浓度、粒度标定公式，完成标定工作。

3.3 测试结果

DF-CPSM超声波在线粒度仪具有多种粒级检测的能力，根据生产需要，可对浮选入料中>0.5、<0.25、<0.125、<0.075 mm粒级和浮选尾煤中的<0.045 mm粒级进行实时检测。标定工作完成后，在线取20组样品进行精度检验。浮选入料浓度对照表见表3、图4，产率对照结果见表4—表8，数据对比曲线如图4—图9所示。通过仪表检测值与实验室化验值可以看出，超声波在线粒度仪的在线检测精度比较高，两种结果的跟随性较好，测量趋势一致。

表3 浮选入料浓度对照表Table 3 Comparison of detected and actually measured flotation feed concentration values g/L

图4 浮选入料浓度对比曲线Fig.4 Curves of detected and analytical flotation feed concentration values

表4 浮选入料中>0.5 mm粒级产率对照表Table 4 Detected and actually measured yield values of the >0.5 mm size in flotation feed %

图5 >0.5 mm粒级产率对比曲线Fig.5 Comparison of detected and actually measured yield values of the >0.5 mm size in flotation feed

表5 浮选入料中<0.25 mm粒级产率对照表Table 5 Detected and actually measured yield values of the <0.25 mm size in flotation feed %

图6 <0.25 mm粒级产率对比曲线Fig.6 Comparison of detected and actually measured yield values of the <0.25 mm size in flotation feed

表6 浮选入料<0.125 mm粒级产率对照表Table 6 Detected and actually measured yield values of the <0.125 mm size in flotation feed %

图7 <0.125 mm粒级产率对比曲线Fig.7 Comparison of detected and actually measured yield values of the <0.125 mm size in flotation feed

表7 浮选入料<0.075 mm粒级产率对照表Table 7 Detected and actually measured yield values of the <0.075 mm size in flotation feed %

图8 <0.075 mm粒级产率对比曲线Fig.8 Comparison of detected and actually measured yield values of the <0.075 mm size in flotation feed

表8 浮选尾煤中<0.045 mm粒级产率对照表Table 8 Detected and actually measured yield values of the <0.045 mm size in flotation feed %

图9 <0.045 mm粒级产率对比曲线Fig.9 Comparison of detected and actually measured yield values of the <0.045 mm size in flotation feed

3.4 应用分析

浮选入料浓度和粒度是判断上游分级、分选工艺效果的重要依据，同时也是指导浮选生产操作的重要依据，对浮选效果起到至关重要的影响。根据浮选入料检测指标，通过对浮选药剂用量、泡沫层厚度、充气量等变量进行优化调整，可提高浮选精煤产率，降低浮选药剂用量5%以上，取得良好的经济效益。

生产实践表明，DF-CPSM超声波在线粒度仪可及时反馈浮选入料、浮选尾煤的粒度、浓度数据，高效指导生产，实现了浮选工艺指标的可视化，可有效监测浮选入料“夹粗”，浮选尾煤“跑煤”现象，将浮选尾煤灰分稳定在70%左右，提高浮选精煤产率1个百分点。在稳定生产提高经济效益的同时，还保护了稀缺的炼焦煤资源，社会效益明显。

4 结语

DF-CPSM超声波在线粒度仪在水峪选煤厂的成功应用，有效解决了困扰该厂智能化建设的卡点。应用至今，粒度仪运行稳定可靠，浓度在线检测误差小于10 g/L，粒度在线检测误差小于2%，为生产提供了准确的检测数据，从而实现了对生产的有效指导，经济效益和社会效益明显。DF-CPSM超声波在线粒度仪智能化程度很高，操作简便，维护量小，可大大减轻现场工人劳动强度，为选煤厂智能化建设提供了可靠的数据支撑，具有良好的应用前景。