煤泥浮选智能化控制系统研制

王占富，程会朝，许慧林，程 开，高 航，李红旗，卫中宽，史英祥，刘钢枪

(1.中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司；2.中煤(天津)矿山科技有限责任公司；3.中煤天津设计工程有限责任公司，天津 300120)

随着我国煤炭开采的机械化水平不断提高，矿井井下综采占比越来越大，导致产出的原煤产品中细粒煤占比越来越高[1-2]，在部分矿井的原煤产品中小于0.5 mm粒级产品占比甚至达到20%～25%。浮选便是细粒和极细粒物料分选中应用最广、效果较好的一种方法[3-5]，由于原煤品质的变化导致浮选设备入料的煤泥含量一直处于波动状态，通过岗位工人观察浮选效果、进行浮选过程参数调节存在调整不及时、不同经验的岗位工人对浮选生产过程的调整能力不同，容易使浮选产品品质出现较大波动，精煤浮出率也难以保障。随着国家环保要求和煤炭用户需求的不断提高，精煤质量也要进一步提高，同时要减少环境污染，因此，浮选生产过程智能控制变得尤为重要。浮选过程工艺机理复杂，整个浮选过程受入浮煤质、煤浆性质、药剂制度、浮选工艺、浮选设备性能、浮选操作条件等因素影响[6-9]，通过研究浮选工艺可控参数，进行了浮选智能化控制系统研制，通过浮选智能化系统在王家岭选煤厂二期主厂房浮选生产工艺环节的应用，节省了药剂，提高了精煤浮出率，降低了工人劳动强度，创造了可观的经济和社会效益。

1 影响浮选全流程生产主要参数

1.1 煤泥性质

煤泥性质是煤泥客观存在的自然属性，包括煤的变质程度、煤表面的氧化程度、煤岩组分、矿物杂质、粒度组成等。

1.2 煤浆性质

煤浆性质主要包括煤浆中的无机电解质、残存的浮选剂和絮凝剂、酸碱度等，这些因素都对浮选工艺效果有影响。

1.3 药剂制度

在浮选过程中药剂种类的选取，使用复合药剂或起泡剂与捕收剂两种药剂同时使用，设置单个药剂添加点进行药剂一次添加或设置多个药剂添加点进行药剂分段添加，将原始药剂直接加入浮选设备的药剂添加点或者将原始药剂经过乳化、疏散再添加到浮选设备药剂添加点。

1.4 浮选工艺

浮选工艺分为粗选工艺、精选工艺和分级浮选工艺三种，其中精选工艺又分为全部精选、部分精选和二次浮选三种工艺。

1.5 浮选设备性能

浮选设备的性能也是影响浮选工艺效果的重要因素，具体包括两个方面，即浮选设备的种类及其磨损情况。

1.6 操作条件

操作条件主要指浮选设备的操作条件，包括煤浆流量、煤浆浓度、充气量、泡沫层厚度等。

2 浮选智能控制系统设备选型及研制

2.1 浮选过程主要可控参数

影响煤泥浮选效果的参数虽然较多，但是能够在线测量及在线调节的主要参数分别是：操作条件、药剂制度。依据浮选过程的操作条件及药剂制度参数进行在线检测仪表选型、试验，选取或研制满足工况要求的在线传感器或在线检测装置[10-11]。

2.2 在线仪表选型及研制

2.2.1 入浮矿浆流量计选型

由于没有任何一种流量检测仪表能够适用于所有流体的流量检测，因此现有流体流量检测传感器种类大概60余种。主要分为：容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡街流量计、质量流量计和插入式流量计、探针式流量计。

对比各种流量计的原理和应用条件发现：差压流量计在测量含固体颗粒流体时易发生堵塞，因而产生压力损失，影响精度；容积流量计适用于洁净单相流体；涡轮流量计可精确测量洁净的液体和气体，测量含固体颗粒的流体时转动部件会堵塞卡死；超声流量计测量的流体若经过管道污浊会影响精度，同样易受到工业现场的超声噪音和流体所含气泡干扰，影响测量精度；涡街流量计对测量脏污介质适应性差，涡街流量计的发生体极易被介质脏污或被污物缠绕，对测量精度造成极大影响；热质量流量计只能用于测量干燥的非爆炸性的气体流量；科里奥利流量计可用于液体、浆体、气体或蒸汽的质量流量的测量，但要对管道壁进行定期的维护，防止腐蚀、结垢，另外一般口径较小，难以匹配浮选入料流量的工业现场管道。

电磁流量计：测量原理，法拉第电磁感应定律证明一个导体在磁场中运动将感应生成一个电势。采用电磁测量原理，流体就是运动中的导体。感应电势相对于流速成正比并被两个测量电极所检测，然后变送器将它进行放大，根据管道横截面积计算出流量。具有传导性的流体在流经电磁场时，通过测量电压可得到流体的速度。电磁流量计没有移动部件，不受流体的影响。在满管时测量导电性液体精度很高，但是要求被测流体具有导电性。由于浮选入料矿浆具有导电性，电磁流量计的工况要求及测量精度能够满足入浮矿浆流量检测作为入浮矿浆流量的检测仪表，但是需要在仪表安装时注意管道内流体满管，并且满足仪表前后设计足够长度的直管段，以保证测量精度。所选的测量浮选入浮煤泥水电磁流量计的技术参数为：测量精度0.5%，供电电压 220V AC，输出信号4～20 mA电流信号，具备485通讯接口，接线方式为四线制，电极材质选用耐磨防腐蚀材料不锈钢碳化钨，衬里材质选用耐磨聚氨酯橡胶衬里，连接口径根据现场管路实际管径确定，管路压力PN10，传感器与二次仪表选用分体式结构，设备防护等级为IP65。

2.2.2 入浮矿浆密度计选型

浮选入料矿浆浓度检测是通过对入料矿浆的密度检测，再进行密度到浓度的数值计算得到矿浆内固体颗粒的浓度值，而煤泥浮选矿浆浓度在80 g/L左右是最有利的浮选浓度，最大浓度尽量不超过120 g/L，对应的矿浆密度值较小，密度区间在1.02～1.04 g/L区间波动，对在线密度检测传感器的精度和稳定性要求很高，浮选入料矿浆密度检测一直是亟待解决的问题，对密度计进行了大量比较而进行了选型。常用的在线矿浆密度计及其适用条件如下：

(1)差压式密度计是通过固定高差上流体产生的压强差△P=ρgh来计算出密度ρ，缺点是测量误差大、测量不稳定，适用于测量精度要求不高的场合。

(2)音叉密度计根据液体流过叉体谐振频率发生变化，从而通过电子处理单元计算出准确的密度值。音叉密度计测量纯净流体时稳定性和精度都很高，但该密度计用于测量易结晶、结垢、有颗粒性、有气泡介质时效果不理想。

(3)γ射线式密度计通过射线衰减量检测流体密度。但放射源需经过国家环保部门审批后方可使用，每年还需要对管理、使用该设备的人员进行健康监测，手续繁琐；如果被测流体通过的管道内壁结垢及磨损将引起测量误差。

(4)超声波密(浓)度计的产品价格较高，而且测量受气泡影响比较大，还存在自身电路的局限和工业现场的环境超声信号干扰，该产品的精度还有待提高。

(5)科氏力质量流量计。科氏力质量流量计是根据科里奥利力原理制造的一种新型的直接测量封闭管道内流体质量流量的测量仪表，其结构一般由信号测量传感器和信号转换器两部分组成。工作原理：测量管连续地以一定的共振频率进行振动，振动频率随流体的密度变化而变化，因此共振频率是流体密度的函数，通过测量共振频率即可获得流体的密度。质量流量计可以同时测量质量流量与密度、温度。而且测量精度较高，运行稳定，缺点是用于测量有颗粒性介质时，易磨损和堵塞。

经过在现场工业试验最终选择科氏力质量流量计作为浮选入浮矿浆浓度参数检测传感器，选用不锈钢材质作为过流面，避免腐蚀、耐磨损，同时安装时要保证传感器满管且不会发生堵塞。其技术参数为：液体密度测量精度达到0.000 5 g/L，密度重复性为0.000 25 g/L，供电电压24 V DC，功耗约10 W，输出信号4～20 mA直流电流信号，接线方式为四线制，防护等级IP67。

2.2.3 高精度药剂计量装置研制

药剂制度是影响煤泥浮选效果的一个重要因素，合理、准确的使用浮选药剂能达到提高浮选精矿浮出率、节省药剂消耗的效果，由于浮选药剂的瞬时流量较小，而检测小流量且精度较高的流量传感器基本都是应用于实验室环境，由于设备的过流管径较小，对流体粘度、纯净程度有较高要求，但是多数选煤厂浮选生产环节所使用的药剂为化工副产品，其中含有较多杂质，应用于实验环境的流量计难以在煤泥浮选工业现场应用。因此设计并研制了能够进行单位时间内浮选药剂平均流量及累计检测和统计的计量装置，该装置由规则外形(圆柱体、长方体)的容器作为浮选药剂的缓冲、存储容器，药剂缓冲容器的外形尺寸可根据小浮选实验时的药剂消耗值进行设计，以1 mm精度液位传感器作为液位变化检测元件，传感器的检测距离根据药剂缓冲器的高度来确定。通过在单位时间内液位的变化换算出浮选药剂的体积流量。规则容器的截面积为S，液位变化值为h，液位变化时间为t，单位时间内的浮选药剂平均流量为Q，则Q=S·h/t。由于t的取值时间较短，则将单位时间内的药剂平均流量近似于药剂的瞬时流量。此缓冲装置需根据药剂液位进行低液位补充和高液位停止补充，因此每次补充的药剂量是固定的，通过统计补充的次数即可准确统计出药剂的使用总量。高精度流量计量装置如图1所示。

图1 高精度流量计量装置外形及结构示意

2.2.4 煤泥浮选矿浆液位检测装置研制

煤泥浮选设备内的矿浆液位影响到浮选效果，但是工业现场很少进行测量或者测量不准确，因为煤泥浮选的精矿产品是附着在泡沫层上，这层泡沫层浮在浮选矿浆表层，通过非接触式的雷达、超声波液位计均无法透过泡沫层测量到浮选矿浆界面，而接触式的射频导纳液位计、电容式液位计、导波雷达液位计、磁致伸缩液位计，由于浮选泡沫会对检测信号产生干扰、泡沫中的煤泥粘附在设备上产生假信号或使浮球卡住无法正常下落，所以无法得到准确的液位数值或者无法进行液位测量。为解决沫煤浮选矿浆液位难以检测的问题，设计研制了通过浮球作为随浮选矿浆移动的移动端，在浮球上连接光滑不锈钢平板，在不锈钢平板上方设置激光位移传感器检测反光平板的位置，通过数学运算得到浮选矿浆距离浮选设备溢流堰的距离作为浮选矿浆液位数值。矿浆液位检测装置研制成功后，与浮选尾矿闸板提升装置形成联动，构建了矿浆液位控制系统。设备结构示意图如图2所示。

图2 浮选矿浆液位检测装置结构示意

2.2.5 煤泥浮选泡沫层多点电信号检测装置研制

作为操作条件的浮选泡沫层厚度是影响煤泥浮选效果的一个重要因素，因为气泡上附着浮选精矿而聚集成的泡沫层难以通过传感器进行精确厚度检测，而浮选泡沫层的厚度在生产过程中也是一个数值区间并非一个固定、准确厚度数值，根据浮选泡沫层的弱导电性，选择多个检测电极配合电极式液位控制器进行浮选泡沫层多点电信号检测，分别设置了泡沫层低限检测、高限检测、超高限检测，通过开关量信号将检测到的泡沫层限位信号接入控制系统，控制系统可根据浮选泡沫层限位信号对浮选药剂进行微调，以提高浮选生产过程的智能化水平。煤泥浮选泡沫层多点电信号检测装置结构示意如图3所示。

图3 浮选泡沫层多点电信号检测装置结构示意

2.2.6 煤泥浮选药剂计量、乳化、添加一体机不同结构的研制

为适应选煤厂浮选车间生产实际需要，将浮选药剂计量、乳化、添加一体机进行了细化。在已经投产且安装了药剂罐的浮选生产车间，将加药机与药剂罐分体设计与研制；在没有药剂罐但是配电室具备控制柜安装空间的浮选车间，进行药剂罐、加药机一体化设计与研制；在没有药剂罐且配电室没有预留控制柜安装空间的浮选车间，进行药剂罐、加药机、防爆控制柜的一体化设计与研制。

3 浮选智能控制系统结构

3.1 硬件系统结构

煤泥浮选智能控制系统由监视监控层、网络层、控制层、现场仪表层的4层硬件结构组成[12-14]，硬件系统结构如图4所示。

图4 煤泥浮选智能控制系统硬件结构

3.2 多变量浮选过程专家系统

煤泥浮选智能化系统控制策略是以浮选矿浆流量、浮选矿浆浓度、起泡剂瞬时流量、捕收剂瞬时流量、浮选矿浆液位参数、浮选泡沫层限位检测信号、浮选药剂用量与浮选入料浓度关系作为输入变量，以浮选药剂输送设备机械隔膜计量泵作为执行机构，以浮选药剂瞬时流量作为被控对象，通过在PLC控制器内建立专家控制系统进行浮选药剂用量的精确控制[15-16]。该系统是以浮选矿浆液位为被控对象，以泡沫层限位信号、入浮矿浆流量为扰动量，以浮选尾矿闸板升降装置为执行机构的矿浆液位模糊控制系统。多变量浮选专家系统结构如图5所示。

图5 多变量浮选过程专家系统结构

4 应用效果

2021年6—8月为选煤厂手动调控浮选生产统计数据，2022年1— 2月为浮选智能化控制系统投入运行后浮选生产统计数据，数据统计见表1。浮选智能化控制系统投入运行前后吨原煤药剂消耗、精矿压滤板数比例统计见表2。

表1 浮选生产数据统计

浮选智能化控制系统研制完成并在中煤华晋集团王家岭选煤厂投入运行之后，每吨入洗原煤对应的浮选药剂消耗由0.193 kg降低到0.167 kg，降低药剂消耗13.47%。对比浮选智能化控制系统投入运行前后压滤精煤板数在压滤精煤及压滤尾煤总板数中的占比由81.43%提高到84.28%，提高了浮选精煤比例2.85%。浮选智能化控制系统具备自感知、自调节能力，大大降低了浮选岗位司机的工作量，将浮选岗位和TBS岗位合并为一个工作岗位，由一名岗位工人进行巡视，减少了1个劳动岗位设置。

表2 浮选精煤产品比例、药剂消耗数据对比

5 结 语

实践证明，浮选智能化控制系统成功研发，并在王家岭选煤厂二期厂房浮选生产系统投入运行，提升了选煤厂浮选生产过程的智能化水平。生产数据对比表明，浮选智能化系统成功投运后，能够降低岗位工人的劳动强度、提升现场工人的幸福感、提升浮选精矿的浮出率、降低浮选药剂消耗，符合国家提出的高效清洁利用煤炭的思路。