武國平，喬治忠，趙光輝，胡全良

(1.國家能源準(zhǔn)能集團(tuán)公司科學(xué)技術(shù)研究院；2.國家能源準(zhǔn)能集團(tuán)公司選煤廠，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

跳汰選礦指物料在垂直脈動為主的介質(zhì)中，根據(jù)物料的密度實(shí)現(xiàn)分層的重力選礦方法。物料在固定運(yùn)動的篩面上連續(xù)進(jìn)行的跳汰過程，由于沖水、頂水和床層水平流動的綜合利用，在垂直和水平流的合理作用下實(shí)現(xiàn)分選。在跳汰選礦的過程中，所使用的介質(zhì)可以是水，也可以是空氣。以水為介質(zhì)時(shí)，稱為水介質(zhì)跳汰或水力跳汰；若以空氣為分選介質(zhì)，則稱為風(fēng)力跳汰。在國內(nèi)外選煤或選礦的工業(yè)生產(chǎn)中，水介質(zhì)跳汰的應(yīng)用最為廣泛[1]。

跳汰工藝歷史悠久，工藝技術(shù)成熟，工藝流程相對簡單，維護(hù)管理方便，加工費(fèi)用相對較低。跳汰分選入選粒度范圍較大，可以對0～50 mm的礦物進(jìn)行高效分選。除此以外跳汰選礦最大的優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)能，低能耗可降低設(shè)備運(yùn)行的費(fèi)用以及選礦成本[2]。跳汰選礦屬于物理選礦，可以采用循環(huán)水，水質(zhì)要求不高，是一種較為環(huán)保的選礦工藝。

跳汰工藝在煤炭分選排矸中發(fā)揮了重要作用。周京軍[3]介紹了動篩跳汰機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，闡述了動篩跳汰機(jī)在煤炭生產(chǎn)過程中的應(yīng)用。解京選[4]發(fā)明了一種應(yīng)用于煤礦井下的變腔空氣室跳汰排矸工藝，該工藝在煤礦井下排出毛煤中的塊矸，有效減少礦井提升矸石量，整個(gè)工藝系統(tǒng)簡單可靠、投資小，可根據(jù)需要調(diào)整排矸粒度，兼顧塊矸的高排凈率和排出塊矸的純凈度，并回收全部煤泥，實(shí)現(xiàn)洗水閉路循環(huán)。劉輝[5]簡述了動篩跳汰機(jī)在2個(gè)動力煤選煤廠中的使用情況，通過2個(gè)選煤廠的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)及應(yīng)用效果比較分析，指出了動篩跳汰機(jī)在排矸工藝選擇中應(yīng)注意的問題。符東旭[6]提出了一種井下跳汰排矸的方法，該方法包括原煤準(zhǔn)備、原煤洗選、煤泥水處理以及濃縮水桶中的溢流自流至循環(huán)水箱，本發(fā)明通過在井下巷道內(nèi)的選煤設(shè)備達(dá)到煤和矸石的有效分離，矸石在井下充填使用后不再提升到井上處理。

隨著選煤技術(shù)的發(fā)展，跳汰智能化控制已逐步受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。王輝[7]采用LCD12864液晶屏作為顯示和操作界面，選用可靠性高的PIC16F887作為控制芯片，輸出PWM脈沖來對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動軌跡進(jìn)行控制最后帶動隔膜運(yùn)動從而實(shí)現(xiàn)多跳汰周期的跳汰設(shè)計(jì)。于春風(fēng)[8]分析跳汰選煤屬于大滯后、模型不確定的系統(tǒng)，傳統(tǒng)的方法難以有效的控制洗選效果，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了排料部分的模糊控制器，詳細(xì)介紹了原理和設(shè)計(jì)過程，實(shí)現(xiàn)了精煤灰分的實(shí)時(shí)在線回控。向忠鵬[9]提出了一種基于PLC的跳汰機(jī)自動控制系統(tǒng)，根據(jù)跳汰機(jī)氣室的數(shù)量設(shè)置相應(yīng)數(shù)量的進(jìn)氣閥和排氣閥，并根據(jù)其排料段數(shù)設(shè)置電磁轉(zhuǎn)向閥和位移傳感器，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡單，適用性強(qiáng)。馬方清[10]提出對精煤灰分以及提高對其回收效率為目的的自動化控制系統(tǒng)方案，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)由2層組成：上層通過以入料性質(zhì)以及跳汰機(jī)分選效率為依據(jù)確立系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)與發(fā)展趨勢，下層設(shè)計(jì)一個(gè)多環(huán)境模糊控制器，實(shí)現(xiàn)對跳汰機(jī)控制系統(tǒng)的給料、排矸、風(fēng)量的模糊控制。嚴(yán)斌[11]分析了跳汰機(jī)風(fēng)閥的研究現(xiàn)狀，比較了傳統(tǒng)方式的跳汰機(jī)風(fēng)閥控制與將智能控制融入到風(fēng)閥控制系統(tǒng)中的方法，從而設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制算法的風(fēng)閥控制技術(shù)。張旺林[12]以邢臺東龐煤礦選煤廠307號跳汰機(jī)為研究對象，研究了排料系統(tǒng)控制的模糊控制的特點(diǎn)及方法，對原先的邏輯控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)了基于S7-200PLC的跳汰機(jī)模糊排料控制。

作為跳汰選煤的重要技術(shù)指標(biāo)，灰分檢測是實(shí)現(xiàn)跳汰機(jī)自動控制的技術(shù)關(guān)鍵。原煤灰分非常重要，是跳汰機(jī)確定操作制度的主要依據(jù)，進(jìn)行在線快速檢測原煤灰分，可以使跳汰機(jī)依據(jù)原煤灰分實(shí)時(shí)調(diào)控操作制度，實(shí)現(xiàn)操作過程的前端控制，對產(chǎn)品質(zhì)量控制具有重要意義。同時(shí)，精煤、中煤、矸石均為跳汰機(jī)工藝的不同產(chǎn)品，對它們進(jìn)行灰分快速檢測，可以指導(dǎo)跳汰機(jī)智能化調(diào)節(jié)，確保精煤質(zhì)量，對提高分選效率具有重要的意義。因此，本文將重點(diǎn)圍繞跳汰工藝不同產(chǎn)品的灰分，通過探索獲得灰分快速檢測的技術(shù)方法，為實(shí)現(xiàn)跳汰機(jī)自動控制提供支持。

1 煤炭灰分檢測技術(shù)

煤炭灰分是煤在一定條件下經(jīng)過充分燃燒后，其中的礦物質(zhì)分解、化合后生成的殘留物。煤炭的灰分含量檢測常規(guī)方法是快速灰化法和緩慢灰化法。但是隨著跳汰選煤技術(shù)自動化的提高，常規(guī)灰分檢測方法存在滯后、繁瑣、誤差和勞動強(qiáng)度大等諸多問題，已無法滿足現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)需求?，F(xiàn)有的煤炭灰分檢測設(shè)備主要包括有源灰分儀、無源灰分儀、圖像光譜灰分儀和X射線灰分儀、中子活化灰分儀等。幾種檢測方法的選擇，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

1.1 環(huán)保與安全

有源灰分儀價(jià)格昂貴，而且由于存在放射性安全與污染問題，受到安全管理部門的嚴(yán)格管控，其購置和維護(hù)都受到限制，如γ射線灰分儀；無源灰分儀不需要使用專門的放射源，避免了放射源管理與維護(hù)，另外更具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、安裝簡單等優(yōu)勢，能夠檢測原煤和產(chǎn)品灰分，在國內(nèi)外均得到了較好的發(fā)展和應(yīng)用。

1.2 技術(shù)成熟度

有源灰分儀和無源灰分儀在市面已有成熟產(chǎn)品。圖像光譜灰分儀具有無放射性、可實(shí)現(xiàn)灰分在線監(jiān)測、檢測速度快、管理使用方便等特點(diǎn)，發(fā)展前景廣闊，但還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚無可以推廣的產(chǎn)品。

1.3 技術(shù)適應(yīng)性

為了提高有源灰分儀的檢測精度，從技術(shù)角度處理就必須加大放射源的活度，以提高探測器的信號接收概率。而有源灰分儀加大放射源強(qiáng)度，環(huán)保安全風(fēng)險(xiǎn)會更大，國家的監(jiān)管力度會更嚴(yán)格，相關(guān)的防護(hù)措施等級會更高，設(shè)備的成本升高，使用性價(jià)比會顯著降低。相比之下，應(yīng)用無放射源的天然射線灰分儀則可以很好地解決高灰分原煤或矸石在線灰分測量中的問題。

1.4 技術(shù)指標(biāo)的重要性

精煤的質(zhì)量高低是評價(jià)跳汰工藝過程的重要指標(biāo)之一。智能化控制過程中，需要嚴(yán)格控制精煤灰分指標(biāo)。因此，精煤灰分測量采用精度較高的X射線灰分儀更合理。

通過上述技術(shù)分析，可以確定灰分檢測的技術(shù)方法，跳汰精煤可以采用X射線灰分儀，原煤、跳汰中煤和矸石可以采用無源灰分儀。X射線灰分儀已實(shí)現(xiàn)成熟的工業(yè)應(yīng)用，在此主要探討無源灰分儀的可行性和合理性。

2 煤中礦物元素賦存與放射性研究

2.1 煤中礦物結(jié)構(gòu)

對中煤和矸石樣品進(jìn)行XRD測試，確定樣品的晶體結(jié)構(gòu)，通過對衍射圖譜進(jìn)行分析，得到樣品中不同礦物的類型，如圖1和圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，中煤和矸石中，主要脈石礦物為高嶺石，同時(shí)含有少量的勃姆石。

圖1 中煤樣品XRD測試結(jié)果

圖2 矸石樣品XRD測試結(jié)果

2.2 煤中礦物元素含量

分別對中煤和矸石樣品進(jìn)行X射線熒光光譜儀測試，從而獲得其中各元素的含量，如表1、表2所示。由此可知，中煤和矸石樣品中的主要氧化物為SiO2和Al2O3，這兩者為高嶺石化學(xué)分子的主要組成成分，表明中煤和矸石樣品中的主要脈石礦物為高嶺石。

表1 中煤樣品XRF測試結(jié)果

表2 矸石樣品XRF測試結(jié)果

2.3 煤中放射性微量元素

分別取中煤和矸石各3個(gè)樣品，對其中主要放射性元素進(jìn)行定量檢測，結(jié)果如表3所示。這些樣品中放射性元素釷的含量較高，中煤樣品最大含量為21.9 μg/g，矸石樣品最大含量為26.1 μg/g。除此以外，還含有鈾、銣等放射性元素。

表3 樣品中放射性元素定量檢測結(jié)果

3 灰分檢測的實(shí)驗(yàn)研究

3.1 灰分與放射性強(qiáng)度的關(guān)系

原煤、中煤和矸石的灰分與放射性強(qiáng)度的關(guān)系，如圖3所示。分析檢測結(jié)果表明，煤樣具有天然可放射性，其天然可放射性核素含量處于中等可測量水平，所測得的放射性強(qiáng)度完全滿足測定需求。原煤與中煤化驗(yàn)灰分與天然放射性具有正相關(guān)關(guān)系，而矸石化驗(yàn)灰分與元素放射性強(qiáng)度則呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖3 灰分與放射性強(qiáng)度的關(guān)系

3.2 無源灰分檢測結(jié)果

將原煤、中煤、矸石樣品的化驗(yàn)灰分與檢測灰分進(jìn)行對比，如圖4所示?；?yàn)灰分與檢測灰分?jǐn)?shù)據(jù)相關(guān)性很好，灰分趨勢基本貼合。原煤、中煤、矸石的標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為0.97，0.57和1.75。因此，煤樣的天然放射性強(qiáng)度與灰分含量呈一定的數(shù)學(xué)模型關(guān)系，通過對不同產(chǎn)品的放射性強(qiáng)度單獨(dú)建立模型，可以計(jì)算獲得產(chǎn)品的灰分。

圖4 化驗(yàn)灰分與檢測灰分對比結(jié)果

4 結(jié) 語

(1)對煤中礦物元素賦存與放射性研究可知，煤樣品中主要含有脈石礦物為高嶺石和少量的勃姆石，這是煤灰分的主要影響因素。樣品因含有放射性元素，特別中煤和矸石中釷元素含量高達(dá)21.9 μg/g和26.1 μg/g，是樣品呈現(xiàn)較好天然放射性的主要原因。

(2)煤樣放射性強(qiáng)度滿足灰分測定技術(shù)需求，原煤、中煤化驗(yàn)灰分與天然放射性具有正相關(guān)關(guān)系，而矸石化驗(yàn)灰分與元素放射性強(qiáng)度則呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。對于原煤、中煤、矸石樣品，其天然放射性強(qiáng)度與灰分含量具有數(shù)學(xué)關(guān)系，可以依據(jù)不同樣品的檢測結(jié)果建立知識庫進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，預(yù)測煤樣灰分，預(yù)測結(jié)果與實(shí)際化驗(yàn)灰分差異較小，表明無源檢測技術(shù)的檢測結(jié)果可信度高，精度較好，工程適應(yīng)性較強(qiáng)。