王占富，程會(huì)朝，許慧林，程 開，高 航，李紅旗，衛(wèi)中寬，史英祥，劉鋼槍

(1.中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司；2.中煤(天津)礦山科技有限責(zé)任公司；3.中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，天津 300120)

隨著我國(guó)煤炭開采的機(jī)械化水平不斷提高，礦井井下綜采占比越來越大，導(dǎo)致產(chǎn)出的原煤產(chǎn)品中細(xì)粒煤占比越來越高[1-2]，在部分礦井的原煤產(chǎn)品中小于0.5 mm粒級(jí)產(chǎn)品占比甚至達(dá)到20%～25%。浮選便是細(xì)粒和極細(xì)粒物料分選中應(yīng)用最廣、效果較好的一種方法[3-5]，由于原煤品質(zhì)的變化導(dǎo)致浮選設(shè)備入料的煤泥含量一直處于波動(dòng)狀態(tài)，通過崗位工人觀察浮選效果、進(jìn)行浮選過程參數(shù)調(diào)節(jié)存在調(diào)整不及時(shí)、不同經(jīng)驗(yàn)的崗位工人對(duì)浮選生產(chǎn)過程的調(diào)整能力不同，容易使浮選產(chǎn)品品質(zhì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，精煤浮出率也難以保障。隨著國(guó)家環(huán)保要求和煤炭用戶需求的不斷提高，精煤質(zhì)量也要進(jìn)一步提高，同時(shí)要減少環(huán)境污染，因此，浮選生產(chǎn)過程智能控制變得尤為重要。浮選過程工藝機(jī)理復(fù)雜，整個(gè)浮選過程受入浮煤質(zhì)、煤漿性質(zhì)、藥劑制度、浮選工藝、浮選設(shè)備性能、浮選操作條件等因素影響[6-9]，通過研究浮選工藝可控參數(shù)，進(jìn)行了浮選智能化控制系統(tǒng)研制，通過浮選智能化系統(tǒng)在王家?guī)X選煤廠二期主廠房浮選生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)的應(yīng)用，節(jié)省了藥劑，提高了精煤浮出率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 影響浮選全流程生產(chǎn)主要參數(shù)

1.1 煤泥性質(zhì)

煤泥性質(zhì)是煤泥客觀存在的自然屬性，包括煤的變質(zhì)程度、煤表面的氧化程度、煤巖組分、礦物雜質(zhì)、粒度組成等。

1.2 煤漿性質(zhì)

煤漿性質(zhì)主要包括煤漿中的無機(jī)電解質(zhì)、殘存的浮選劑和絮凝劑、酸堿度等，這些因素都對(duì)浮選工藝效果有影響。

1.3 藥劑制度

在浮選過程中藥劑種類的選取，使用復(fù)合藥劑或起泡劑與捕收劑兩種藥劑同時(shí)使用，設(shè)置單個(gè)藥劑添加點(diǎn)進(jìn)行藥劑一次添加或設(shè)置多個(gè)藥劑添加點(diǎn)進(jìn)行藥劑分段添加，將原始藥劑直接加入浮選設(shè)備的藥劑添加點(diǎn)或者將原始藥劑經(jīng)過乳化、疏散再添加到浮選設(shè)備藥劑添加點(diǎn)。

1.4 浮選工藝

浮選工藝分為粗選工藝、精選工藝和分級(jí)浮選工藝三種，其中精選工藝又分為全部精選、部分精選和二次浮選三種工藝。

1.5 浮選設(shè)備性能

浮選設(shè)備的性能也是影響浮選工藝效果的重要因素，具體包括兩個(gè)方面，即浮選設(shè)備的種類及其磨損情況。

1.6 操作條件

操作條件主要指浮選設(shè)備的操作條件，包括煤漿流量、煤漿濃度、充氣量、泡沫層厚度等。

2 浮選智能控制系統(tǒng)設(shè)備選型及研制

2.1 浮選過程主要可控參數(shù)

影響煤泥浮選效果的參數(shù)雖然較多，但是能夠在線測(cè)量及在線調(diào)節(jié)的主要參數(shù)分別是：操作條件、藥劑制度。依據(jù)浮選過程的操作條件及藥劑制度參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)儀表選型、試驗(yàn)，選取或研制滿足工況要求的在線傳感器或在線檢測(cè)裝置[10-11]。

2.2 在線儀表選型及研制

2.2.1 入浮礦漿流量計(jì)選型

由于沒有任何一種流量檢測(cè)儀表能夠適用于所有流體的流量檢測(cè)，因此現(xiàn)有流體流量檢測(cè)傳感器種類大概60余種。主要分為：容積式流量計(jì)、差壓式流量計(jì)、浮子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、流體振蕩流量計(jì)中的渦街流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)和插入式流量計(jì)、探針式流量計(jì)。

對(duì)比各種流量計(jì)的原理和應(yīng)用條件發(fā)現(xiàn)：差壓流量計(jì)在測(cè)量含固體顆粒流體時(shí)易發(fā)生堵塞，因而產(chǎn)生壓力損失，影響精度；容積流量計(jì)適用于潔凈單相流體；渦輪流量計(jì)可精確測(cè)量潔凈的液體和氣體，測(cè)量含固體顆粒的流體時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)部件會(huì)堵塞卡死；超聲流量計(jì)測(cè)量的流體若經(jīng)過管道污濁會(huì)影響精度，同樣易受到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的超聲噪音和流體所含氣泡干擾，影響測(cè)量精度；渦街流量計(jì)對(duì)測(cè)量臟污介質(zhì)適應(yīng)性差，渦街流量計(jì)的發(fā)生體極易被介質(zhì)臟污或被污物纏繞，對(duì)測(cè)量精度造成極大影響；熱質(zhì)量流量計(jì)只能用于測(cè)量干燥的非爆炸性的氣體流量；科里奧利流量計(jì)可用于液體、漿體、氣體或蒸汽的質(zhì)量流量的測(cè)量，但要對(duì)管道壁進(jìn)行定期的維護(hù)，防止腐蝕、結(jié)垢，另外一般口徑較小，難以匹配浮選入料流量的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管道。

電磁流量計(jì)：測(cè)量原理，法拉第電磁感應(yīng)定律證明一個(gè)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)將感應(yīng)生成一個(gè)電勢(shì)。采用電磁測(cè)量原理，流體就是運(yùn)動(dòng)中的導(dǎo)體。感應(yīng)電勢(shì)相對(duì)于流速成正比并被兩個(gè)測(cè)量電極所檢測(cè)，然后變送器將它進(jìn)行放大，根據(jù)管道橫截面積計(jì)算出流量。具有傳導(dǎo)性的流體在流經(jīng)電磁場(chǎng)時(shí)，通過測(cè)量電壓可得到流體的速度。電磁流量計(jì)沒有移動(dòng)部件，不受流體的影響。在滿管時(shí)測(cè)量導(dǎo)電性液體精度很高，但是要求被測(cè)流體具有導(dǎo)電性。由于浮選入料礦漿具有導(dǎo)電性，電磁流量計(jì)的工況要求及測(cè)量精度能夠滿足入浮礦漿流量檢測(cè)作為入浮礦漿流量的檢測(cè)儀表，但是需要在儀表安裝時(shí)注意管道內(nèi)流體滿管，并且滿足儀表前后設(shè)計(jì)足夠長(zhǎng)度的直管段，以保證測(cè)量精度。所選的測(cè)量浮選入浮煤泥水電磁流量計(jì)的技術(shù)參數(shù)為：測(cè)量精度0.5%，供電電壓 220V AC，輸出信號(hào)4～20 mA電流信號(hào)，具備485通訊接口，接線方式為四線制，電極材質(zhì)選用耐磨防腐蝕材料不銹鋼碳化鎢，襯里材質(zhì)選用耐磨聚氨酯橡膠襯里，連接口徑根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管路實(shí)際管徑確定，管路壓力PN10，傳感器與二次儀表選用分體式結(jié)構(gòu)，設(shè)備防護(hù)等級(jí)為IP65。

2.2.2 入浮礦漿密度計(jì)選型

浮選入料礦漿濃度檢測(cè)是通過對(duì)入料礦漿的密度檢測(cè)，再進(jìn)行密度到濃度的數(shù)值計(jì)算得到礦漿內(nèi)固體顆粒的濃度值，而煤泥浮選礦漿濃度在80 g/L左右是最有利的浮選濃度，最大濃度盡量不超過120 g/L，對(duì)應(yīng)的礦漿密度值較小，密度區(qū)間在1.02～1.04 g/L區(qū)間波動(dòng)，對(duì)在線密度檢測(cè)傳感器的精度和穩(wěn)定性要求很高，浮選入料礦漿密度檢測(cè)一直是亟待解決的問題，對(duì)密度計(jì)進(jìn)行了大量比較而進(jìn)行了選型。常用的在線礦漿密度計(jì)及其適用條件如下：

(1)差壓式密度計(jì)是通過固定高差上流體產(chǎn)生的壓強(qiáng)差△P=ρgh來計(jì)算出密度ρ，缺點(diǎn)是測(cè)量誤差大、測(cè)量不穩(wěn)定，適用于測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合。

(2)音叉密度計(jì)根據(jù)液體流過叉體諧振頻率發(fā)生變化，從而通過電子處理單元計(jì)算出準(zhǔn)確的密度值。音叉密度計(jì)測(cè)量純凈流體時(shí)穩(wěn)定性和精度都很高，但該密度計(jì)用于測(cè)量易結(jié)晶、結(jié)垢、有顆粒性、有氣泡介質(zhì)時(shí)效果不理想。

(3)γ射線式密度計(jì)通過射線衰減量檢測(cè)流體密度。但放射源需經(jīng)過國(guó)家環(huán)保部門審批后方可使用，每年還需要對(duì)管理、使用該設(shè)備的人員進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，手續(xù)繁瑣；如果被測(cè)流體通過的管道內(nèi)壁結(jié)垢及磨損將引起測(cè)量誤差。

(4)超聲波密(濃)度計(jì)的產(chǎn)品價(jià)格較高，而且測(cè)量受氣泡影響比較大，還存在自身電路的局限和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境超聲信號(hào)干擾，該產(chǎn)品的精度還有待提高。

(5)科氏力質(zhì)量流量計(jì)?？剖狭|(zhì)量流量計(jì)是根據(jù)科里奧利力原理制造的一種新型的直接測(cè)量封閉管道內(nèi)流體質(zhì)量流量的測(cè)量?jī)x表，其結(jié)構(gòu)一般由信號(hào)測(cè)量傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換器兩部分組成。工作原理：測(cè)量管連續(xù)地以一定的共振頻率進(jìn)行振動(dòng)，振動(dòng)頻率隨流體的密度變化而變化，因此共振頻率是流體密度的函數(shù)，通過測(cè)量共振頻率即可獲得流體的密度。質(zhì)量流量計(jì)可以同時(shí)測(cè)量質(zhì)量流量與密度、溫度。而且測(cè)量精度較高，運(yùn)行穩(wěn)定，缺點(diǎn)是用于測(cè)量有顆粒性介質(zhì)時(shí)，易磨損和堵塞。

經(jīng)過在現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)最終選擇科氏力質(zhì)量流量計(jì)作為浮選入浮礦漿濃度參數(shù)檢測(cè)傳感器，選用不銹鋼材質(zhì)作為過流面，避免腐蝕、耐磨損，同時(shí)安裝時(shí)要保證傳感器滿管且不會(huì)發(fā)生堵塞。其技術(shù)參數(shù)為：液體密度測(cè)量精度達(dá)到0.000 5 g/L，密度重復(fù)性為0.000 25 g/L，供電電壓24 V DC，功耗約10 W，輸出信號(hào)4～20 mA直流電流信號(hào)，接線方式為四線制，防護(hù)等級(jí)IP67。

2.2.3 高精度藥劑計(jì)量裝置研制

藥劑制度是影響煤泥浮選效果的一個(gè)重要因素，合理、準(zhǔn)確的使用浮選藥劑能達(dá)到提高浮選精礦浮出率、節(jié)省藥劑消耗的效果，由于浮選藥劑的瞬時(shí)流量較小，而檢測(cè)小流量且精度較高的流量傳感器基本都是應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，由于設(shè)備的過流管徑較小，對(duì)流體粘度、純凈程度有較高要求，但是多數(shù)選煤廠浮選生產(chǎn)環(huán)節(jié)所使用的藥劑為化工副產(chǎn)品，其中含有較多雜質(zhì)，應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的流量計(jì)難以在煤泥浮選工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。因此設(shè)計(jì)并研制了能夠進(jìn)行單位時(shí)間內(nèi)浮選藥劑平均流量及累計(jì)檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)的計(jì)量裝置，該裝置由規(guī)則外形(圓柱體、長(zhǎng)方體)的容器作為浮選藥劑的緩沖、存儲(chǔ)容器，藥劑緩沖容器的外形尺寸可根據(jù)小浮選實(shí)驗(yàn)時(shí)的藥劑消耗值進(jìn)行設(shè)計(jì)，以1 mm精度液位傳感器作為液位變化檢測(cè)元件，傳感器的檢測(cè)距離根據(jù)藥劑緩沖器的高度來確定。通過在單位時(shí)間內(nèi)液位的變化換算出浮選藥劑的體積流量。規(guī)則容器的截面積為S，液位變化值為h，液位變化時(shí)間為t，單位時(shí)間內(nèi)的浮選藥劑平均流量為Q，則Q=S·h/t。由于t的取值時(shí)間較短，則將單位時(shí)間內(nèi)的藥劑平均流量近似于藥劑的瞬時(shí)流量。此緩沖裝置需根據(jù)藥劑液位進(jìn)行低液位補(bǔ)充和高液位停止補(bǔ)充，因此每次補(bǔ)充的藥劑量是固定的，通過統(tǒng)計(jì)補(bǔ)充的次數(shù)即可準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出藥劑的使用總量。高精度流量計(jì)量裝置如圖1所示。

圖1 高精度流量計(jì)量裝置外形及結(jié)構(gòu)示意

2.2.4 煤泥浮選礦漿液位檢測(cè)裝置研制

煤泥浮選設(shè)備內(nèi)的礦漿液位影響到浮選效果，但是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)很少進(jìn)行測(cè)量或者測(cè)量不準(zhǔn)確，因?yàn)槊耗喔∵x的精礦產(chǎn)品是附著在泡沫層上，這層泡沫層浮在浮選礦漿表層，通過非接觸式的雷達(dá)、超聲波液位計(jì)均無法透過泡沫層測(cè)量到浮選礦漿界面，而接觸式的射頻導(dǎo)納液位計(jì)、電容式液位計(jì)、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)，由于浮選泡沫會(huì)對(duì)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生干擾、泡沫中的煤泥粘附在設(shè)備上產(chǎn)生假信號(hào)或使浮球卡住無法正常下落，所以無法得到準(zhǔn)確的液位數(shù)值或者無法進(jìn)行液位測(cè)量。為解決沫煤浮選礦漿液位難以檢測(cè)的問題，設(shè)計(jì)研制了通過浮球作為隨浮選礦漿移動(dòng)的移動(dòng)端，在浮球上連接光滑不銹鋼平板，在不銹鋼平板上方設(shè)置激光位移傳感器檢測(cè)反光平板的位置，通過數(shù)學(xué)運(yùn)算得到浮選礦漿距離浮選設(shè)備溢流堰的距離作為浮選礦漿液位數(shù)值。礦漿液位檢測(cè)裝置研制成功后，與浮選尾礦閘板提升裝置形成聯(lián)動(dòng)，構(gòu)建了礦漿液位控制系統(tǒng)。設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 浮選礦漿液位檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意

2.2.5 煤泥浮選泡沫層多點(diǎn)電信號(hào)檢測(cè)裝置研制

作為操作條件的浮選泡沫層厚度是影響煤泥浮選效果的一個(gè)重要因素，因?yàn)闅馀萆细街∵x精礦而聚集成的泡沫層難以通過傳感器進(jìn)行精確厚度檢測(cè)，而浮選泡沫層的厚度在生產(chǎn)過程中也是一個(gè)數(shù)值區(qū)間并非一個(gè)固定、準(zhǔn)確厚度數(shù)值，根據(jù)浮選泡沫層的弱導(dǎo)電性，選擇多個(gè)檢測(cè)電極配合電極式液位控制器進(jìn)行浮選泡沫層多點(diǎn)電信號(hào)檢測(cè)，分別設(shè)置了泡沫層低限檢測(cè)、高限檢測(cè)、超高限檢測(cè)，通過開關(guān)量信號(hào)將檢測(cè)到的泡沫層限位信號(hào)接入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)可根據(jù)浮選泡沫層限位信號(hào)對(duì)浮選藥劑進(jìn)行微調(diào)，以提高浮選生產(chǎn)過程的智能化水平。煤泥浮選泡沫層多點(diǎn)電信號(hào)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 浮選泡沫層多點(diǎn)電信號(hào)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意

2.2.6 煤泥浮選藥劑計(jì)量、乳化、添加一體機(jī)不同結(jié)構(gòu)的研制

為適應(yīng)選煤廠浮選車間生產(chǎn)實(shí)際需要，將浮選藥劑計(jì)量、乳化、添加一體機(jī)進(jìn)行了細(xì)化。在已經(jīng)投產(chǎn)且安裝了藥劑罐的浮選生產(chǎn)車間，將加藥機(jī)與藥劑罐分體設(shè)計(jì)與研制；在沒有藥劑罐但是配電室具備控制柜安裝空間的浮選車間，進(jìn)行藥劑罐、加藥機(jī)一體化設(shè)計(jì)與研制；在沒有藥劑罐且配電室沒有預(yù)留控制柜安裝空間的浮選車間，進(jìn)行藥劑罐、加藥機(jī)、防爆控制柜的一體化設(shè)計(jì)與研制。

3 浮選智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤泥浮選智能控制系統(tǒng)由監(jiān)視監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)層、控制層、現(xiàn)場(chǎng)儀表層的4層硬件結(jié)構(gòu)組成[12-14]，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 煤泥浮選智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.2 多變量浮選過程專家系統(tǒng)

煤泥浮選智能化系統(tǒng)控制策略是以浮選礦漿流量、浮選礦漿濃度、起泡劑瞬時(shí)流量、捕收劑瞬時(shí)流量、浮選礦漿液位參數(shù)、浮選泡沫層限位檢測(cè)信號(hào)、浮選藥劑用量與浮選入料濃度關(guān)系作為輸入變量，以浮選藥劑輸送設(shè)備機(jī)械隔膜計(jì)量泵作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以浮選藥劑瞬時(shí)流量作為被控對(duì)象，通過在PLC控制器內(nèi)建立專家控制系統(tǒng)進(jìn)行浮選藥劑用量的精確控制[15-16]。該系統(tǒng)是以浮選礦漿液位為被控對(duì)象，以泡沫層限位信號(hào)、入浮礦漿流量為擾動(dòng)量，以浮選尾礦閘板升降裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的礦漿液位模糊控制系統(tǒng)。多變量浮選專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 多變量浮選過程專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 應(yīng)用效果

2021年6—8月為選煤廠手動(dòng)調(diào)控浮選生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2022年1— 2月為浮選智能化控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后浮選生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。浮選智能化控制系統(tǒng)投入運(yùn)行前后噸原煤藥劑消耗、精礦壓濾板數(shù)比例統(tǒng)計(jì)見表2。

表1 浮選生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

浮選智能化控制系統(tǒng)研制完成并在中煤華晉集團(tuán)王家?guī)X選煤廠投入運(yùn)行之后，每噸入洗原煤對(duì)應(yīng)的浮選藥劑消耗由0.193 kg降低到0.167 kg，降低藥劑消耗13.47%。對(duì)比浮選智能化控制系統(tǒng)投入運(yùn)行前后壓濾精煤板數(shù)在壓濾精煤及壓濾尾煤總板數(shù)中的占比由81.43%提高到84.28%，提高了浮選精煤比例2.85%。浮選智能化控制系統(tǒng)具備自感知、自調(diào)節(jié)能力，大大降低了浮選崗位司機(jī)的工作量，將浮選崗位和TBS崗位合并為一個(gè)工作崗位，由一名崗位工人進(jìn)行巡視，減少了1個(gè)勞動(dòng)崗位設(shè)置。

表2 浮選精煤產(chǎn)品比例、藥劑消耗數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié) 語

實(shí)踐證明，浮選智能化控制系統(tǒng)成功研發(fā)，并在王家?guī)X選煤廠二期廠房浮選生產(chǎn)系統(tǒng)投入運(yùn)行，提升了選煤廠浮選生產(chǎn)過程的智能化水平。生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，浮選智能化系統(tǒng)成功投運(yùn)后，能夠降低崗位工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提升現(xiàn)場(chǎng)工人的幸福感、提升浮選精礦的浮出率、降低浮選藥劑消耗，符合國(guó)家提出的高效清潔利用煤炭的思路。