陳云峰，邱廣雷

(西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦選煤廠，山西 興縣 033602)

1 選煤廠概況

斜溝煤礦選煤廠是一座處理能力15 Mt/a的特大型現(xiàn)代化礦井型選煤廠，主要洗選礦井生產(chǎn)的8號(hào)煤和13號(hào)煤。8號(hào)煤高灰、低硫，13號(hào)煤低灰、高硫，二者煤質(zhì)差異大。選煤廠由一期和二期2套系統(tǒng)組成，每套系統(tǒng)分別由2個(gè)塊煤密度控制系統(tǒng)、3個(gè)主洗密度控制系統(tǒng)和3個(gè)再洗密度控制系統(tǒng)組成。一、二期系統(tǒng)鏡像布置，除矸石和洗混煤產(chǎn)品共用膠帶外，其余設(shè)備相互獨(dú)立。生產(chǎn)工藝為：大于50 mm塊煤采用重介淺槽分選；50～1.5 mm末煤采用兩段兩產(chǎn)品旋流器主再選；1.5～0.25 mm粗煤泥采用TCS分選機(jī)分選；小于0.25 mm細(xì)煤泥不分選，直接通過(guò)兩段濃縮兩段脫水工藝回收。選煤工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 斜溝選煤廠分選工藝流程

在選煤廠總收入中，稅前利潤(rùn)約占50%，原煤成本約占43%，其他費(fèi)用包括工資、材料、檢修、電費(fèi)、福利、利息等占比約為7%。雖然不同礦井、不同煤種時(shí)各項(xiàng)占比會(huì)有波動(dòng)，但稅前利潤(rùn)的占比遠(yuǎn)高于工資、材料等其他費(fèi)用，特別是煤質(zhì)較好的煉焦煤選煤廠，稅前利潤(rùn)占比更大。對(duì)于大多數(shù)礦井型選煤廠來(lái)說(shuō)，原煤成本一般不由選煤廠控制。所以要提高選煤廠的總收入，最容易、最有效的辦法是提高稅前利潤(rùn)。

大多數(shù)情況下，最大效益與精煤最大產(chǎn)率是一致的。但在副產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)較高的情況下，如果把部分精煤轉(zhuǎn)化為副產(chǎn)品，由于提高副產(chǎn)品產(chǎn)率所提高的價(jià)值大于降低精煤產(chǎn)率所降低的價(jià)值時(shí)，精煤產(chǎn)率的最大化并不是效益最大化。為此，前人在通過(guò)平移分配曲線，調(diào)整分選密度，進(jìn)而調(diào)整各產(chǎn)品灰分和產(chǎn)率，提高選煤廠的經(jīng)濟(jì)效益方面做了大量的研究，而且技術(shù)也比較成熟。

2 存在的問(wèn)題

斜溝選煤廠在進(jìn)行效益分析時(shí)，除考慮分配曲線的平移外，其特殊之處在于：

(1)一、二期密度控制系統(tǒng)多，共16套密度控制系統(tǒng)，且一、二期相對(duì)獨(dú)立，因此存在一、二期系統(tǒng)不同原煤煤質(zhì)入洗、不同入洗量、不同分選密度和不同產(chǎn)品指標(biāo)組合之間的效益最大化問(wèn)題。

(2)洗混煤產(chǎn)品由淺槽排矸后的塊精煤、末煤主再洗分選的粗精煤和末中煤、TCS分選精煤、沉降過(guò)濾離心機(jī)煤泥、壓濾煤泥、未經(jīng)分選的末原煤等7部分組成。由于礦井原煤產(chǎn)量大，且8號(hào)煤和13號(hào)煤時(shí)常出現(xiàn)出煤比例不均衡的現(xiàn)象，造成原煤煤質(zhì)波動(dòng)大，混煤各組成部分占比波動(dòng)大。例如：在煤質(zhì)條件差時(shí)需要粗精煤摻入洗混煤來(lái)穩(wěn)定指標(biāo)；在煤質(zhì)條件好或精煤滯銷時(shí)，需要末原煤摻入洗混煤提高產(chǎn)品產(chǎn)率；煤泥是在保證混煤指標(biāo)的情況下盡可能多的摻入洗混煤，以提高副產(chǎn)品價(jià)值。因此，根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求和煤質(zhì)變化，確定洗混煤各組成部分的最佳比例也是影響效益最大化的因素。

(3)精煤產(chǎn)品數(shù)質(zhì)量的制約。一是雖然氣精煤價(jià)格整體高于動(dòng)力煤，但由于國(guó)內(nèi)氣精煤產(chǎn)量較大，供過(guò)于求，會(huì)出現(xiàn)精煤銷售困難或價(jià)格相對(duì)偏低的情況，而且精煤產(chǎn)量大時(shí)也伴隨著洗混煤產(chǎn)量的降低，因此，精煤產(chǎn)率最大化并不意味著效益的最大化。二是氣煤在煉焦配煤中主要發(fā)揮其低灰、低硫的作用，但隨著礦井8號(hào)煤可采量越來(lái)越少，礦井原煤硫分將逐漸升高，尋求一個(gè)精煤硫分及產(chǎn)率最佳點(diǎn)也是需要考慮的問(wèn)題。且為保證效益的最大化和可持續(xù)性，需要根據(jù)市場(chǎng)需求及礦井煤質(zhì)儲(chǔ)量探索一個(gè)8號(hào)煤和13號(hào)煤開采比例的平衡點(diǎn)。

斜溝選煤廠產(chǎn)量大，一個(gè)輕微的工藝或指標(biāo)調(diào)整都會(huì)給經(jīng)濟(jì)效益造成巨大影響。為保證經(jīng)濟(jì)效益最大化，根據(jù)市場(chǎng)和原煤條件，研究一套產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，確定最佳洗選方式和工藝參數(shù)至關(guān)重要。

3 軟件結(jié)構(gòu)及原理

3.1 軟件結(jié)構(gòu)組成

該軟件主要包含煤質(zhì)資料、實(shí)用工具、預(yù)測(cè)基礎(chǔ)、預(yù)測(cè)模型和設(shè)置5部分內(nèi)容(表1)。

煤質(zhì)資料包含產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化可能涉及到的大樣資料、月綜合、月抽查、單機(jī)試驗(yàn)、臨時(shí)資料等，其中各資料均能在錄入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，自動(dòng)完成后續(xù)資料的整理，自動(dòng)繪制可選性曲線、分配曲線、特性曲線等，并生成最終報(bào)告表。

實(shí)用工具包含了選煤常規(guī)軟件所具有的篩分浮沉資料整理及擬合繪制各種曲線，查找定位相關(guān)參數(shù)值。

預(yù)測(cè)基礎(chǔ)是預(yù)測(cè)所需數(shù)據(jù)的提前匯總，既可以是從煤質(zhì)資料中調(diào)取的數(shù)據(jù)，也可以是根據(jù)實(shí)際情況臨時(shí)生成的獨(dú)立數(shù)據(jù)。

預(yù)測(cè)模型分為單期(一期或二期)系統(tǒng)預(yù)測(cè)和全系統(tǒng)預(yù)測(cè)，全系統(tǒng)預(yù)測(cè)重點(diǎn)在一二期不同原煤配比、不同入洗量、不同分選密度和不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的最佳點(diǎn)尋找。

設(shè)置包括浮沉方案、篩分方案、用戶管理及軟件信息等內(nèi)容。

表1 軟件功能結(jié)構(gòu)表

3.2 軟件原理

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題涉及的影響因素很多也很復(fù)雜，對(duì)預(yù)測(cè)產(chǎn)品所要求達(dá)到的目標(biāo)值也各不相同，該軟件采用粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)進(jìn)行優(yōu)化求解。在PSO中，每個(gè)優(yōu)化問(wèn)題的解就像鳥群覓食中的1只鳥，稱之為“粒子”。所有的粒子都有1個(gè)由被優(yōu)化的函數(shù)決定的適應(yīng)值(fitness value)，每個(gè)粒子還有1個(gè)速度決定他們飛翔的方向和距離。PSO初始化為一群隨機(jī)粒子(隨機(jī)解)，然后通過(guò)迭代找到最優(yōu)解。在每一次迭代中，粒子通過(guò)跟蹤2個(gè)“極值”來(lái)更新自己：第一個(gè)就是粒子本身所找到的最優(yōu)解，這個(gè)解稱為個(gè)體極值pbest；另一個(gè)極值是整個(gè)種群目前找到的最優(yōu)解，這個(gè)極值是全局極值gbest。

在找到這2個(gè)最優(yōu)值時(shí)，粒子根據(jù)如下公式來(lái)更新自己的速度和新的位置：

vi(t+1)=w·vi(t)+c1·rand1(t)·

(pbest(t)-xi(t))+c2·rand2(t)·

(gbest(t)-xi(t))

xi(t+1)=xi(t)+vi(t+1)

式中：i=1，2，…，n，n為粒子的數(shù)目；c1、c2為學(xué)習(xí)系數(shù)；w為慣性系數(shù)；rand1、rand2為[0，1]之間的單位隨機(jī)數(shù)；v(t)是粒子的速度；x(t)是當(dāng)前粒子的位置。

4 選煤工藝軟件功能

4.1 煤質(zhì)資料的整理與分析

(1)根據(jù)原始數(shù)據(jù)，自動(dòng)整理篩分、浮沉資料，并畫出可選性曲線。

(2)根據(jù)原始數(shù)據(jù)，自動(dòng)整理篩分、分選、脫水等單機(jī)試驗(yàn)報(bào)告。

(3)具備選煤工藝分析所需的曲線繪制及擬合功能。

4.2 最大產(chǎn)率原則

在礦井出煤比例確定時(shí)，根據(jù)精煤和洗混煤的指標(biāo)要求，按照最大精煤產(chǎn)率原則預(yù)測(cè)各工藝參數(shù)。

4.3 最大經(jīng)濟(jì)效益原則

(1)在礦井出煤比例確定時(shí)，根據(jù)煤質(zhì)資料及產(chǎn)品價(jià)格體系，按照最大經(jīng)濟(jì)效益原則確定產(chǎn)品指標(biāo)，并預(yù)測(cè)各工藝參數(shù)。

(2)根據(jù)煤質(zhì)資料及產(chǎn)品價(jià)格體系，按照最大經(jīng)濟(jì)效益原則，在設(shè)定范圍內(nèi)給出礦井出煤比例和產(chǎn)品指標(biāo)的建議，并預(yù)測(cè)各工藝參數(shù)。

5 典型應(yīng)用實(shí)例

5.1 給定礦井出煤比例和精煤灰分及硫分，在精煤最大產(chǎn)率情況下預(yù)測(cè)其他各工藝參數(shù)

預(yù)設(shè)礦井8號(hào)煤與13號(hào)煤出煤比例為1∶4，精煤灰分不大于11.00%，硫分不大于1.0%，求此時(shí)的精煤最大產(chǎn)率及各工藝參數(shù)。效益分析見(jiàn)表2。

在上述條件下，精煤最大產(chǎn)率為30.76%，噸煤收入為207.6元。具體工藝參數(shù)為：一、二期系統(tǒng)均洗精煤，其中一期1∶4.56配洗，入洗量占比56%，精煤硫分0.97%，混煤發(fā)熱量21.87 MJ/kg，末原煤旁路比例0，粗精煤摻混比例0，煤泥摻混比例65%；二期1∶3.43配洗，入洗量占比44%，精煤硫分0.94%，混煤發(fā)熱量22.48 MJ/kg，末原煤旁路比例0，粗精煤摻混比例20%，煤泥摻混比例65%。

表2 精煤最大產(chǎn)率時(shí)效益分析表

5.2 給定礦井出煤比例，在固定精煤產(chǎn)率20%情況下預(yù)測(cè)最大經(jīng)濟(jì)效益時(shí)的各工藝參數(shù)

預(yù)設(shè)礦井8號(hào)煤與13號(hào)煤出煤比例為1∶4，在固定精煤產(chǎn)率20%的情況下，預(yù)測(cè)最大經(jīng)濟(jì)效益時(shí)的各工藝參數(shù)，詳見(jiàn)表3。

在精煤產(chǎn)率為20%的條件下，噸煤收入最大為188.6元。具體產(chǎn)品規(guī)格及工藝參數(shù)為：精煤灰分為不大于11%，硫分不大于0.9%；一期1∶2配洗洗精煤，入洗量占比60%，精煤硫分0.89%，混煤發(fā)熱量21.23 MJ/kg，末原煤旁路比例0，粗精煤摻混比例0，煤泥摻混比例84%；二期單洗13號(hào)煤洗混煤，入洗量占比40%，混煤發(fā)熱量21.40 MJ/kg，末原煤旁路比例76%，煤泥摻混比例99%。

在分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，混煤熱值在21.32～22.90 MJ/kg，每418 kJ/kg混煤價(jià)差小于10元時(shí)，洗低熱值混煤效益較好，同時(shí)也有利于生產(chǎn)不同產(chǎn)品規(guī)格的精煤，生產(chǎn)組織靈活性強(qiáng)，適應(yīng)市場(chǎng)能力強(qiáng)。

5.3 不同出煤比例時(shí)最大經(jīng)濟(jì)效益下各工藝參數(shù)預(yù)測(cè)

(1)精煤產(chǎn)率固定時(shí)。在精煤產(chǎn)率固定20%時(shí)，經(jīng)測(cè)算，最大經(jīng)濟(jì)效益的出煤比例為1∶4，各工藝參數(shù)同5.2。

(2)精煤產(chǎn)率不固定時(shí)。在精煤產(chǎn)率不固定時(shí)，經(jīng)測(cè)算，最大經(jīng)濟(jì)效益下的出煤比例為1∶6，具體各工藝參數(shù)如表4。

表3 固定精煤產(chǎn)率情況下的最大效益分析表

表4 精煤產(chǎn)率不固定時(shí)最大經(jīng)濟(jì)效益下出煤比例為1∶6的預(yù)測(cè)表

在精煤產(chǎn)率不固定的條件下，經(jīng)測(cè)算，最大經(jīng)濟(jì)效益下的出煤比例為1∶6，噸煤收入最大為220.4元。具體產(chǎn)品規(guī)格及工藝參數(shù)為：精煤灰分不大于11%，硫分不大于1.0%；一期1∶6配洗洗精煤，入洗量占比50%，精煤硫分0.98%，混煤發(fā)熱量21.66 MJ/kg，末原煤旁路比例0，粗精煤摻混比例0，煤泥摻混比例84%；二期1∶6配洗洗精煤，入洗量占比50%，精煤硫分0.98%，混煤發(fā)熱量21.81 MJ/kg，末原煤旁路比例0，煤泥摻混比例74%。

選煤廠的最大經(jīng)濟(jì)效益需要根據(jù)精煤市場(chǎng)形勢(shì)分為精煤產(chǎn)率受限與不受限2種情況。在精煤產(chǎn)率受限時(shí)，最佳原煤入洗比例為1∶4，效益為188.6元/t；在精煤產(chǎn)率不受限時(shí)，最佳原煤入洗比例為1∶6，效益為220.4元/t。

6 結(jié) 論

選煤產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件的核心功能是效益分析，關(guān)鍵之處是在平移分配曲線的基礎(chǔ)上增加了多參數(shù)的優(yōu)化迭代，通過(guò)粒子群算法尋找最優(yōu)解。應(yīng)用實(shí)踐表明，該軟件操作簡(jiǎn)單，較Excel計(jì)算高效，結(jié)果精確。斜溝選煤廠相對(duì)工藝調(diào)整參數(shù)較多，該軟件能適應(yīng)斜溝選煤廠的工藝條件，相信對(duì)大多數(shù)選煤廠也有借鑒意義。