趙 欣，王占富，郭 偉，賈永飛

(1.中煤華晉集團(tuán) 王家?guī)X選煤廠，山西 河津 043300；2.中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，天津 300131)

1 背 景

隨著礦井機(jī)械化采煤程度的提高和井下地質(zhì)條件的變化，選煤廠入洗原煤中細(xì)粒煤泥含量日漸增加。 浮選是實(shí)現(xiàn)小于0.5(0.3) mm粒級(jí)煤泥分選最有效的方法[1-2]。煤泥浮選是利用細(xì)粒煤泥礦物疏水性差異而實(shí)現(xiàn)礦物分離的方法[3]。隨著國家環(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)一步提高并同時(shí)要減少環(huán)境污染，因此，浮選在煤炭加工中的作用變得尤為重要[4-5]。浮選不僅可回收大量的低灰分精煤，而且可有效凈化選煤用的循環(huán)水，并提高其他工藝環(huán)節(jié)的效果，是目前公認(rèn)的用于細(xì)粒煤泥脫硫降灰最經(jīng)濟(jì)、最有效的分選技術(shù)和方法之一，也是選煤廠取得最佳經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的有效技術(shù)途徑[6]。

中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X選煤廠二期主廠房，采用有壓兩產(chǎn)品重介旋流器主再選、粗煤泥干擾床、浮選聯(lián)合洗選工藝，于2019年3月正式投產(chǎn)。末煤浮選工藝系統(tǒng)由4套礦漿預(yù)處理器及4套機(jī)械攪拌浮選機(jī)組成。王家?guī)X選煤廠入洗原煤煤質(zhì)為瘦煤，是寶貴的優(yōu)質(zhì)煉焦配煤，粒級(jí)為0～0.5 mm的煤泥占入洗原煤比例為20%，由于王家?guī)X選煤廠二期生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用于浮選生產(chǎn)工藝的傳感器檢測精度及穩(wěn)定性達(dá)不到使用要求，浮選智能化技術(shù)水平較低，因此，并未考慮浮選工藝進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)。隨著傳感器技術(shù)進(jìn)步、浮選智能化水平提高，選煤廠對(duì)二期生產(chǎn)系統(tǒng)的浮選工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行了全面的智能化改造設(shè)計(jì)，以達(dá)到提高浮選精煤產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品浮出產(chǎn)率，降低浮選藥劑消耗的目的。

2 工藝流程簡介

王家?guī)X選煤廠二期生產(chǎn)系統(tǒng)工藝為：1～50 mm粒級(jí)原煤通過有壓兩產(chǎn)品重介旋流器主再洗分選。1 mm以下進(jìn)入分級(jí)旋流器分級(jí)后，0.5～1 mm粒級(jí)進(jìn)入粗煤泥干擾床分選機(jī)分選，0.5 mm以下粒級(jí)進(jìn)入浮選系統(tǒng)分選。工藝流程圖如圖1所示。

圖1 王家?guī)X選煤廠二期生產(chǎn)系統(tǒng)工藝流程

3 生產(chǎn)現(xiàn)狀

王家?guī)X選煤廠二期浮選生產(chǎn)系統(tǒng)主要設(shè)備為4套浮選礦漿預(yù)處理器(416B、417B、419B、420B)、4套單槽容積為28 m3的4槽機(jī)械攪拌式浮選機(jī)(421B、422B、424B、425B)。4套浮選生產(chǎn)系統(tǒng)的入料分別來自2套分級(jí)旋流器溢流礦漿及煤泥離心機(jī)的離心液，1臺(tái)分級(jí)旋流器溢流礦漿和1臺(tái)煤泥離心機(jī)的離心液一起匯聚后，以自流方式進(jìn)入預(yù)處理器入料前端的DN600緩沖管道，再通過分料閘板閥分配到2臺(tái)浮選礦漿預(yù)處理器。浮選系統(tǒng)入料管道及設(shè)備流程如圖2、圖3所示。

圖2 改造前入料分配方式

圖3 改造前設(shè)備入料及流程

王家?guī)X二期浮選生產(chǎn)系統(tǒng)的藥劑添加方式為人工調(diào)節(jié)方式，通過設(shè)置在廠房3層的3臺(tái)藥劑罐將藥劑自流進(jìn)入設(shè)置在4臺(tái)礦漿預(yù)處理器上方的加藥分配器內(nèi)，通過手動(dòng)閥門分別調(diào)節(jié)進(jìn)入4臺(tái)礦漿預(yù)處理器的起泡劑和捕收劑的藥劑量。由于浮選藥劑多為化工副產(chǎn)品，其中含有一定雜質(zhì)，為保證浮選藥劑流量調(diào)節(jié)簡捷，選煤廠選用小口徑手動(dòng)閥門來手動(dòng)調(diào)節(jié)藥劑添加量，同時(shí)也產(chǎn)生了藥劑所含雜質(zhì)會(huì)在閥門過流面集聚堵塞閥門的問題，需要崗位工人頻繁去開關(guān)加藥閥門。

浮選機(jī)槽體內(nèi)的礦漿液位及泡沫層厚度沒有儀器儀表檢測，通過人工觀察刮板刮出物料的性狀來判斷礦漿液位是否合理，通過現(xiàn)有尾礦閘板提升機(jī)構(gòu)來手動(dòng)調(diào)節(jié)尾礦閘板位置，進(jìn)而調(diào)整浮選槽體內(nèi)礦漿液位，工作過程需要崗位工人投入較多的精力。

4 浮選智能化改造設(shè)計(jì)方案

王家?guī)X二期浮選生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)完整的工藝系統(tǒng)，具備浮選入料、浮選設(shè)備、浮選藥劑手動(dòng)添加設(shè)備一個(gè)全流程的基礎(chǔ)設(shè)備。但是距離實(shí)現(xiàn)浮選生產(chǎn)智能化有很大差距，需要解決藥劑輸送設(shè)備及管道堵塞問題、浮選入料分配問題、浮選入料濃度檢測問題、浮選機(jī)槽體礦漿液位檢測問題、浮選槽體泡沫層厚度檢測問題等。

4.1 浮選入料流量檢測改造設(shè)計(jì)

為檢測每臺(tái)預(yù)處理器入料礦漿流量，對(duì)王家?guī)X現(xiàn)有收集分級(jí)旋流器組溢流礦漿、煤泥離心機(jī)的自流DN600管道，及每臺(tái)浮選礦漿預(yù)處理器的入料DN400管道進(jìn)行改造，改造的目的是為將連接DN600三通到礦漿預(yù)處理器入料口之間的水平管道延長，并以DN600管道為中心對(duì)稱分布，以保證用于測量流入每臺(tái)礦漿預(yù)處理器礦漿流量的電磁流量計(jì)盡量有較長的直管段。電磁流量計(jì)設(shè)備的安裝要求是在流量計(jì)入口前有10倍電磁流量計(jì)管徑長度的直管段，在流量計(jì)出口后保留5倍流量計(jì)管徑長度的直管段，這樣才可以保證電磁流量計(jì)對(duì)流體流量的測量精度及穩(wěn)定性。改造圖紙及改造后的管道布置如圖4、圖5所示。

圖4 管道改造

圖5 改造后的管道走向

4.2 浮選入料濃度檢測改造設(shè)計(jì)

常用的在線濃度計(jì)種類主要有：射線濃度計(jì)、超聲波礦漿濃度計(jì)、光電式濃度計(jì)、差壓法濃度計(jì)、音叉濃度計(jì)、質(zhì)量濃度計(jì)等。

4.2.1 射線濃度計(jì)

射線濃度計(jì)原理：一定強(qiáng)度的射線在穿過待測物料時(shí)，其強(qiáng)度要減弱，減弱的程度取決于測量通道以及其中待測物的濃度，如果測量通道已定，則通過測量射線被待測物衰減的程度，就可以得到待測物的濃度。射線濃度計(jì)優(yōu)點(diǎn)：測量精度高，量程大，維護(hù)量小。射線濃度計(jì)缺點(diǎn)：放射源存在環(huán)境和安全隱患。

4.2.2 超聲波礦漿濃度計(jì)

超聲波礦漿濃度計(jì)原理：超聲波穿過被測物后會(huì)被吸收衰減，其衰減程度和被測物濃度相關(guān)。超聲波礦漿濃度計(jì)優(yōu)點(diǎn)：無輻射，是射線濃度計(jì)的最佳替代。超聲波礦漿濃度計(jì)缺點(diǎn)：超聲波會(huì)受氣泡影響，過多的氣泡會(huì)影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，受流體流速變化影響較大，不同流速需要進(jìn)行重新標(biāo)定。

4.2.3 光電式濃度計(jì)

光電式濃度計(jì)原理：光穿過被測物后會(huì)被吸收衰減，其衰減程度和被測物濃度相關(guān)。光電式濃度計(jì)優(yōu)點(diǎn)：精度高，無污染。光電式濃度計(jì)缺點(diǎn)：測量量程小，受色度影響。

4.2.4 差壓式濃度計(jì)

差壓式濃度計(jì)原理：通過固定距離的壓力差，得到混合液密度，通過已知的被測物密度來計(jì)算出濃度。差壓式濃度計(jì)優(yōu)點(diǎn)：只有在介質(zhì)和溶劑密度差較大時(shí)才適用。差壓式濃度計(jì)缺點(diǎn)：介質(zhì)密度和水的密度必須有差值，在濃度低時(shí)測量不準(zhǔn)確，壓力測量容易受流動(dòng)等沖擊的影響。

4.2.5 質(zhì)量濃度計(jì)

質(zhì)量濃度計(jì)原理：質(zhì)量濃度計(jì)是根據(jù)質(zhì)量流量計(jì)檢測到的質(zhì)量流量換算出通過流體的濃度，質(zhì)量流量計(jì)原理是利用流體在做直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)處于旋轉(zhuǎn)系中，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理制作成的一種質(zhì)量流量檢測儀表。質(zhì)量流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量流量計(jì)可以進(jìn)行多參數(shù)測量，既可以測量質(zhì)量流量又可以測量體積流量、密度、濃度參數(shù)；對(duì)流體的壓力、溫度、流速、密度的影響不敏感；管路內(nèi)沒任何插入物及動(dòng)作部件，也沒有電極污染等情況，所以故障率少、便于清洗維護(hù)。質(zhì)量流量計(jì)缺點(diǎn)：管道內(nèi)氣泡達(dá)到一定量影響測量精度，受管道振動(dòng)影響較大，因此對(duì)傳感器固定要求較高，管徑較小對(duì)大管徑的質(zhì)量流量測量還無法實(shí)現(xiàn)。

通過對(duì)比以上5種常用檢測礦漿濃度的傳感器，最終選擇對(duì)流體溫度、壓力、流速參數(shù)不敏感的質(zhì)量濃度計(jì)作為王家?guī)X選煤廠浮選入料礦漿濃度檢測傳感器。

4.3 藥劑罐液位傳感器改造設(shè)計(jì)

為廠房2臺(tái)捕收劑藥劑罐及1臺(tái)起泡劑藥劑罐設(shè)計(jì)3臺(tái)量程為1.3 m，具有4～20 mA遠(yuǎn)傳信號(hào)的防爆型磁翻板液位計(jì)。通過3臺(tái)液位計(jì)實(shí)時(shí)測量藥劑罐體內(nèi)藥劑液位高度，并將液位信號(hào)傳輸?shù)絇LC控制器，實(shí)時(shí)顯示在廠房觸摸電腦上，并通過PLC程序進(jìn)行高、低液位報(bào)警。通過有遠(yuǎn)傳信號(hào)的磁翻板液位計(jì)替換玻璃管液位計(jì)，浮選崗位操作工在浮選機(jī)附近的觸摸電腦上就可以隨時(shí)了解到藥劑液位，而不需要再爬2層樓梯到藥劑罐附近觀察玻璃管液位計(jì)內(nèi)的藥劑高度。磁翻板液位計(jì)的顯示部分和測量元件分開設(shè)置，通過傳感器內(nèi)的磁性元件帶動(dòng)磁翻板顯示元件的磁性翻片動(dòng)作。傳感器內(nèi)的磁性元件在不銹鋼管內(nèi)，避免出現(xiàn)玻璃管液位計(jì)的玻璃管破碎而造成藥劑泄漏，既造成經(jīng)濟(jì)損失又會(huì)造成環(huán)境污染。沒有遠(yuǎn)傳信號(hào)的玻璃管液位計(jì)破裂后，只有在崗位工人去巡視才可以發(fā)現(xiàn)，不具備報(bào)警功能。改造前后圖片對(duì)照如圖6所示。

圖6 藥劑罐液位檢測對(duì)照

4.4 浮選藥劑除雜改造設(shè)計(jì)

王家?guī)X選煤廠二期廠房現(xiàn)有3臺(tái)存放浮選生產(chǎn)需要的浮選藥劑罐，其中1臺(tái)用于存儲(chǔ)起泡劑、另外2臺(tái)用于存儲(chǔ)捕收劑。起泡劑罐通過不銹鋼管道連接至藥劑庫起泡劑輸送泵出口，接收來自藥劑庫起泡劑泵輸送的起泡劑。2臺(tái)捕收劑罐并聯(lián)使用，通過不銹鋼管道連接至藥劑庫捕收劑泵出口，接收來自藥劑庫捕收劑泵輸送的捕收劑。2種藥劑均為化工副產(chǎn)品，雖然藥劑廠家已經(jīng)在藥劑進(jìn)場前進(jìn)行了除雜過濾，但也無法保證完全將雜質(zhì)清除，并且藥劑在藥劑庫因?yàn)殚L期存放也會(huì)形成沉淀，這些沉淀也會(huì)作為次生雜質(zhì)被藥劑泵輸送至二期廠房藥劑罐內(nèi)。智能化浮選的精確計(jì)量及添加設(shè)備屬于精密設(shè)備并且通徑較小，如果藥劑中有雜質(zhì)進(jìn)入智能化浮選藥劑添加設(shè)備并形成聚集，從而減小了進(jìn)入浮選機(jī)的浮選藥劑用量，直接后果就是減少了精礦產(chǎn)品的浮出率，并且浮選精礦產(chǎn)品會(huì)嚴(yán)重低于產(chǎn)品指標(biāo)，尾礦產(chǎn)品帶走較多的精礦產(chǎn)品，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。為保證藥劑進(jìn)入浮選藥劑添加系統(tǒng)后不會(huì)造成輸送管道、流量調(diào)節(jié)閥門及計(jì)量泵設(shè)備堵塞，藥劑進(jìn)入廠房浮選藥劑罐之前的管路上設(shè)計(jì)了藥劑自動(dòng)除雜裝置，通過檢測該裝置的進(jìn)出口壓力差及自動(dòng)清洗設(shè)定時(shí)間2種方式來啟動(dòng)自動(dòng)除雜裝置，對(duì)過濾設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)清洗及雜質(zhì)排出。改造前后對(duì)比如圖7所示。

圖7 藥劑罐入料管路加裝除雜裝置對(duì)照?qǐng)D

4.5 浮選藥劑計(jì)量、乳化一體化裝置改造設(shè)計(jì)

基于選煤廠浮選藥劑添加自動(dòng)化水平不斷提高，藥劑自動(dòng)計(jì)量、自動(dòng)添加穩(wěn)定性及精度不斷提高，以降低浮選崗位生產(chǎn)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度及減少揮發(fā)性的浮選藥劑對(duì)崗位工人健康的危害為出發(fā)點(diǎn)[7]，為解決人工調(diào)整無法根據(jù)浮選入料礦漿流量、濃度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，浮選藥劑添加時(shí)藥劑瞬時(shí)添加量靠經(jīng)驗(yàn)掌握而沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，因此藥劑添加精度低等實(shí)際問題[8]，為王家?guī)X選煤廠二期浮選生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)了浮選藥劑自動(dòng)計(jì)量、乳化一體化裝置。該裝置采用高精度瞬時(shí)流量測量裝置對(duì)用于浮選生產(chǎn)工藝的起泡劑和捕收劑進(jìn)行精確流量測量，經(jīng)過精確測量的2種藥劑通過計(jì)量泵輸送至真空射流器進(jìn)行一級(jí)乳化，真空射流器出口連接管線式高剪切分散乳化機(jī)對(duì)浮選藥劑進(jìn)行二次乳化。經(jīng)過充分乳化的藥劑更容易疏散到浮選礦漿內(nèi)，增加藥劑與精礦的接觸機(jī)會(huì)，從而增加藥劑的使用效率，降低藥劑消耗。改造前后的手動(dòng)加藥臺(tái)及自動(dòng)藥劑計(jì)量、乳化一體化裝置對(duì)比如圖8所示。

圖8 手自動(dòng)加藥裝置對(duì)照

4.6 浮選槽體礦漿液位自動(dòng)控制改造設(shè)計(jì)

由于浮選機(jī)生產(chǎn)時(shí)表層被粘附有精煤產(chǎn)品的泡沫覆蓋，崗位工人難以觀察到浮選槽體內(nèi)礦漿液位。浮選槽體液位過高時(shí)機(jī)械攪拌式浮選機(jī)的刮泡機(jī)構(gòu)容易將未與藥劑結(jié)合的礦漿刮入精礦產(chǎn)品收集槽，使精礦產(chǎn)品灰分提高，難以保證產(chǎn)品指標(biāo)。當(dāng)?shù)V漿液位過低浮選泡沫層過厚，粘附在氣泡上的精礦產(chǎn)品脫落進(jìn)尾礦中，損失了精礦，降低了精礦產(chǎn)品浮出率[9]，直接造成經(jīng)濟(jì)損失?；谝陨县酱鉀Q的問題，為王家?guī)X選煤廠二期浮選工藝設(shè)計(jì)了自動(dòng)檢測與調(diào)節(jié)礦漿液位的裝置，通過實(shí)時(shí)檢測礦漿液位，根據(jù)礦漿液位與合理設(shè)定液位直接的正負(fù)差值來自動(dòng)提升或降低尾礦閘板高度，以保證浮選礦漿長期處于合理區(qū)間內(nèi)。

4.7 浮選泡沫層位置限值區(qū)間檢測改造設(shè)計(jì)

通過安裝在浮選泡沫層上方的泡沫限位檢測設(shè)備，分別檢測泡沫層低限位、高限位，將泡沫層的高低限位信號(hào)引入PLC控制器，作為浮選藥劑添加量的一種微調(diào)依據(jù)。在浮選礦漿液位合理時(shí)，將浮選泡沫層厚度通過限位檢測及藥劑用量調(diào)節(jié)，將泡沫層厚度控制在合理范圍。

4.8 浮選PLC控制系統(tǒng)及現(xiàn)場操作電腦改造設(shè)計(jì)

浮選生產(chǎn)過程的關(guān)鍵參數(shù)檢測傳感器信號(hào)、驅(qū)動(dòng)設(shè)備信號(hào)、執(zhí)行器反饋信號(hào)均需要接入PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)將采集的模擬量輸入信號(hào)、開關(guān)量輸入信號(hào)數(shù)字化后，在CPU內(nèi)進(jìn)行模擬量運(yùn)算、開關(guān)量邏輯判斷，進(jìn)而對(duì)執(zhí)行器的動(dòng)作進(jìn)行輸出控制及動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)備的啟停控制。為王家?guī)X選煤廠二期浮選智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以施耐得M580系列CPU為控制核心的控制柜4臺(tái)，PLC控制器選型與選煤廠現(xiàn)有控制系統(tǒng)統(tǒng)一型號(hào)，便于現(xiàn)場技術(shù)人員維護(hù)及硬件備件統(tǒng)一。

為王家?guī)X選煤廠二期設(shè)計(jì)了4臺(tái)用于浮選過程參數(shù)顯示、控制的觸摸電腦，通過以太網(wǎng)通訊方式與PLC控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，將PLC采集到的過程參數(shù)、設(shè)備信號(hào)以直觀的數(shù)值、圖表、動(dòng)態(tài)圖片顯示于操作界面；將系統(tǒng)的控制方式：手動(dòng)、自動(dòng)、智能模式通過選擇按鈕進(jìn)行切換選擇，并將關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以便于查詢、打印，增加了參數(shù)離線優(yōu)化界面，通過觸摸電腦的上位機(jī)操作界面將離線灰分?jǐn)?shù)值輸入到PLC控制器，PLC控制器對(duì)浮選噸煤藥劑消耗量、浮選藥劑比例等過程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，不斷逼近不同入浮干煤泥量區(qū)間對(duì)應(yīng)的最優(yōu)參數(shù)，自動(dòng)將最優(yōu)參數(shù)作為智能浮選生產(chǎn)過程設(shè)定值或目標(biāo)值進(jìn)行自動(dòng)跟蹤及自動(dòng)控制。離線學(xué)習(xí)操作界面如圖9所示。

圖9 離線學(xué)習(xí)操作界面

王家?guī)X選煤廠二期廠房浮選智能化模塊的系統(tǒng)框圖如圖10所示。

圖10 浮選智能化系統(tǒng)

5 結(jié) 語

王家?guī)X選煤廠二期廠房浮選生產(chǎn)工藝智能化改造設(shè)計(jì)項(xiàng)目是依托現(xiàn)有生產(chǎn)條件，在浮選智能化技術(shù)不斷進(jìn)步和完善的前提下進(jìn)行的，通過增加浮選過程參數(shù)的檢測傳感器，控制過程參數(shù)的控制器及執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)浮選藥劑的自動(dòng)除雜功能，浮選藥劑自動(dòng)計(jì)量、乳化、添加功能，浮選藥劑用量的自動(dòng)計(jì)算及微調(diào)功能，浮選槽體礦漿及泡沫層的測控功能，浮選過程參數(shù)離線智能調(diào)優(yōu)功能。達(dá)到在保證產(chǎn)品指標(biāo)的前提下提高精煤浮出率、減少藥劑消耗、降低崗位工人勞動(dòng)強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)保水平不斷提高的目的。