選煤廠煤泥水處理系統(tǒng)藥劑箱結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

張克彬

（陽泉煤業(yè)集團新景礦洗煤廠，山西 陽泉 045000）

選煤廠處理煤泥水不僅可以提高選煤廠經(jīng)濟效益，還有利于減少對環(huán)境的污染[1]。煤泥水含有較多的煤泥顆粒、重金屬元素及其他藥劑，若直接排放，必然造成水資源、土壤污染。煤泥水處理需要藥劑箱和控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，選煤廠的處理能力與效果受處理工藝影響，設(shè)計煤泥水系統(tǒng)藥劑箱和自動控制系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)選煤廠處理煤泥水的先進工藝[2]，對選煤廠處理煤泥水具有重要意義。

1 處理煤泥水藥劑添加系統(tǒng)

壓縮和壓濾過程是煤泥水處理系統(tǒng)關(guān)鍵流程。主洗車間處理的煤泥水排入濃縮池，在入料管添加白藥絮凝劑對煤泥水進行首次處理，處理后的液體被送入洗選，而濃縮池中剩余的煤泥水被輸送到壓濾車間，在壓濾車間黃藥助濾劑和煤泥水進行混合，隨后被壓濾機壓濾成餅。

煤泥水被濃縮需要凝聚劑與絮凝劑兩種藥劑[3]助力，在處理煤泥水過程通過藥劑添加既能保障煤泥水處理效果，提高循環(huán)水質(zhì)量，還有效減輕工人勞動強度，整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。藥劑添加系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)施如圖1所示。

圖1 藥劑添加系統(tǒng)設(shè)備

2 藥劑箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 藥劑箱尺寸設(shè)計

藥劑添加系統(tǒng)供藥能力大小受藥劑箱尺寸影響，處理能力受藥劑箱體積決定。收集選煤廠采購的PAC藥劑和經(jīng)處理后達標(biāo)循環(huán)水，分別作為溶液溶質(zhì)和溶劑。在大燒杯中倒入量取的1000mL循環(huán)水，設(shè)置十組試驗觀察不同質(zhì)量溶質(zhì)溶解效果。在每個燒杯加入不同質(zhì)量PAC固體顆粒，立即不停攪拌10min后，隨即觀察溶解效果，詳見表1。

表1 不同質(zhì)量PAC在溶劑中溶解效果

根據(jù)表1可知，PAC溶質(zhì)為0.19kg溶液未有沉淀，而溶質(zhì)為0.21kg時有沉淀生成，故可認(rèn)為0.2kg為一個分界點，視為在0.2kg以下時溶質(zhì)完全溶解?？紤]到攪拌機發(fā)熱、壽命等問題，在使用過程不可能一直處于攪拌，因此雖然確定了PAC溶質(zhì)溶解度，還需要清楚了解攪拌機停止攪拌多長時間后會有沉淀。PAC溶質(zhì)質(zhì)量為0.2kg，除靜置時間不同外，其余均控制相同條件下進行試驗，分別觀察這五組沉淀情況，溶解結(jié)果見表2。

表2 不同靜置時間溶質(zhì)在溶劑中溶解效果

從表2得出10min以內(nèi)溶液未生成沉淀，在20min有少許沉淀，在30min沉淀比20min略多，并隨著時間延長沉淀越多。選煤廠每班平均PAC藥劑消耗約為2t，根據(jù)實際情況，此次計算藥劑濃度取155g/L。還要考慮到藥液膨脹效果，75袋藥劑完成配制后，體積大約為13.5m3，那么藥劑添加箱體積必須大于13.5m3。設(shè)計需給壓濾車間與主洗車間作業(yè)空間，壓濾車間藥劑添加箱設(shè)計體積為17.7m3，主洗車間藥劑添加箱體積設(shè)計為18m3。

2.2 藥劑箱結(jié)構(gòu)選型設(shè)計

設(shè)計的藥劑箱不僅具有溶解藥劑的功能，而且還具有存儲的功能。藥劑箱結(jié)構(gòu)主要包括攪拌器、加水閥、管道泵、液位變送器、浮球閥。

根據(jù)主洗車間、壓濾車間不同藥箱尺寸，分別設(shè)計不同功率、尺寸的攪拌器。加水閥型號采用D941X型，其為電動蝶閥，相應(yīng)電壓220V，兩路進水。管道泵型號選擇ISWH型，其為臥式化工泵。液位變送器選用CYB-36SB型，其為法蘭式壓力變送器，能夠?qū)崿F(xiàn)實時采集藥劑箱中液體位置。選擇UQK-01型的浮球閥能夠?qū)崿F(xiàn)快速關(guān)閉。

3 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1 藥劑控制系統(tǒng)硬件組成

選煤廠處理煤泥水自動添加藥劑的整個系統(tǒng)中，PLC是核心控制主件，能夠采樣、執(zhí)行、輸出，控制的基礎(chǔ)全靠PLC實現(xiàn)。PLC主要依據(jù)IO點、信號、編程三大特性，作為控制器。設(shè)計的控制器PLC選擇Micro850 2080-LC50-48QWB型，PLC控制器結(jié)構(gòu)如圖2，數(shù)字代表各個接出線口，PLC控制器內(nèi)嵌組塊型號、參數(shù)詳見表3。

圖2 PLC控制器

表3 PLC控制器參數(shù)

3.2 藥劑控制機系統(tǒng)軟件組成

在處理煤泥水過程中，為實現(xiàn)藥劑自動控制，需要軟件和硬件相互協(xié)作。設(shè)計中PLC編程環(huán)境運用CCW，MCGS軟件編程構(gòu)成下位機觸摸屏組態(tài)，F(xiàn)actory Talk View 9.0組態(tài)軟件是上位機的組態(tài)實現(xiàn)的載體，設(shè)計時還考慮了調(diào)用和存儲數(shù)據(jù)情況，運行時調(diào)用與存儲的數(shù)據(jù)庫采用SQLServer 2008操作系統(tǒng)。那么CCW編程、MCGSE昆侖通態(tài)、FTView上位機及SQLServer 2008界面就組成了整個煤泥水處理過程藥劑自動添加過程的控制軟件。

3.3 自主添加藥劑控制系統(tǒng)

工控機、PLC控制器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)共同構(gòu)成處理煤泥水藥劑自動控制系統(tǒng)。攪拌器在未達到設(shè)定的液位最低值時，處于關(guān)閉狀態(tài)，只有液體在設(shè)定液位時，攪拌器自動開啟，雖然溶質(zhì)和水同時進行添加，但因為量不同，溶質(zhì)添加先行完成，繼續(xù)添加水，當(dāng)整個液體液位達到設(shè)定的位置后，加水系統(tǒng)檢測到預(yù)設(shè)狀態(tài)，閥門自動停止加水，這個過程控制溶質(zhì)添加的質(zhì)量根據(jù)公式（1）計算而得[4]。

式中：

m-藥劑添加質(zhì)量，kg；

L-溶液在藥劑箱的最大位置，m；

l-溶液在藥劑箱的當(dāng)前位置，m；

S-藥劑箱底面面積，m2；

c藥-溶液濃度，g/L。

藥劑被添加時，傳感器收集的數(shù)據(jù)需要PLC優(yōu)化計算，藥劑添加在主洗車間是一個連續(xù)的動態(tài)過程，變頻泵輸出藥劑量的泵頻率；藥劑添加在壓濾車間則是一個間斷性的過程，工頻大流量泵輸出加藥時間，就需要以下公式轉(zhuǎn)換。

式中：

P頻-泵運行頻率，Hz；

C入-入料煤泥水濃度，g/L；

Q入-入料流量，m3/h；

b1-凝聚劑添加量，kg/t；

c藥-藥液濃度，g/L；

Q藥-泵額定流量，m3/h。

式中：

b2-絮凝劑添加量，kg/t。

式中：

t泵-泵運轉(zhuǎn)加藥時間，s；

C煤-壓濾車間入料煤泥水濃度，g/L；

Q煤-壓濾車間入料流量，m3/h；

b3-助濾劑添加量，kg/t；

t1-入料時間，s。

4 添加藥劑處理煤泥水效果分析

采用先進數(shù)據(jù)采集傳感器和藥劑箱，利用matlab軟件就處理煤泥水參數(shù)來預(yù)測藥劑量及自動控制程度。為了分析和評估添加藥劑后煤泥水處理效果，把PAC藥劑添加前與添加后的煤泥水溢流水濁度進行對比。圖3為藥劑添加之前的溢流水濁度，圖4為PAC藥劑添加后溢流水濁度。

圖3 PAC藥劑添加前溢流水濁度

圖4 PAC藥劑添加后溢流水濁度

未添加PAC藥劑時，從圖3計算出處理煤泥水后的平均溢流水濁度約為45NTU；在處理煤泥水時添加PAC藥劑后，從圖4計算出處理煤泥水后的平均溢流水濁度約為12NTU。模擬說明添加了PAC藥劑能夠有效增高濃縮池溢流水清澈度，從而可以判定PAC藥劑、藥劑箱、控制系統(tǒng)在濃縮過程中意義重大。

5 結(jié) 論

針對選煤廠處理煤泥水污染環(huán)境、水資源浪費和工藝?yán)щy等情況，對煤泥水處理環(huán)節(jié)的藥劑箱結(jié)構(gòu)和自動添加藥劑控制系統(tǒng)進行軟硬件設(shè)計，得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)PAC在溶劑中溶解效果，分別對壓濾車間和主洗車間藥劑添加箱設(shè)計了體積尺寸。并對藥劑箱的攪拌器、加水閥、管道泵、液位變送器、浮球閥等組件進行了選型、配套。

（2）控制系統(tǒng)軟件采用CCW編程、MCGSE昆侖通態(tài)、FTView上位機及 SQLServer 2008等組態(tài)，工控機、PLC 控制器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)共同構(gòu)成藥劑處理煤泥水控制系統(tǒng)。

（3）PAC藥劑添加后溢流水濁度明顯比未添加效果好，煤泥水處理過程在藥劑箱和自動添加控制下，不僅提高了資源回收率，還節(jié)約了水資源，有利于生態(tài)環(huán)境。