基于射線透射技術(shù)的干法智能煤矸分選系統(tǒng)的應(yīng)用

陳 巖，陳田佳，陳光林，李 雷，李志強

(1.平煤股份煤炭開采利用研究院，河南 平頂山 467000；2.對外經(jīng)貿(mào)大學(xué)，北京 100013；3.中平信息技術(shù)有限責(zé)任公司，河南 平頂山 467000)

1 概 述

平煤股份五礦產(chǎn)能190萬t/a，是集團主力生產(chǎn)礦井之一。開采的煤炭發(fā)熱量大，主要用于煉焦。五礦目前產(chǎn)出的煤炭灰分高，達到40%以上，篩分后的50 mm以上的塊原煤中矸石含量通常在70%～85%，甚至更高。從塊原煤中人工挑選出煤炭，分選效率受人為因素影響大，不可避免地造成部分原煤的損失；另外現(xiàn)場條件較差，用工人數(shù)較多，崗位工人工作量繁重。在此種形式下，使用綠色環(huán)保、選煤效率高的分選技術(shù)(設(shè)備)替代人工手選將成為煤炭企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展的必然選擇。因此集團組織調(diào)研分選技術(shù)(設(shè)備)，主要包括跳汰、重介質(zhì)、風(fēng)選及干法分選等。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，各煤礦、選煤廠均有采用機械化選煤方法替代人工手選的需求，目前，替代人工手選一般采用動篩跳汰、重介淺槽、重介立輪等選煤方法，但這些選煤方法相對人工手選，均存在投資高、工藝復(fù)雜、運行成本高、后期水污染處理難度大等缺點；通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在干法選煤工藝中，有一種基于γ射線透射技術(shù)的干法智能煤矸分選技術(shù)不僅結(jié)構(gòu)更加簡單，而且不用水或其他介質(zhì)，同時投資更少、運維成本更低、場地適應(yīng)性更強。因此平煤股份集團決定引進γ射線干法選煤技術(shù)，并結(jié)合平煤的煤質(zhì)要求，進行技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)，研發(fā)出平煤自己的干法選煤設(shè)備，用以全集團推廣使用。

2 γ射線透射技術(shù)的行業(yè)發(fā)展

(1)20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家提出射線分選物料的構(gòu)思；

(2)20世紀(jì)70年代，我國煤炭部成立專門課題組進行射線分選構(gòu)思實驗，先后委托太原院、武漢院進行研究；

(3)20世紀(jì)90年代，國家關(guān)閉課題組，將實驗停止，武漢院自行研發(fā)；

(4)2005年，武漢院在梁北煤礦進行雙源射線檢測物料測試，但結(jié)果失敗了；

(5)2009年，巨龍融智機電技術(shù)(北京)有限公司在前期研究基礎(chǔ)上，獨力研發(fā)γ射線分選技術(shù)；

(6)2013年，巨龍融智機電技術(shù)(北京)有限公司在昊華能源京城木城澗煤礦使用第一套射線干法選煤設(shè)備，獲得成功；

(7)2013年，巨龍融智機電技術(shù)(北京)有限公司申請并獲得干法射線選煤發(fā)明專利；

(8)2013年至今，巨龍融智機電技術(shù)(北京)有限公司的GDRT智能干選機在國內(nèi)多地應(yīng)用，實現(xiàn)工業(yè)化；

(9)2017年，平煤集團引進射線干法選煤技術(shù)，結(jié)合平煤集團的煤質(zhì)情況，在平煤五礦開發(fā)適合平煤的智能干法選煤設(shè)備。

3 干法智能煤矸分選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由給料系統(tǒng)、排隊系統(tǒng)、檢測及控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)四大部分構(gòu)成。傳送帶上設(shè)有若干個物料排隊通道，每一通道獨立運行，提高了整機的運行可靠性。如圖1所示。

圖1 干法智能煤矸分選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)對煤和矸石的識別機理：經(jīng)篩分后30～400 mm粒度范圍的塊狀原煤由進料斗落到傳送膠帶上。測量信號由計算機依據(jù)識別數(shù)學(xué)模型進行運算，然后將此值與經(jīng)預(yù)先標(biāo)定的比較閾值進行比較，若大于該閾值，則被判定單位厚度衰減量過大，即為矸石，反之判斷為煤。如為矸石，則經(jīng)一定時段延時后，當(dāng)矸石脫離膠帶端點下落時，控制程序瞬時打開高壓氣閥，用高壓氣流擊打矸石，使矸石在拋落過程中改變原軌跡，落入矸石料斗。若被測物單位厚度衰減量小于比較閾值，則被判定為煤，氣閥不動作，使之自然拋入煤料斗。

4 技術(shù)創(chuàng)新

4.1 分散型、動態(tài)線接觸式機械排隊機構(gòu)

對基于射線透射技術(shù)的干法智能分選系統(tǒng)，物料準(zhǔn)確的通過檢測點是實現(xiàn)分選的前提，既是待檢測物料能夠被檢測和識別的基礎(chǔ)，也是矸石能夠被準(zhǔn)確擊打的保證。排隊效果對系統(tǒng)的分選率有直接的影響。在實際生產(chǎn)中，物料在傳送帶上是無序投放和排列的。生產(chǎn)線上來料的無序性和檢測的精準(zhǔn)性兩者為矛盾體的存在。傳統(tǒng)物料排隊基本上是基于固定通道的彈簧片撥動的排隊方式，一方面由于物料大小不一、形狀各異，導(dǎo)致排隊效率極低且不夠準(zhǔn)確；另一方面由于彈簧片固定通道隔板上，導(dǎo)致片狀物料容易卡進固定通道板與運輸傳送帶的縫隙中，從而劃破運輸傳送帶。通過大量實際物料運行與排隊實驗的分析和研究，最終采用分散型、動態(tài)線接觸式機械排隊機構(gòu)。排隊機構(gòu)位于傳送帶表面上方，在傳送帶連續(xù)運行的過程中，排隊機構(gòu)大小不一、形狀各異物料移動到檢測中線，使其精準(zhǔn)有序地通過檢測點。當(dāng)有物料夾入傳送帶與排隊機構(gòu)縫隙時，排隊器可自動抬起，既保護了傳送帶，也最大限度地實現(xiàn)了對物料的精確排隊。其原理示意如圖2所示。

圖2 排隊原理示意

4.2 復(fù)合傳感器修正式核物理單光子輻射檢測技術(shù)

以往射線檢測方式僅僅使用的是雙能γ射線衍射方式，這種方式在整體可靠性、穩(wěn)定性及抗惡劣環(huán)境上有極大的優(yōu)勢，但由于被檢測物料處在運動狀態(tài)下，對物料的檢測時間非常短。而核輻射光子的發(fā)射是隨機發(fā)射，這樣在短時間內(nèi)接收到的光子數(shù)目會有較大的隨機浮動，通常誤差在10%左右。并且光子衍射情況不僅與物料性質(zhì)有關(guān)，而且與物料厚度及形狀都有一定關(guān)系。這就導(dǎo)致了利用單一檢測傳感器檢測γ射線的衍射狀況也必然存在較大的誤差，特別是不同性質(zhì)(例如純煤、純矸石、夾矸煤、硫含量較高的煤等)、不同形狀的物料均對單一傳感器檢測產(chǎn)生很大的影響，這樣的原因產(chǎn)生的測量誤差有20%左右，所以綜合誤差大概達到30%。而煤和矸石，特別是硬質(zhì)煤和夾矸煤的理想光子衍射衰減差只有20%左右。這樣，單一傳感器檢測方式往往區(qū)分不出矸石和煤快，特別是外形不一的矸石和煤。通過采用復(fù)合傳感器在線檢測方式，利用主傳感器檢測衰減強度，利用輔助傳感器檢測衍射角度和衍射強度，建立以衰減強度、衍射角度、衍射強度、物料形狀及密度等級為自變量和函數(shù)的全新數(shù)學(xué)模型，克服單一傳感器檢測產(chǎn)生的誤差，實現(xiàn)煤和矸石的準(zhǔn)確區(qū)分，使系統(tǒng)實現(xiàn)了實用化。

5 樣機測試

經(jīng)過技術(shù)論證后，集團決定在原五礦手選車間改造測試設(shè)備，對干法智能分選系統(tǒng)進行現(xiàn)場工業(yè)性試驗，考察樣機的配套性、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)、關(guān)鍵元部件的性能、適應(yīng)性、可靠性、安全性水平等，保障樣機功能的實現(xiàn)。且要求安裝、調(diào)試期間不影響原生產(chǎn)系統(tǒng)正常運行。

經(jīng)五礦、平煤信息充分現(xiàn)場論證后確定實施方案，并經(jīng)15 d緊張施工、調(diào)試，基于射線透射技術(shù)的干法智能煤矸分選系統(tǒng)于2018年調(diào)試完畢。

基于射線透射技術(shù)的干法智能煤矸分選系統(tǒng)在五礦安裝調(diào)試完畢后，集團、中平信息、五礦聯(lián)合對分選效果進行了測試并記錄，如表1、表2。

表1 30～80 mm系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)

表2 80～200 mm系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)

測試結(jié)果小結(jié)：

(1)30～80 mm系統(tǒng)，選后矸石含煤率最低達到0.54%，平均含煤率1.36%；矸石選凈率最高達到99.96%，平均矸石選凈率98.41%。

(2)80～200 mm系統(tǒng)，選后矸石含煤率最低達到0.00%，平均含煤率0.42%；矸石選凈率最高達到99.95%，平均矸石選凈率99.33%。

從測試數(shù)據(jù)上可以看出，基于射線透射技術(shù)的干法智能煤矸分選系統(tǒng)在五礦的技術(shù)創(chuàng)新改進是完全成功的。30～200 mm階段的最終分選結(jié)果遠(yuǎn)高于預(yù)期值的選后矸中含煤3%、矸石選凈率90%；并在噸煤分選成本、分選精度上具有水選及其他干選方式無可比擬的綜合優(yōu)勢。

6 結(jié) 語

應(yīng)用基于射線透射技術(shù)的干法智能煤矸分選系統(tǒng)對原手選車間進行改造，不需要新增廠房，同時該系統(tǒng)施工方便快捷、工期短，可結(jié)合煤礦工作特點，利用強制檢修時間開展安裝，對生產(chǎn)幾乎不造成影響，有利于企業(yè)提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。