重介質(zhì)旋流器入口壓力和懸浮液密度控制研究

王志杰

（山西焦煤西山煤電西曲選煤廠， 山西 古交 030200）

引言

煤炭資源是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，煤炭從井下開采出后的洗選過程對(duì)煤炭質(zhì)量起著很關(guān)鍵的作用。重介質(zhì)選煤技術(shù)由于設(shè)備簡(jiǎn)潔、洗選效果高，一直是各大洗煤廠較為常用的設(shè)備。但仍存在著因入口壓力無法確定及密度變化造成精煤灰度較高或產(chǎn)出率較低的現(xiàn)象。為進(jìn)一步提高重介質(zhì)選煤設(shè)備的選煤精度，本文對(duì)重介質(zhì)旋流器入口壓力及懸浮液密度控制進(jìn)行研究。

1 工程實(shí)際及原理

傳統(tǒng)重力選煤是通過物料密度之間的差異，將密度大的介質(zhì)下沉、密度小的介質(zhì)上浮來進(jìn)行矸石與煤的分選。重介質(zhì)旋流器與重力選煤的區(qū)別在于提升了分選動(dòng)力，可以實(shí)現(xiàn)物料在旋流器入口處、在入料泵及高度差作用下向旋流器移動(dòng)，通過旋轉(zhuǎn)過程中的離心力加快物料之間的分離速度，實(shí)現(xiàn)煤粒的快速分選，而且可對(duì)不同粒徑的煤進(jìn)行分層，具體選煤工藝如圖1 所示。

圖1 重介質(zhì)選煤工藝結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1 可以看出，礦井提升出的原煤首先要經(jīng)過初步破碎篩分后進(jìn)行注水脫泥處理，隨后進(jìn)入重介質(zhì)旋流器中。在離心力作用下密度大的矸石會(huì)分離出來從底口排出，而密度較小的精煤則會(huì)螺旋上升，從溢流口排出。排出后的精煤會(huì)在脫介篩中進(jìn)行介質(zhì)脫離，利用高壓沖洗精煤上的介質(zhì)同時(shí)進(jìn)行回收利用，脫離介質(zhì)后的精煤便完成了整個(gè)分選工藝過程[1]。

2 重介質(zhì)旋流入口壓力控制

2.1 影響因素及壓力分選試驗(yàn)

旋流器中的煤料會(huì)受到離心力作用進(jìn)行煤與其他雜質(zhì)的分離，而離心力的大小會(huì)受到進(jìn)入旋流器的切線速度影響，也就是旋流器壓力大小的影響。因此入口壓力是否穩(wěn)定對(duì)分選有著很大影響，壓力過小會(huì)造成旋流器離心力不足，影響分選效果；壓力過大，又會(huì)使得矸石等介質(zhì)對(duì)旋流器內(nèi)壁造成磨損。通常對(duì)入口壓力的控制在50～120 kPa 之間?，F(xiàn)通過對(duì)比不同入口壓力下重介質(zhì)旋流器的篩分效果來進(jìn)行篩分試驗(yàn)，參數(shù)結(jié)果如表1 所示[2]。

表1 不同入口壓力下重介質(zhì)旋流器篩分效果

由表1 可以看出，在不考慮懸浮液密度情況下，入口壓力不同，篩分效果也有所不同。當(dāng)入口壓力為80 kPa 時(shí)，精煤的產(chǎn)出率為61.36%，底部矸石產(chǎn)出38.64%，溢出灰分分別為10.46%和47.38%。由于80 kPa 下分選壓力較小，試驗(yàn)中可以看出精煤會(huì)伴隨矸石共同從底流口排出。當(dāng)入口壓力升至90 kPa 時(shí)，精煤灰分有所降低同時(shí)流出矸石的灰分在增加，精煤產(chǎn)出率也在增加，由此可以看出，其他參數(shù)不變時(shí)適當(dāng)

式中：S 為電機(jī)定子繞組極對(duì)數(shù)；c 為轉(zhuǎn)差率；f 為頻率。

由式（2）可以得出，電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制取決于用電頻率，S 對(duì)于電機(jī)選型完畢后是一個(gè)固定值，而轉(zhuǎn)差率又與電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速有關(guān)，且在電機(jī)正常運(yùn)行過程中這一變化值是很小的，因此對(duì)重介質(zhì)旋流器入口壓力的影響因子進(jìn)行推導(dǎo)可知，入口壓力的大小主要取決于變頻調(diào)節(jié)泵的頻率。

因此在物料混合泵將物料向重介質(zhì)旋流器進(jìn)行輸送時(shí)可對(duì)電機(jī)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確定入料口壓力值，并在入口處設(shè)計(jì)壓力傳感器對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)反饋，具體流程如圖2 所示。通過系統(tǒng)設(shè)定初始?jí)毫χ?，并在入口處設(shè)計(jì)壓力傳感器對(duì)重介質(zhì)旋流器的入口壓力值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用模糊控制對(duì)壓力值出現(xiàn)偏差時(shí)進(jìn)行差值調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)入口壓力的均衡性。確保重介質(zhì)旋流器的高效洗煤，其中變頻調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)增加入口壓力值可以提升精煤的產(chǎn)出率，降低其灰分。當(dāng)入口壓力升至105 kPa 時(shí)可以看出精煤灰分雖然進(jìn)一步降低了，但精煤產(chǎn)出率也降低了，而且灰分降低至了59.24%，很難滿足生產(chǎn)需要。較大的分選壓力也使得懸浮液自身產(chǎn)生了分層濃縮效果，造成了精煤產(chǎn)量的下降。因此進(jìn)行入口壓力的合理設(shè)計(jì)，能夠顯著提高分選產(chǎn)品的穩(wěn)定性[3]。

圖2 重介質(zhì)旋流器入口壓力控制流程圖

2.2 入口壓力選擇計(jì)算

對(duì)于入口壓力的控制，一方面是通過調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，另一方面是通過出料閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)。但后者會(huì)因長(zhǎng)期使用而降低壽命，因此選用調(diào)節(jié)泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)對(duì)入口壓力的控制效果。入口壓力與轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為：

式中：P 為入口壓力；δ 為常數(shù)；n 為調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速。

而對(duì)泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，主要取決于選用電機(jī)的轉(zhuǎn)速：可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入口速度的控制并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)口壓力的控制調(diào)節(jié)。

3 懸浮液密度控制設(shè)計(jì)

對(duì)離心力公式進(jìn)行變化可知，懸浮液密度不同對(duì)分選效果也會(huì)產(chǎn)生很大影響，密度過小，精煤會(huì)隨矸石一同從底流口排出；密度過大矸石會(huì)混入精煤造成精煤灰分過大，因此進(jìn)行懸浮液密度的精確控制十分重要。對(duì)于旋流器密度控制存在極大滯后性，且密度調(diào)節(jié)過程中會(huì)對(duì)物料桶內(nèi)部液位變化產(chǎn)生影響，很容易影響到精煤的產(chǎn)率。因此本文通過設(shè)計(jì)算法優(yōu)化來改善密度與液位之間的動(dòng)態(tài)性能。

式中：F 為物料在懸浮液中受到的合力；FL為離心力；F0為懸浮液給物料的支撐力；V 為物料體積，m3；m 為密度，kg/m3；ρ 為懸浮液密度，kg/m3；r 為顆粒半徑。

圖3 為重介質(zhì)旋流器洗選工藝流程，由圖3 可以看出，混料桶的作用是通過對(duì)懸浮液進(jìn)行調(diào)配，并回收洗選結(jié)束后的介質(zhì)。其中回收介質(zhì)為洗選產(chǎn)物處理后所得，具體洗選流程為：物料桶對(duì)懸浮液進(jìn)行密度調(diào)配并加入原煤，混合料進(jìn)入重介質(zhì)旋流器進(jìn)行分選，分選產(chǎn)物在重力作用下將介質(zhì)進(jìn)行脫離流入混料桶，后一步產(chǎn)物在高壓加水處理下與介質(zhì)脫離，同樣將介質(zhì)流入混料桶中繼續(xù)使用。可以看出混料桶中的液位及密度在洗選過程中發(fā)生了多次變化，為確保懸浮液密度控制在合理范圍之內(nèi)，決定對(duì)利用清水閥及加介閥對(duì)懸浮液密度及液位進(jìn)行參數(shù)控制。

圖3 重介質(zhì)旋流器洗選工藝圖

1）清水閥。當(dāng)清水閥處于打開狀態(tài)時(shí)，混料桶的液位不會(huì)立刻上升而是出現(xiàn)一定的滯后性，隨后液位會(huì)以一定速度增大，滯后時(shí)間一般為5 s 左右。懸浮液密度變化也呈現(xiàn)一個(gè)滯后性，但滯后時(shí)間要小很多，因此可以通過布設(shè)清水閥調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮液密度的快速調(diào)節(jié)效果。

2）加介閥。同樣利用加介閥對(duì)混料桶液位懸浮液密度進(jìn)行改變，對(duì)于混料桶液位的變化滯后時(shí)間為6 s左右。而通過改變加介閥的開度可以看出懸浮液密度會(huì)增大，但也存在一個(gè)時(shí)間上的滯后性，而且懸浮液密度的增大趨勢(shì)也在不斷變小直至趨于平穩(wěn)狀態(tài)。

通過兩者之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)混料桶液位及懸浮液密度變化的控制效果，并進(jìn)行DMC 算法預(yù)測(cè)控制來對(duì)液位與密度進(jìn)行仿真模擬控制調(diào)節(jié)，具體結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可以看出，基于DMC 預(yù)測(cè)控制對(duì)兩者參數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，液位到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)125 s即可完成，超調(diào)量為0；而密度從初始狀態(tài)到達(dá)穩(wěn)定值的調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)為120 s，超調(diào)量也同樣為0。由此可以看出，該算法可以有效解決超調(diào)問題，且調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)也較短，可以有效解決懸浮液密度控制中的滯后性問題。

圖4 液位與密度DMC 算法預(yù)測(cè)控制圖

4 結(jié)語

結(jié)合變頻調(diào)節(jié)泵對(duì)重介質(zhì)旋流器入口壓力進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，并利用DMC 算法對(duì)混料桶液位及懸浮液密度進(jìn)行優(yōu)化控制，解決了懸浮液密度控制過程中的滯后性問題，優(yōu)化了密度調(diào)節(jié)時(shí)間。經(jīng)過上述兩種方式對(duì)重介質(zhì)旋流器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了旋流器的分選效率，精煤產(chǎn)量得到提高，同時(shí)精煤灰分也得到降低，對(duì)煤炭企業(yè)產(chǎn)生了巨大經(jīng)濟(jì)效益。