動力煤精準配煤工藝在選煤廠的應用

侯 磊，吳新財，張淑強

(天津美騰科技股份有限公司，天津 300110)

近年來，各大煤炭集團為提高煤炭開采率，多采用多煤層同時開采模式，采后在選煤廠進行洗選配煤[1]，針對自動化配煤的相關研究逐漸增多。2015年哈兒烏素露天礦通過電子皮帶秤反饋實現了簡單的配煤[2]，2014年臨渙選煤廠實現了倉上自動配煤[3]。自動化配煤系統研究不僅在選煤廠有應用，在焦化廠應用更加廣泛，多數采用倉下自動配煤[4]。綜上所述，自動化配煤技術在各行各業的應用前景都比較廣泛，應用價值比較高。

筆者近期有幸應邀為某集團5個選煤廠提供精準配煤改造方案，通過對該集團5個選煤廠詳細調研，分析選煤工藝以及生產數據。這些選煤廠生產工藝相似，原煤開采煤層相同，均為3號、8號、9號、15號無煙煤，主要銷售產品為塊煤和末煤。為打造集團煤炭品牌效應，擬將各個選煤廠的末煤產品發熱量指標由21.34 MJ/kg提升為22.18 MJ/kg，而目前末原煤的發熱量均在20.92 MJ/kg以下，都需要摻配洗后末精煤。目前各個選煤廠的配煤條件有所不同，可大致將配煤分為2種形式：產品倉前配煤和產品倉下配煤。由于倉下配煤方式單一，通過定量給煤機均可實現，本文不做贅述。重點針對某廠復雜的倉前配煤，論述如何保證配煤精度達到±0.209 MJ/kg，及實現精準配煤后產生的經濟價值。

1 某廠配煤現狀及存在問題

由于該廠末煤倉儲系統與洗精煤倉儲系統位置相距較遠，且末煤裝車火車軌道與精煤火車裝車軌道不同，導致倉下配煤難以實現，因此考慮在末煤入倉前的膠帶輸送機上摻混末精煤，實現產品入倉前的精準配煤。

1.1 配煤工藝流程

該廠來煤分為東西礦井，2個選煤生產系統。東井為高硫煤，采用跳汰洗選工藝，產品用于末煤摻配，倉前雙系統交叉配煤，配煤流程復雜；西井為低硫煤，采用重介質旋流器分選工藝，產品作為噴粉煤銷售。

1.2 煤質情況

小于13 mm末原煤：Ad=25%～40%；Mar=6%～7%；Qnet，ar=19.25～20.92 MJ/kg；St，ad<1.5%。

洗后跳汰末精煤：Ad=10%～17%；Mar=9%；Qnet，ar=25.10～27.20 MJ/kg； St，ad≈1%。

1.3 發熱量公式

通過工業分析計算的發熱量經驗公式為：

Aar=Ad×(100-Mt)/100

Qnet，ar=35.4062-0.3698×Mt-0.4010×Aar

Qgr，ad=35.9763-0.3977×Ad

式中：Aar—收到基灰分，%；Ad—干燥基灰分，%；Mt—煤的全水分，%；Qnet，ar—收到基低位發熱量，MJ/kg；Qgr，ad—空干基高位發熱量，MJ/kg。

根據發熱量公式分析和生產經驗得：灰分每提高1個百分點，低位發熱量降低0.377 MJ/kg左右；水分每提高1個百分點，低位發熱量降低0.335 MJ/kg左右。

1.4 人工配煤存在問題

(1)各個選煤廠均缺少先進的煤質在線監測設備，煤質信息全部依靠人工采制化來獲取，整個過程需要2 h左右，檢測數據滯后嚴重，無法實時指導配煤調節。

(2)配比調節不精準，發熱量波動范圍20.56～24.95 MJ/kg。現場人員根據生產經驗，估算末原煤灰分每增長1個百分點大約需要摻配多少末精煤，依次手動調節精煤下料閘板開度和溜槽翻板，由于灰分獲取的滯后性、缺少精確的配比計算和手動調節的不確定性，導致配煤不精準。

(3)人工配煤會根據化驗計算值調高精煤配入量，保證混煤發熱量合格來避免罰款，造成原煤過量入洗，發熱量過高，經濟損失嚴重。

2 精準配煤工藝流程設計

2個生產系統的配煤流程設計為配煤流程一和配煤流程二，見圖1。配煤設計原則為檢測配入煤的數量和灰分。以下針對配煤流程二詳細論述：通過1302膠帶輸送機機頭增加配煤量數控調量裝置粗調，再通過301膠帶輸送機的電子皮帶秤監測量反饋調節，實現跳汰入洗量控制；通過706膠帶輸送機的水分儀和701膠帶輸送機電子皮帶秤計算出配后綜合混煤的累計一段時間(根據灰分儀數據間隔時長確定)的發熱量，再通過269膠帶輸送機的灰分儀和電子皮帶秤計算出末原煤的累計發熱量；流程一將跳汰精煤的灰分反饋到流程二中，通過加權平均算法計算出333刮板的配煤量數控調量裝置開度，通過701現有皮帶秤數量減去269原煤量，計算出333刮板實際配入精煤量反饋調節；最后通過706膠帶輸送機的水分儀產生的發熱量，整體反饋調節1302和333刮板的配煤量數控調量裝置，確保最終產品合格。

圖1 配煤流程示意

3 煤質在線監測和數量調控設備

3.1 X光灰分儀

目前選煤廠配煤過程中有使用天然射源(無源)灰分儀[5]、γ射線灰分儀[6]和X光灰分儀[7]，本次配煤設計采用近年來精度和穩定性更高的X光灰分儀進行設計應用，經過對X光灰分儀使用情況調研，灰分在15%～30%，均方根誤差不大于1.0%。

3.2 電子皮帶秤

電子皮帶秤已在選煤廠配煤中廣泛應用[2]，常用的電子皮帶秤為陣列式皮帶秤，根據皮帶秤采用的稱重傳感器的數量多少決定皮帶秤稱量精度，根據配煤最終產品精度要求可選擇精度不同的皮帶秤。電子皮帶秤受物料落料的沖擊影響，安裝位置要求比較高，且皮帶秤需要定期校準和清灰，保證精度[8]，經過對多廠家調研，2組稱重傳感器的精度可以達到±0.125%，1組稱重傳感器的精度也可以達到±0.25%。

3.3 激光體積監測儀

激光體積監測儀的工作原理是利用攝像機采集激光投射在被測物料表面漫反射的激光輪廓線，通過內置的高精度算法處理，實時輸出高精度的體積數據，根據體積計算物料量[9]。激光體積監測儀有不受落料點影響、不與被測物料接觸使用的優點，適用于電子皮帶秤無法安裝但需要計量的位置，在同一條皮帶上安裝多個，精度互不干擾。目前激光體積儀也已在選煤廠研究應用多年[10]，隨著現代視頻技術不斷升級，精度也越來越高，經過對使用情況調研，檢測體積精度可以達到±2.5%。

3.4 微波水分儀

微波水分儀測量原理利用高頻電磁波在穿透物料時會產生衰減以及相位的改變，可以計算出物料中的水分含量[11]。水分儀測定的全水分與傳統的無煙煤全水測定國標GB/T211測定的結果一致[12]。微波水分儀可與灰分儀集成于一臺設備灰水儀，根據植入發熱量公式，計算出準確的發熱量值，相關廠家提供精度為：水分范圍在5%～10%時，均方根誤差不大于0.5%。

3.5 配煤量數控調量裝置

配煤過程中均通過調控閘板開度控制配入煤量。閘板開度與煤量并非線性關系，需要通過流體力學模擬相關閘板開度和煤流情況，擬合參數由煤質情況、落料粒度、膠帶輸送機或刮板帶速以及閘板等多重因素決定，初步擬合閘板開度與落料量關系，再通過膠帶輸送機上的煤量監測設備反饋調節閘板開度；同時通過設定配煤指標累計加權補償機制，設定單位時間或單位量補償，滿足一段時間或一定煤量內累計發熱量合格，解決煤量波動造成的產品短時間不合格。

4 配煤精度范圍分析

配煤考核指標為發熱量，影響配煤系統綜合精度的主要因素有灰分儀精度、水分儀精度、皮帶秤精度、體積儀精度、配煤量數控調量裝置精度以及發熱量計算公式誤差，其中影響因子最大的是灰分儀精度。灰分儀的精度受帶煤量影響較大，據相關研究將灰分儀和過煤量以及化驗快灰，通過LSSVM算法可進行在線灰分儀實時校正，均方根誤差可以達到0.1747[13]。精準配煤系統將影響發熱量的相關因子進行回歸模型分析預測，根據該廠煤質配置精準配煤模型，確保最終實現配煤誤差不大于0.418 MJ/kg。

5 應用價值分析

(1)提高裝車合格率，實現裝車合格率為100%。根據2019年裝車發熱量不合格情況統計分析，全年共銷售末煤615.57萬t，其中有13.88 t不合格，合格率為97.75%，因發熱量不合格共繳納罰款992.14萬元，精準配煤可有效杜絕發熱量不合格情況，實現裝車合格率為100%，僅杜絕發熱量罰款帶來的直接經濟效益就達到了992.14萬元。

(2)減少配入精煤量，降低原煤入洗量，提高混煤銷售量。根據近2個月135批次裝車352組發熱量化驗數據分析，累計裝車噸數為98.58 t，累計加權平均發熱量為22.95 MJ/kg，裝車發熱量曲線見下圖2，按精準配煤誤差值最大考慮(22.18～22.59 MJ/kg為裝車發熱量范圍)，人工裝車的發熱量波動范圍大，極差達到了4.38 MJ/kg。其中，小于22.18 MJ/kg有9組，占比2.56%；大于22.59 MJ/kg有274組，占比77.84%；在22.18～22.59 MJ/kg之間的僅有69組，合格率僅為19.60%，計算累計發熱量達到了22.95 MJ/kg，裝車存在較嚴重的發熱量過剩。

圖2 近期2個月裝車發熱量曲線

根據儀器儀表誤差精準配煤后，發熱量精度可控制在22.18～22.59 MJ/kg范圍內，根據該廠煤質情況：末原煤：19.25～20.92 MJ/kg，跳汰末精煤：25.10～27.20 MJ/kg，按0.418 MJ/kg的組距排列組合共計30種情況，全部進行了經濟分析。煤質情況根據現場生產情況一般煤質好的時候，原煤和摻入精煤的發熱量均高，煤質差時原煤和摻入精煤均低。經濟效益最大、經濟效益最小、煤質最好和煤質最差的分析結果見表1。

計算取值標準：人工配煤發熱量取累計加權平均值22.95 MJ/kg，精準配煤發熱量取誤差最大值22.59 MJ/kg；以年銷售末煤量615.6萬t計算，混煤銷售價格取近期銷售價格400元/t，跳汰噸煤加工成本(去除人工成本)4.68元，原煤經跳汰分選后精煤產率取現生產經驗值48%。

表1 經濟效益分析

精準配煤通過減少精煤配入量，配比小于人工精煤配比，以出售相同的原煤，可減少精煤配入量，相應也減少混煤銷售量，將少摻配的精煤選擇不入洗，計算出原煤量，按精準配煤配比再入洗，可減少相應的原煤入洗量，增加混煤的銷售量，計算出年經濟效益范圍為1.59～0.83億元，目前煤質情況比較好的發熱量與第4組接近，每年可帶來的經濟價值為11 808.89萬元。

6 結 語

隨著儀器儀表的精度越來越高，以及大數據算法的優化，自動化配煤的精度也越來越高，該廠實施的精準配煤最大熱值誤差不超過0.418 MJ/kg，相比目前人工配煤最大誤差2.76 MJ/kg，可帶來非常可觀的經濟價值，每年預計可帶來最少經濟效益就達到11 808.89萬元。該選煤廠年累計銷售產品發熱量每降低4.18×10-3MJ/kg，就可以帶來近146.16萬元的效益，精準配煤作為煤炭銷售精細化的第一步，應用價值和前景均非常樂觀。