煤炭跳汰分選過程灰分快速檢測技術研究

武國平，喬治忠，趙光輝，胡全良

(1.國家能源準能集團公司科學技術研究院；2.國家能源準能集團公司選煤廠，內蒙古 鄂爾多斯 010300)

跳汰選礦指物料在垂直脈動為主的介質中，根據物料的密度實現分層的重力選礦方法。物料在固定運動的篩面上連續進行的跳汰過程，由于沖水、頂水和床層水平流動的綜合利用，在垂直和水平流的合理作用下實現分選。在跳汰選礦的過程中，所使用的介質可以是水，也可以是空氣。以水為介質時，稱為水介質跳汰或水力跳汰；若以空氣為分選介質，則稱為風力跳汰。在國內外選煤或選礦的工業生產中，水介質跳汰的應用最為廣泛[1]。

跳汰工藝歷史悠久，工藝技術成熟，工藝流程相對簡單，維護管理方便，加工費用相對較低。跳汰分選入選粒度范圍較大，可以對0～50 mm的礦物進行高效分選。除此以外跳汰選礦最大的優點就是節能，低能耗可降低設備運行的費用以及選礦成本[2]。跳汰選礦屬于物理選礦，可以采用循環水，水質要求不高，是一種較為環保的選礦工藝。

跳汰工藝在煤炭分選排矸中發揮了重要作用。周京軍[3]介紹了動篩跳汰機的結構和工作原理，闡述了動篩跳汰機在煤炭生產過程中的應用。解京選[4]發明了一種應用于煤礦井下的變腔空氣室跳汰排矸工藝，該工藝在煤礦井下排出毛煤中的塊矸，有效減少礦井提升矸石量，整個工藝系統簡單可靠、投資小，可根據需要調整排矸粒度，兼顧塊矸的高排凈率和排出塊矸的純凈度，并回收全部煤泥，實現洗水閉路循環。劉輝[5]簡述了動篩跳汰機在2個動力煤選煤廠中的使用情況，通過2個選煤廠的相同點和不同點及應用效果比較分析，指出了動篩跳汰機在排矸工藝選擇中應注意的問題。符東旭[6]提出了一種井下跳汰排矸的方法，該方法包括原煤準備、原煤洗選、煤泥水處理以及濃縮水桶中的溢流自流至循環水箱，本發明通過在井下巷道內的選煤設備達到煤和矸石的有效分離，矸石在井下充填使用后不再提升到井上處理。

隨著選煤技術的發展，跳汰智能化控制已逐步受到業內廣泛關注。王輝[7]采用LCD12864液晶屏作為顯示和操作界面，選用可靠性高的PIC16F887作為控制芯片，輸出PWM脈沖來對步進電機的轉動軌跡進行控制最后帶動隔膜運動從而實現多跳汰周期的跳汰設計。于春風[8]分析跳汰選煤屬于大滯后、模型不確定的系統，傳統的方法難以有效的控制洗選效果，重點設計了排料部分的模糊控制器，詳細介紹了原理和設計過程，實現了精煤灰分的實時在線回控。向忠鵬[9]提出了一種基于PLC的跳汰機自動控制系統，根據跳汰機氣室的數量設置相應數量的進氣閥和排氣閥，并根據其排料段數設置電磁轉向閥和位移傳感器，該系統運行穩定，操作簡單，適用性強。馬方清[10]提出對精煤灰分以及提高對其回收效率為目的的自動化控制系統方案，該設計系統由2層組成：上層通過以入料性質以及跳汰機分選效率為依據確立系統的實時狀態與發展趨勢，下層設計一個多環境模糊控制器，實現對跳汰機控制系統的給料、排矸、風量的模糊控制。嚴斌[11]分析了跳汰機風閥的研究現狀，比較了傳統方式的跳汰機風閥控制與將智能控制融入到風閥控制系統中的方法，從而設計了一種基于模糊控制算法的風閥控制技術。張旺林[12]以邢臺東龐煤礦選煤廠307號跳汰機為研究對象，研究了排料系統控制的模糊控制的特點及方法，對原先的邏輯控制系統進行了改造，實現了基于S7-200PLC的跳汰機模糊排料控制。

作為跳汰選煤的重要技術指標，灰分檢測是實現跳汰機自動控制的技術關鍵。原煤灰分非常重要，是跳汰機確定操作制度的主要依據，進行在線快速檢測原煤灰分，可以使跳汰機依據原煤灰分實時調控操作制度，實現操作過程的前端控制，對產品質量控制具有重要意義。同時，精煤、中煤、矸石均為跳汰機工藝的不同產品，對它們進行灰分快速檢測，可以指導跳汰機智能化調節，確保精煤質量，對提高分選效率具有重要的意義。因此，本文將重點圍繞跳汰工藝不同產品的灰分，通過探索獲得灰分快速檢測的技術方法，為實現跳汰機自動控制提供支持。

1 煤炭灰分檢測技術

煤炭灰分是煤在一定條件下經過充分燃燒后，其中的礦物質分解、化合后生成的殘留物。煤炭的灰分含量檢測常規方法是快速灰化法和緩慢灰化法。但是隨著跳汰選煤技術自動化的提高，常規灰分檢測方法存在滯后、繁瑣、誤差和勞動強度大等諸多問題，已無法滿足現有工業生產需求。現有的煤炭灰分檢測設備主要包括有源灰分儀、無源灰分儀、圖像光譜灰分儀和X射線灰分儀、中子活化灰分儀等。幾種檢測方法的選擇，可以從以下幾個方面進行考慮。

1.1 環保與安全

有源灰分儀價格昂貴，而且由于存在放射性安全與污染問題，受到安全管理部門的嚴格管控，其購置和維護都受到限制，如γ射線灰分儀；無源灰分儀不需要使用專門的放射源，避免了放射源管理與維護，另外更具有實時性強、適應性強、安裝簡單等優勢，能夠檢測原煤和產品灰分，在國內外均得到了較好的發展和應用。

1.2 技術成熟度

有源灰分儀和無源灰分儀在市面已有成熟產品。圖像光譜灰分儀具有無放射性、可實現灰分在線監測、檢測速度快、管理使用方便等特點，發展前景廣闊，但還處于實驗室研究階段，尚無可以推廣的產品。

1.3 技術適應性

為了提高有源灰分儀的檢測精度，從技術角度處理就必須加大放射源的活度，以提高探測器的信號接收概率。而有源灰分儀加大放射源強度，環保安全風險會更大，國家的監管力度會更嚴格，相關的防護措施等級會更高，設備的成本升高，使用性價比會顯著降低。相比之下，應用無放射源的天然射線灰分儀則可以很好地解決高灰分原煤或矸石在線灰分測量中的問題。

1.4 技術指標的重要性

精煤的質量高低是評價跳汰工藝過程的重要指標之一。智能化控制過程中，需要嚴格控制精煤灰分指標。因此，精煤灰分測量采用精度較高的X射線灰分儀更合理。

通過上述技術分析，可以確定灰分檢測的技術方法，跳汰精煤可以采用X射線灰分儀，原煤、跳汰中煤和矸石可以采用無源灰分儀。X射線灰分儀已實現成熟的工業應用，在此主要探討無源灰分儀的可行性和合理性。

2 煤中礦物元素賦存與放射性研究

2.1 煤中礦物結構

對中煤和矸石樣品進行XRD測試，確定樣品的晶體結構，通過對衍射圖譜進行分析，得到樣品中不同礦物的類型，如圖1和圖2所示。可以發現，中煤和矸石中，主要脈石礦物為高嶺石，同時含有少量的勃姆石。

圖1 中煤樣品XRD測試結果

圖2 矸石樣品XRD測試結果

2.2 煤中礦物元素含量

分別對中煤和矸石樣品進行X射線熒光光譜儀測試，從而獲得其中各元素的含量，如表1、表2所示。由此可知，中煤和矸石樣品中的主要氧化物為SiO2和Al2O3，這兩者為高嶺石化學分子的主要組成成分，表明中煤和矸石樣品中的主要脈石礦物為高嶺石。

表1 中煤樣品XRF測試結果

表2 矸石樣品XRF測試結果

2.3 煤中放射性微量元素

分別取中煤和矸石各3個樣品，對其中主要放射性元素進行定量檢測，結果如表3所示。這些樣品中放射性元素釷的含量較高，中煤樣品最大含量為21.9 μg/g，矸石樣品最大含量為26.1 μg/g。除此以外，還含有鈾、銣等放射性元素。

表3 樣品中放射性元素定量檢測結果

3 灰分檢測的實驗研究

3.1 灰分與放射性強度的關系

原煤、中煤和矸石的灰分與放射性強度的關系，如圖3所示。分析檢測結果表明，煤樣具有天然可放射性，其天然可放射性核素含量處于中等可測量水平，所測得的放射性強度完全滿足測定需求。原煤與中煤化驗灰分與天然放射性具有正相關關系，而矸石化驗灰分與元素放射性強度則呈現負相關關系。

圖3 灰分與放射性強度的關系

3.2 無源灰分檢測結果

將原煤、中煤、矸石樣品的化驗灰分與檢測灰分進行對比，如圖4所示。化驗灰分與檢測灰分數據相關性很好，灰分趨勢基本貼合。原煤、中煤、矸石的標準誤差分別為0.97，0.57和1.75。因此，煤樣的天然放射性強度與灰分含量呈一定的數學模型關系，通過對不同產品的放射性強度單獨建立模型，可以計算獲得產品的灰分。

圖4 化驗灰分與檢測灰分對比結果

4 結 語

(1)對煤中礦物元素賦存與放射性研究可知，煤樣品中主要含有脈石礦物為高嶺石和少量的勃姆石，這是煤灰分的主要影響因素。樣品因含有放射性元素，特別中煤和矸石中釷元素含量高達21.9 μg/g和26.1 μg/g，是樣品呈現較好天然放射性的主要原因。

(2)煤樣放射性強度滿足灰分測定技術需求，原煤、中煤化驗灰分與天然放射性具有正相關關系，而矸石化驗灰分與元素放射性強度則呈現負相關關系。對于原煤、中煤、矸石樣品，其天然放射性強度與灰分含量具有數學關系，可以依據不同樣品的檢測結果建立知識庫進行數學建模，預測煤樣灰分，預測結果與實際化驗灰分差異較小，表明無源檢測技術的檢測結果可信度高，精度較好，工程適應性較強。