重介質懸浮液的密度和黏度的協調研究分析

白澤海

（晉能控股煤業集團大地選煤工程（大同）有限責任公司， 山西 大同 037003）

隨著采掘技術的提高以及地質環境的變化，對選煤技術也提出來越來越高的要求。重介質選煤技術因其效率高、粒度范圍廣、適應性強、設備簡單、易于自動化等特點逐漸成為選煤技術的主流。傳統的重介質選煤技術中，重介質懸浮液的調節大多只關注密度，將合介桶的液位與黏度只作為參考值進行觀測。實質上，重介質懸浮液的黏度與懸浮液的流變性能與穩定性密切相關，重介質懸浮液黏度的控制既可提升懸浮液的分選效果與穩定性，也能降低介質的損耗，從而降低設備損耗及選煤成本。因此，本文擬建立三輸入、三輸出的控制模型對重介質懸浮液的密度和黏度的協調控制進行研究，以期對實際生產有所幫助。

1 重介質選煤技術工藝流程分析

重介質選煤設備依據工作原理可分為塊煤重介質分選機和末煤重介質旋流器兩種。前者主要依靠重力進行塊煤分選，后者主要運用離心力進行末煤分選。由于塊煤重介質分選機具有介質損耗大、設備磨損嚴重、處理有上限等缺點，故本文主要對末煤重介質旋流器進行研究。重介質旋流器選煤工藝流程示意圖如圖1 所示。

圖1 重介質旋流器選煤工藝流程示意圖

重介質旋流器工藝按照介質與煤粒的流向可分為兩個部分。其中，煤粒的流向為通過重介質旋流器將原煤分選完成后，旋流器頂端排出所得精煤，底部排出矸石；分選完成的矸石與精煤會進入脫介篩，由1307 脫介篩與1306 脫介篩進行分別處理；脫介篩的處理又可分為兩部分，第一部分為不噴水脫介，另一部分為高壓水脫介；脫介處理完成后的矸石與精煤經離心機脫水后送往各自的皮帶后，分選工藝即完成。介質流程為1302 主選合格介質桶按既定密度與黏度進行懸浮液混合，然后通過合介泵注入1301主選混料桶，與原煤混合后，運用脫介篩進行懸浮液回收；一段脫介篩由于未進行噴水處理，故可直接自然回流到主選合格介質桶，二段脫介篩經高壓噴水處理后為稀介質，需流至1303 稀介桶，經磁選機濃縮后方可使用。

2 重介質懸浮液密度和黏度協調控制系統設計

2.1 控制系統的參數結構設計

通過對重介質旋流器選煤工藝流程分析可知，重介質懸浮液的特性控制主要由合介桶進行。主要從六方面對合介桶進行研究，包括分流箱介質流、合介桶出料、矸石段脫介介質流、濃介桶輸入介質流、精煤段脫介介質流以及磁選機濃縮介質流。其數據關系式為：

式中：Q—Q6分別為合介桶出料，分流箱介質流，清水、矸石段脫介介質流，濃介桶輸入介質流，精煤段脫介介質流以及磁選機濃縮介質流的流量數值；ρ—ρ6分別為介桶出料，分流箱介質流，清水、矸石段脫介介質流，濃介桶輸入介質流，精煤段脫介介質流以及磁選機濃縮介質流的密度數值；λ—λ6分別為介桶出料，分流箱介質流，清水、矸石段脫介介質流，濃介桶輸入介質流，精煤段脫介介質流以及磁選機濃縮介質流的質量濃度數值。

通過對重介質旋流器選煤流程進行分析研究后，其控制過程示意圖如圖2 所示，其中Gij（s）為控制模型傳遞函數。為保證重介質懸浮液的密度與黏度，其實質就是要控制清水流量、加介流量以及分流閥流量三部分。對應到圖2 中的閥門開度為：U1為清水閥門開度，U2為加介閥開度，U3為分流閥開度。在實際控制中，除密度與濃度，液位也是控制懸浮液密度與黏度的關鍵，故將液位H加入控制關系圖中。

圖2 液位、固體體積濃度、密度控制過程示意圖

2.2 密度、濃度、液位控制過程的建模分析

由于重介質選煤工藝為化工生產中典型的多變量對象，具有時變性、時滯性、多變量以及耦合性等特點，使得其控制難度相對于單變量控制方法較為困難。故需對變量之間的關系進行多變量分析。首先，需建立控制過程的數學模型，這里通過研究體積、密度以及固體體積的變化率來進行傳遞函數結構的建立。將控制系統當做單容對象，建立合格介質桶簡化模型，示意圖如圖3 所示。

圖3 合格介質桶簡化模型示意圖

2.3 密度、濃度、液位控制過程建模

由分析可知，合格介質桶在建模分析中可當作無自衡能力的單容對象進行分析，重介質懸浮液的密度、固體體積濃度及液位可由清水流量、加介流量以及分流流量進行控制，實際數值指標為清水閥流量、加介閥流量以及分流閥流量。由于一個閥門流量的改變會使密度、濃度以及液位同時發生改變，故各閥門流量之間存在耦合關系，需進行耦合關系分析來分別求解單變量對密度、固體體積濃度以及液位變化的函數關系。

2.3.1 密度控制傳遞函數

只改變清水閥門流量Q1，加介閥門流量Q2和分流閥門流量Q3不變，其密度控制傳遞函數為：

只改變加介閥門流量Q2，清水閥門流量Q1和分流閥門流量Q3不變，其密度控制傳遞函數為：

只改變分流閥門流量Q3，清水閥門流量Q1和加介閥門流量Q2不變，其密度控制傳遞函數為：

式中：k為閥門流量系數；V為合格介質桶體積，cm3；U為閥門開度；t為流入合格介質桶時間，s；τij為變量流入合格介質桶發生影響的滯后時間，s；ρ 為密度，g/cm3；Q為流量，cm3/s。

2.3.2 液位控制傳遞函數

只改變清水閥門流量Q1，加介閥門流量Q2和分流閥門流量Q3不變，其液位控制傳遞函數為：

只改變加介閥門流量Q2，清水閥門流量Q1和分流閥門流量Q3不變，其液位控制傳遞函數為：

只改變分流閥門流量Q3，清水閥門流量Q1和加介閥門流量Q2不變，其液位控制傳遞函數為：

式中：H為合格介質桶的液位高度，cm；其他同上。

2.3.3 固體體積濃度控制傳遞函數

只改變清水閥門流量Q1，加介閥門流量Q2和分流閥門流量Q3不變，其固體體積濃度控制傳遞函數為：

只改變加介閥門流量Q2，清水閥門流量Q1和分流閥門流量Q3不變，其固體體積濃度控制傳遞函數為：

只改變分流閥門流量Q3，清水閥門流量Q1和加介閥門流量Q2不變，其固體體積濃度控制傳遞函數為：

式中：λ 為重介質懸浮液固體體積濃度。

2.3.4 傳遞函數矩陣

將上述控制公式進行拉氏變換與整理，并進行參數辨識處理可得傳遞函數矩陣為：

2.3.5 控制模型應用分析

將該控制模型應用于實際重介質旋流器選煤生產中后發現，重介質懸浮液穩定與流變特性顯著提升，介質與設備損耗有所降低，生產成本下降6.5%。

3 結論

1）重介質懸浮液黏度可決定懸浮液流變性能、穩定性以及懸浮液洗選效率，因此對懸浮液的密度和黏度的協調研究意義深遠。

2）建立三輸入、三輸出的控制模型，并將其應用于實際選煤生產中后發現，浮液流變性能、穩定性以及懸浮液洗選效率顯著提升，生產成本下降約6.5%，符合重介質選煤技術優化標準。