重介懸浮液密度的檢測與控制研究進展

＊丁思媛 任月 譚興章 田朔

（中國礦業大學（北京）化學與環境工程學院 北京 100083）

重介質選煤是目前應用最廣、分選效果最好的選煤工藝之一，在國內煤炭分選方法的占比很高。重介質選煤過程中，重介質懸浮液密度的檢測與控制極其重要，重介懸浮液密度直接決定分選密度，進而對產品的最終質量及產率產生影響。本文基于重介質選煤過程，對重介質懸浮液近年來的主流檢測與控制方法進行了研究，并預測發展趨勢，為未來選煤行業的發展提供新的思路。

1.重介懸浮液密度的檢測與控制重要性分析

重介質選煤過程中，利用控制重介質混合液的密度來調控煤炭的分選密度，從而將原煤分選為精煤、中煤以及矸石。這時，最為重要的參數就是重介質懸浮液的密度，其對實際分選密度、產品最終產率以及產品最終質量起著決定性作用。

（1）決定分選密度。重介質懸浮液由水、煤泥和加重質（一般是磁鐵礦粉）組成，三者按照一定比例混合，組成懸浮態的三相流體[1]，調整三者比例可改變懸浮液密度。懸浮液密度改變，分選密度也隨之改變。

（2）影響產品質量及產率。重介質懸浮液的密度應介于被分選的高密度物料與低密度物料之間，其數值應當與生產指標相對應，并且需要嚴格精準控制數值。倘若密度過低，便會引起部分精煤物料下沉，繼而引起精煤損失；倘若密度過高，便會引起高密度物上浮，繼而引起精煤灰分增加，精煤質量大幅度下降[2]。

綜上所述，如何實現重介懸浮液密度的精確而可靠測量，是重介質選煤過程控制的關鍵環節，如果能對重介懸浮液密度測量與控制過程提出優化方案，可以大幅提高選煤效率以及最終產品品質，也會縮減在重介質選煤過程中的成本、資源等投入。

2.重介懸浮液密度檢測方法

在生產中，最簡單的密度測量方法是密度壺，即在一定體積（一般為1L）的定容壺中裝滿懸浮液，稱量其重量，得到懸浮液密度。除此之外，還有雙管壓差式密度計、浮子式密度計等靜態測量方法。但是近年來，由于上述靜態測量方法費時費力，難以實現自動化控制，在生產中應用逐年減少。放射性同位密度計、在線差壓密度計等動態檢測方法在生產中應用更加廣泛。下面主要介紹放射性同位素密度計和壓差密度計。

(1)放射性同位素密度計

傳統放射性同位素密度計是根據放射性物質發出的γ射線通過懸浮液前后的強度變化來得出懸浮液密度的。放射性同位素密度計由三部分組成（見圖1），由鉛密封的Cs137放射源，發射γ射線；γ射線接收器，用以吸收未被管道和懸浮液吸收的余下射線；現場顯示部分，用以顯示測量出的懸浮液密度。放射源和γ射線接收器分別置于懸浮液管道的兩側，放射源發射的γ射線，一部分被管壁和懸浮液吸收，懸浮液密度大小與這部分被吸收的γ射線的強度大小呈正相關，示意見圖1。余下部分則進入γ射線接收器的電離室中，電離室中的特殊氣體，吸收來自γ射線的能量、電離產生電信號。這個電信號被傳輸至現場的儀表進行分析計算，繼而得出懸浮液密度。這種儀器結構較為簡單，測量原理明顯，可滿足自動控制要求。但由于其極難管理和維護，又加標定曲線受標定器具和標定手法的影響很大，由于我國環境監管力度的增強，對涉及放射性儀表的審批和管理越來越嚴格[3]?；谇笆鼍売桑袌錾系姆派湫酝凰孛芏扔嬕阎鸩奖恍滦兔芏扔嬋〈?。

圖1 放射性同位素密度計結構簡圖

基于以上各類問題，鄧磊等人[4]設計了一種以Na22+作為核源的測量儀表，Na22+同位素檢測儀表與傳統Cs137、Co60同位素儀表測量原理一致，但具有極低的活度，低于國家要求的豁免度水平，可當作普通儀表使用。經測試，Na22+同位素檢測儀表準確度高、安全性好，大大提高了企業的經濟效益，在選煤行業自動化方面具有極高的發展前景[4]。

(2)壓差密度計

壓差密度計是基于壓強公式和伯努利方程，在輸送懸浮液的管路上以一定高度差距離安置兩塊壓力傳感器，如圖2所示。不計兩處可以忽略的微小速度差，即可以簡化公式，兩處的壓力差與介質密度大小成正比。兩個壓力傳感器將產生的壓力傳送到差壓變送器，差壓變送器輸出與該差壓成線性的電壓信號，電壓信號經采樣后由控制器計算出介質的密度值[5]。

圖2 壓差密度計結構簡圖

這種測量方法不含放射源，結構及測量原理簡明，能夠實時顯示每個時刻的密度值。壓差式密度計沒有輻射源，具有抗震動、測量誤差小、維護簡單等特點[6]。但現有的壓差密度計容易由于安裝位置的不同和測量流體周圍波動的影響而產生誤差，這種情況在有壓生產時尤其突出。不同的選煤廠根據自身選煤廠的實際情況有不同抗干擾方法。例如，水峪選煤廠中采用在壓差密度計出料側安裝管道三通和電動調節回流閥，使得密度計工作時壓力穩定[5]。解決壓差密度計工作不穩定的情況后，其測量值準確度增加，應用范圍將會越來越廣泛。

3.重介懸浮液密度控制方法

重介質分選中懸浮液密度的控制方法，國內外一直在持續研究，目前應用最廣泛的主要是PLC控制和計算機PID控制。前者利用PLC控制系統，對重介質分選過程進行模塊化以及過程化的控制，其中包括有對重介質懸浮液的密度、粘度以及液位等核心參數進行自動回控和自整定[7]。后者，如53SU1000型重介質自動控制系統，采用PID控制算法實現重介質懸浮液密度的動態平衡；國內所研制的“IZK型重介質懸浮液密度自動控制系統”，通過對精煤灰分的控制，實現懸浮液的密度控制精度精達0.006kg/L[8]。

(1)PLC控制系統

PLC可編程控制器最早出現于美國在20紀60年代[9]，隨著科技的進步，目前PLC系統在重介懸浮液密度測量方面依然應用廣泛，在屯蘭選煤廠，用阿姆德爾數字密度計作為檢測裝置，利用前置放大器完成對密度信號的采集和傳輸。模擬電流再經PLC/CPU控制器處理，由PLC輸出模塊將執行指令發送給執行器調整閥開度，最后通過控制水量自動控制介質懸浮液密度，如圖3所示[10-11]。

圖3 密度控制系統

(2)計算機PID控制系統

以圖4所示重介分選懸浮液密度智能控制系統為例，采用內外雙閉環形式，由外環精煤灰分的計算反饋值與先前設定值的差值作為輸入變量，通過計算機PLC控制器和PID模糊控制器處理，可實時對重介懸浮液密度進行智能調節；與外環相比，內環則是將懸浮液密度測量值與設定值的差值作為輸入變量，通過PID模糊控制器進行邏輯判斷再通過智能控制補水閥、分流閥與加介泵等三種執行裝置進行重介懸浮液密度的調節[12-14]，完成對重介分選懸浮液密度的智能控制。

圖4 重介質分選過程懸浮液密度智能控制方案系統框圖

PID控制原理簡單、使用方便、穩定性強、適用面廣，又以計算機模糊邏輯控制策略對PID參數進行整定，便能實現更精準更智能的控制，從而實現重介懸浮液密度控制全自動化，進而推動選煤過程進一步智能化。

4.選煤重介懸浮液密度控制發展趨勢

（1）檢測控制實時化。選煤重介懸浮液密度的控制是在懸浮液密度的檢測上進行的，密度檢測是密度控制的一部分。密度檢測的要求首先是實時。現下還存在的選煤廠基本上是較大的選煤廠，在進行生產運行時，單小時處理量將是龐大的，因而密度檢測需要快速處理，以便調節懸浮液在合適范圍內，進而有效指導生產實踐。

（2）檢測精確化。密度檢測需要準確，否則將會錯誤地指導實踐，使產品質量不達標，造成產能浪費和資源損失。

（3）系統設備維護簡單化。裝置的檢修及維護要求簡單，裝置要求耐用性好，可靠性高。若設備使用不便，設備維護困難，相關技術人員的培訓花費大，不利于提高選煤效率。因此，未來密度檢測與控制設備必然是簡單且容易操作的，可以提高選煤工作效率，節約人力物力。

（4）裝置環保化。由于放射性同位素密度計結構簡單、測量方便等，目前許多選煤廠仍在使用放射線同位素密度計，但這類密度計存在很大的安全隱患。人體攝入傳統放射性同位素密度計使用的Cs137超過0.25Gy后，可能導致造血系統、神經系統損傷等，若超過6Gy，則可致人死亡[4]。因此，尋找無射源的重介懸浮液密度測量方法迫在眉睫，隨著科學技術的發展，新型密度計將會逐漸取代放射性同位素密度計，在社會環境保護方面發揮一定作用。

（5）成本低廉化。對于企業來說，除了本身應該注意的社會效益和環境要求，最重要的就是經濟效益。低廉可靠的儀器設備可節省企業相當可觀的附加成本。比如放射性同位素密度計，除去本身儀器的費用外，還需建立專用庫房，相關人員的防護設備等各項投資也大。因此，成本低廉化也是未來選煤重介懸浮液密度檢測與控制發展的趨勢。

（6）生產自動化、智能化。當前各行各業都向智能化發展，選煤行業也將向此方向大力發展，解放勞動力，實現工廠無人化生產。就重介懸浮液密度檢測與控制系統而言，當前密度控制系統有PLC控制系統、PID控制系統、前饋解耦-Smith控制系統，皆是通過密度檢測反饋后進行調節，也有通過檢測灰分進行調節的。對于當前的系統控制，還存在著許多不足，需要人們進一步研究，找出更好的控制算法[15]。時下，生產的自動化不斷完善，因而生產和計算機的聯系越來越緊密，因而選煤行業以及選煤重介懸浮液密度的控制將來會用到更多的計算機智能。此外，檢測與密度相關的參數后，傳輸信息才能進行調節。但是補水、補介過程中存在明顯的信息滯后，進而對選煤效果造成極其嚴重的影響[16]。因而，需要找到加快調節響應速度的智能控制策略，以縮短控制周期的時間長度。

選煤廠生產自動化、智能化是選煤行業的發展方向，不僅體現在重介懸浮液密度檢測與控制系統上，更體現在選煤廠的各個環節中。經由計算機智能實現無人化生產，對提高選煤廠分選精度與工作效率、提高企業經濟與社會效益，將會產生巨大影響。

5.結論

重介懸浮液密度的檢測與控制在選煤生產中發揮著重要作用，直接影響選煤產品的產率與質量。先進合理的檢測與控制系統，能夠在提高選煤廠經濟效益、促進選煤工業發展方面產生很大影響。目前的檢測與控制系統還存在一些不足，仍需要消耗大量人力物力，自動化、智能化是未來檢測與控制系統乃至整個選煤行業的發展趨勢，同時也有利于實現無人化分選生產，進而提高經濟效益。