重介質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

煤炭資源是我國能源結構中的重要組成部分，煤炭從井下開采出后的洗選過程對煤炭質量起著很關鍵的作用。重介質選煤技術由于設備簡潔、洗選效果高，一直是各大洗煤廠較為常用的設備。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出率較低的現象。為進一步提高重介質選煤設備的選煤精度，本文對重介質旋流器入口壓力及懸浮液密度控制進行研究。

1 工程實際及原理

傳統重力選煤是通過物料密度之間的差異，將密度大的介質下沉、密度小的介質上浮來進行矸石與煤的分選。重介質旋流器與重力選煤的區別在于提升了分選動力，可以實現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，通過旋轉過程中的離心力加快物料之間的分離速度，實現煤粒的快速分選，而且可對不同粒徑的煤進行分層，具體選煤工藝如圖1 所示。

圖1 重介質選煤工藝結構示意圖

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

2 重介質旋流入口壓力控制

2.1 影響因素及壓力分選試驗

旋流器中的煤料會受到離心力作用進行煤與其他雜質的分離，而離心力的大小會受到進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定對分選有著很大影響，壓力過小會造成旋流器離心力不足，影響分選效果；壓力過大，又會使得矸石等介質對旋流器內壁造成磨損。通常對入口壓力的控制在50～120 kPa 之間。現通過對比不同入口壓力下重介質旋流器的篩分效果來進行篩分試驗，參數結果如表1 所示[2]。

表1 不同入口壓力下重介質旋流器篩分效果

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。當入口壓力為80 kPa 時，精煤的產出率為61.36%，底部矸石產出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，試驗中可以看出精煤會伴隨矸石共同從底流口排出。當入口壓力升至90 kPa 時，精煤灰分有所降低同時流出矸石的灰分在增加，精煤產出率也在增加，由此可以看出，其他參數不變時適當

式中：S 為電機定子繞組極對數；c 為轉差率；f 為頻率。

由式（2）可以得出，電機的轉速控制取決于用電頻率，S 對于電機選型完畢后是一個固定值，而轉差率又與電機旋轉磁場同步轉速有關，且在電機正常運行過程中這一變化值是很小的，因此對重介質旋流器入口壓力的影響因子進行推導可知，入口壓力的大小主要取決于變頻調節泵的頻率。

因此在物料混合泵將物料向重介質旋流器進行輸送時可對電機頻率進行調節，以確定入料口壓力值，并在入口處設計壓力傳感器對壓力信號進行監測反饋，具體流程如圖2 所示。通過系統設定初始壓力值，并在入口處設計壓力傳感器對重介質旋流器的入口壓力值進行監測，利用模糊控制對壓力值出現偏差時進行差值調節，以實現入口壓力的均衡性。確保重介質旋流器的高效洗煤，其中變頻調節泵的轉速調節增加入口壓力值可以提升精煤的產出率，降低其灰分。當入口壓力升至105 kPa 時可以看出精煤灰分雖然進一步降低了，但精煤產出率也降低了，而且灰分降低至了59.24%，很難滿足生產需要。較大的分選壓力也使得懸浮液自身產生了分層濃縮效果，造成了精煤產量的下降。因此進行入口壓力的合理設計，能夠顯著提高分選產品的穩定性[3]。

圖2 重介質旋流器入口壓力控制流程圖

2.2 入口壓力選擇計算

對于入口壓力的控制，一方面是通過調節泵的轉速進行調節，另一方面是通過出料閥的開度進行調節。但后者會因長期使用而降低壽命，因此選用調節泵進行轉速調節來實現對入口壓力的控制效果。入口壓力與轉速計算公式為：

式中：P 為入口壓力；δ 為常數；n 為調節泵的轉速。

而對泵轉速進行調節控制，主要取決于選用電機的轉速：可以實現對入口速度的控制并進而實現對進口壓力的控制調節。

3 懸浮液密度控制設計

對離心力公式進行變化可知，懸浮液密度不同對分選效果也會產生很大影響，密度過小，精煤會隨矸石一同從底流口排出；密度過大矸石會混入精煤造成精煤灰分過大，因此進行懸浮液密度的精確控制十分重要。對于旋流器密度控制存在極大滯后性，且密度調節過程中會對物料桶內部液位變化產生影響，很容易影響到精煤的產率。因此本文通過設計算法優化來改善密度與液位之間的動態性能。

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懸浮液進行調配，并回收洗選結束后的介質。其中回收介質為洗選產物處理后所得，具體洗選流程為：物料桶對懸浮液進行密度調配并加入原煤，混合料進入重介質旋流器進行分選，分選產物在重力作用下將介質進行脫離流入混料桶，后一步產物在高壓加水處理下與介質脫離，同樣將介質流入混料桶中繼續使用。可以看出混料桶中的液位及密度在洗選過程中發生了多次變化，為確保懸浮液密度控制在合理范圍之內，決定對利用清水閥及加介閥對懸浮液密度及液位進行參數控制。

圖3 重介質旋流器洗選工藝圖

1）清水閥。當清水閥處于打開狀態時，混料桶的液位不會立刻上升而是出現一定的滯后性，隨后液位會以一定速度增大，滯后時間一般為5 s 左右。懸浮液密度變化也呈現一個滯后性，但滯后時間要小很多，因此可以通過布設清水閥調節方式，實現對懸浮液密度的快速調節效果。

2）加介閥。同樣利用加介閥對混料桶液位懸浮液密度進行改變，對于混料桶液位的變化滯后時間為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增大，但也存在一個時間上的滯后性，而且懸浮液密度的增大趨勢也在不斷變小直至趨于平穩狀態。

通過兩者之間的關系，實現對混料桶液位及懸浮液密度變化的控制效果，并進行DMC 算法預測控制來對液位與密度進行仿真模擬控制調節，具體結果如圖4 所示。

由圖4 可以看出，基于DMC 預測控制對兩者參數值進行調節，液位到達穩定狀態的調節時長125 s即可完成，超調量為0；而密度從初始狀態到達穩定值的調節時長為120 s，超調量也同樣為0。由此可以看出，該算法可以有效解決超調問題，且調節時長也較短，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 算法預測控制圖

4 結語

結合變頻調節泵對重介質旋流器入口壓力進行控制調節，并利用DMC 算法對混料桶液位及懸浮液密度進行優化控制，解決了懸浮液密度控制過程中的滯后性問題，優化了密度調節時間。經過上述兩種方式對重介質旋流器進行優化設計，增強了旋流器的分選效率，精煤產量得到提高，同時精煤灰分也得到降低，對煤炭企業產生了巨大經濟效益。