选煤厂煤泥水处理系统药剂箱结构及控制系统软硬件设计

张克彬

（阳泉煤业集团新景矿洗煤厂，山西 阳泉 045000）

选煤厂处理煤泥水不仅可以提高选煤厂经济效益，还有利于减少对环境的污染[1]。煤泥水含有较多的煤泥颗粒、重金属元素及其他药剂，若直接排放，必然造成水资源、土壤污染。煤泥水处理需要药剂箱和控制系统来实现，选煤厂的处理能力与效果受处理工艺影响，设计煤泥水系统药剂箱和自动控制系统的软硬件结构，来实现选煤厂处理煤泥水的先进工艺[2]，对选煤厂处理煤泥水具有重要意义。

1 处理煤泥水药剂添加系统

压缩和压滤过程是煤泥水处理系统关键流程。主洗车间处理的煤泥水排入浓缩池，在入料管添加白药絮凝剂对煤泥水进行首次处理，处理后的液体被送入洗选，而浓缩池中剩余的煤泥水被输送到压滤车间，在压滤车间黄药助滤剂和煤泥水进行混合，随后被压滤机压滤成饼。

煤泥水被浓缩需要凝聚剂与絮凝剂两种药剂[3]助力，在处理煤泥水过程通过药剂添加既能保障煤泥水处理效果，提高循环水质量，还有效减轻工人劳动强度，整个系统稳定可靠。药剂添加系统的相关设施如图1所示。

图1 药剂添加系统设备

2 药剂箱结构设计

2.1 药剂箱尺寸设计

药剂添加系统供药能力大小受药剂箱尺寸影响，处理能力受药剂箱体积决定。收集选煤厂采购的PAC药剂和经处理后达标循环水，分别作为溶液溶质和溶剂。在大烧杯中倒入量取的1000mL循环水，设置十组试验观察不同质量溶质溶解效果。在每个烧杯加入不同质量PAC固体颗粒，立即不停搅拌10min后，随即观察溶解效果，详见表1。

表1 不同质量PAC在溶剂中溶解效果

根据表1可知，PAC溶质为0.19kg溶液未有沉淀，而溶质为0.21kg时有沉淀生成，故可认为0.2kg为一个分界点，视为在0.2kg以下时溶质完全溶解。考虑到搅拌机发热、寿命等问题，在使用过程不可能一直处于搅拌，因此虽然确定了PAC溶质溶解度，还需要清楚了解搅拌机停止搅拌多长时间后会有沉淀。PAC溶质质量为0.2kg，除静置时间不同外，其余均控制相同条件下进行试验，分别观察这五组沉淀情况，溶解结果见表2。

表2 不同静置时间溶质在溶剂中溶解效果

从表2得出10min以内溶液未生成沉淀，在20min有少许沉淀，在30min沉淀比20min略多，并随着时间延长沉淀越多。选煤厂每班平均PAC药剂消耗约为2t，根据实际情况，此次计算药剂浓度取155g/L。还要考虑到药液膨胀效果，75袋药剂完成配制后，体积大约为13.5m3，那么药剂添加箱体积必须大于13.5m3。设计需给压滤车间与主洗车间作业空间，压滤车间药剂添加箱设计体积为17.7m3，主洗车间药剂添加箱体积设计为18m3。

2.2 药剂箱结构选型设计

设计的药剂箱不仅具有溶解药剂的功能，而且还具有存储的功能。药剂箱结构主要包括搅拌器、加水阀、管道泵、液位变送器、浮球阀。

根据主洗车间、压滤车间不同药箱尺寸，分别设计不同功率、尺寸的搅拌器。加水阀型号采用D941X型，其为电动蝶阀，相应电压220V，两路进水。管道泵型号选择ISWH型，其为卧式化工泵。液位变送器选用CYB-36SB型，其为法兰式压力变送器，能够实现实时采集药剂箱中液体位置。选择UQK-01型的浮球阀能够实现快速关闭。

3 控制系统软硬件设计

3.1 药剂控制系统硬件组成

选煤厂处理煤泥水自动添加药剂的整个系统中，PLC是核心控制主件，能够采样、执行、输出，控制的基础全靠PLC实现。PLC主要依据IO点、信号、编程三大特性，作为控制器。设计的控制器PLC选择Micro850 2080-LC50-48QWB型，PLC控制器结构如图2，数字代表各个接出线口，PLC控制器内嵌组块型号、参数详见表3。

图2 PLC控制器

表3 PLC控制器参数

3.2 药剂控制机系统软件组成

在处理煤泥水过程中，为实现药剂自动控制，需要软件和硬件相互协作。设计中PLC编程环境运用CCW，MCGS软件编程构成下位机触摸屏组态，Factory Talk View 9.0组态软件是上位机的组态实现的载体，设计时还考虑了调用和存储数据情况，运行时调用与存储的数据库采用SQLServer 2008操作系统。那么CCW编程、MCGSE昆仑通态、FTView上位机及SQLServer 2008界面就组成了整个煤泥水处理过程药剂自动添加过程的控制软件。

3.3 自主添加药剂控制系统

工控机、PLC控制器、传感器、执行机构共同构成处理煤泥水药剂自动控制系统。搅拌器在未达到设定的液位最低值时，处于关闭状态，只有液体在设定液位时，搅拌器自动开启，虽然溶质和水同时进行添加，但因为量不同，溶质添加先行完成，继续添加水，当整个液体液位达到设定的位置后，加水系统检测到预设状态，阀门自动停止加水，这个过程控制溶质添加的质量根据公式（1）计算而得[4]。

式中：

m-药剂添加质量，kg；

L-溶液在药剂箱的最大位置，m；

l-溶液在药剂箱的当前位置，m；

S-药剂箱底面面积，m2；

c药-溶液浓度，g/L。

药剂被添加时，传感器收集的数据需要PLC优化计算，药剂添加在主洗车间是一个连续的动态过程，变频泵输出药剂量的泵频率；药剂添加在压滤车间则是一个间断性的过程，工频大流量泵输出加药时间，就需要以下公式转换。

式中：

P频-泵运行频率，Hz；

C入-入料煤泥水浓度，g/L；

Q入-入料流量，m3/h；

b1-凝聚剂添加量，kg/t；

c药-药液浓度，g/L；

Q药-泵额定流量，m3/h。

式中：

b2-絮凝剂添加量，kg/t。

式中：

t泵-泵运转加药时间，s；

C煤-压滤车间入料煤泥水浓度，g/L；

Q煤-压滤车间入料流量，m3/h；

b3-助滤剂添加量，kg/t；

t1-入料时间，s。

4 添加药剂处理煤泥水效果分析

采用先进数据采集传感器和药剂箱，利用matlab软件就处理煤泥水参数来预测药剂量及自动控制程度。为了分析和评估添加药剂后煤泥水处理效果，把PAC药剂添加前与添加后的煤泥水溢流水浊度进行对比。图3为药剂添加之前的溢流水浊度，图4为PAC药剂添加后溢流水浊度。

图3 PAC药剂添加前溢流水浊度

图4 PAC药剂添加后溢流水浊度

未添加PAC药剂时，从图3计算出处理煤泥水后的平均溢流水浊度约为45NTU；在处理煤泥水时添加PAC药剂后，从图4计算出处理煤泥水后的平均溢流水浊度约为12NTU。模拟说明添加了PAC药剂能够有效增高浓缩池溢流水清澈度，从而可以判定PAC药剂、药剂箱、控制系统在浓缩过程中意义重大。

5 结 论

针对选煤厂处理煤泥水污染环境、水资源浪费和工艺困难等情况，对煤泥水处理环节的药剂箱结构和自动添加药剂控制系统进行软硬件设计，得出以下结论：

（1）根据PAC在溶剂中溶解效果，分别对压滤车间和主洗车间药剂添加箱设计了体积尺寸。并对药剂箱的搅拌器、加水阀、管道泵、液位变送器、浮球阀等组件进行了选型、配套。

（2）控制系统软件采用CCW编程、MCGSE昆仑通态、FTView上位机及 SQLServer 2008等组态，工控机、PLC 控制器、传感器、执行机构共同构成药剂处理煤泥水控制系统。

（3）PAC药剂添加后溢流水浊度明显比未添加效果好，煤泥水处理过程在药剂箱和自动添加控制下，不仅提高了资源回收率，还节约了水资源，有利于生态环境。