煤炭跳汰分选过程灰分快速检测技术研究

武国平，乔治忠，赵光辉，胡全良

(1.国家能源准能集团公司科学技术研究院；2.国家能源准能集团公司选煤厂，内蒙古 鄂尔多斯 010300)

跳汰选矿指物料在垂直脉动为主的介质中，根据物料的密度实现分层的重力选矿方法。物料在固定运动的筛面上连续进行的跳汰过程，由于冲水、顶水和床层水平流动的综合利用，在垂直和水平流的合理作用下实现分选。在跳汰选矿的过程中，所使用的介质可以是水，也可以是空气。以水为介质时，称为水介质跳汰或水力跳汰；若以空气为分选介质，则称为风力跳汰。在国内外选煤或选矿的工业生产中，水介质跳汰的应用最为广泛[1]。

跳汰工艺历史悠久，工艺技术成熟，工艺流程相对简单，维护管理方便，加工费用相对较低。跳汰分选入选粒度范围较大，可以对0～50 mm的矿物进行高效分选。除此以外跳汰选矿最大的优点就是节能，低能耗可降低设备运行的费用以及选矿成本[2]。跳汰选矿属于物理选矿，可以采用循环水，水质要求不高，是一种较为环保的选矿工艺。

跳汰工艺在煤炭分选排矸中发挥了重要作用。周京军[3]介绍了动筛跳汰机的结构和工作原理，阐述了动筛跳汰机在煤炭生产过程中的应用。解京选[4]发明了一种应用于煤矿井下的变腔空气室跳汰排矸工艺，该工艺在煤矿井下排出毛煤中的块矸，有效减少矿井提升矸石量，整个工艺系统简单可靠、投资小，可根据需要调整排矸粒度，兼顾块矸的高排净率和排出块矸的纯净度，并回收全部煤泥，实现洗水闭路循环。刘辉[5]简述了动筛跳汰机在2个动力煤选煤厂中的使用情况，通过2个选煤厂的相同点和不同点及应用效果比较分析，指出了动筛跳汰机在排矸工艺选择中应注意的问题。符东旭[6]提出了一种井下跳汰排矸的方法，该方法包括原煤准备、原煤洗选、煤泥水处理以及浓缩水桶中的溢流自流至循环水箱，本发明通过在井下巷道内的选煤设备达到煤和矸石的有效分离，矸石在井下充填使用后不再提升到井上处理。

随着选煤技术的发展，跳汰智能化控制已逐步受到业内广泛关注。王辉[7]采用LCD12864液晶屏作为显示和操作界面，选用可靠性高的PIC16F887作为控制芯片，输出PWM脉冲来对步进电机的转动轨迹进行控制最后带动隔膜运动从而实现多跳汰周期的跳汰设计。于春风[8]分析跳汰选煤属于大滞后、模型不确定的系统，传统的方法难以有效的控制洗选效果，重点设计了排料部分的模糊控制器，详细介绍了原理和设计过程，实现了精煤灰分的实时在线回控。向忠鹏[9]提出了一种基于PLC的跳汰机自动控制系统，根据跳汰机气室的数量设置相应数量的进气阀和排气阀，并根据其排料段数设置电磁转向阀和位移传感器，该系统运行稳定，操作简单，适用性强。马方清[10]提出对精煤灰分以及提高对其回收效率为目的的自动化控制系统方案，该设计系统由2层组成：上层通过以入料性质以及跳汰机分选效率为依据确立系统的实时状态与发展趋势，下层设计一个多环境模糊控制器，实现对跳汰机控制系统的给料、排矸、风量的模糊控制。严斌[11]分析了跳汰机风阀的研究现状，比较了传统方式的跳汰机风阀控制与将智能控制融入到风阀控制系统中的方法，从而设计了一种基于模糊控制算法的风阀控制技术。张旺林[12]以邢台东庞煤矿选煤厂307号跳汰机为研究对象，研究了排料系统控制的模糊控制的特点及方法，对原先的逻辑控制系统进行了改造，实现了基于S7-200PLC的跳汰机模糊排料控制。

作为跳汰选煤的重要技术指标，灰分检测是实现跳汰机自动控制的技术关键。原煤灰分非常重要，是跳汰机确定操作制度的主要依据，进行在线快速检测原煤灰分，可以使跳汰机依据原煤灰分实时调控操作制度，实现操作过程的前端控制，对产品质量控制具有重要意义。同时，精煤、中煤、矸石均为跳汰机工艺的不同产品，对它们进行灰分快速检测，可以指导跳汰机智能化调节，确保精煤质量，对提高分选效率具有重要的意义。因此，本文将重点围绕跳汰工艺不同产品的灰分，通过探索获得灰分快速检测的技术方法，为实现跳汰机自动控制提供支持。

1 煤炭灰分检测技术

煤炭灰分是煤在一定条件下经过充分燃烧后，其中的矿物质分解、化合后生成的残留物。煤炭的灰分含量检测常规方法是快速灰化法和缓慢灰化法。但是随着跳汰选煤技术自动化的提高，常规灰分检测方法存在滞后、繁琐、误差和劳动强度大等诸多问题，已无法满足现有工业生产需求。现有的煤炭灰分检测设备主要包括有源灰分仪、无源灰分仪、图像光谱灰分仪和X射线灰分仪、中子活化灰分仪等。几种检测方法的选择，可以从以下几个方面进行考虑。

1.1 环保与安全

有源灰分仪价格昂贵，而且由于存在放射性安全与污染问题，受到安全管理部门的严格管控，其购置和维护都受到限制，如γ射线灰分仪；无源灰分仪不需要使用专门的放射源，避免了放射源管理与维护，另外更具有实时性强、适应性强、安装简单等优势，能够检测原煤和产品灰分，在国内外均得到了较好的发展和应用。

1.2 技术成熟度

有源灰分仪和无源灰分仪在市面已有成熟产品。图像光谱灰分仪具有无放射性、可实现灰分在线监测、检测速度快、管理使用方便等特点，发展前景广阔，但还处于实验室研究阶段，尚无可以推广的产品。

1.3 技术适应性

为了提高有源灰分仪的检测精度，从技术角度处理就必须加大放射源的活度，以提高探测器的信号接收概率。而有源灰分仪加大放射源强度，环保安全风险会更大，国家的监管力度会更严格，相关的防护措施等级会更高，设备的成本升高，使用性价比会显著降低。相比之下，应用无放射源的天然射线灰分仪则可以很好地解决高灰分原煤或矸石在线灰分测量中的问题。

1.4 技术指标的重要性

精煤的质量高低是评价跳汰工艺过程的重要指标之一。智能化控制过程中，需要严格控制精煤灰分指标。因此，精煤灰分测量采用精度较高的X射线灰分仪更合理。

通过上述技术分析，可以确定灰分检测的技术方法，跳汰精煤可以采用X射线灰分仪，原煤、跳汰中煤和矸石可以采用无源灰分仪。X射线灰分仪已实现成熟的工业应用，在此主要探讨无源灰分仪的可行性和合理性。

2 煤中矿物元素赋存与放射性研究

2.1 煤中矿物结构

对中煤和矸石样品进行XRD测试，确定样品的晶体结构，通过对衍射图谱进行分析，得到样品中不同矿物的类型，如图1和图2所示。可以发现，中煤和矸石中，主要脉石矿物为高岭石，同时含有少量的勃姆石。

图1 中煤样品XRD测试结果

图2 矸石样品XRD测试结果

2.2 煤中矿物元素含量

分别对中煤和矸石样品进行X射线荧光光谱仪测试，从而获得其中各元素的含量，如表1、表2所示。由此可知，中煤和矸石样品中的主要氧化物为SiO2和Al2O3，这两者为高岭石化学分子的主要组成成分，表明中煤和矸石样品中的主要脉石矿物为高岭石。

表1 中煤样品XRF测试结果

表2 矸石样品XRF测试结果

2.3 煤中放射性微量元素

分别取中煤和矸石各3个样品，对其中主要放射性元素进行定量检测，结果如表3所示。这些样品中放射性元素钍的含量较高，中煤样品最大含量为21.9 μg/g，矸石样品最大含量为26.1 μg/g。除此以外，还含有铀、铷等放射性元素。

表3 样品中放射性元素定量检测结果

3 灰分检测的实验研究

3.1 灰分与放射性强度的关系

原煤、中煤和矸石的灰分与放射性强度的关系，如图3所示。分析检测结果表明，煤样具有天然可放射性，其天然可放射性核素含量处于中等可测量水平，所测得的放射性强度完全满足测定需求。原煤与中煤化验灰分与天然放射性具有正相关关系，而矸石化验灰分与元素放射性强度则呈现负相关关系。

图3 灰分与放射性强度的关系

3.2 无源灰分检测结果

将原煤、中煤、矸石样品的化验灰分与检测灰分进行对比，如图4所示。化验灰分与检测灰分数据相关性很好，灰分趋势基本贴合。原煤、中煤、矸石的标准误差分别为0.97，0.57和1.75。因此，煤样的天然放射性强度与灰分含量呈一定的数学模型关系，通过对不同产品的放射性强度单独建立模型，可以计算获得产品的灰分。

图4 化验灰分与检测灰分对比结果

4 结 语

(1)对煤中矿物元素赋存与放射性研究可知，煤样品中主要含有脉石矿物为高岭石和少量的勃姆石，这是煤灰分的主要影响因素。样品因含有放射性元素，特别中煤和矸石中钍元素含量高达21.9 μg/g和26.1 μg/g，是样品呈现较好天然放射性的主要原因。

(2)煤样放射性强度满足灰分测定技术需求，原煤、中煤化验灰分与天然放射性具有正相关关系，而矸石化验灰分与元素放射性强度则呈现负相关关系。对于原煤、中煤、矸石样品，其天然放射性强度与灰分含量具有数学关系，可以依据不同样品的检测结果建立知识库进行数学建模，预测煤样灰分，预测结果与实际化验灰分差异较小，表明无源检测技术的检测结果可信度高，精度较好，工程适应性较强。