重介质悬浮液的密度和黏度的协调研究分析

2022-04-02白泽海

山西冶金 2022年1期

白泽海

（晋能控股煤业集团大地选煤工程（大同）有限责任公司，山西大同 037003）

随着采掘技术的提高以及地质环境的变化，对选煤技术也提出来越来越高的要求。重介质选煤技术因其效率高、粒度范围广、适应性强、设备简单、易于自动化等特点逐渐成为选煤技术的主流。传统的重介质选煤技术中，重介质悬浮液的调节大多只关注密度，将合介桶的液位与黏度只作为参考值进行观测。实质上，重介质悬浮液的黏度与悬浮液的流变性能与稳定性密切相关，重介质悬浮液黏度的控制既可提升悬浮液的分选效果与稳定性，也能降低介质的损耗，从而降低设备损耗及选煤成本。因此，本文拟建立三输入、三输出的控制模型对重介质悬浮液的密度和黏度的协调控制进行研究，以期对实际生产有所帮助。

1 重介质选煤技术工艺流程分析

重介质选煤设备依据工作原理可分为块煤重介质分选机和末煤重介质旋流器两种。前者主要依靠重力进行块煤分选，后者主要运用离心力进行末煤分选。由于块煤重介质分选机具有介质损耗大、设备磨损严重、处理有上限等缺点，故本文主要对末煤重介质旋流器进行研究。重介质旋流器选煤工艺流程示意图如图1 所示。

图1 重介质旋流器选煤工艺流程示意图

重介质旋流器工艺按照介质与煤粒的流向可分为两个部分。其中，煤粒的流向为通过重介质旋流器将原煤分选完成后，旋流器顶端排出所得精煤，底部排出矸石；分选完成的矸石与精煤会进入脱介筛，由1307 脱介筛与1306 脱介筛进行分别处理；脱介筛的处理又可分为两部分，第一部分为不喷水脱介，另一部分为高压水脱介；脱介处理完成后的矸石与精煤经离心机脱水后送往各自的皮带后，分选工艺即完成。介质流程为1302 主选合格介质桶按既定密度与黏度进行悬浮液混合，然后通过合介泵注入1301主选混料桶，与原煤混合后，运用脱介筛进行悬浮液回收；一段脱介筛由于未进行喷水处理，故可直接自然回流到主选合格介质桶，二段脱介筛经高压喷水处理后为稀介质，需流至1303 稀介桶，经磁选机浓缩后方可使用。

2 重介质悬浮液密度和黏度协调控制系统设计

2.1 控制系统的参数结构设计

通过对重介质旋流器选煤工艺流程分析可知，重介质悬浮液的特性控制主要由合介桶进行。主要从六方面对合介桶进行研究，包括分流箱介质流、合介桶出料、矸石段脱介介质流、浓介桶输入介质流、精煤段脱介介质流以及磁选机浓缩介质流。其数据关系式为：

式中：Q—Q6分别为合介桶出料，分流箱介质流，清水、矸石段脱介介质流，浓介桶输入介质流，精煤段脱介介质流以及磁选机浓缩介质流的流量数值；ρ—ρ6分别为介桶出料，分流箱介质流，清水、矸石段脱介介质流，浓介桶输入介质流，精煤段脱介介质流以及磁选机浓缩介质流的密度数值；λ—λ6分别为介桶出料，分流箱介质流，清水、矸石段脱介介质流，浓介桶输入介质流，精煤段脱介介质流以及磁选机浓缩介质流的质量浓度数值。

通过对重介质旋流器选煤流程进行分析研究后，其控制过程示意图如图2 所示，其中Gij（s）为控制模型传递函数。为保证重介质悬浮液的密度与黏度，其实质就是要控制清水流量、加介流量以及分流阀流量三部分。对应到图2 中的阀门开度为：U1为清水阀门开度，U2为加介阀开度，U3为分流阀开度。在实际控制中，除密度与浓度，液位也是控制悬浮液密度与黏度的关键，故将液位H加入控制关系图中。

图2 液位、固体体积浓度、密度控制过程示意图

2.2 密度、浓度、液位控制过程的建模分析

由于重介质选煤工艺为化工生产中典型的多变量对象，具有时变性、时滞性、多变量以及耦合性等特点，使得其控制难度相对于单变量控制方法较为困难。故需对变量之间的关系进行多变量分析。首先，需建立控制过程的数学模型，这里通过研究体积、密度以及固体体积的变化率来进行传递函数结构的建立。将控制系统当做单容对象，建立合格介质桶简化模型，示意图如图3 所示。

图3 合格介质桶简化模型示意图

2.3 密度、浓度、液位控制过程建模

由分析可知，合格介质桶在建模分析中可当作无自衡能力的单容对象进行分析，重介质悬浮液的密度、固体体积浓度及液位可由清水流量、加介流量以及分流流量进行控制，实际数值指标为清水阀流量、加介阀流量以及分流阀流量。由于一个阀门流量的改变会使密度、浓度以及液位同时发生改变，故各阀门流量之间存在耦合关系，需进行耦合关系分析来分别求解单变量对密度、固体体积浓度以及液位变化的函数关系。

2.3.1 密度控制传递函数

只改变清水阀门流量Q1，加介阀门流量Q2和分流阀门流量Q3不变，其密度控制传递函数为：