无源在线测灰技术在浮选加药系统中的应用探索

文/郭清杰（淮北矿业股份有限公司煤炭运销分公司）

中国是煤炭生产大国，已探明煤炭资源总量超过5.9 万亿吨，为了保护环境，促进经济的可持续发展，国家提出发展清洁能源、节能减排的目标[1]，大力推进“碳中和”“碳达峰”，而选煤厂智能化建设是“碳中和”目标实现的重要一环。浮选是0.5 mm 以下粒级煤泥分选回收中应用最广泛也最有效的一种选煤工艺，占国有大中型选煤企业入选总量的10%～20%。如何满足精煤质量指标要求、提高浮选效率和精煤回收率直接关系到资源有效回收利用和企业经济效益。灰分是煤炭燃烧后的残留物，经过现场采样、制样、化验到报出结果，这一过程即使采用快速灰化测定法所用时间也超过1 小时，效率低，且存在采样代表性差、人为误差等问题，难以及时准确检测浮选过程中的精煤灰分，往往导致浮选加药的时效性滞后，无法满足均质稳定生产精煤的现场需求。

一、浮选加药系统现有工艺及存在问题

1.浮选加药系统现有工艺

浮选系统原料主要来自于脱泥筛筛下物、重介系统中各产品离心液和精煤、中煤磁选尾矿进入分级旋流器后的溢流。按照煤泥水在进入浮选过程之前是否经过浓缩处理，分为直接浮选、浓缩浮选和半直接浮选三种浮选工艺。煤泥未经浓缩处理而直接进行浮选称为直接浮选；煤泥经过浓缩处理后才进行浮选称为浓缩浮选；煤泥部分经过浓缩处理称为半直接浮选。现有的浮选加药工艺，是根据生产过程中人工采制样反馈的产品质量情况调节浮选药剂添加量和药剂比例，进而控制产品灰分。

2.存在问题

目前大多数选煤厂采用的浮选加药方式，操作烦琐，生产过程中浮选机的入料、浮精、浮尾等需要操作人员根据经验判断和对煤质进行及时检验[2]。当煤质变化后，煤泥水浓度或粒级、黏度等发生改变，如果药剂无法及时调整，极易因调整过度引发次生问题，同时不利于安全生产[3]。而加药系统调节不及时，导致浮选系统与生产需求不协调，制约选煤厂生产运行，加之制药水温度、酸碱度、加药搅拌方式及搅拌时间等因素影响，导致实际生产中药剂消耗量增大，增加生产成本。有时现场存在操作人员缺乏经验或责任心不强等现象，加药量也存在很大的随意性。

如果现场能够实时掌控浮选精煤的灰分，及时反馈灰分的真实情况，对生产过程进行有效控制，上述问题就能得到解决。无源在线测灰技术就是解决问题的一个方向。

二、无源在线测灰技术应用

1.技术概述

无源测灰技术是一种被动探测技术，主要通过检测煤炭中天然含有的微量放射性元素来分析灰分。煤层在漫长的形成过程中，会有微量的放射性物质如钍、镭、铀、钾、铷等伴生，据相关研究报告，同一地质区域的煤层中所含有的微量放射性元素的含量基本稳定，而煤中的微量放射性元素全部存于矿物质之中[4]。在无源探测技术中，利用微量放射性物质探测组件，一方面用环境辐射屏蔽铅室对宇宙射线进行屏蔽，另一方面则对被测试的煤流中的钍、镭、铀、钾、铷等放射性核素所发出的微弱射线进行精确探测与定量分析，能够得到与煤的灰分相关的表征数据。

相关地质资料和微量元素探测技术研究表明，煤中微量放射性元素的能谱射线其实并不连续，呈现出明显的脉冲现象。无源探测灰分技术目前有两个方向：一是三元素（铀、钍、钾）能量峰法，二是五元素（钍、镭、铀、钾、铷）瞬时射线法。三元素能量峰法是对煤中天然含有的放射性元素钾、铀、钍等3 种元素的能量谱线所形成的能量峰面积进行计算，其缺陷在于煤中天然放射性元素的辐射能量仅为环境辐射的负8次方，三元素的能量峰实际上可能会湮没于环境辐射之中，准确得到煤中元素的具体含量相对较难。五元素瞬时射线法是对煤中天然含有的钍、镭、铀、钾、铷等5 种元素的能量谱线分别进行检测，可以精确得到各元素具体含量[5-7]。

2.无源在线测灰仪结构及测灰特点

近年来，国内多个厂家基于两个测灰技术方向开发了多种类别的在线测灰设备。目前在淮北矿区应用的AT-MHO-216W 无源在线测灰仪采用了横跨胶带机的门架式设计，其结构如图1 所示。

图1 无源在线测灰仪结构示意图

该在线测灰仪将灰分探测单元置于胶带下方，可以有效接收来自胶带上的煤流中天然放射性元素所发出的微弱的γ 射线；将微波雷达天线分别置于胶带上下两侧，两个天线之间的连线与皮带垂直，有利于微波发射天线所发出的微波穿透皮带上的煤流全断面，从而测得煤中的全水分；整个灰分探测器的有效探测范围内的皮带全部用铅板进行封闭，可最大限度屏蔽来自宇宙和地球的电离辐射，未被有效屏蔽的电离辐射即“噪声”，在后续的算法中予以剔除[8]。

无源在线测灰特点是无放射源，可避免放射性污染，在正确使用的前提下，能达到一定的测量精度，且杜绝人为因素干扰，可将测定结果作为内部结算依据，在线测灰时效性强，可避免灰分检测滞后，有利于加强质量过程控制，在煤量大且集中、采制样工作强度大的场合可减轻职工的劳动强度[9-12]。

3.现场的使用情况

为准确掌握生产过程中的动态灰分，基于在线实时测灰对加药系统进行反馈调节，同时为进一步论证无源在线测灰设备所测的灰分可靠性，从2021 年3月开始，我们在临涣选煤厂随机选取一台应用于浮选精煤生产的五元素无源测灰设备，按国标人工采制样和化验，所测灰分与灰分仪进行对比，结果显示，点对点对比差值在0.09%～1.66%，91%以上数据的点对点对比误差在0.5%以内。人工采制化数据的灰分平均值为10.50%，设备所有数据的灰分平均值为10.39%，两者平均误差为0.11%。

智能化加药系统是选煤厂实现智能化的前提，回测AT-MHO-216W 无源在线测灰仪在淮北矿区的使用数据可知，设备的检测精度较高，波动范围稳定，误差值小，能够实时在线测定，迅速向加药系统反馈产品灰分，保证浮选药剂添加量和药剂比例得到及时调节，浮选系统与生产需求得以协调一致，减少了以往生产中药剂消耗量过大的现象，降低了生产成本。

从以往灰分仪调试标定情况看，若随机安排从产品皮带上取样，经过制样进行灰分化验，获得的数据与从在线灰分仪软件上同一时段前后各5 min 的灰分数据进行比对，测量精度数据如表1 所示。该检测精度对选煤厂生产参数调整有很好的指导作用，能够满足重介及浮选生产需要。

表1 灰分测量精度表

三、结语

使用无源测灰仪在线测灰得到基于在线实时检测的灰分数据，在远程控制中心即可及时反馈进行浮选药量调节，避免了基于人工采制化测灰造成的生产控制滞后、质量偏离预期和随意浪费药剂现象。无源测灰技术拓展了选煤厂智能化建设的场景，经过现场实践应用及持续改进，目前技术已经趋于成熟，相关产品检测精度、稳定性已经能够满足浮选实时控制灰分所需，具有良好的应用前景。