跳牍选煤过程模拟与控制研究新进展

跳牍选煤过程模拟与控制研究新进展

跳选煤炭是主要的煤炭挤出机。据统计，世界每年都使用约50%的逃避率，但中国60%以上的精煤来自逃避率。跳汰选煤的优点在于工艺流程简单、设备操作维修方便、处理能力大,且有足够的分选精确度;另外,跳汰选煤入料粒度范围宽,能处理0.5～150mm粒级原料煤。跳汰选煤的适应性较强,除极难选煤外,均可优先采用跳汰分选方法处理。因此未来很长一段时间内,跳汰选仍将在我国选煤行业中居优势地位。跳汰选煤工艺是一个多因素、多参数、复杂的物理过程,因此影响因素多且相互关联,建立完善成熟的跳汰分选理论仍是选煤界追求解决的科研课题。近年来,科研工作者对跳汰分选过程的研究进一步深入,对跳汰分选机理的研究取得了新的进展。跳汰选煤设备也有了长足的发展,已经生产出了结构比较完善的跳汰机。另外对于跳汰过程的模拟和智能控制也成为近年来专家学者研究的热点。1三角帆和采煤理论的发展1.1对跳砾分层过程的分析和讨论科研工作者对跳汰分选过程的研究进一步深入,在已有跳汰分选机理(主要有古典理论、重介理论、位能理论、概率统计理论等)认知的基础上,借助现代先进的测试仪器、仪表,应用计算机技术,通过过程仿真、图像识别、信息分析处理等手段模拟、跟踪跳汰分选过程,对跳汰分选机理的研究取得了新进展。张荣曾等从分析跳汰机中脉动水流作用下颗粒受力与床层松散过程出发,建立了较完整的颗粒运动基本方程,并提出了水流和床层对颗粒运动的作用力与加速度对颗粒作用的惯性力新算法;采用自主开发的跳汰机风压、脉动水流运动、各分层床层松散状况的同步示波测试技术,观察到跳汰分层的一些新现象;提出了脉动水流加速度对物料按密度分层的重要意义;深化了人们对跳汰机中床层松散过程的认识;为提高跳汰机按密度分层的效果,给出了制定跳汰机合理工作制度与确定风压的新方法;他们还较详细地讨论了跳汰机中脉动水流的动力学原理,提出了等效长度与跳汰机中筛板与床层水头损失的新算法;建立了跳汰机中水流脉动的非线性微分方程,并给出了方程中各项参数的具体计算公式。通过对实例进行计算与实测的对比,表明两者有较好的一致性。利用这种方法可设计跳汰机的结构参数和工作制度,并确定跳汰机所需的风压,为跳汰机相似模型试验提供理论依据和实现方法。曾鸣等认为跳汰机内部水流的运动与机体结构密切相关,用理论流体力学或实验流体力学的方法来研究相当困难,他们采用计算流体力学的方法对LTX-35型跳汰机的两种不同机体结构的流场进行了数值模拟研究,结果表明弧形导流板更有利于流场的均匀分布,这与水电模拟结果比较吻合。朱金波用计算流体力学方法对跳汰室内流场进行研究,计算出了跳汰机各断面的流速及压力分布情况,并画出了流场状态,为跳汰机结构设计、跳汰机内物料运动特性分析及跳汰效果的评定提供了必要依据。樊民强等在大量试验的基础上,归纳了不同密度颗粒在床层中分布的基本形态。分析了颗粒分布形态与正态分布的联系和区别。用四分位模型构成了有效描述颗粒在床层中分布的模型体系,并验证了大多数分布为非正态分布。王振翀等在深入分析跳汰过程中颗粒运动的特征后,将床层按颗粒在一个跳汰周期中的垂直行程划分成n层,应用马尔科夫链理论建立了跳汰分层过程的数学模型,并给出了模型参数的实验测定方法。在此基础上,对跳汰分层过程进行了计算机模拟。模拟结果揭示了跳汰床层中物料分层的形成过程,解释了当中间密度物料多时分选效果变坏的原因,所得结果与跳汰分选实际情况一致。匡亚莉等应用跳汰模型实验系统和高速动态分析系统,研究了跳汰床层在不同操作条件下的分层过程。研究表明,利用高速动态分析系统可以清晰地观察跳汰床层的运动情况。通过观察和分析,绘制了跳汰床层运动的位移、速度、加速度、能量和受力曲线,揭示了跳汰床层分层过程的一些现象和机理。并认为在跳汰分层的5个阶段中,上升初期的影响最大。上升初期颗粒所受合力的大小与颗粒本身所处的位置,决定了颗粒在该周期能否分层。这一结论与目前公认的研究结果不同。在上升期,水为颗粒提供了主要动力;在下降期,重力是主要的影响因素。在此实验条件下,颗粒分层主要发生在上升期。王振生把跳汰选煤的理论概括为:脉动松散的跳汰运动分层,准重液浮力分选。脉动松散是必需的,跳汰运动强度是主导和决定性的。只要运动强度合适,其效果便会迎刃而解。并反复论证了跳汰分选效果不如重介选的原因是由于跳汰运动强度调控不准、不适和掌握得不稳定,中煤和矸石段的分选密度控制不精确以及重产物排放未能实现智能化所致。一旦这些问题解决,跳汰选煤效果必将大幅度向重介质选靠近,甚至可能超过重介质选煤。樊民强等用β分布函数模拟颗粒在跳汰床层中的分布,并得出结论:部分相邻密度颗粒分布模型参数间具有相关关系。拟合结果误差小,说明了用β分布描述各密度颗粒在跳汰床层中分布形态的有效性。n个密度级的模型参数仅为2n-2,有利于实现对跳汰分层情况的预测。上述研究可得出以下共识:(1)跳汰分层基本上是按密度进行分层,同时也受到粒度的影响。分层后,相同粒度下,密度大的物料分布层位相对靠下;相同密度下,粒度大的物料分布层位也相对靠下。(2)跳汰过程离不开床层,床层是矿粒按密度分层的介质。(3)跳汰过程是周期性脉动过程,以保证一定的松散度范围。松散度上限过大或过小,对矿物按密度分层都不利。(4)跳汰过程的主要矛盾为:按密度分层与松散度、整体托起的松散形式与数控风阀、高初加速度与松散度、宽级别或不分级入选的矛盾。1.2未来的研究方向运用计算流体力学的方法研究流体流场变化对分选效果的影响,并对物料的分选机制进行研究将是以后跳汰理论的研究重点。2国外riid设备的研究2.1采用旋转蝶式风阀进行的跳砾煤跳砾机国外跳汰机主要在机体大型化、风阀工作方式以及自动排料方面做了大量工作。亚历山大洛茨于1978年研制出末煤跳汰机,在该跳汰机上成功用两个并列设置的风阀分别产生主冲程和叠加冲程,从而将上升期分解为三次脉动。这种方式能扩大脉动的上升周期,使床层松散状态时间占总脉动周期的比例由过去的40%延长到70%以上,物料可以快速分层。其结果不仅提高了分选精度,而且还明显节省了顶水量,为减少洗水循环量创造了条件。巴达克跳汰机也采用了这种方式,最新的巴达克跳汰机用旋转蝶式风阀代替了过去的盖板阀,为能够叠加冲程创造了条件。日本利用电子技术等高科技手段,研制出了可变波形跳汰机,这种跳汰机需要两种不同压力的工作风源,一种低压风,一种高压风,采用两套风阀工作,目前在我国盘北选煤厂已经投入使用。该跳汰机利用电子控制装置控制风阀的运动,使两种风产生不同的叠加,以达到改变跳汰机脉动水流的目的,实现变波跳汰。这种变波跳汰对细粒煤的分选有明显改善。波兰研制出双侧室结构的筛侧跳汰机,以增大跳汰机的面积。实际上,这种跳汰机就是两台筛侧跳汰机共用一套风阀来工作。德国Batac跳汰机针对末煤和块煤采用了两种不同的排料结构。末煤跳汰机采用液压闸门调节排料口的大小,而块煤跳汰机则是用液压缸闸门调节筛板倾角来调节排料口的大小。波兰的BOSS-2000型跳汰机,采用排料闸门和溢流堰互动的排料方法,动力源是伺服马达,通过调整伺服马达的静态和动态工作参数确定产品的排出量。Apic跳汰机的排料方式是在溢流堰和闸门内部设置脉动隔板,隔板由冲孔板制成,确保闸门区域到床层末端能够连续脉动,同时闸门开口也会随着脉动开闭,既不会被堵塞,大粒度物料也会顺利通过。2.2外来热量应用我国对跳汰机及其自动控制研究也做了大量工作,并取得多项成果。目前常用的跳汰机有LTX型、LTG型、X型、SKT型。LTX型和LTG型是早期设计的机型,均采用溢流堰、直闸门、排料轮和护板组成的排料机构。由于排料轮距下料口太近,排料轮上的物料易受脉动水流作用而自行流出,难以控制排料量。此外,排料轮放在排料道内容易被大块物料卡住,因此这种结构一直未能达到良好的应用效果。X型跳汰机采用液压托板排料方式,通过托板调节排料口大小来控制排料量。因末煤流动性较好,受粒度变化影响小,排料口大小与排料量基本呈线性对应关系,因此这种结构较适用于末煤跳汰机。SKT跳汰机采用无溢流堰深仓式准静排料方式。取消溢流堰可防止已经分层的物料撞击和翻越溢流堰造成二次混杂。因排料轮是强制性的主动排料,其转速可无极调整并和排料量呈线性对应,从而使跳汰机可以连续、稳定、准确地控制排料量,产品质量易于保障。动筛跳汰机是近年兴起的新型洗选设备,主要用于大块煤排矸和动力煤分选,具有工艺操作简便、节能节水、投资少和运行成本低等优点。自1989年我国自行研制的首台TD型动筛跳汰机试运行成功以来,十几年来已有液压式和机械式两大类4个国产系列和1个引进系列产品,分别应用于炼焦煤选煤厂和动力煤选煤厂(含褐煤),既用作预先排矸,也用作主要分选作业。与其它分选设备一样,动筛跳汰机也有其自身限制条件。例如,由于动筛机构笨重,设备的大型化受限;由于筛板长度的限制,加之调节参数少,不适于处理20mm以下的物料等。因此,用户可根据煤质条件和市场需求,选择适用的选煤工艺。2.3跳序机系统控制完善性和精度目前我国在跳汰机的机械结构、数控风阀、自动排料控制系统以及分选指标等方面与国外跳汰机相比技术各具千秋;但在设备的制造水平和使用可靠性方面差距明显;在检测技术手段、检测数据精度和可靠性以及系统控制完善性方面也存在较大差距;因此,在跳汰设备大型化、控制系统集成化以及跳汰选煤设计模块化方面尚需潜心研究。3开发中的rii技术3.1加强跳砾选煤系统的研究近来跳汰机的现代控制理论逐步形成了以最优控制、自适应控制、智能控制、模糊控制、专家系统、神经网络控制等为代表的现代控制理论分析和设计方法,并且取得了很大的进展。朱金波把控制技术和数据采集技术应用于实验室的跳汰装置,上位机可绘制任意跳汰周期的跳汰脉动水流波形。经过处理后把数据传给单片机,单片机按照接收的数据对步进电机进行有效控制,从而在跳汰机分选室产生所需要的波形。试验表明,该装置不仅可按设计要求产生一定形状的波形,还可利用所设计的波形进行分选试验。倪建军等研究了跳汰精煤灰分在线回控系统,认为改造后的跳汰机自动控制系统集排料控制、入料控制和风水调节于一身,保证了精煤质量,提高了产率。此外,跳汰精煤灰分回控系统的应用,大大减轻了工人的劳动强度,也保证了产品质量。李建民等根据γ射线穿透不同物质时衰减不同的特性,提出了检测跳汰机床层状况的新方法;并基于此方法设计了γ射线检测系统。文献叙述了系统的硬件组成并完成了实验数据分析。试验结果表明:根据床层密度的变化可以为跳汰机的自动控制提供准确的分层信息。钱立全、杜长龙提出的跳汰机床层松散度灰色预测及神经网络控制系统,是对松散度等工艺参数进行有效自动控制的新尝试,计算机仿真结果表明该系统具有很好的预测性能和动态特性,能够实现对床层松散度的实时有效控制。符东旭提出跳汰系统是一个典型的复杂非线性时变系统,运用BP算法对跳汰系统进行适当描述,是跳汰控制的第一步。同时也分析了人工神经网络系统的优点和局限性。陈军等总结了跳汰选煤自动控制发展现状及趋势:随着现代技术的发展,近年来,国外的跳汰机主要在机体的大型化、风阀的工作方式以及自动排料方面做了大量工作。我国对跳汰机及自动控制的研究也做了大量工作,并取得了多项成果。3.2研究对象的确定多年以来,许多自动控制领域的专家学者都力图攻克跳汰过程控制问题。但是由于跳汰分选的理论研究大都面向分选机理,且没有成熟、公认的结论,因此对跳汰分选过程的控制研究便面临研究对象没有确定数学关系的局面,使研究进展缓慢,控制效果也不理想。目前实际应用的跳汰机自动控制系统主要有:风阀控制系统、跳汰机自动排料系统、给煤量控制及精煤灰分在线检测系统等。(1)风阀控制的应用即控制跳汰机的跳汰制度,包括风水制度、跳汰周期、跳汰频率以及跳汰的进气期、膨胀期、排料期、停止期等。跳汰制度很大程度上决定了物料最终的分选效果。目前,风阀控制一般有两种形式,一种是由单片机构成的专门风阀控制器;另一种是通过PLC实现控制,并由上位机显示并修改跳汰制度。这两种控制系统均为开环控制方式。(2)控制床层厚度其基本原理是:检测跳汰床层厚度,然后将床层厚度信号送入控制器,控制器根据设定的床层厚度与反馈的实际床层厚度进行比较,经过调节器输出控制信号来控制排料闸门或排料滚轮,从而控制排料量,稳定床层厚度。目前控制器多采用传统的PID控制器,但在控制性能方面,一直未能达到令人满意的效果。(3)煤量和跳砾的控制跳汰机入料量的大小,对跳汰制度、排料量等有很大影响。因此,原煤性质、排料量以及跳汰制度的改变都需要调整入料量。给煤量控制的基本原理是:检测实际给煤量,然后通过给煤机控制跳汰入料量大小。由于跳汰给煤机所在的特殊布局,现有的给煤量测量方法难以被采用,因此跳汰入料量的测量技术还没有完全解决。(4)在线实时动物控制精煤灰分是跳汰分选的主要质量指标。为了实现最大生产效益,在精煤灰分指标确定的情况下,实际精煤产品灰分愈接近这个指标,就愈有可能获得更多的精煤产品。在线灰分监测仪以它在线实时的特点,为跳汰机