師 平，白亞瓊，陳 亮，申 峰

(1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西 西安 710077；3.陜西煤業(yè)化工集團(tuán)韓城礦業(yè)，陜西 韓城 715400)

0 引言

在我國(guó)生產(chǎn)和消費(fèi)的一次能源中，煤炭約占68%[1]。原煤在原始形成過(guò)程中容易混入各種礦物雜質(zhì)，同時(shí)在開(kāi)采和運(yùn)輸過(guò)程中，又不可避免地混入各種巖石及其他雜質(zhì)[2]。煤矸石是煤炭開(kāi)采與加工過(guò)程中含碳量低、灰分高的固態(tài)廢棄物，隨著采煤機(jī)械化程度的提高，煤中含矸量也逐漸增加，導(dǎo)致煤炭的質(zhì)量下降[3]。煤矸分選作為一種燃燒前的處理技術(shù)，為提升煤碳質(zhì)量減少環(huán)境污染，具有重要的意義。該技術(shù)有效地降低了煤炭后期污染治理的難度與費(fèi)用，并逐漸成為煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。

近年來(lái),各主要產(chǎn)煤國(guó)相繼提出了各種煤矸分選方法，主要分為2類：干法選煤和濕法選煤[4]。二者通過(guò)選煤介質(zhì)進(jìn)行區(qū)分，濕法選煤采用水、重液或懸浮液等，干法選煤采用空氣介質(zhì)。濕法選煤主要包括跳汰法[5]、濕法重介法[6]和浮選法[7]，但選煤過(guò)程中無(wú)一例外都需要使用消耗大量水資源，且不易分選易泥化煤，同時(shí)需設(shè)置煤泥水處理系統(tǒng)，工藝復(fù)雜，選煤成本較高。干法選煤主要包括γ射線選煤[8]、空氣重介流化床選煤[9]和復(fù)合式干法分選[10]等，但復(fù)合式干法選煤和空氣重介流化床干法選煤均存在適應(yīng)性問(wèn)題。目前工業(yè)主要應(yīng)用X射線分選方法，但X射線選煤法對(duì)于煤和矸石的粒度變化比較敏感，容易出現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤等問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了基于雙能X射線和超聲波測(cè)距的一體化智能干法選煤系統(tǒng)。擬通過(guò)雙能X射線和超聲波測(cè)距對(duì)煤和矸石進(jìn)行智能識(shí)別，進(jìn)而通過(guò)擊打執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行快速的精確分選，并針對(duì)某礦煤矸的實(shí)際情況開(kāi)展了工業(yè)實(shí)驗(yàn)。

1 新型煤矸分選系統(tǒng)組成

煤和矸石的分選作為提升煤炭質(zhì)量的重要手段，在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有的基于X射線的煤矸分選方法，由于煤矸混合物料高度測(cè)量精度不足，導(dǎo)致分選精度和效率比較低。所以本研究提出了基于X射線和超聲波測(cè)距的煤矸智能分選系統(tǒng)，該系統(tǒng)增加了超聲測(cè)距，準(zhǔn)確地獲得了混合物料的高度，并結(jié)合X射線衰減原理實(shí)現(xiàn)煤和矸石的智能分選，來(lái)提升煤矸的分選精度和效率。本系統(tǒng)主要包括5個(gè)模塊，分別為X射線光源模塊、X射線探測(cè)器及數(shù)據(jù)采集模塊、超聲波測(cè)距模塊、高壓氣閥執(zhí)行模塊和智能控制器模塊，如圖1所示。

圖1 煤和矸石智能分選系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)中，X射線光源模塊的型號(hào)為137801-001，輸出電壓為80～160 kV，電流為0～3 mA，該型號(hào)的X射線源能有效地穿透煤和矸石；X射線探測(cè)器及數(shù)據(jù)采集模塊選用了X-CARD線陣探測(cè)器和X-DAQ數(shù)據(jù)采集卡，探測(cè)器用于采集衰減后的X射線，數(shù)據(jù)采集卡用于獲取煤和矸石的X射線圖像數(shù)據(jù)，并通過(guò)以太網(wǎng)接口發(fā)送到上位機(jī)的智能控制器用于煤和矸石的識(shí)別；超聲測(cè)距模塊主要包括HT200E12TR-2型高頻超聲波測(cè)距傳感器，用于檢測(cè)煤和矸石的厚度。選用RS-4201M型模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)RS485/RS232轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)控制器之間的數(shù)據(jù)通信。

系統(tǒng)軟件主要包括圖像灰度檢測(cè)模塊[11]、高度檢測(cè)模塊和智能控制模塊。圖像灰度檢測(cè)模塊對(duì)煤和矸石的X射線圖像進(jìn)行處理，獲取有效的灰度信息[12]；高度檢測(cè)模塊通過(guò)超聲測(cè)距實(shí)現(xiàn)煤和矸石厚度的采集和存儲(chǔ)[13]；智能控制模塊通過(guò)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的有效分析和處理，實(shí)現(xiàn)煤和矸石識(shí)別，并實(shí)時(shí)發(fā)出擊打控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)煤或矸石的分選。煤和矸石的智能識(shí)別流程如圖2所示。

圖2 煤和矸石識(shí)別流程

2 煤矸智能分選閾值確定

2.1 煤矸混合物料高度檢測(cè)

煤矸分選過(guò)程中，煤和矸石的粒度隨機(jī)變化，導(dǎo)致混合物料的高度無(wú)規(guī)律波動(dòng)。對(duì)于僅采用X射線源的煤矸混料分選系統(tǒng)，在分析X射線衰減信號(hào)時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著物料厚度的逐漸增加，煤和矸石的灰度信息基本一致，便無(wú)法對(duì)煤和矸石進(jìn)行有效分選?？梢?jiàn)煤和矸石的高度信息對(duì)二者的分選具有十分重要的作用。本文將超聲測(cè)距引入X射線發(fā)生檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)引入高度信息實(shí)現(xiàn)煤和矸石的有效分離，其原理如圖1所示。超聲測(cè)距傳感器距離輸送帶的固定高度為H，超聲測(cè)距傳感器距離混合物料表面的高度為h。因此，被測(cè)煤矸混合物料的厚度為

d=H-h

(1)

為有效獲取煤和矸石的像素信息，X射線探測(cè)器的合理布置十分關(guān)鍵。根據(jù)輸送帶上煤矸物料的分布特點(diǎn)，反復(fù)試驗(yàn)最終確定在輸送帶上方以2×8陣列的形式架設(shè)超聲測(cè)距傳感器，并獲得煤矸物料與超聲測(cè)距傳感器之間的距離h與其恒定溫度T之間的關(guān)系，如表1所示。

表1 距離h與恒溫T之間的關(guān)系

利用最小二乘擬合方法，獲得煤矸物料厚度d與高度H之間的關(guān)系為

d=H+7.98T-31.78

(2)

運(yùn)用式(2)能夠精確地測(cè)量不同粒級(jí)、不同形狀煤和矸石的厚度，用以解決高度隨機(jī)變化情況下的煤和矸石難以識(shí)別的問(wèn)題。

2.2 煤矸識(shí)別閾值確定

X射線衰減公式[10]為

I=I0e-μd

(3)

I和I0分別為入射前和透過(guò)煤矸混合物料后射線的強(qiáng)度；μ為質(zhì)量吸收系數(shù)；d為煤矸混合物料的厚度。

由此可得X射線衰減強(qiáng)度與煤矸混合物料高度之間的關(guān)系為

(4)

在非連續(xù)的X射線照射下，X射線光強(qiáng)度與煤矸混合物料圖像的灰度值成正比，因此，X射線光強(qiáng)度與煤矸混合物料X射線圖像灰度值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

(5)

f0和f分別為X射線穿過(guò)煤矸混合物料前后X射線圖像對(duì)應(yīng)的灰度值。

相比于煤炭，矸石中含有大量的Al2O3和SiO2，另外還含有數(shù)量不等的Fe2O3、CaO、MgO等物質(zhì)。同碳元素相比，Al、Si、Fe等元素對(duì)射線的吸收系數(shù)大，故在雙能X射線照射下，煤炭和矸石由于對(duì)射線的吸收不同從而產(chǎn)生成像差異。雙能X射線照射下，煤、矸成像和灰度成像分別如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可見(jiàn),在同一射線源照射下，在高低能區(qū)域產(chǎn)生的造影圖像是有區(qū)別的，并且密度越低，差異越大。

圖3 X射線低能區(qū)域煤矸成像

圖4 X射線煤矸灰度成像

以煤和矸石的頻率數(shù)和灰度值作為特征點(diǎn)，同時(shí)利用超聲測(cè)距傳感器檢測(cè)煤和矸石的厚度，便能計(jì)算出X射線穿過(guò)煤和矸石的衰減系數(shù)，最終建立煤矸分離的基準(zhǔn)灰度線數(shù)學(xué)模型，確定識(shí)別閾值。

設(shè)穿過(guò)第1，2，…，n塊煤后,X射線的衰減系數(shù)分別為uc1，uc2，…，ucn，則穿過(guò)煤的X射線的平均衰減系數(shù)uc和穿過(guò)矸石的X射線的平均衰減系數(shù)ug分別為：

(6)

(7)

由此，可得煤矸識(shí)別閾值[14]為

(8)

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)煤、矸石特性的變化，系統(tǒng)會(huì)智能地調(diào)整分選界限，進(jìn)而保證較高的分選精度。

3 一體化智能干法選煤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文在調(diào)研分析現(xiàn)有選煤模式的基礎(chǔ)上，提出了新型一體化智能干法選煤系統(tǒng)。該系統(tǒng)的識(shí)別區(qū)與執(zhí)行區(qū)縱向排列，識(shí)別系統(tǒng)在煤和矸石自由下落的過(guò)程中，在極短時(shí)間內(nèi)確定矸石的位置，并發(fā)出打擊指令控制陣列式氣閥的開(kāi)關(guān)，向矸石施加外力，使之改變運(yùn)動(dòng)軌跡完成煤與矸石的識(shí)別與分選。該系統(tǒng)包括給料系統(tǒng)、布料裝置和識(shí)別-執(zhí)行一體化機(jī)構(gòu)3個(gè)主要系統(tǒng)，以及除塵、供風(fēng)和電控3個(gè)輔助系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 一體化智能干法選煤系統(tǒng)

雙能X射線的智能干法選煤工藝流程，如圖6所示。煤矸混料經(jīng)布料器均勻單層給入智能一體化干選機(jī)，煤和矸石在自由拋落過(guò)程中被智能識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別，并下達(dá)執(zhí)行命令至氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)擊打煤或矸石，使煤和矸石分別落入不同的溜槽當(dāng)中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤或矸的高效、精確分離。相比于預(yù)先識(shí)別、物料提前排隊(duì)再進(jìn)行分選的工藝，識(shí)別-擊打同步一體化進(jìn)行的分選工藝，流程簡(jiǎn)單高效而且分選精度好。

圖6 雙能X射線的智能干法選煤工藝流程

4 試驗(yàn)與討論

基于上述理論研究，在某礦對(duì)該生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)際對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。根據(jù)前期試驗(yàn)，分選粒級(jí)暫定為50～150 mm，煤矸混料的干選工藝流程如圖7所示。本系統(tǒng)采用雙層篩對(duì)物料進(jìn)行預(yù)先篩分，以保證進(jìn)入一體化智能干選機(jī)的待選煤矸混料的粒度。采用布料器對(duì)煤矸混料進(jìn)行均勻、單層鋪設(shè)，為物料的精準(zhǔn)分選提供基礎(chǔ)。一體化智能干選機(jī)在完成識(shí)別-擊打一體化分選任務(wù)后，實(shí)現(xiàn)煤與矸石的精準(zhǔn)分離。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，根據(jù)本文提出的工藝流程，完成工業(yè)試驗(yàn)基地的所有土建及安裝任務(wù)，并對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)試。一體化智能干選系統(tǒng)如圖8所示。

首先，對(duì)給料機(jī)、輸送機(jī)、振動(dòng)篩和布料器的處理量，以及試驗(yàn)干選機(jī)的能力進(jìn)行性能優(yōu)化匹配；然后，對(duì)粒級(jí)為50～150 mm、30～150 mm和30～100 mm的煤矸混料分別進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試，其中，50～150 mm和30～100 mm的煤矸混料均滿足質(zhì)量指標(biāo)，而在30～150 mm試驗(yàn)時(shí)，煤中含矸、矸中帶煤指標(biāo)均不滿足要求，試驗(yàn)認(rèn)為1∶3是最佳的分選粒度比；最后，針對(duì)該煤礦分選物料中煤、矸的實(shí)際比例，準(zhǔn)備大量的具有代表性的煤塊和矸石，先后6次進(jìn)行單物料分選調(diào)試，經(jīng)過(guò)大量的調(diào)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，確定出了適合某礦煤、矸特征的分選灰度基準(zhǔn)線(圖9中斜直線即為煤矸分選界限)及其上、下偏差范圍，進(jìn)行煤和矸石的分離。

工業(yè)化試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)螚l一體化智能干法選煤生產(chǎn)線的處理量為50 t/h，人工揀選系統(tǒng)處理量為20 t/h，干法系統(tǒng)可完全替代人工揀選系統(tǒng)(原系統(tǒng)為2條生產(chǎn)線)，徹底解決現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問(wèn)題；煤中含矸小于5.0%，最低時(shí)達(dá)到1.4%，矸中帶煤小于5.0%，最低時(shí)達(dá)到1.1%，煤的分選效率大于90.0%，指標(biāo)良好，達(dá)到并超過(guò)預(yù)期目標(biāo)；經(jīng)測(cè)算，一體化智能干法選煤系統(tǒng)每噸煤加工費(fèi)用較人工揀選節(jié)省7.15元，預(yù)計(jì)每年可節(jié)約加工費(fèi)214.5萬(wàn)元，效益顯著；密閉作業(yè)，揚(yáng)塵減少，工人工作環(huán)境得到改善，能夠有效地降低工人患職業(yè)病的機(jī)率；通過(guò)智能干法選煤，工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低，人數(shù)減少，安全管理難度大幅降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

在分析現(xiàn)有選煤技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于雙能X射線在煤矸透射后產(chǎn)生的灰度值，建立了煤矸分選數(shù)學(xué)模型。結(jié)合煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出了具體的工藝流程，完成了試驗(yàn)設(shè)備的調(diào)試和工業(yè)性試驗(yàn)。單條一體化智能干法選煤系統(tǒng)的處理量為50 t/h，分選效率大于90%，每噸煤加工費(fèi)用較人工揀選成本降低了7.15元。該系統(tǒng)滿足了煤礦生產(chǎn)使用的要求，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。