李煥娣

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司技師學(xué)院， 山西大同037003）

0 引言

凝聚劑（PAC）自動加藥裝置主要針對洗煤廠的入選原煤呈現(xiàn)高含量、高灰分的超細(xì)粒級微泥化，煤含量高達(dá)2.17～5.75%，循環(huán)水系統(tǒng)澄降效果差，洗水濃度高，絮凝劑（PAM）用量極具增加，重介系統(tǒng)的介質(zhì)消耗量猛增，導(dǎo)致整體洗選系統(tǒng)運行紊亂、成品煤指標(biāo)下降，嚴(yán)重影響洗煤廠正常生產(chǎn)運營。 凝聚劑自動加藥裝置是選煤行業(yè)必不可少的工藝控制環(huán)節(jié)， 主要用于煤泥水加速沉降和凈化溢流水循環(huán)使用過程， 以往大多數(shù)洗煤廠都是靠人工配置溶液和人工控制配比量， 造成人工成本和凝聚劑成本的增加。市面上的成套凝聚劑自動投加系統(tǒng)設(shè)備，均有不同程度的缺陷，三箱式的加藥系統(tǒng)存在配比不均勻、藥劑極易結(jié)塊、堵塞溶液通道等問題。上下結(jié)構(gòu)式的加藥系統(tǒng)存在制備時間長、體積大等問題。兩種設(shè)備的市場價格均在20 萬元以上，并且存在售后不及時等問題，給洗煤廠的正常運營造成一定的影響。

針對上述原因， 晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司技師學(xué)院和大同煤業(yè)有限公司洗煤廠校企合作，積極組織化工、機(jī)電、 礦物加工等專業(yè)教師與煤炭洗選公司相關(guān)專家共同研究，通過現(xiàn)場多次試驗，制定了在大同煤業(yè)有限公司洗煤廠添加絮凝劑前級工藝環(huán)節(jié)中，再加入凝聚劑，讓凝聚劑與絮凝劑聯(lián)合共同作用洗選工藝， 完善洗選系統(tǒng)的工藝設(shè)計和設(shè)備改造。

1 凝聚劑自動加藥裝置概述

凝聚劑自動加藥裝置采用凝聚劑（PAC）行業(yè)內(nèi)俗稱為黃藥與絮凝劑（PAM）行業(yè)內(nèi)俗稱為白藥聯(lián)合共同作用的工藝方案，達(dá)到降低絮凝劑的使用量、重介質(zhì)的消耗達(dá)到正常消耗量，使洗煤廠生產(chǎn)經(jīng)營成本大幅度下降。

1.1 凝聚劑（PAC）和絮凝劑（PAM）特點

（1）凝聚劑自動加藥裝置的凝聚劑（PAC）是一種新型凈水材料，無機(jī)高分子混凝劑，簡稱聚合氯化鋁，英文縮寫為PAC （poly aluminum chloride）， 是介于AlCl3和Al（OH）3之間的一種水溶性無機(jī)高分子聚合物，化學(xué)通式為[Al2（OH）nCl6-nLm]，其中m 代表聚合程度，n 表示PAC 產(chǎn)品的中性程度，具有Keggin 結(jié)構(gòu)的高電荷聚合環(huán)鏈體，對水中膠體和顆粒物具有高度電中和及橋聯(lián)作用， 并可強力去除微有毒物及重金屬離子，性質(zhì)狀態(tài)穩(wěn)定。

（2）絮凝劑（PAM）化學(xué)分子式C3H5NO，化學(xué)名稱為聚丙烯酰胺，是水溶性高分子聚合物，不溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑，具有良好的絮凝性，可以降低液體之間的磨擦阻力，按離子特性可分為非離子、陰離子、陽離子和兩性型四種類型。 絮凝劑在廢水處理中的絮凝作用是由于它的長鏈（線）狀的分子結(jié)構(gòu)和聚丙烯酰胺分子中含有大量活性基團(tuán)，聚丙烯酰胺是直鏈狀聚合物，每個分子由十萬個以上的單體聚合構(gòu)成，分子鏈相當(dāng)長，如果完全伸直，其長度要比一般的分子（如蔗糖）或離子（如Ca2+）長數(shù)萬倍以上。由于它的分子長而細(xì)，會彎曲或卷曲成不規(guī)則的曲線形狀， 長分子鏈向外側(cè)伸出許多化學(xué)活性基團(tuán)酰胺基-conh2及羧基-cooˉ。 絮凝劑在煤泥水沉降過程中的使用，加快了煤泥在水中沉降速度， 能夠快速獲取澄清后的清水， 確保洗選生產(chǎn)過程中洗水的及時補充和洗水的重復(fù)利用。如不能保證洗水的澄清度，將會對洗選過程中的預(yù)先脫泥環(huán)節(jié)造成脫泥效率低， 對重介質(zhì)分選過程的懸浮液介質(zhì)的穩(wěn)定性產(chǎn)生破壞作用。

2 凝聚劑自動加藥裝置的結(jié)構(gòu)

凝聚劑自動加藥裝置總箱體結(jié)構(gòu)尺寸4000mm×1500mm×1400mm ，分為藥粉混合攪拌箱、熟化儲存箱和成品儲存箱，總?cè)莘e8m3，總裝機(jī)功率為9.45kW。 凝聚劑自動加藥裝置的三個隔離箱體內(nèi)配裝了不銹鋼材質(zhì)的單軸和雙葉片形式的攪拌器，加快藥劑的充分溶解，不銹鋼藥箱內(nèi)壁涂抹氟碳耐腐蝕涂層， 加藥泵選用不銹鋼殼體的耐腐蝕加藥泵等系列防腐蝕措施。 加藥量根據(jù)計算采用一備一用兩臺耐腐蝕加藥泵的工作模式， 單臺電動機(jī)功率為4kW，可加藥配比總量為8m3/H，完全滿足大同煤業(yè)有限公司洗煤廠的生產(chǎn)需要，如圖1 所示。

圖1 凝聚劑自動加藥裝置示意圖

凝聚劑自動加藥裝置可實現(xiàn)精確計量的凝聚劑自動配制和準(zhǔn)確的自動計量投加。 全部控制過程均為可視化觸摸屏控制，畫面形象直觀，可實現(xiàn)精確的藥劑濃度配比和精確的自動計量投加， 全部的控制過程均為可視化觸摸屏控制，具備水壓、缺料、水位等報警和溶液流量的顯示功能。 凝聚劑自動加藥裝置根據(jù)添加藥劑聚合氯化鋁藥劑化學(xué)特性，對藥粉儲存箱設(shè)置了可調(diào)恒溫加熱裝置，對藥粉儲存箱內(nèi)的PAC 藥粉進(jìn)行加熱干燥，防止藥粉結(jié)塊，如圖2 所示。

圖2 PAC 加藥裝置加工制造現(xiàn)場照片

根據(jù)現(xiàn)場要求，凝聚劑自動加藥裝置供電電源采用AC660V，電氣控制箱內(nèi)增設(shè)了一臺10kVA 的三相電源變壓器，實現(xiàn)了AC660V/380V電壓系統(tǒng)均可通用。 電氣控制箱防護(hù)等級為IP66，滿足現(xiàn)場防塵、防潮、防爆等要求，配套濃度監(jiān)測系統(tǒng)通過檢測澄清水濁度和煤泥沉降速度來調(diào)節(jié)控制加藥量， 外設(shè)遠(yuǎn)程控制端口實現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動和與其關(guān)聯(lián)閉鎖設(shè)備的聯(lián)鎖停機(jī)功能。

3 凝聚劑自動加藥裝置工作原理

3.1 啟動過程

首先把聚合氯化鋁固體粉末倒入到儲存料斗， 蓋好上蓋，將恒溫加熱板溫度調(diào)節(jié)至60℃，確保進(jìn)水管道處有壓力，且壓力表保持在0.2～0.5MPa 之間，打開配電箱上的電源開關(guān)，觸摸屏顯示操作畫面，點擊“自動開始”設(shè)定開始自動運行的參數(shù)，包括成品藥箱的高、中、低液位值、藥粉添加頻率、加藥泵運行頻率，點擊觸摸屏“自動運行”按鈕，進(jìn)水閥門自動打開，同時振動電動機(jī)自動啟動，等待溶解箱液位上升至設(shè)定的“中”位時，自動給藥螺桿裝置啟動，并同時啟動攪拌裝置。當(dāng)攪拌溶解的藥液液位上升至高液位時， 通過溢流管路由溶解箱底部溢流到熟化箱，熟化箱液位上升至“中”液位后溢流至成品藥箱，當(dāng)成品藥箱液位上升至“中”液位后啟動不銹鋼加藥泵給生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行藥劑添加， 并通過流量計對加藥的瞬時量和累計量進(jìn)行顯示、統(tǒng)計和記錄，如圖3、圖4 所示。

圖3 凝聚劑自動加藥裝置電路圖

圖4 參數(shù)設(shè)定畫面

3.2 運行過程

凝聚劑自動加藥裝置有自動模式和手動模式兩種操作方式?？傠娫撮_關(guān)合上后，打開配電箱上總開關(guān)，10s 后顯示主界面，即自動狀態(tài)畫面如圖6 所示；初次使用，設(shè)定好上下箱高中低液位參數(shù)值。加藥設(shè)定時間單位為秒，攪拌延時時間為分鐘，根據(jù)實際要求設(shè)定相應(yīng)數(shù)值，點擊配藥開始，設(shè)備自動運行，電機(jī)與閥門壓力表開關(guān)工作時變綠色，停止時變紅色，加藥時間、攪拌延時時間、螺桿泵出口流量計流量都在觸摸屏上顯示。自動模式下藥粉添加、攪拌、熟化、藥液添加等環(huán)節(jié)構(gòu)成的連續(xù)運行工作模式，只需一鍵啟動即可，當(dāng)成品藥箱的液位上升到設(shè)定的“高”液位時，藥粉添加裝置和進(jìn)水閥門關(guān)閉，溶解箱內(nèi)攪拌裝置不停將繼續(xù)攪拌，等待成品藥箱的液位下降至“中”液位時，系統(tǒng)自動啟動給藥螺桿裝置，同時打開進(jìn)水閥門，保證系統(tǒng)連續(xù)運行。加藥裝置運行過程中附加的循環(huán)水濁度計將對循環(huán)水的渾濁度進(jìn)行采樣，并顯示在液晶屏中。自動狀態(tài)制備投加均可實現(xiàn)一鍵啟動， 全自動運行過程實現(xiàn)了無人值守，如圖5 所示。

圖5 運行過程

圖6 自動操作畫面

手動模式下，進(jìn)入手動界面（見圖7），手動點擊開關(guān)，變綠為啟動，變紅為停止，手動操作完畢，點擊手動停止，手動狀態(tài)操作簡潔、清晰可靠，參數(shù)設(shè)置靈敏準(zhǔn)確。系統(tǒng)可實現(xiàn)對單臺攪拌器、加藥泵、給藥螺桿裝置、振動器進(jìn)行單獨啟動和停止操作。

圖7 手動操作畫面

3.3 停機(jī)過程

進(jìn)水處安裝的水壓電接點壓力表在達(dá)到設(shè)定壓力要求時打開進(jìn)水電磁閥，當(dāng)水位上升至上箱中位時（可靈活設(shè)定）啟動藥粉給料裝置，藥粉給料裝置進(jìn)料時間設(shè)定為秒，達(dá)到設(shè)定時間停止加藥，同時啟動三臺攪拌電機(jī)，藥粉經(jīng)特殊設(shè)計的混料裝置進(jìn)入制備藥箱， 當(dāng)上箱配置的藥液上升上箱高位時同時停止進(jìn)水氣動閥， 三臺攪拌電機(jī)延時（設(shè)定時間為分鐘）后停止。

當(dāng)下箱水位低于中位時設(shè)定水位值時打開放料電氣動閥將制備好的藥液放至成品藥箱，供螺桿泵加藥使用，如果上箱水位低于上箱低位設(shè)定值或者達(dá)到下箱水位上限設(shè)定值高位設(shè)定時，放料氣動閥關(guān)閉，制備藥箱液位下降至上箱低位置時關(guān)閉放料電磁閥，同時打開進(jìn)水電磁閥進(jìn)行下一個制備過程的循環(huán)。 成品藥箱液位上升至下箱高位置時關(guān)閉放料電磁閥，上箱制備藥液攪拌時間到后同時停止制備程序的進(jìn)程，當(dāng)下箱成品藥箱液位下降到低位時螺桿泵停止運行。

凝聚劑自動加藥裝置預(yù)留外部停機(jī)控制端口， 自動狀態(tài)下與凝聚劑自動加藥裝置有工藝聯(lián)鎖的設(shè)備出現(xiàn)故障停機(jī)， 只需給凝聚劑自動加藥裝置一個無源接點動作信號，便可使系統(tǒng)進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，進(jìn)水閥門、給藥螺桿裝置、加藥泵同時停止工作（攪拌器繼續(xù)工作），待故障設(shè)備恢復(fù)后，可對凝聚劑自動加藥裝置進(jìn)行重新一鍵啟動。系統(tǒng)正常停機(jī)時只需點擊觸摸屏自動畫面中的“自動停機(jī)”按鈕，另外系統(tǒng)還設(shè)有緊急急停按鈕，預(yù)防出現(xiàn)意外時的緊急處置，如圖8 所示。

圖8 停機(jī)過程

3.4 報警提示

凝聚劑自動加藥裝置自動運行時，當(dāng)料倉內(nèi)缺藥，進(jìn)水水壓降低，下箱水位下降到A2 以下時，水壓低報警，缺料報警，下箱低水位報警，同時對成品藥箱低液位、螺桿給料變頻器故障、加藥泵變頻器等故障，均在觸摸屏上有報警顯示， 同時在帶紅色指示燈的蜂鳴器有聲光報警聲提示，極大提升安全性和警示性。

4 設(shè)計思路

凝聚劑自動加藥裝置自動化程度高， 采用了觸摸屏和西門子SMART200 型PLC 可編程邏輯控制器作為控制單元，實現(xiàn)水位、水壓、缺料、流量等報警功能，并預(yù)留足夠量的數(shù)字量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出，具有可擴(kuò)展性功能， 為后續(xù)增加智能化控制提供了足夠的點位空間。應(yīng)用組合紅外吸收散射光線型濁度計，對澄清水進(jìn)行采用記錄， 濁度計具有4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)輸出信號的現(xiàn)場濁度采樣儀器， 下一步只需將此濁度計的采樣數(shù)據(jù)與本加藥系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模， 即可實現(xiàn)加藥量隨著澄清水濃度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)的功能。

凝聚劑自動加藥裝置對藥粉的配比和藥劑的用量采用了變頻器控制。整體裝置的控制過程可一鍵啟動，運行過程實現(xiàn)了無人值守。給藥頻率、藥粉添加量均可通過變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)， 輸送藥粉頻率與重量的關(guān)系，1Hz 對應(yīng)1.8kg/h。凝聚劑自動加藥裝置系統(tǒng)最大加藥量為50Hz 輸送量90kg/h。 自動配藥時間為每個循環(huán)不大于60min。 凝聚劑自動加藥裝置的控制系統(tǒng)， 對加藥量采用了電磁流量計，對加藥的瞬時量和累計量進(jìn)行精確計量統(tǒng)計，為精細(xì)化的生產(chǎn)管理提供可靠的依據(jù)。

凝聚劑自動加藥裝置屬于校企合作研發(fā)制造， 針對聚合氯化鋁的藥劑特性，藥箱內(nèi)壁涂抹了防腐蝕涂層，給藥泵采用了不銹鋼殼體離心泵，增加防腐蝕性，提高了耐用性。凝聚劑自動加藥裝置的料斗箱、藥粉輸送絞龍均采用可調(diào)節(jié)恒溫加熱裝置，進(jìn)行恒溫加熱，防止藥粉出現(xiàn)結(jié)塊現(xiàn)象。

5 應(yīng)用情況

凝聚劑自動加藥裝置在大同煤業(yè)有限公司洗煤廠投入運行，設(shè)備運行狀態(tài)平穩(wěn)，參數(shù)執(zhí)行準(zhǔn)確，操作靈活便捷，大大降低了絮凝劑的使用量，介質(zhì)消耗在1.5kg 噸原煤的設(shè)計要求范圍內(nèi)， 整體設(shè)備投入運行后達(dá)到了預(yù)期效果。生產(chǎn)運行情況看，凝聚劑自動加藥裝置設(shè)備投入運行后， 絮凝劑的消耗量從入選噸原煤消耗35g 降到了16g， 根據(jù)大同煤業(yè)有限公司洗煤廠年入洗量為120 萬t計算，平均一年的絮凝劑可節(jié)省22.8t，可節(jié)約資金29.64萬元；介質(zhì)消耗從入選噸原煤的2.3kg，降到了1.5kg，一年就節(jié)省960 噸，可節(jié)約資金81.6 萬元。

6 結(jié)束語

選煤廠凝聚劑自動加藥裝置設(shè)備的研制是校企聯(lián)合、多元發(fā)展，思維創(chuàng)新的一個重要舉措。 設(shè)備投入運行以來，運行狀態(tài)平穩(wěn)，參數(shù)執(zhí)行準(zhǔn)確，操作靈活便捷，大大降低了絮凝劑的使用量，達(dá)到了預(yù)期使用效果。

凝聚劑自動加藥裝置是針對當(dāng)?shù)孛旱V原煤中超細(xì)粒煤泥呈現(xiàn)高含量和高灰分特點， 應(yīng)對入選帶有火成巖的原煤時，具有現(xiàn)場應(yīng)用的代表性，可以很好的解決火成巖入洗困難的問題。 凝聚劑自動加藥裝置采用凝聚劑與絮凝劑聯(lián)合共同作用的工藝方案，不止適用于選煤行業(yè)，也可獨立應(yīng)用于環(huán)保污水澄清處理的凝聚劑添加作業(yè)環(huán)節(jié)中，市場應(yīng)用前景相當(dāng)可觀，值得進(jìn)行推廣應(yīng)用。