（矿物加工工程专业论文）基于数字图像处理浮选测控系统研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术、微电子技术、信息技术和网络技术的发展，人类进入了信息 社会。在整个信息源中，图像信息占了7 0 以上。图像经采集、传输、处理等过程 后，最终成为人们需要的信息。数字图像在许多领域得到了广泛的应用，数字视频 日益成为广泛应用的媒体，视频的采集与处理技术己成为大家研究的一个重点。本 课题的目的是构建一个低成本、数字化的图像采集和处理平台。 浮选工业过程由人工观测泡沫来进行现场操作已经不适应浮选过程计算机控制 的需要。为此，进行了浮选泡沫图像处理应用的研究。进行了泡沫图像的实时采 集、物理参数的计算。在获得泡沫物理参数的基础上，建立数学模型来预测精煤灰 分的研究，并以此实时指导生产。 浮选自动化在我国多年来徘徊不前，一直采用根据入浮煤浆中的干煤泥量来确 定加药量的前馈控制方法，而不直接以产品的数质量指标作为控制目标，导致浮选 生产效率较低。针对上述问题，研究了浮选工艺参数的检测方法，设计了浮选计算 机控制系统，它根据浮选泡沫图像特征来检测精煤灰分，通过调整浮选药剂添加量， 来实现浮选过程的反馈控制。试验表明，该浮选测控系统使浮选生产在精煤灰分合 格的前提下，得到了较高的产率，并降低了药剂用量，从而保证选煤厂高效率地运 行。 关键词：浮选泡沫；图像处理；边缘检测；纹理特征；数学模型； 回归分析 分类号：t d 9 2 安徽理工大学硕士学位论文 a b s 仃a c t w i l l ed e v e l o p m e n to ft i l ec o m p u t e rt e c l l i l o l o g y ，m i c r o e l e c n d i l i ct e c h r l o l o g y ， 础一0 h n a t i o nt e c h n o l o g ya n dn e t w o r k 能舡l o l o g ) r ， b u m 砌t yh a sb e e nc o 嘶n gi n t o i b r m a t i o ne r a 7 0p e r c e n to fa l lm ei n f o 珊a t i o nw eg e ti s 洫a g ei 0 n n a d o n p e o p l ec a l l g e tt 1 1 ei i l f o r m a t i o nm e yn e e d “b rp r o c e d u r e so fi m a g ec o l l e c t i t l g ，t r a n s f e ra n d p r o c e s s i n g t h e 印p l i c 撕o no f l i g i t a lv i d e oi si n c r e a s i n g ，a n dt h et e c l l n 0 1 0 9 yo fv i d e o c a p t u r ea i l dv i d e op r o c e s sh a sb e e na ne m p h 嬲i so f r e s e a r c h t h ep m p o s i t i o no f t h i sp 印e r i st op r e s e n tad i g i t a lp l a t f o r 咀o fi m a g ec 印砌n ga n dp r o c e s s m gw i 也l o wc o s t t h eo p e r a t o r so p 锄t i o nt h m u g ho b s e n r i n ga r t i f i c i a l l yn o a t a t i o nf 幻血h a sn o tm e t 也e c o m p u t e rc o n n d lr e q u i r e m e n ti nn o 枷o np m c e s s t h e r c f o r e ，印p l i c a t i o no ft h en o a t a t i o n 矗a t hi m a g e p r o c e s s 证gw a ss n 】d i e d s 伽i e so f 铲a _ b b i n gt 血e l yf b ms t a 士u s ，c a l c u l 缸n g 也e p h y s i c a jp a r 锄e t e r so ff m t h b a s e do na c q u i r e df b t l lp h y s i c a lp 啪e t e r s ，t 1 1 e 协e s i sb l l i h t i l em 拙e m a t i c sm o d e ，1 h r o u g hd i s t i l l i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff o 咖i i n a g e ，也e 也e s i s s m d i e dm ea s hc o n t e to ff o 锄o ff l o 协矗o nc o a l ，b y 砌c hr e a l i z i i l gr e a lt i m ep r o d u c t i o n g u i d i n g t h ea u t o m a t i o no f c o a ln o 喇o nh a sb e e nw a n d e 血gf o rm a i l yy e a r si nc h i m m p r o d u c t i o ne 仿c i e n c yi sr e l a t i v e l yl o wb e c a u s eo ft 1 1 ef e e df o 九v a r dc o i l 仃0 1w l l i c ha d d sm e f i o t a t i o nr e a g e n tb a s e do n m e f m ec o a l i n f e e ds l u n y ，i g n o 出g t h eq u a n t 时a n d 删时o f t 1 1 e p r o m l m s a 越n ga t t h i sp r o b l 鼬，m e 血o do fm e a s 曲gt h ef l o 协o nt e c h n i c a l p a r a l e t e r sw a ss t l l d i e d ，姐d 也ec o i l l m l t e rc o n 廿o ls y s t e mo f 廿1 ec o a ln o 诅t i o nw a sd e s i g n e d 1 1 岵氐d b a c kc o n t r o lw a sr e a l i z e db yu s i i l gt h cc h a r a c t e r i s t i co f f 0 锄硫a g ct or e g i l l a t et 1 1 e r e a g e n ta d a i t i o na c c o r d i n gt om ec o n c e t r a t e 础c o n 僦t h ee x p e 加e n t 油m c a t e s 也a t t h ea p p l i c a t i o no f t h cd e t e c t i o na i l dc o m r o ls y s t e mr e s u i t si nah i g hc o n c e n t r a t er c c o v e r y ，a d e c r e a s eo f t l er e a g e tc o n s u m p t i o 玛e n gah i g h l ye f 6 c i e n to p e r 砒i o n k e yw o r d s ： n o a t a t i o n 盘d 山，i m a g ep m c e s s i n g ，e 姑es e g m e i l t a t i o n ，缸n l r e c k l r a c t e r i s t i c ，眦m e m a t i c sm o d e l ，r e g r c s s i o n 卸_ a l y s i s c h i n e s c b 0 0 k sc 砒a l o g ：t d 9 2 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得塞徽望王盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：至垒选日期：血吐年j 月卫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞篮堡王太堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于塞擞堡王盘堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽 理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 签字日期：知6 年6 月o 日 签字日期：五彩年石月，d 日 引言 图像是通过人类视觉获得的，图像( 视觉) 信息是人们由客观世界获得信息的 主要来源之一，所以说百闻不如一见。视频图像实际上就是连续的静态图像序列， 是一种更加直观而具体的信息表达形式，并且随着网络、通信和微电子技术的快速 发展，视频监控闩益受到人们的重视。 数字视频监控系统以计算机为中心，数字视频处理技术为基础，综合利用图像 传感器、计算机网络、自动控制等技术的一种新型监控系统。数字视频监控系统将 c c d 摄像机获得的模拟信号转变为数字视频信号以便于计算机处理，或者由数字摄 像机直接输出数字视频信号，在显示多路活动图像的同时，可将各路信号分别存储 于计算机内或在网络上进行传输。许多数字视频监控系统具有图像识别和特征提取 的功能，通过图像分析实现监测和报警、控制相关的执行机构，使更具有智能化。 数字图像处理是集光学、电子学、计算机科学、数学、物理学、信息论、控制 论等学科为一体的一门综合性边缘科学。随着计算机科学的迅猛发展，以及与近代 发展的新理论如小波分析、马尔科夫随机场、人工智能和人工神经网络等的结合， 数字图像处理技术近年来获得了长足的进展，已在科学研究、工农业生产等许多领 域得到广泛应用。 本文的主要内容是以数字图像处理理论为基础，利用i p c 工控机为硬件开发平 台，提取浮选泡沫的图像特征，导入浮选精煤在线灰分回控方案，从而达到为企业 节约投资成本和降低现场操作人员劳动强度的作用。 安徽理j 人学硕十学位沦文 1 1 课题的提出及其意义 1 1 1课题的提出砌“5 l绪论 视频监控近年来得到了迅速的发展，应用范围不断地扩展。以往的视频监控系 统主要是模拟系统，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高，以及 各种实用视频信息处理技术的出现，视频监控从模拟视频监控进入了数字化的网络 时代，即数字视频监控系统。在计算机实时显示活动图像的同时。还可将信号存储 于计算机的硬盘内，或者在网络上进行传输。数字视频监控系统综合利用了图像传 感器、计算机网络、自动控制和人工智能等技术的一种新型监控系统。 在我国入选的原煤中，约五分之一是入浮选的粉煤，随着机械化程度的提高， 粉煤量呈上升趋势，所以浮选在选煤厂中起着较重要的作用。煤炭的灰分是洗煤工 艺的一项重要技术指标，选煤j 的精煤灰分始终是用户最关心的指标之一。目前许 多用煤单位仍采用燃烧与称重相结合的传统测灰法，从煤的采样、制备到分析测定 结果，因工序繁多、结果滞后时间长，不便随时指导与控制生产。特别是当煤的灰 分在短时问内波动较大时，传统采样所得样品不但代表性差，而且很难把灰分的实 际变化表示出来。 浮选作为一项传统有效的细粒分选技术，在当代选煤工业中得到了广泛应用。 但由于浮选过程是一个在气、固、液三相中完成的复杂的物理化学过程，受多种因 素的影响，涉及太多变量和严重的非线性，虽然近几十年来国内外学者进行了大量 的研究。但迄今为止，还没有个通用的数学模型可以对浮选过程进行定量描述， 因此，浮选过程的控制始终没有取得满意的效果。目前，选煤厂浮选过程的控制在 很大程度上仍依靠人工操作，即主要根据有经验的浮选操作者观察浮选槽矿浆泡沫 层的状念来判断浮选过程进行的好坏，并调整浮选机的工作参数，以确保或改善工 艺指标。这种人工观察浮选泡沫的方法有其空间、时间和主观性的局限，并且无法 和现代的计算机控制系统有机结合起束，实现高级的控制。但是它却表明浮选泡沫 的表面特征参数与浮选生产状况和经济指标有密切关系，所以，快速、准确的测量 浮选泡沫特征参数就显得尤其重要。 绪论 浮选过程的监控水平也远未达到令人满意的程度，尤其在复杂矿、难选矿的浮 选过程，将浮选泡沫承载的浮选工艺过程内在规律的信息提取出来，应用到浮选过 程控制中去，无疑会提高浮选过程的监控水平。 传统上，浮选理论的研究主要着重在泡沫和矿浆内部，很少研究泡沫表面的各 种可视信息。实际上，在工业浮选过程中，浮选泡沫层有着及其重要的作用，它直 接反映浮选产品的数质量指标，直接反映了影响浮选生产指标的煤、气、水、药等 诸多因素的调配是否得当。因此，对浮选泡沫层状态的检测和识别在浮选生产过程 中就有着举足轻重的作用。通常来说，浮选效果与浮选泡沫地颜色和总体上的结构 形态是直接相关的，而和具体的气泡的位置关系不大。因此，可以使用泡沫图像的 统计特征来进行浮选泡沫的识别。 在过去的二十年中，图像处理技术得益于电子技术和计算机技术的高速发展， 广泛地应用到卫星侦察、电子交警、医疗设备、智能机器人、理化仪器等各个领 域。在这样地技术背景下，浮选泡沫图像的计算机处理已成为可能。近几年来，一 些发达国家已将图像处理、模式识别及科学计算可视化技术广泛应用与选矿领域， 并取得了一些进展，如加拿大渥太华的矿物能源技术中心使用图像分析系统对细晶 岩矿石的研究，英国n o t t i n g h 锄大学矿物资源工程系的以图象分析为手段的浮选过 程在线控制系统的可行性研究等。但在选煤行业的工艺过程控制中还未见报导。应 用图像分析技术检测浮选泡沫特征参数比检测其它参数速度快，这样有利于克服浮 选控制系统惯性大带来的问题。本文将探讨利用计算机技术和数字图像处理技术检 测浮选泡沫图像的特征，进而建立泡沫特征量和浮选精煤灰分指标之间的关系，为 更好地控制浮选机工作寻找新的途径。 1 1 2 课题的意义及应用前景州 我国煤泥分选工业应用最多的是浮选机，但选择性较差、浮选精煤灰分偏高是 浮选机的主要缺陷。对我国选煤厂使用设备情况的调查表明，在1 3 8 座被统计的选 煤厂中，有9 l 座设有浮选系统，共使用浮选机4 7 0 台。但于8 5 年前建的选煤厂多 沿用x j m 一4 、x j m 一6 型等低效浮选机，比例为1 3 7 ，上世纪八十年代引进美、 德、等大型机型及消化仿制机型占2 2 5 ，国内自行设计的大型浮选机占5 5 5 ，喷 射式浮选机和9 0 年代新兴的浮选柱等非机械搅拌式机型占8 3 ，有的虽经技术改 造，仍存在效率低、能耗高的问题，导致产品灰分高、损失大等后果。因此改善主 洗作业为浮选背扶的局面是亟待解决的问题。 3 曩徽理i 人学倾卜学何论文 浮选泡沫是一个由气、固、液三栩组成的三维复杂体系图像，整个泡沫体由大 量的大小| i 、形状各异、扶度值不同的矿化气泡组成。不同的泡沫状念对应于小 同的浮选过程变量，即浮选过程变量发生变化，浮选泡沫的状念( 体现在气泡大 小、泡沫的颜色及粘度等方面) 就要发生变化。因此，浮选泡沫体中包含着大量与 浮选过程变量及浮选结果有关的信息。在实际生产中，操作司机就是根据泡沫的表 面状况来进行操作的。但由于操作人员的轮换、人工操作的不准确性和不可靠性， 司机实际操作的随意性较大，导致浮选过程难以处于最佳状态。 重视浮选泡沫的视觉信息，将数字图像处理技术用于浮选过程泡沫状态的监 测，借用现代计算机技术和图像测试技术，利用固体图像传感器( c c d ) 在线扫描 浮选机的分选状况，可探索出一套基于计算机视觉系统的先进有效的浮选控制策 略。 图像处理技术在浮选过程中的应用具有以下几个优点： ( 1 ) 浮选泡沫图像处理技术可以克服人工观测浮选泡沫的短处。与传统的人工 观测浮选泡沫相比，浮选泡沫图像处理技术町使观察浮选泡沫不受空间、时间和主 观性的局限。操作人员可在控制室观察，可与历史的泡沫图像或其它选矿厂+ 的泡沫 图像进行比较( 因图像数据可存储，可远传) ，可用客观的物理参数来描述泡沫状 况。 ( 2 ) 设备成本低。基于图像技术的设备具有成本低，通用性强，维护保养简单 等优点。 ( 3 ) 过程响应快。浮选泡沫图像技术过程响应时间短，只需o 5 5 s ，很快地 反映浮选工艺过程地变化。 ( 4 ) 控制策略灵活。浮选泡沫图像处理技术可以检测浮选泡沫地多个物理参 数，这些参数携带与工艺密切相关地大量信息，与现代地计算机控制系统有机的结 合起来，可实现从简单到复杂地各种控制策略。 本课题研究目的是将图像处理技术应用到浮选过程控制中，通过对浮选泡沫的 检测为浮选操作人员提供必要地信息，改变浮选作业仅凭经验操作造成指标不稳定 的现状。浮选泡沫图像处理技术是保证浮选操作【f 常、稳定进行的一种新方法。这 对于在选煤厂的推厂，提高浮选指标，获得较好经济效益有所裨益。 4 1 绪论 1 2 国内外研究现状7 m m 由于基于数字图像系统的研究需要大量的其它领域的背景知识，如传感器、信 号处理、电子硬件、照明、光学等相关领域的知识，尽管这些技术大多数已比较成 熟，但却分散在许多不同的专业领域中，因此，在矿物分选领域，尽管该研究方向 早己被许多学者注意到，但实际做的研究工作较少。只是到了2 0 世纪9 0 年代中 期，国外在金属矿浮选领域的研究工作才见报道。 1 9 9 7 年2 0 届国际选矿会议上已有论文涉及到用数字图像处理技术监控浮选过 程。英国学者m s a d r k a z e m i 和j j c i l l i e r s 提出了浮选泡沫物理参数算法。其 中关于浮选泡沫大小和边缘检测的分水岭算法为图像处理技术应用到浮选过程中在 理论方面做了有益的尝试。 南非学者采用图像颜色分析技术和快速傅立叶变换处理一个铜选厂浮选泡沫的 视频图像数据，并从泡沫表面的视觉特征获取整体特征。用以辨识粗选槽泡沫中铜 含量的高低。 2 0 世纪9 0 年代智利学者a 西普利案诺己将图像处理技术应用于浮选槽专家监 控系统。系统对泡沫图像和专业浮选人员提供的信息进行分析，按一定规则建立了 浮选过程工作状态的知识库，采用模糊理论建立专家系统。澳大利亚墨尔本大学的 v a nd c v e m e r 和南非斯泰伦斯大学的m 0 0 l i n a n 也通过研究指出了结构图像分析能定 量地在线显示工业锌选中浮选泡沫地特性。在此之前，南非斯泰伦斯大学已经采用 邻近灰度水平相关矩阵从泡沫数字图像中获取特征，并直接与浮选条件相联系。 芬兰奥托昆普公司采用图像处理技术计算浮选泡沫物理参数，并将这些参数以 电流信号输出到选矿厂地控制系统中去，优化浮选控制。 国内方面也有多所大学及科研单位在进行有关方面地理论研究，中国矿业大学 也在进行有关浮选泡沫图像的研究。 1 3 本文的主要研究内容及章节安排 1 3 1 本文的主要研究内容 本文通过对利用c c d 系统从浮选槽实时摄取泡沫图象进行分析处理，提取出浮 选泡沫图像的纹理特征和物理参数，结合相应泡沫的化验分析结果，经出计算机处 理后，得到浮选精煤的灰分值等指标，最后把处理结果发往由步进电机与微型齿轮 5 安徽理i 人学硕卜学位论文 泵相连构成的执行机构丽进行加药量的自动调整，使得浮选过程处于最佳状态而完 成控制任务。具体育以下几个方面： 1 本文论述了浮选泡沫图像处理研究工作所需的最基本的设备，包括硬件方面和软 件方面。硬件方面主要是基于图像采集卡的线阵c c d 测量系统，包括图像的采 集和处理。软件方面主要是基于w 访d o w s 的与图像采集处理有关的图像处理及 相关运算。 2 研究了线阵c c d 测量系统对图像处理算法的研究。 ： 通过研究浮选工艺参数自动测控系统的现状，详细分析了目前浮选工艺参数自动 测控系统的局限性，在此基础上提出了基于数字图像处理的浮选精煤在线灰分回 控方案的研究，通过检测浮选精煤的灰分并参与回控，进而修正加药量给定值， 实现了一套完整的浮选测控系统。 4 研究了浮选泡沫图像的预处理及噪声滤波。详细分析了利用数字图像的处理算法 如边缘检测和纹理分析手段对浮选泡沫图像的处理与研究。并通过泡沫图像的物 理参数的提取与计算，建立泡沫物理参数与浮选精煤灰分指标之间的关系。 5 通过对浮选泡沫图像实时监测获得的数据进行处理，结合生产的实际情况，建立 了相应的浮选精煤灰分的数学模型。 6 在浮选机作业没置浮选泡沫图像采集点进行实验。 1 3 2 论文章节安排 本论文的章节安排如f ： 第一章绪论部分，主要介绍了本课题的背景、意义及应用前景。 第二章阐述浮逸基本理论的基础上，对浮选精煤灰分自动调节进行了分析，提出 第三章 第四章 第血章 第六章 了基于数字图像处理的浮选测控系统的优越性。 主要对基于数字图像处理的浮选测控系统的硬件方面做了详细分析。 在简述图像处理理论的基础上详细论述了浮选泡沫的图像特征和物理参数 的提取和分析，重点论述了浮选泡沫图像的边缘检测和纹理分析。 实验及数掘处理部分。 本文的总结及工作展望。 6 2 选煤厂浮选r 艺参数白动测控系统 2 选煤厂浮选工艺参数自动测控系统 浮选是洗选煤泥最有效的方法，在我国煤泥处理量一般占全部入洗量的2 0 左 右。基于图象处理的浮选测控系统的研究始于2 0 世纪9 0 年代，目前国外一些矿业发 达地区己开始采用，而国内的研究很少，只有个别组织在实验室里做一些模拟实 验。 2 1 浮选基本理论阐述“” 2 1 1 浮选基本原理 浮选是细粒和极细粒物料分选中应用最广、效果最好的一种选矿方法，是利用 矿物表面物理化学性质的差异，在气、液、固三相体系中完成的复杂的物理化学过 程，其实质是疏水的有用矿物粘附在疏水性气泡上升浮形成精矿泡沫层，亲水性颗 粒滞留在水中，最后随矿浆流排出槽外成为尾矿，从而实现目的矿物和非目的矿物 的分离。 浮选虽是继重选之后发展起来的，但随着矿石资源越来越贫，有用矿物在矿石 中分布越来越细和越来越杂，再加之材料和化工行业对细粒、超细物料的分选的要 求和精度越来越高，浮选法越来越显示出优越于其它方法的特点，成为目前应用最 广且最有前途的选矿方法。 2 0 世纪初开始出现了现代浮选法的雏形泡沫浮选法，即利用矿浆中产生的 气泡增加气液界面，提高分选效率。1 9 l o 年发明浮选机，使泡沫浮选工业化。1 9 2 5 年又发明了黄药作为捕收剂，浮选得到飞速发展。现代的泡沫浮选过程一般包括以 下作业：磨矿，即先将矿物磨细，使有用矿物与其它矿物或脉石矿物分离；调 浆加药，调整矿浆浓度适合浮选要求，并加入所需的浮选药荆，以提高效率；浮 选分离，矿浆在浮选机中充气浮选，完成矿物的分选；产品处理，浮选后的泡沫 产品和尾矿产品进行脱水分离。由上所述不难看出矿粒表面性质差异的重要，这也 是浮选的基本依据。 2 1 2 矿物的可浮性 自然界矿物的种类很多，根据矿物在浮选过程中所表现的特征，可将可浮性相 似的矿物归纳在一起，以便我们系统地掌握各种矿石地浮选规律。以矿物表面性质 7 安徽埋1 人学硕十“学位沧文 为基础，根据矿物的浮选行为和实践，将矿物分为六类：自然会属和重金属硫化 矿物。非极性非会属矿物。有色余属氧化矿物。极性赫类矿物。氧化物、 硅酸盐和铝硅酸盐矿物。碱会属和碱土金属的可溶性盐。 矿物分为硫化矿和氧化矿，大多数硫化矿是易浮的，但只有很少几种在没有捕 收剂存在时具有天然可浮性，而另一些硫化矿物在未氧化时具有固有的疏水性。天 然可浮性是以硫化物的晶格离子弱水化不与水分子发生强烈反应的假设为基础，认 为硫化矿物是热力学不稳定的体系足够的氧留在体系中，引起氧化，从而形成元 素硫。硫化矿物经受中等氧化，形成了疏水的会属不足的硫层。但是矿物完全浮选 所需要的疏水组分( 元素硫或金属不足的层) 最小数量还未确定。很多硫化矿物通过 溶解和再吸附羟基阳离子络合物而获得了表面疏水性，这种观点表明，在没有捕收 剂存在时，硫化矿物表面具有可浮性的原因可能因矿物种类不同丽不同。在工业实 践中硫化矿物都是借助少量的巯基捕收剂来浮选的。 21 3 浮选药剂 浮选是一个复杂的物理和化学反应过程，在这一工艺中，浮选药剂起着至关重 要的作用。浮选之所以能被广泛应用于矿物加工，重要的原因在于它能通过浮选药 剂灵活、有效地控制浮选过程，成功地将矿物按人们的要求加以分开。目前使用的 药剂主要分为捕收剂、起泡剂和调整剂，每种还可以细分为若干类，在浮选过程 中，必须根据原矿的性质，添加分量和比例恰当的各类药剂才能获得较好的矿物分 离效果。此外，通过浮选药剂得到稳定的大量气泡也是浮选能够高效进行的前提。 因此，保证药剂的使用正确是浮选生产中的一个主要任务。 1 捕收剂：能选择性地作用于矿物表面并使其疏水的物质称为捕收剂。捕收剂 作用于矿物一水界面，通过提高矿物的疏水性，使矿粒能更牢固地附着于气泡而上 浮。 2 起泡剂：为表面活性物质，主要附集在水一气界面，促使空气在矿浆中弥散 成小气泡，防止气泡兼并，并提高气泡在矿化和上浮过程中的稳定性，保证矿化气 泡卜浮后形成泡沫层刮出。 3 调整剂：用于调整其它药剂( 主要是捕收剂) 与矿物表面的作用，调整矿浆 的性质提高浮选过程选择性。调整剂的种类很多，可细分为四神：活化剂。抑 制剂。介质p h 调整剂。分散刺与絮凝剂。 8 2 选煤厂浮选】：艺参数自动测控系统 2 1 4 气泡的形成和性质 空气本身是非极性物质，分散在水中形成的气泡分散体系有很强的疏水性，而 空气重量是同体积水的八百分之一，也正因如此气泡体j 能从矿浆深处运载矿粒升 浮，实现疏水性矿物与亲水性矿物的分离。气泡外围水分子可分为水化层、扩散层 和普通水层三个层次，气泡的大小、数量、分布状态( 时间和空间) 对浮选过程影 响很大。研究表明气泡的大小与气泡的发泡形式、发泡器的结构、流体静压力、表 面张力、流体流态有关。表面活性剂的添加也十分重要，且利于气泡产生，降低 气一液界面张力，防止气泡兼并。研究表明，当微泡和大气泡同时存在时浮选效果 最好。气泡的另一特性是在矿粒和气泡碰撞过程中气泡存在一定程度的形变，亲水 性颗粒与气泡碰撞被弹开回落至矿浆的机会远大于疏水性颗粒。 浮选矿浆中气泡的矿化是气泡群和矿粒群之间的群体行为，有别于单一的矿粒 和气泡的情况，大半个世纪以来，大量学者通过高速摄影和测定，将现代浮选槽内 的气泡矿化现象归纳为三种形式： 矿粒附着于由碰撞和搅拌切割而成的气泡上，形成矿化气泡，气泡运动时， 粘附的矿粒群往往聚集于气泡尾部，形成所谓矿化尾壳。 空气在水中由过饱和析出在颗粒的疏水性表面，增长和兼并，析出颗粒一微 泡联合体，此时许多气泡粘附在一个矿粒上，此种矿化形式对粗粒浮选有重要意 义。 由若干微小气泡和许多细小颗粒构成气絮团，此先决条件是形成疏水絮凝 体此种疏水粒群往往以气絮团浮出。 2 1 5 选煤厂浮选工艺流程 选煤厂浮选工艺流程基本上有两种。一种是浓缩浮选，另一种是直接浮选。 浓缩浮选：重介或跳汰系统排出的煤泥水经耙式浓缩机进行浓缩，其溢流水循环使 用，底流用泵注入浮选车间的矿浆池，再用泵将矿浆池内的煤浆输送到浮选车间最 高层的矿浆分配器，由矿浆分配器经浮选机| j 的搅拌桶进入浮选机。控制入浮浓度 的稀释水和药剂也同时加到搅拌桶中，与入浮矿浆搅拌均匀。从浮选机刮出来的泡 沫被送入真空过滤机脱水后得到浮选精煤；过滤机的滤液一部分或全部作为稀释水 再返回搅拌桶：浮选机的尾矿进入尾矿浓缩机。由于细粒煤泥不易沉淀，一般需加 入凝聚剂，以强化沉淀；尾矿浓缩机的溢流也作循环水使用，底流则去尾矿脱水设 9 安徽理【。人学硕t 学位论丈 备进行脱水。直接浮选：直接浮选流程没有容积很大的浓缩机，只有一个集料 池，重介或跳汰系统产生的煤泥水经集料池直接用泵送入浮选车间进行浮选。这种 流程投资小、占地少，从工艺上看，入浮矿浆浓度和流量不能控制，而且浓度较 低，药耗、电耗较大。 浮选厂工艺流程图如图l 所示。 八抖 i 二二浓缩机 静度计巴； 流啭计。一 _ j 一搅拌桶 r r r 1 ；目 目jl l lj r l 一 ：目! 我i 目!l 善l 下广一丁旷 ? 1 rt：t j 流啭计 丌一r j 度h 尾科 图l 浮选工艺流程图 f i g l 扪o wc h a no f t h en o 仞士i o nt e c h n i q u e 2 1 6 浮选过程的主要工艺参数 精 伸“ 浮选过程的主要工艺参数主要有以下几个方面： 1 入浮矿浆浓度对一定的煤种和特定的浮选机，其入浮矿浆浓度有个最佳 范围。入浮浓度太高，浮选机的分选效率下降，产品质量也不能保证；入浮浓度太 低，药剂消耗和电耗加大，从而降低了浮选机的经济效益。因此，再生产过程中应 当使入浮矿浆浓度保持在最佳范围内。 2 通过量每个特定的浮选机，都有其固定的通过能力。入浮量大，浮选机 浮选效果不好：入浮量小，不能充分发挥浮选机的作用。在生产过程中，矿浆的通 过量应当控制在最佳范围内。 0 2 选煤厂浮选【：艺参数自动测控系统 3 浮选机液位在生产过程中，为保证刮泡器既能刮到泡沫，又不致刮到 水，浮选机槽内的液位应稳定在一个适当位黄。 4 药剂添加量对于一定的煤种和特定的药剂，应有一准确的药煤比。药煤 比大了，浪费药剂且影响产品质量：药煤比小了，则会降低浮选产品的回收率。 5 真空过滤机液位真空过滤机液位越高，真空度就越高，煤饼相应越厚， 过滤后的煤饼水分越低；液位低了则相反。因此在生产过程中，真空过滤机的液位 应是在保证不产生溢流的前提下保持最高液位。 6 尾矿浓缩机内凝聚剂的添加量为了强化细粒尾矿在浓缩机内的沉淀，加 速水的净化，尾矿浓缩机内有时要加入适量的凝聚剂。凝聚剂多了，不仅浪费凝聚 剂，而且多余的凝聚剂进入循环水中还影响跳汰或重介的分选效果：凝聚剂加少 了，细粒煤泥混入循环水中，同样不利于跳汰和重介的分选。 2 1 7 煤的矿物质与灰分o 2 1 “” 煤是非均匀介质，它由有机物、矿物质和水分组成。矿物质是煤中除水分以外 的所有无机物的总称，其主要成分是s i ，c a ，a l ，f e ，m g 等，多以化合物形式存在， 如硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐、金属硫化物和氧化亚铁矿物等。 矿物质的来源有三种： ( 1 ) 原生矿物质，它由成煤植物本身所含矿物质形成，含量不超过卜2 ； ( 2 ) 次生矿物质，是成煤过程初期由自然界进入煤层中的矿物质： ( 3 ) 外来矿物质，是采煤过程中混到煤里的顶板、底板和夹石层等矸煤。 前两种矿物质总称为内在矿物质，难以用洗选方法除去，而外来矿物质易用洗 选方法除去。矿物质含量的测定工作很麻烦，通常用燃烧后的剩余物即灰分来近似 代表。由于矿物质燃烧后许多成分都发生变化、煤燃烧后形成的灰分量要比原矿物 质含量小。 灰分是煤中的矿物质在一定的灰化条件下燃烧而形成的各种金属、非金属的氧 化物和盐类的残余物质，主要为二氧化硅和三氧化二铝，其余为三氧化二铁、氧化 钙、氧化镁等，这些物质的比重一般都比煤中的可燃物质的比重大得多，因此，扶 份的大小反映了煤中不可燃的重质组份的多少。 安徽理1 ：人学预1 1 学位论文 2 2选煤厂浮选工艺参数的自动控制。神“6 2 21 浮选自动控制系统概述“ 近十年来，我国的选煤自动化技术有了很大提高。在2 0 0 余座选煤厂主要洗选 工艺中，约有3 0 实现了“跳汰机床层自动测控”；约有2 0 实现了“重介密度自 动测控”；约有1 5 实现了“浮选药剂跟踪干煤泥量自动测控”；在其它工艺方面 也实现了一定程度的自动化技术。但与发达国家相比，仍有较大差距。如在跳汰机 工艺参数中，我国推广应用量大面广的仅是自动排矸系统，而对相关的松散度、 风、水、给料量等工艺参数尚未实现有效测控；在浮选工艺参数中，仅对药剂自动 跟踪干煤泥量进行了有效测控，尚未研制出煤泥分析仪对浮选实现“产品质量在线 测控”等。 澳大利亚近几年研制成功的煤泥分析系统( c s a ) 为测量浮选工艺系统效果提 供了一种准确、可靠的手段。煤泥分析系统与自适应模糊逻辑控制理论相结合，监 测和控制下列变量：对入料、精煤和尾煤中的灰分及固体含量进行连续或间断的分 析；对浮选剂添加量、浮选机中的煤浆液位、补水量和浮选机中的充气量等工艺参 数进行测控，这一测控方法已取得显著的经济效益。 德国在选矿领域采用电磁流量计测量矿浆流量，用y 射线浓度计测量矿浆浓度， 用柱塞浆群实现浮选剂添加量自动跟踪入浮干煤泥量。缺点是煤泥量没有精确的浮 选测量仪表，测控精度低，药剂集中添加，无法满足工艺上多点按比例加药的要求。 我国也早就j i ：展了这方面的技术研究，先期也采用电磁流量计测量流量，用y 射 线浓度计测量浓度，用齿轮加药。近些年开始大量使用小流量浮选剂的自动测量和分 散多点控制比例自动添加技术，加药量不仅自动跟踪入浮干煤泥量，同时自动跟踪入 浮煤浆浓度，使浮选剂加量更加合理，精度提高。 2 2 2 需要控制的浮选工艺参数 浮选过程是个复杂的物理化学过程，诸多相关工艺参数互相配合j 能收到满意 的效果。而把所有的工艺参数全部测控起来十分困难，应择其最主要的、关键的工 艺参数进行检测和控制。下面以我国目前浮选厂使用较广的f c i i i 型浮选工艺参数 自动测控系统为例详述如下： 1 2 2 选煤厂浮选“i ：艺参数自动钡5 控系统 入浮浓度，选煤厂浮选生产中，入浮浓度是一个很重要的工艺参数，它直接关 系到沈选效果、精煤产率等。最佳入浮浓度是经过小浮沉实验得出的，不同的煤质有 不同的最佳入浮浓度：大多数选煤厂最佳入浮浓度在1 0 0 1 2 0 9 l 之间。自动控制 入浮浓度是靠补加稀释水来实现的，控制方式如图2 所示。 圄2 自动控制入浮浓度原理图 f i 萨也e 埘n c j p l ec h a r to f 孤n 0 - c o n 州n 咖i o ni n c o i l l e 椭c h e s s 药剂自动添加，药剂添加是浮选生产中的重要环节，添加量的大小、准确与 否、油醇之比等都直接影响着产品的质量、效果及经济效益。传统上浮选司机凭经 验调节油嘴加药，并没有量的概念，在流量、浓度、煤质发生变化时，不能及时调 节，产品质量很难保证，尾矿跑粗现象比较严重。药剂自动添加控制方式如图3 所 示。其中g 为药剂添加量的给定值，由控制程序计算而得。药剂添加的执行器是电 磁阔，控制部分是智能加药器，采用多点加药，各加药点比例可任意设定。智能加药器 根据p i d 输出值改变电磁阀的动作频率及脉宽，自动使药剂添加增大或减少。 图3 药剂自动添加原理围 f 韬伽e 研n c i p l ec h a no f 廿1 e 仲a g e n t 蕾0a d d i d o n 通过改变药强和药比生产不同规格的产品，在f c m 系统中，设置了药强和 药比两个调节旋钮，通过调节药强旋钮可以改变吨煤耗油量，调节药比旋钮可以改 变捕收剂和起泡剂的添加比例。这样，选煤厂可根据客户不同的要求，方便生产出 不同灰分水平的浮选精煤产品。 1 3 安徽理i ：人学硕 “学位沦文 2 2 3 浮选工艺参数自动测控系统的现状” 选煤rl 艺过程自动化主要包括选煤生产设备的自动控制以及选煤工艺参数的 自动检测与控制。影响浮选效果的因素很多，如煤泥的性质、煤浆的制备、药荆制 度、浮选机的工作条件等。在上述因素保持不变时，矿浆给入量、矿浆浓度、及药 剂添加量保持恒定浮选产品质量稳定的重要保证。在没有自动测控装置的浮选工艺 系统中，这些参数是靠人工取样或目测估算操作的。因此，浮选产品的质量难以保 证，产率难以控制，药剂浪费严重，直接影响生产单位的经济效益。 目前，浮选过程工艺参数的控制水平主要取决于浮选机司机的操作经验和精心 管理程度，也就是在生产过程中不断地对浮选泡沫进行观察，根据积累的经验来判 断生产的好坏来进行加药调整，这种方法多年来一直在使用，虽然在保证生产质量 和费用上达至0 一种折中，但其弊端也是显而易见的：工人不仅要在恶劣的环境中进 行操作，而且浮选生产指标的好坏与操作工人观测和识别泡沫层状态的能力及相应 的操作水平有直接的关系。这种人为因素过多参与的生产方式造成大量资源的浪 费，生产效率低下。自动测控系统的研制和使用，可以克服各种干扰( 如矿浆浓 度、入浮流量、泵的湍流、粒度分布变化以及无规则溢流等) ，使得各工艺参数配 合在最佳状态，最终使产品质量稳定、回收率提高和节省药剂量，同时也较大幅度 地降低了工人的劳动强度。 目前的浮选测控过程是通过各种测量仪器，分析测量矿物的品位、浮选回路中 的p h 值、药物浓度等参数来调整加药量，以使浮选过程处在最优状态下。但实际 上，由于浮选过程十分复杂，影响浮选过程的因素非常多，所获得的数学模型并不 能和实际很好吻合，浮选测控和模型发展脱节，这是浮选测控过程的难点，导致浮 选测控发展缓慢、举步艰难。为了实时得到浮选生产参数，最好的方式是使用在流 分析仪，它可以进行实时的化学、物理分析，给出准确的生产参数，并依此进行控 制。但在流分析仪不仅造价昂贵，卜j 常维护费用高，对操作人员的水平要求很高， 而且其仅仅是给出了生产参数，并不能提供这些参数和控制调整之间的对应关系。 2 3 浮选过程精煤灰分自动调节系统“刚 煤炭的灰分是洗煤工艺的一项重要技术指标，选煤厂的精煤扶分始终是用户最 关心的指标之一。凶此，灰分的快速在线检测是实现选煤厂自动化必不可少的一项 检测技术。目前，我国选煤厂中实现浮选自动化且效果较好的厂家约占选煤厂总数 4 2 选煤厂浮选i ：艺参数自动测控系统 的十分之一，而实现精煤灰分自动控制仍在试验摸索当中，尚未成为成熟经验。当 今一些发达国家在浮选自动化方面、在精煤灰分自动控制方面的技术较为成熟和先 进，如美国、澳大利亚、德国和俄罗斯等国都各有特色。 2 3 1同位素测灰仪测灰法“ 2 3 1 1 概述 目前，国内外测灰仪大都采用放射性同位素测灰方法。具体方法很多，有利用 x 射线的；有利用低能y 射线的、有单射源的、有双射源的，也有加水分修正的等 等。我国测定精煤含灰量的手段一直使用国家规定的化学分析方法，由于操作复 杂，般灰分结果传报到岗位司机时都滞后实际采样1 小时左右，对指导司机校正操 作的作用明显减弱。我国从7 0 年代开始研制同位素测灰仪。经过3 0 年的努力，国产 国位素测灰仪的性能指标已经和国外先进水平相当，这有利于测灰仪的推广应用和 技术研究。8 0 年代末期唐山煤科院研制出第二代同位素测灰仪，开始应用于选煤厂 的自动测控系统中。该产品可以测试单机精煤灰分，也可置于自动控制系统中组成 精煤灰分自动测控系统。 2 3 1 2 同位索测灰仪的基本工作原理叩 煤可以看成由两部分组成：一部分是可燃部分，其成分有炭、氢、氧、氮、硫 等；一部分是不可燃部分，其成分有硅、铝、钙、镁、铁等。这不可燃部分就是煤 的灰分。可燃部分平均原子序数z 约为6 ，不可燃部分平均原子序数z 约为1 3 。由 于可燃组分和不可燃组分之间的平均原子序数相差较大，对射线的吸收效应和衰减 系数不一样。其中可燃组分对低能射线的吸收效应小，衰减系数小；不可燃组分对 射线的吸收效应大，衰减系数强。低能y 射线与物质相互作用，主要是光电效应和 康普顿效应。光电效应随物质的原子序数增加而增加。因此，根据散射y 射线强度 的大小，就可判断煤灰分含量的多少。y 射线灰分仪主要用于跳汰、浮选、重介选 选出的精煤灰分的在线测量。 理论和实践证明：对于低能y 射线而言，灰分a d 与散射强度n 有以下关系： 4 d ：丝型：爿一盈 式中爿d 待测样品煤样的灰分： 灰分为4 d 时的散射y 射线强度； 安徽理i 人学硕十：学何论文 。入射y 射线的初始强度： & 与样品的性质、探测几何条件及使用的仪表条件有关的常数。 2 3 2 调整加药量的灰分开环控制系统 经验与实践证明，影响浮选效果的主要工艺参数是入料煤浆的流量与浓度以及 浮选药剂的添加量与起泡剂、捕收剂的配比。一般说来若能稳定入料煤浆的流量与 浓度，并按单位时间进入浮选的固体量( 干煤量) 按一定配比添加浮选药剂就能获 得满意的工艺效果。 在影响浮选工艺效果的主要参数中，煤浆的流量与浓度属大流量控制范畴( 单 机在几百m h ) ，而起泡剂与捕收剂的流量与配比属微流量控制范畴( 单机几 l h ) 。大流量控制耗资较大，耗能较多，控制反应较慢，丽微流量控制则相反，具 有较好的技术经济指标。因此在达到同样浮选效果的情况下首先应当考虑选择对浮 选加药量进行自动控制。 浮选加药量自动控制的被控量为起泡剂或捕收剂的流量，控制的依据是煤浆中 固体含量( 即单位时闯通过的干煤量) 。也就是说随着煤浆中干煤量的变化加入的 浮选药剂流量也应相应的变化。因此从系统结构来说，应当是随动系统，系统的控 制输入应当是煤浆中的固体含量。煤浆中的固体含量也就是煤浆流量( l i n ) 与煤 浆浓度( g 几) 的乘积( g m i n ) 。可以选择浓度计测得浓度信号，再选择电磁流量 计测得流量信号，两个信号均送入乘法器，乘法器的输出即浓度与流量的乘积，代 表了煤浆中的同体含量。 因此对j 二浮选加药量控制系统一般应包括以下三个环节： 电气量转换； 电气量与机械量转换： 机械量与药剂流量转换。 系统可以是开环，也可以是闭环。其中机械量可以是转速( 如齿轮泵或吊斗轮 转速j 、转角( 如阀门开度) 、占空比( 如球阀开关时间比) 等。电气量可以是电 压、电流、频率、脉宽等。系统输入为标准电流信号( o 10 i l 俄d c ，或4 2