ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: GÓRNICTWO z. 156
_________ 1987 tir kol. 1025
Stani9ław CIERPISZ Krystian KALINOWSKI Anna WALASZEK-SASISZEWSKA
ZALEŻNOŚĆ ZAPOPIELENIA KONCENTRATU CO PARAMETRÓW REGULACYJNYCH W PROCESIE FLOTACJI WĘGLA
Streszczenie. v; referacie przedstawiono rezultaty badań identy
fikacyjnych procesu flotacji węgla. Jadania eksperymentalne były przeprowadzone dla flotownika przemysłowego typu IZ-5 w zakładzie wzbogacania KWK "Jastrzębie". Jako podstawowe zmienne niezależne przyjęto następujęce wielkości: natężenie przepływu odczynników pianotwórczego i kolektorowego, natężenie przepływu powietrza, po
ziomy mętów w komorach flotownika, natężenie przepływu nadawy oraz zawartość popiołu, zagęszczenie i skład granulometryczny nadawy.
Jako wskaźnik jakości procesu przyjęto zapopielenie koncentratu.
Zależności zmierzone doświadczalnie zostały przedstawione w niniej
szym opracowaniu graficznie. Dane eksperymentalne posłużyły do prze
prowadzenia analizy regresyjnej zależności zapopielenia koncentratu od zmiennych niezależnych. Przyjęto kilka typów równań regresji za
wierających tylko zmienne regulacyjne lub także zakłócenia mierzal
ne w postaci parametrów nadawy. Istotnocć przyjętych równań badano testem F Fishera a istotność współczynników testem t Studenta.
W opracowaniu przedstawiono kilka poostawowych typów wybranych mo
deli.
1. PROCES FLOTACJI WĘGLA JAKO OJIEKT STEROWANIA
Przemysłowy proces flotacji węgla jest wielowymiarowym, nieliniowym obiektem indentyfikacJi i sterowania. Podlega losowym zaburzeniom zmienia
jącej się nadawy. W celu określenia charakterystyki statycznej przeprowa
dzono badania identyfikacyjne flotownika pneumomechanicznego typu IŻ w Za
kładzie Przeróbczym KWK "Jastrzębie”.
Przyjęto następujęce wielkości wyjściowe:
a) zawartość popiołu w koncentracie A ^ , b) zawartość popiołu w odpadach Aq , c) wychód koncentratu ,
d) zagęszczenie koncentratu , oraz wielkości wejściowe:
a) natężenie przepływu odczynnika kolektorowego v q n' b) natężenie przepływu odczynnika pianotwórczego V'c „
112 S. Cierpisz, K. Kalinowski, A. Walaszek-Babiszewska
c) natężenie przepływu powietrza do aeracjl mętów d) poziom mętów w pierwszej sekcji flotownika h e) poziom mętów w drugiej sekcji flotownika h2 *
• V 1'
V°c- h,P ' h2 -
P R O C E S F L O T A C J I
- A k -Ao - C k - W k
Rys. 1. Proces flotacji jako obiekt sterowania
Fig. 1. Coal flotation process as an object of automatic control
Ponadto, na efekty procesu flotacji maję istotny wpływ pa
rametry nadawy, na rys. 1 przed
stawione j8ko wektor z. Parame
trami tymi s ę :
a) natężenie przepływu nadawy V , b) zawartość popiołu w nadawie
n*
n ’
c) zagęszczenie nadawy C;
d) pH nadawy.
e) skład ziarnowy nadawy, okre
ślony przez procentowę zawar
tość danej klasy ziarnowej.
2. BADANIA IDENTYFIKACYJNE PROCESU FLOTACJI
W badanym procesie flotacji węgla mierzono wszystkie wielkości wyjścio
we i wejściowe oraz parametry nadawy (z wyjętklem pH) za pomocę urzędzeń pomiarowych 1-fejs przez analizę laboratoryjnę prób. Aparaturę pomiarowę i metodę pomiarów £oa,zczególnych wielkości opracowano w GAG EMAG w Katowi
cach.
Wielkość dawki K 1 odczynnika kolektorowego (oleju napędowego) ustalano w stosunku do aktualnie mierzonych parametrów nadawy: natężenia przepływu V i zagęszczenia C :
VON
ć v • ( 1 )
Wielkość dawki K2 odczynnika pianotwórczego (alkoholu) była dobierana w odniesieniu do odczynnika kolektorowego w następujęcy sposób:
VAC
^ON*
(
2)
Badaniu wpływu odczynników na przebieg procesu flotacji poświęcono naj- większę ilość pomiarów. Zależność zawartości popiołu w koncentracie A fc od zmian dawki odczynnika kolektorowego K j , przy ustalonej wartości daw- ki K- doświadczeniach 1-20 przedstawiono na rys. 2. W poszczególnych doświadczeniach wartość natężenia przepływu nadawy V n była prawie stała, ale zmieniało się zagęszczenie nadawy Cn , zawartość popiołu w nadawie An
Zależność zapopielenia koncentratu.. 113
Rye. 2. Zależność zawartości popiołu w koncentracie od dawki odczynnika kolektorowego K . , przy różnych wartościach dawek spieniacza i kolektora K2
(w pomiarach 1-20)
Fig. 2. Ash content in concentrate depending on flotation reagents dosage
,
K2 (measurement 1-20)114 S. Cierpisz, K. Kalinowski, A. Walaszek-dabiszewska
oraz skład ziarnowy, a w szczególnotici zawartość drobnych ziaren, poniżej 0,07 mm (klasa ). Zmienność nadawy w pomiarach 1-20 przedstawiono na rys. 3. Podobne badania zostały powtorzone w doświadczeniach 53-60 i przed
stawione na rys. 4 1 5 .
100
'itf
% 80
60
40
20
20
%
18 16 14 12
f t
%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Nr pom.
An
n — r~t-i
Ir ru
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 S 16 17 18 19 20 Nr pom
Rys. 3. Zmiany zawartości popiołu A n oraz wychody trzech klas w nadawie w p o m i a r a c h 1 - 2 0
Fig. 3. Changes of value of ash content and size distribution of solids in the feed to the machine
Zmiana zapopielenia koncentratu w zależności od natężenia dopływu powie- trza Qp do aeracji mętów przy różnych wartościach dawki obydwu odczyn- ników k2 została przedstawiona na rys. 6 .
Wpływ poziomu mętów h1 i w obydwu sekcjach maszyny flotacyjnej na wartość zapopielenia koncentratu przedstawiono na rys. 7, przy czym większa wartość h^ (lub hg) oznacza niższy poziom mętów.
Zależność zapoplelenia koncentratu.. 115
Ry8. 4. Zależność zawartości popiołu w koncentracie od dawki odczynnika kolektorowego Kj , przy różnych wartościach stosunku dawek spieniacza
i kolektora K2 (pomiary 53-60)
Fig. 4. Aah content in concentrate depending on flotation reagents dosage K j , K2 ( measurements 53-60)
Rys. 5. Zmiany zawartości popiołu A n i wychodu klasy ziarnowej w, <
< 0,07 mm w nadawie (pomiary 53-60)
Fig. 5. Changes of value of aah content and yield of size grade f , <
< 0 , 0 7 mm in the feed of the machine (measurements 53-60)
1 1 6 3, Cierpisz, K. Kalinowski, A. Walaszek-labiszewska
0 20 40 60 % 100%=1550nn3/h
Rys, 6. Zależność zawartości popiołu w koncentracie od natężenia dopływu powietrza Q p [%]; 100% » 1550 m^/h
Fig. 6. Ash content in concentrate depending on amount of air added to the machine Qp [%3> 10C% = 1550 m ’/h
3. A N A L I Z A R E G R E S Y 3 N A
Ola opracowania statycznego modelu regresyjnego posłużono się metodę regresji wielokrotnej. Przyjęto arbitralnę postać równania regresji
A* = aQ ♦ a1x 1 ♦ ... ♦ anxn , (3)
g d z i e :
a^ - współczynniki równania regresji,
x^ - zmienne wejściowe lub zakłócenia mierzalne procesu.
Współczynniki równania dobierane sę tak, aby minimalizowały kryterium sumy kwadratów błędów
J = 1 (V j - A‘k .j)2- (4)
gdzie :
m - liczba pomiarów,
A k j - zmierzona wartość zapopielenia koncentratu w j-tym pomiarze, A. - obliczona z równania (3) wartość modelu dla j-tego pomiaru
k ,J zmiennych
Istotność przyjętej funkcji regresji badano testem F Fishera, a istotność poszczególnych współczynników testem t Studenta.
Zależność zapopielenia koncentratu. 11 7
0 20 40 60 80 100 mm
Rys. 7.
poziomu
Zależność zawartości popiołu w koncentracie od wartości hj i hj mętów odpowiednio w pierwszej i drugiej sekcji maszyny flotacyj
nej
Ash content in concentrate depending on levels of slurry h 1 , h,, in cells of flotation machine
W pierwszej serii badań jako wektor zmiennych x przyjęto:
'ON V ^P
T C T C T C V h2- Cn* V T i - V ^1.
Program obliczeń uwzględniał badanie istotności równania i poszczególnych współczynników dla rożnej liczby zmiennych x^ (od 1 do 10;. V każdym przypadku uzyskano istotność równania. Dla równania o trzech zmiennych istotne okazały się następujęce składniki równania:
118 S. Cierpisz, K. Kalinowski, A. Walaszek-Babiszewska
ON
1 V. a9?2 + a 10^3- (5)
Oeżeli przyjęto równanie zawierające tylko wielkości instrumentalnie mie
rzalne (bez zawartości klas ziarnowych f ,
<p
2 . <pj), to wynik testu t był pozytywny tylko dla współczynnika a^
(wpływ dawki kolektora). W następnej serii badań przyjęto równanie regresji o 10 współczynnikach
A,
*
(6 )i=l
w którym Jako wektor x przyjęto następujące wielkości:
V0N VAC QP AC v o n q p ćnV n' ^ 0 N C nV n ’ Cn ^ n ’ ( C ^ ) *
VACQP / o n 2 / AC / .
W ' ^ ^
*PBadano istotność równania i współczynrrików
ai
dla liczby zmiennych od 1 do 9. W każdym przypadku uzyskano istotność równania, natomiast dla liczby zmiennych od 4 wzwyż pojawiały się nieistotne współczynniki równania. Przykładowe równania z pozytywnymi wynikami testów F i t sę na st ęp uj ąc e:.* .
V0N QPA k = a0 + ai c~v~ + a 3 n n
rnr-
n nQ p v o n q p
a0 + a3 CnV n ł a5 (c v )2-
ON AC v a c q p
+ a i + a2 vr~ * a5ON vON n nt v
Najmniejsza wartość uchybu średniokwadratowego (4) uzyskano dla równania ostatniego.
Zależność zapoplelenla koncentratu.. 119
4. UWAGI I WNIOSKI
Aeracje mętów w maszynie flotacyjnej Jest określona r2] przez zawar
tość pęcherzyków powietrza w jednostce objętości mętów, stopień dysper
sji i równomierność rozprzestrzenienia w mętach. Każdy z tych czynników decyduje o intensywności przebiegu procesu flotacji. Dodatek odczynników pianotwórczych, powodujących obniżenie napięcia powierzchniowego wody na granicy rozdziału wody z powietrzem sprzyja dyspergowaniu powietrza. ¿Jed
nocześnie zbyt duże stężenie odczynnika pianotwórczego może opóźnić wy
pływanie pęcherzyków powietrza przez zmniejszenie ich rozmiarów i obniżyć ilość ziarn wynoszonych na powierzchnię wody.
Gęstość mętów wpływa korzystnie na efektywność tworzenia pęcherzyków.
Zbyt duży wzrost gęstości i lepkości mętów może prowadzić do zmniejszenia stopnia zdyspergowania powietrza i obniżenia efektywności procesu flota
cji.
Zależność sumarycznego wychodu ■ ziarn od ich zapoplelenla w nadawie jest funkcję mono to ni cz nę; można by się spodziewać, że ze wzrostem wychodu koncentratu rośnie jego zapopielenie. ¿Jednakże nadawa składa się z ziarn o różnych rozmiarach, składzie petrograficznym (zapopieleniu), które w procesie flotacji mogę zachowywać się różnie. Stwierdzono £
2
], że ”... duże ziarna koncentratów zawieraję zwykle najmniej popiołu, tzn. duże ziar
na płonne nie przechodzę do piany. Zawartość popiołu w drobnych klasach koncentratu z zasady jfest największa".
Przeprowadzone badania przemysłowe uwydatniły złożoność procesu flota
cji węgla. Nie uzyskano za do walajęcej, jednoznacznej zależności zapopie- lenia koncentratu od ilości odczynników flotacyjnych. Przyczynę takich wyników badań mogę być zbyt duże błędy pomiarowe, przewyższajęce efekt zmiany zapopielenia koncentratu od dawkowanyoh odczynników. Na rys. 2 na
niesiono dodatkowe punkty A^, z powtórzonych analiz laboratoryjnych. Ze względu na zmieniajęce się własności nadawy należałoby dla każdej, ustalo
nej wartości zmiennej sterujęcej wykonać większę ilość pomiarów wielkości wyjściowych procesu. Stwierdzono nieliniowę, z wyraźnym optimum, -zależ
ność zawartości popiołu w koncentracie od ilości powietrza (rys. 6). Wpływ ilości powietrza na zmiany A^ potwierdziły także badania statystyczne.
Przeprowadzone badania wskazuję potrzebę dalszych eksperymentów, ba
dań symulacyjnych i analiz procesu flotacji węgla.
5. LITERATURA
[l] Praca zbiorowa: Identyfikacyjne badania procesu flotacji węgla na przykładzie wybranego flotownika. Praca IeiAG nr NB-20/RG1/84. Poli
technika ślęska, 1984.
[23
Kłassen W.I.: Flotacja węgla. "Ślęsk” , Katowice 1966.120 S. Cierpisz, K. Kalinowski, A. Walaszek-Babiszewska
£
3
] Bubnicki Z . : Identyfikacja obiektów sterowania. P W N , Warszawa 1974.[
4
J Mańczak K. : Metody identyfikacji wielowymiarowych obiektów sterowania.WNT, Warszawa 1971.
[
5
] Rozenberg 17.3. : Wstęp do teorii błędów systemów pomiarowych. PWN. W a r szawa 1982.Recenzent: Doc. dr inż. Ryszard LACH
Wpłynęło do Redakcji w styczniu 1987 r.
BABiiCHMOCTB 30JIŁH0CTK KOHUEHTPAIA OT PjSr/jM itfK W IX ÍIAPAMBTPOB B riPOUECOE 4JÍ0TAÁHH ¿ T jK
P e 3 10 m e
B i O K a a j t e n pe x o T a B j i e H b i p e 3 yjibTaTbi n a e H T H i p H K a n i i o H H H x H C C A e A O B a H H a n p o . M e c - c a i u i o T a u H H yrjia. ü c c A e A O B a H H H n p o B O A H A H H a n p o M b m i e H H o a qpjioiaunoHHoíí M a m a — H e T H n a H 3 - 5 H a o d o r a i H T e j i b H o B j i a O p H K e m a x T U f i m e M ó e . B K a n e c i B e o c h o b h u x H e 3 a B H C H M H X n e p e M e H H b i x óhjih i i d h h h t u cjieAyiOTHe B e j i H H H H u : p a c x o A p e a r e H T O B B o n e H H B a i o n e r o h K O J i z e K T o p a , p a c x o A B 0 3 A y x a , y p o s e H b n y z b a u b K a M e p a x $ 4 0 T a - H H O H H O a M a nH H b l , H a r p y 3 K a H C X O A H O T O I I H T a H K H , 3 0 A b H 0 C T b , n j I O T H O C T b h r p a H y j i o - M e T p H i e o K H a c o c i a B n y i ibHH. B ® o p M e n o K a 3 a i e x H K a x e c i B a n p o u e c c a dbuia n p u H H — T a 3 0 J i b H o c T b K O H i i e H i p a i a . O i w i H u e s a B H C H M o c T H H 3 0 ú p a s c e H u H a H J u n o c T p a u H a x . S K c n e p H M e H T a - i b H O n o j i y n e H H N e A a H H u e nocjiyauuiii ajih n p o B e a e H H H p e r p e c c H O H H o r o aKa j I H 3 a 3 0 JIbH0 C T H K O H U e H T p a T a K a K ¡ í y H K U H H H e s a B H C H M h D C B e X H H H H . ilpHHHJIH H e - CKO J i b K o T u n o B M O A e x e B c o A e p x a m n x lojibxo p e r yj r a p y m i u H e n e p e u e H H a e jihóo A a x e n a p a M e i p t i h c x q a h o t o n a i a u M x a x n o M e x a n p o u e c c a . S H a H H u o c i h n p u H H T M X M O A e - x e B h K 0 3 ?xJ)KUHeHT0 B p e r p e c c H H n p o ü e p H j i H n o K p r n e p H K M i a m e p a h C i i o A e H T a . B A O K jiaíe npeACTaaxeH H HecKoJibKO t h u o b oToSpaHHHx M O A exea.
THE INFLUENCE OF CONTROLLED PARAMETERS OF COAL FLOTATION PROCESS ON ASH CONTENT IN CONCENTRATE
S u m m a r y
The results of investigations of static characteristics of coal flota
tion process are presented in the paper. The field tests have been perfor
med on the flotation machine type IZ-5 installed in the coal preparation plant in "Jastrzębie" mine. As basic independent parameters of the process the following have been accepted: flotation reagents dosage, amount of air added to the process, levels of slurry in cells and flow, ash content, concentration of solids and size distribution of solids in the feed to the machine.
Zależność zapopielenia koncentratu. 121
On the basis of field tests, non-linear regression models, in a form of relations between ash content in concentrate and the above parameters, is presented.
Several types of regression equations, combining controlled parameters of the flotation process and parameters of the feed (treated as disturban
ces), have been analyzed. Regression models have been veryfied using the Fisher F-test. Coefficients in equations have been veryfied using the Stu
dent t-test.