Impact of the automatic control of a coal separation process in a jig on its economic efficiency

Przedstawiono wpływ automatycznej regulacji procesów wzbogacania grawitacyjnego węgla w osadzarkach na niedokładność rozdziału ziaren węgla, charakteryzowaną krzywą rozdziału, oraz wpływ fluktuacji gęstości rozdziału na ilość i jakość produktów. Na przykładach procesów wzbogacania dwu- i trójproduktowego oszacowano wzrost wartości produkcji wraz z polepszeniem jakości regulacji. Efekty ekonomiczne wzbogacania węgla w osadzarkach w znacznym stopniu zależą od rozproszenia ziaren materiału w łożu reprezentowanego przez wartość imperfekcji oraz od fluktuacji gęstości rozdziału powodowanej błędami regulacji pływakowych układów sterowania odbiorem produktu dolnego. W układach tych fluktuacje gęstości rozdziału dochodzą do ±0,15 g/cm3. Analizę zilustrowano przykładami zastosowań układów sterowania opracowanych przez Instytut EMAG.The beneficiation process of fine coal in jigs consists of two phases: stratification of coal grains in the bed according to their density and then splitting the stratified material into the product and the discharged refuse. At first, during subsequent water pulsations induced by opening and closing of air valves, the stratification of coal grains takes place due to varied velocity of their upward and downward movement. Grains of low density migrate to upper layers and grains of high density migrate to lower layers of the bed. The material travels horizontally on a screen along the jig compartment with the flow of water. The stratification of grains due to their density is not perfect, because the velocity of their upward and downward movement depends in part on their diameter, shape and the way in which the material loosens within a given pulsation cycle. The distribution of coal density fractions in the bed, characterized by the imperfection factor I, has been investigated by many researchers. The imperfection factor I is defined as the ratio of the probable error Ep and the separation density ρ50 (I = Ep/ρ50). [...

Simulation of coal preparation processes - static and dynamic models

Symulacja komputerowa jest szeroko stosowana w projektowaniu i analizie procesów wzbogacania węgla. Opracowane dotychczas programy symulacyjne są oparte o statyczne modele jednostkowych procesów takich jak przesiewanie, wzbogacanie w cieczach ciężkich, osadzarkach i flotacji, kruszenie węgla, produkcja mieszanek i rozdzielanie strumieni materiału. Model symulacyjny omawiany w niniejszym artykule zawiera procedury optymalizacyjne dla właściwego doboru parametrów technologicznych procesu (np. gęstości rozdziału, oczka sit, proporcje strumieni produktów). Program symulacyjny umożliwia ocenę efektów sterowania przebiegiem procesów przeróbki węgla oraz analizę działania różnych algorytmów sterowania. W artykule przedstawiono również dynamiczny model symulacyjny, który może być stosowany do analizy stanów przejściowych w zakładzie wzbogacania węgla. Podstawowe moduły modelu są opisane przez charakterystyki statyczne i dynamiczne. Dynamiczny model symulacyjny może być stosowany do badania wpływu zmian charakterystyk węgla surowego na efekty wzbogacania poszczególnych węzłów jak i całego układu technologicznego, obserwacji zmian parametrów produktów wzbogacania w funkcji czasu, znajdowania "wąskich gardeł" w układzie technologicznym, badania stanów awaryjnych w zakładzie. Model symulacyjny może być również stosowany do projektowania układów sterowania takich jak produkcja mieszanek węgla, sterowanie procesu wzbogacania węgla w cieczach ciężkich i osadzarkach oraz nadrzędne sterowanie całego zakładu.Computer simulation is widely used for the design and analysis of coal preparation processes. Simulation programmes developed so far are based on static models of unit processes such as coal screening, washing in heavy media vessels and jigs, flotation, crushing, blending and coal streams splitting. The software package presented in the paper incorporates control optimisation procedures for a proper choice of technological parameters (i.e. densities of separation, screens diameters, proportion of product streams). The program allows to evaluate effects of complex control systems operation and to analyse various algorithms of the control. The paper also presents a dynamic simulation model which can be used for the analysis of transient states in a coal preparation plant. The basic modules of the model have been modelled with the use of static and dynamic characteristics. The dynamic simulator can be used for the analysis of influence of raw coal characteristic variation on the performance of units and the whole plant, observation of products streams variations with time, finding of bottle-necks in the technological layout, testing of emergency states in the plant. The simulator can be also applied in the design and analysis of control systems such as coal blending, control of heavy media vessels and jigs and overall plant control

Impact of the Automatic Control of a Coal Separation Process in a Jig on its Economic Efficiency

Przedstawiono wpływ automatycznej regulacji procesów wzbogacania grawitacyjnego węgla w osadzarkach na niedokładność rozdziału ziaren węgla, charakteryzowaną krzywą rozdziału, oraz wpływ fluktuacji gęstości rozdziału na ilość i jakość produktów. Na przykładach procesów wzbogacania dwu- i trójproduktowego oszacowano wzrost wartości produkcji wraz z polepszeniem jakości regulacji. Efekty ekonomiczne wzbogacania węgla w osadzarkach w znacznym stopniu zależą od rozproszenia ziaren materiału w łożu reprezentowanego przez wartość imperfekcji oraz od fluktuacji gęstości rozdziału powodowanej błędami regulacji pływakowych układów sterowania odbiorem produktu dolnego. W układach tych fluktuacje gęstości rozdziału dochodzą do ±0,15 g/cm3. Analizę zilustrowano przykładami zastosowań układów sterowania opracowanych przez Instytut EMAG.The beneficiation process of fine coal in jigs consists of two phases: stratification of coal grains in the bed according to their density and then splitting the stratified material into the product and the discharged refuse. At first, during subsequent water pulsations induced by opening and closing of air valves, the stratification of coal grains takes place due to varied velocity of their upward and downward movement. Grains of low density migrate to upper layers and grains of high density migrate to lower layers of the bed. The material travels horizontally on a screen along the jig compartment with the flow of water. The stratification of grains due to their density is not perfect, because the velocity of their upward and downward movement depends in part on their diameter, shape and the way in which the material loosens within a given pulsation cycle. The distribution of coal density fractions in the bed, characterized by the imperfection factor I, has been investigated by many researchers. The imperfection factor I is defined as the ratio of the probable error Ep and the separation density ρ50 (I = Ep/ρ50). [...

Układy regulacji odbioru produktów w osadzarkach

W artykule przedstawiono rozwój układów regulacji procesu wzbogacania węgla w osadzarkach, w szczególności układów sterowania odbiorem produktu dolnego. Układy te stabilizują gęstość rozdziału węgla na zadanym poziomie. Zaprezentowano układy oparte na pomiarze ciśnienia wody pod pokładem sitowym osadzarki, układy pływakowe oraz układy z zastosowaniem gęstościomierza radiometrycznego. Przeprowadzono analizę porównawczą tych układów, przedstawiono zalety i wady poszczególnych rozwiązań na podstawie oceny błędów pomiarowych poszczególnych metod.The paper presents the development of control systems of coal washing in jigs. Particularly, control of coal products discharge from jigs has been discussed. The aim of control in these systems is to stabilize the separation density at the desired level. The following systems have been evaluated: systems in which water pressure below the screen deck is monitored, systems with metal float, and systems with a radiometric density meter. A comparative analysis of these systems, on the basis of the measurement errors introduced by each method, has been performed. Finally, their advantages and disadvantages have been discussed

Computer-based monitoring and control systems in coal preparation plants

Przedstawiono aktualny stan automatyzacji procesów wzbogacania węgla (wzbogacanie w cieczach ciężkich, osadzarkach, flotacji) w zakresie stosowanego sprzętu komputerowego i oprogramowania. Przedstawiono systemy monitoringu parametrów jakościowych węgla (zawartość popiołu i wilgoci) stosowane w kopalniach w Polsce, wykorzystujące metody rozproszenia i absorpcji promieniowania gamma oraz promieniotwórczość naturalną pierwiastków substancji mineralnej węgla. Omówiono efekty ekonomiczne wynikające z zastosowania układów automatyki oraz tendencje rozwoju automatyzacji procesów technologicznych. Tendencje rozwojowe koncentrują się na integracji lokalnych systemów automatyki w jeden centralny system sterowania oraz na zastosowaniu zaawansowanych algorytmów sterowania ekspertowego i rozmytego oraz na optymalizacji planów produkcyjnych zakładu.The paper describes the state of technical advance in local control systems (heavy media circuits, jigs, centrifuges and flotation), new equipment and software used. On-line coal quality monitors (ash and moisture content), installed in Polish coal mines, have been presented. They apply absorption or back scattering of gamma radiation measuring methods or methods based on measurements of natural radiation of waste. Experience gained from the operation of monitoring and control systems in the industry have been presented. Economic benefits from application of advanced control in coal preparation plants in Poland have also been discussed. The trends in coal preparation plants process control have been considered. They focus currently on the integration of local control systems with the overall plant control, on advanced expert and fuzzy control algorithms (heavy media, jigs and flotation) and on optimisation of the plant production

A model of the products separation process in a coal pulsatory jig

W artykule przedstawiono model strefy rozdziału produktów w osadzarce pulsacyjnej węgla, w którym zastosowano model przepływu rozwarstwionego materiału w łożu osadzarki w postaci warstw o gęstości zmniejszającej się od pokładu sitowego w kierunku progu przelewowego. Model zrealizowano w postaci schematu blokowego w środowisku Matlab/Simulink. Może on się stać narzędziem pomocnym dla technologów przeróbki węgla w analizie różnych zakłóceń, występujących w trakcie przebiegu procesu wzbogacania węgla w osadzarce.The article presents a model of separating products in a coal pulsatory jig. The separated material flows in the jig bed in the form of layers whose density decreases from the open grid plate towards the overflow. The model was made in the form of a diagram in the Matlab/Simulink environment. It can become a useful device for coal processing experts in the analysis of different disturbances which occur during the process of coal preparation in the jig

System monitoringu procesu wzbogacania węgla – badania symulacyjne

Simulation models are often used in “soft monitoring systems” to predict the effects of production and to diagnose whether the technological process meets the required standards over a given period. They also, however, show promise in the context of mineral and coal processing plants where information on process performance is typically gained from time and labor consuming laboratory tests on samples of material taken from the feed and products from the beneficiation process. Coal concentrates from raw coal are produced through gravitational separation processes in heavy media vessels and in jigs. Both processes are described by a similar model of raw coal washability characteristics and a partition curve of the machine. In soft monitoring used for the on-line identification of the partition curve (imperfection) and the washability characteristics, signals from the belt scales (yields of three products) and two separation densities from radiometric density meters are continuously compared at two different pairs of separation densities in a 3-product gravitational process in a jig, with similar signals generated in a simulation model of the process. The simulation analysis has shown that the presented soft monitoring system can be successfully used in the complex identification of a coal separation process in a gravitational washer such as a jig. It seems to be a good method for on-line determination of raw coal washability characteristics, the partition characteristics of the machine and separation. Good results for three density fractions have been obtained. The results of the imperfection in soft monitoring show that it is possible to classify the efficiency of a jig into several ranges on-line, for example: very good, good, satisfactory, not satisfactory.Modele symulacyjne są często stosowane w systemach monitoringu procesów technologicznych w celu oceny efektywności procesu oraz spełnienia procedur ilościowych i jakościowych. Istotnym obszarem zastosowań modeli symulacyjnych są procesy wzbogacania węgla i innych surowców mineralnych, w których informacja o przebiegu procesu uzyskiwana jest zwykle na podstawie pracochłonnych analiz laboratoryjnych próbek materiału pobranych z procesu. Węgiel surowy jest często wzbogacany w procesach grawitacyjnych w cieczach ciężkich i osadzarkach. Oba procesy modelowane są podobnymi charakterystykami wzbogacalności węgla oraz krzywymi rozdziału wzbogacalnika. Koncepcja ciągłej identyfikacji charakterystyki wzbogacalności węgla i imperfekcji wzbogacalnika (osadzarki) polega na ciągłym porównywaniu sygnałów z trzech wag przenośnikowych oraz dwóch gęstościomierzy radiometrycznych (dla dwóch gęstości rozdziału) z sygnałami generowanymi w modelu symulacyjnym procesu. Minimum odległości dwóch wektorów sygnałów pomiarowych i symulowanych wyznacza poszukiwane parametry procesu. Badania symulacyjne powyższego systemu monitoringu wykazały możliwość identyfikowania on-line trzech klas gęstościowych węgla surowego oraz imperfekcji trójproduktowej osadzarki

Impact of disturbances of process of coal washing in a jig on changes of separation density - laboratory tests

W artykule przedstawiono wyniki badań wpływu wybranych zakłóceń procesu wzbogacania w osadzarce na zmiany gęstości rozdziału. Wykazano, że wielkość zmian gęstości rozdziału powodowana zmiennością charakterystyki wzbogacalności węgla jest istotna i rośnie wraz ze wzrostem wysokości pływaka. Stwierdzono również, że wskazania czujnika pływakowego, przy założonych stałych warunkach procesu, podlegają zakłóceniom, które mogą skutkować zmianami gęstości rozdziału. Fluktuacje są niewielkie i można je zmniejszać przez odpowiednią filtrację sygnału pomiarowego. Przeprowadzone badania wykazały również, że bezwładność pływaka, zależna od jego cech geometrycznych, może mieć wpływ na szybkość reakcji na zmiany rozkładu gęstościowego łoża lub zadanej gęstości pływaka.Results from testing the impact of selected types of disturbances in washing process in a jig on changes of separation density were presented in the paper. It was proved that change of separation density, caused by variability of characteristics of coal washing ability, is significant and increases with an increase of height of the float. It was also found that readings of float sensor, at assumed constant process conditions, are disturbed, what can result in changes of separation density. Fluctuations are small and they can be reduced by a suitable filtration of measuring signal. The conducted tests also indicated that inertia of float, that depends on its geometrical dimensions of float, can have an impact on rapidity of reaction to changes of bed density distribution or set float density

Measurement of a Media Density in a Jig Using Radiometric Density Meter with a Counter of Pulses

Gęstościomierze radiometryczne są stosowane do monitorowania różnych procesów technologicznych. Większość z nich wykorzystuje absorpcję promieniowania gamma. Podstawowym elementem gęstościomierza jest głowica pomiarowa, która składa się ze źródła promieniowania gamma (137Cs) oraz detektora, zwykle w postaci licznika scyntylacyjnego. Sygnał z detektora jest ciągiem impulsów, który zawsze jest sygnałem stochastycznym o rozkładzie Poissona, niezależnie od charakteru sygnału wejściowego. Serie impulsów z detektora są często zliczane w czasie ts za pomocą licznika. W takiej sytuacji licznik powinien być traktowany jako rodzaj cyfrowego filtru dolnoprzepustowego, którego parametrem jest czas pomiaru ts. W czasie ustalonym (w przybliżeniu stała wartość gęstości w czasie) dłuższy czas ts zwiększa dokładność pomiaru. Natomiast, kiedy gęstość istotnie zmienia się w czasie błąd dynamiczny rośnie z nadmiernym wydłużaniem czasu pomiaru. Głównym problemem filtracji jest więc dobór wartości czasu pomiaru ts, minimalizującego dynamiczny błąd pomiaru zgodnie z przyjętym kryterium. W przypadku znajomości przebiegu zmian gęstości w czasie można eksperymentalnie dobrać czas pomiaru, wykorzystując narzędzia do badań symulacyjnych. W takiej sytuacji znany przebieg gęstości należy traktować jako sygnał odniesienia. W przypadku wzbogacania węgla w osadzarce, gęstościomierz radiometryczny może być zastosowany do stabilizacji gęstości rozdziału i kształtu przebiegu gęstości ośrodka. W artykule przedstawiono metodę doboru czasu pomiaru ts z wykorzystaniem wyznaczonych zmian gęstości ośrodka w czasie trzech kolejnych cykli pulsacji w osadzarce. Omówiono problemy oraz wady i zalety związane z cyfrowym przetwarzaniem sygnału z detektora, realizowanym wyłącznie za pomocą licznika impulsów. Model zmian gęstości ośrodka w czasie trzech cykli pulsacji został zidentyfikowany na podstawie wyników badań przemysłowych, a jego równanie zostało podane w artykule. Doboru parametru licznika impulsów tj. czasu pomiaru ts, przy minimalizacji przyjętego kryterium, dokonano symulacyjnie. Wyniki badań symulacyjnych stabelaryzowano i przedstawiono w formie graficznej.Radiometric density meters are used to monitor many different technological processes. Most of them use gamma-ray absorption. Basic element of the meter is a measuring head that consists of a radiation source (137Cs) and a detector usually in the form of a scintillation counter. The output signal from the detector is the sequence of pulses which is always a stochastic signal with Poisson distribution, regardless of the character of the input signal. The series of pulses are often counted during the time ts in a counter. In that situation the counter should be considered as a kind of a low-pass digital filter whose parameter is a time of measurement ts. The longer the time of measurement ts, the higher the accuracy of the monitor in steady state. When density varies, the dynamic error of measurement increases with the excessive lengthen of measurement time ts. The main filtration problem is a selection of value of the measurement time to minimise the dynamic error of measurement according to accepted criterion. The measurement time can be determined experimentally by simulation when the shape of density changes is known. In that situation, the known shape of density should be treated as a reference signal. In case of coal separation process in a jig the radiometric densitometer can be used to stabilize the separation density and the shape of density dynamic changes. The paper presents the method of selection of the measurement time using the computed changes density of three following cycles in the jig. Problems, advantages and disadvantages associated with using only the counter for digital signal processing from the detector of radiometric densitometer are discussed. Model of the density changes, during three cycles of the separation process in a jig, was identified based on results of industrial tests and its equation is given in the paper. Selection of the counter parameter, that is the measurement time, was done by the simulation minimizing the value of accepted criterion. Simulation results were tabulated and presented in the graphic form