close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY4922

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 4922
(13) C1
(19)
7
(51) B 03C 7/02
(12)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО
РАЗДЕЛЕНИЯ
(21) Номер заявки: 971385
(22) 1997.11.27
(31) 08/430,382 (32) 1995.04.28 (33) US
(86) PCT/US96/05844, 1996.04.25
(46) 2003.03.30
(71) Заявитель: СЕПАРЕЙШН ТЕКНОЛОДЖИЗ, ИНК. (US)
(72) Автор: ВИТЛОК Дэвид Р. (US)
(73) Патентообладатель: СЕПАРЕЙШН
ТЕКНОЛОДЖИЗ, ИНК (US)
BY 4922 C1
(57)
1. Способ электростатического разделения различных компонент смеси частиц в сепараторе, при этом смесь частиц включает в себя первую и вторую компоненты, при котором подают смесь в сепаратор, имеющий электроды с противостоящими поверхностями,
управляют разностью потенциалов между электродами, прикладывают электрическое поле между противостоящими поверхностями электродов, разделяют первую и вторую компоненты смеси в соответствии со знаком заряда каждой из первой и второй компонент,
соответственно, и механически перемещают компоненты с одноименным эффективным
зарядом, по меньшей мере, в двух потоках, каждый из разноименных эффективных зарядов, находящихся вблизи друг к другу и перпендикулярно к электрическому полю, причем, по меньшей мере, два потока связывают параллельно электрическому полю так,
чтобы перемещать порцию, по меньшей мере, одной из компонент из одного потока в
другой из соответствующих потоков посредством непрерывного воздействия электрического поля, в то время как потоки продвигаются перпендикулярно к электрическому полю, отличающийся тем, что управление разностью потенциалов между электродами
осуществляют с помощью, по меньшей мере, одного блока для создания градиента потенциала электрического поля посредством ограничения электродов с помощью указанного
блока для создания градиента потенциала электрического поля, содержащего чередующиеся проводящие и диэлектрические элементы, при этом соответственные проводящие
элементы присоединяют к соответствующим узловым точкам схемы падения напряжения
так, чтобы ограничивать максимальную разность потенциалов между двумя любыми проводящими элементами.
Фиг. 2
BY 4922 C1
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что схема падения напряжения включает в себя
множество варисторов.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что схема падения напряжения включает в себя
множество резисторов.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что схема падения напряжения включает в себя
множество элементов с нелинейной вольтамперной характеристикой.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что смесь компонент, подлежащую разделению, выбирают из числа углеродосодержащей зольной пыли и размельченного угля.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрические элементы включают в себя окись алюминия.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что блок для создания градиента потенциала
электрического поля выполнен в виде экструдированной пластмассовой составной детали,
содержащей проводящие и непроводящие области пластмассы.
8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что блок для создания градиента потенциала
электрического поля включает в себя множество диэлектрических элементов, содержащих
окись алюминия, расположенных между проводящими областями.
9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что блок для создания градиента потенциала
электрического поля включает в себя, по меньшей мере, одну печатную плату, содержащую схему падения напряжения.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что максимальную разность потенциалов напряжения между любыми двумя проводящими элементами ограничивают до значений,
меньших, чем примерно 1000 В.
11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сепаратор включает в себя сетчатую ленту, поддерживаемую роликами на концах сепаратора, а продольные стороны сепаратора и
сетчатой ленты ограничивают множеством блоков для создания градиента потенциала
электрического поля.
12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что концы сепаратора также ограничивают
множеством блоков для создания градиента потенциала электрического поля.
13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сепаратор содержит сетчатую ленту, поддерживаемую роликами на концах сепаратора, а продольные стороны сепаратора и сетчатой ленты ограничивают, по меньшей мере, одним блоком для создания градиента
потенциала электрического поля.
14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один блок для создания градиента потенциала электрического поля включает в себя множество блоков для
создания градиента потенциала электрического поля, причем каждый из множества блоков для создания градиента потенциала электрического поля ограничивает продольные
стороны сепаратора и сетчатой ленты.
15. Устройство для трибоэлектрического электростатического разделения смеси частиц, содержащее сепаратор, включающий первый и второй электроды, по меньшей мере,
одну транспортерную ленту, поддерживаемую между, по меньшей мере, двумя опорами
так, чтобы одновременно встряхивать и перемещать смесь частиц между первым и вторым электродами, по меньшей мере, на двух потоках с разноименным эффективным зарядом, отличающееся тем, что содержит блок для создания градиента потенциала
электрического поля, ограничивающий, по меньшей мере, один из первого и второго электродов и содержащий чередующиеся проводящие и диэлектрические элементы, в котором
соответствующие проводящие элементы электрически соединены с узловыми точками
схемы падения напряжения, которая ограничивает максимальную разность потенциалов
между любыми двумя проводящими элементами.
16. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что блок для создания градиента потенциала выполнен из экструдированного пластмассового композиционного материала, содержащего проводящие и непроводящие области пластмассы, а также содержащего
непроводящие диэлектрические элементы.
2
BY 4922 C1
17. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что блок для создания градиента потенциала включает в себя, по меньшей мере, одну печатную плату, содержащую схему падения напряжения.
18. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что непроводящие диэлектрические элементы выбираются из числа: окись алюминия, сапфир, кордиерит, муллит, фарфор, стекло, полиэтилен со сверхвысоким молекулярным весом, политетрафторэтилен (PTFE),
полиэстер.
19. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что схема падения напряжения включает
в себя множество варисторов.
20. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что схема падения напряжения включает
в себя множество резисторов.
21. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что схема падения напряжения включает
в себя множество элементов с нелинейной вольтамперной характеристикой.
22. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что смесь компонент, подлежащая разделению, выбирается из числа углеродосодержащей зольной пыли и размельченного угля.
23. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что максимальная разность потенциалов
напряжения между любыми двумя проводящими элементами ограничивается до значений
меньше, чем примерно 1000 В.
24. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что транспортерная лента выполнена в
виде сетчатой ленты, поддерживаемой роликами на концах сепаратора, а продольные стороны сепаратора и сетчатой ленты ограничены множеством блоков для создания градиента потенциала электрического поля.
25. Устройство по п. 24, отличающееся тем, что концы сепаратора также ограничены
множеством блоков для создания градиента потенциала электрического поля.
26. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что транспортерная лента является сетчатой лентой, а продольные стороны сепаратора и сетчатой ленты ограничены блоком для
создания градиента потенциала электрического поля.
27. Устройство для разделения частиц, содержащее первый электрод, имеющий продольный край и конец, второй электрод, имеющий продольный край и конец, первый ролик, расположенный на первом конце устройства, второй ролик, расположенный на
втором конце устройства, сетчатую транспортерную ленту, расположенную между первым и вторым электродами, поддерживаемую первым и вторым роликами, отличающееся
тем, что содержит блок для создания градиента потенциала электрического поля, выполненный из чередующихся проводящих элементов и диэлектрических элементов, причем
блок для создания градиента потенциала электрического поля, по меньшей мере, частично
расположен по продольному краю первого или второго электрода.
28. Устройство по п. 27, отличающееся тем, что проводящие элементы соединены с
соответствующими узловыми точками схемы падения напряжения.
29. Устройство по п. 27 или 28, отличающееся тем, что блок для создания градиента
потенциала электрического поля расположен по продольному краю и концу первого электрода.
30. Устройство по п. 29, отличающееся тем, что блок для создания градиента потенциала электрического поля расположен по продольному краю и концу второго электрода.
31. Устройство по п. 27, отличающееся тем, что блок для создания градиента потенциала электрического поля расположен по продольному краю и концу первого электрода.
32. Устройство по п. 31, отличающееся тем, что блок для создания градиента потенциала электрического поля расположен по продольному краю и концу второго электрода.
(56)
US 4839032 A, 1989.
SU 185781,1966.
SU 598642, 1978.
3
BY 4922 C1
SU 977039, 1982.
SU 1176954 A, 1985.
SU 1303193 A1, 1987.
SU 1245344 A2, 1986.
SU 1375181 A1, 1988.
US 4874507 A, 1989.
RU 2007233 C1, 1994.
RU 2061550 C1, 1996.
EP 0109828 A1, 1984.
US 4172028 A, 1979.
WO 87/07532 A.
GB 2097292 A, 1982.
Настоящее изобретение касается усовершенствования процессов и оборудования противоточного ленточного электростатического разделения. В частности, настоящее изобретение касается блока для создания градиента потенциала электрического поля, который
предназначен для использования в электростатических сепараторах.
Зольная пыль, образующаяся в результате сгорания угля, часто содержит несгоревший
углеродный остаток из частиц угля, которые не горели во время прохождения через зону
сгорания котла. Недавно из-за изменений в функционировании котла, которые были осуществлены, чтобы уменьшить эмиссию NOx (выделение окислов азота), несгоревший углеродный остаток был значительно увеличен. Одно из потенциальных применений для
такой зольной пыли является применение в качестве пластифицирующей добавки (пуццоланы) в бетоне. Зольная пыль в бетоне реагирует со свободной известью, чтобы образовать цементирующие продукты, которые создают дополнительную прочность в
затвердевшем бетоне. Другими улучшенными свойствами бетона являются более низкое
содержание воды, более низкая температура гидратации, более низкая стоимость, более
легкая текучесть и более низкая проницаемость. Однако, несгоревший углеродный остаток в зольной пыли, образующейся в результате сгорания угля, является нежелательным
для вторичного использования зольной пыли в таких конкретных применениях. Несгоревший углерод в зольной пыли сильно ограничивает выгодное использование зольной
пыли в бетоне.
В то время, как уголь является довольно хорошим изолятором, углерод, образующийся в результате пиролиза угля, является хорошим проводником с удельным сопротивлением значительно ниже 1 Ом⋅см. Углеродные частицы в зольной пыли образуются из частиц
угля, который подвергался пиролизу и частично сгорал.
Во время этого пиролиза и частичного сгорания из угля выделяются летучие компоненты так, что частицы остаточного углерода имеют очень низкую объемную плотность и
являются достаточно пористыми. Обычное содержание углерода в зольной пыли находится в диапазоне от 7 до 12 %, а часто и более 15 %. Технические условия С-618 американского общества испытания материалов (ASTM) для зольной пыли, используемой в
качестве пластифицирующей добавки (пуццоланы) в бетоне, предусматривают менее 6 %
потерь при прокаливании (LOI). Эти технические условия являются мерой содержания
углерода, потому что углерод сгорает во время прокаливания при 750° по стоградусной
шкале. Многие технические проекты имеют технические условия для зольной пыли, которые являются даже более строгими, чем технические условия ASTM, например большой
проект гражданского строительства, который находится в процессе разработки в Бостоне,
проект центрального канала системы снабжения бостонского порта предусматривает менее 3 % LOI.
Кроме того, несгоревший углерод имеет значение топлива и может продуктивно сжигаться в котле, который вырабатывает в первую очередь золу. Эффективное использова4
BY 4922 C1
ние этого углерода в качестве топлива требует, чтобы он был как можно более концентрированным для того, чтобы избежать перегрузки электростатического осаждающего аппарата и эрозии конвекционных труб.
Углерод в зольной пыли представляет собой пример проводящего, состоящего из макрочастиц материала в непроводящем материале. Проводимость такого композиционного
материала зависит от связности проводящей фазы. Что касается фиг. 1, то из теории перколяции следует, что удельное сопротивление (величина, обратная проводимости) композиционной системы уменьшается по мере координации (выстраивания в определенном
порядке) проводящих частиц друг с другом, и когда эта координация превышает некоторое значение, тогда удельное сопротивление композиционного материала резко уменьшается с небольшим увеличением объемного содержания проводящего материала. Это
происходит приблизительно при 37 % объемного содержания проводящего материала.
Ниже этого уровня связи между частицами недостаточны для того, чтобы образовать соприкасающийся мост от одной поверхности до другой. Выше этого уровня имеется достаточно смежных частиц для того, чтобы образовать соприкасающийся мост от одной
поверхности до другой. Этот порог перколяции для удельного сопротивления (проводимости) подробно обоснован и описан J. Girland в Transactions of the metallurgical society of
AIME (Трудах Металлургического общества AIME), том 236, стр. 642-646, май 1966. Порог перколяции, составляющий 37 % объемного содержания наиболее проводящего материала, является характерным для многих систем, в которых он вытекает из чисто
геометрических соображений.
В зольной пыли, образовавшейся из угля, углерод имеет намного более низкий удельный вес, чем в природном материале золы. Эта уменьшенная объемная плотность равносильна более высокому удельному объему и, следовательно, 37 % объемного содержания
углерода в зольной пыли возникает приблизительно при 10 % содержания углерода по весу в зольной пыли. Этот порог перколяции, составляющий 10 % весового содержания углерода, представляет существенные трудности в отделении углерода от зольной пыли.
Хотя в предыдущих описаниях ленточных электростатических сепараторов упоминался
потенциал отделяющихся проводящих частиц, в них конкретно не останавливались на определенных проводящих материалах. Патенты США 4.839.032 и 4.874.507 раскрывают
сепаратор, который применим для трибоэлектрического/электростатического разделения
разнообразных смесей частиц, включающих проводящие частицы. В принципе, этот тип
сепаратора может разделять по существу все материалы, которые имеют свойства электризоваться при трении (трибоэлектрические заряжающие свойства), включая проводники. Этот тип электростатического противоточного ленточного сепаратора в лабораторных
условиях демонстрировал способность разделять разнообразные смеси частиц.
Несмотря на то, что в принципе проводящие частицы могут быть разделены и что разделение проводящих частиц демонстрировалось в лабораторных условиях, коммерческое
долгосрочное использование противоточного ленточного сепаратора, такого как раскрытый в патентах США 4.839.032 и 4.874.507 в отношении смесей, содержащих проводящие
частицы, проблематично из-за накопления (наращивания) проводящих отложений между
областями с различными электрическими потенциалами внутри сепаратора.
Фиг. 2 иллюстрирует один из вариантов воплощения противоточного ленточного сепаратора 100, описанного также в патентах США 4.839.032 и 4.874.507, в котором применяется сильное электрическое поле для того, чтобы перемещать трибоэлектрически
заряженные частицы из одного движущегося потока в другой смежный поток, движущийся в противоположном направлении. Посредством двух параллельных электродов 9 и 10
образуется электрическое поле, через которое движутся участки ленты 8А и 8В и потоки
частиц. Чтобы удерживать частицы и поддерживать электроды, необходимо обеспечить
механическое соединение между двумя электродами по их продольным краям и перпендикулярно к электродам 9, 10 и участкам ленты 8А, 8В. Это как раз та область, в которой
частицы проводящего углерода могут скапливаться и порождать проводящее шунтирую5
BY 4922 C1
щее соединение между электродами 9, 10 и, таким образом, короткое замыкание электродов. Это закорачивание электродов 9, 10 вызывает ослабление электрического поля и полную деградацию сепаратора 100 и процесса разделения.
В принципе, можно было бы просто использовать более мощный источник высокого
напряжения с более высокой допустимой силой тока для того, чтобы уйти от деградации
электрического поля, обусловленной этим локальным эффектом короткого замыкания.
Однако, для некоторых применений это не выполнимо. Например, некоторый слой углерода с поперечным сечением 1 мм2 имеет сопротивление приблизительно 100 Ом⋅см.
Имея между электродами 9 и 10 зазор 5 толщиной 1 см и приложенное напряжение 10 кВ,
слой углерода, составляющий 1 мм, проводил бы ток 100 А и рассеивал 1 МВт мощности.
Это недопустимо.
Один из подходов к смягчению вышеупомянутой проблемы состоит в том, что части
электродов 9, 10 могут быть изъяты и заменены областями из непроводящего материала,
по которому может полностью протягиваться лента. Этот подход увеличит длину пути, по
которому должен формироваться путь проводимости, и уменьшит вероятность его образования. Однако, в тех областях, где электрод заменяется диэлектриком, нет никакого
электрического поля для разделения, и, следовательно, эффективность сепаратора уменьшается. Далее, при таком подходе проблема состоит в том, что вдоль краев сепаратора
электрическое поле разделения отсутствует, что приводит к тому, что часть перемещаемого посредством ленты материала не разделяется. Этот неразделенный материал будет загрязнять разделенные продукты и уменьшит эффективность сепаратора. Также, даже при
том, что длина пути, по которому должен формироваться путь проводимости, увеличивается, загрязнение проводящими частицами будет по-прежнему приводить к наращиванию
проводящих слоев и, в конечном счете, к пробою зазора, что будет через какое-то время
приводить к трекингу (повреждение изолятора) и эрозии диэлектрической поверхности.
Со ссылкой на фиг. 2 в соответствии с вариантом выполнения сепаратора 100, при работе сепаратора 100 движущиеся участки ленты 8А, 8В перемещают состоящий из макрочастиц материал, находящийся в состоянии текучей среды. Подобно любой текучей среде
состоящий из макрочастиц материал перемещается и заполняет любые доступные пустоты. По краям сепаратора (например, продольные стороны электродов 9 и 10, точки подачи
3 и выходные точки 4, 7) имеются неподвижные поверхности. В зависимости от используемого механического режима текучей среды имеется застойный граничный слой некоторой толщины. Когда проводящие частицы скапливаются в этом граничном слое, то
поверхностная проводимость и трекинг являются неизбежным последствием работы с
проводящими частицами.
Некоторые из этих эффектов могут быть частично ослаблены посредством работы с
уменьшенной пропускной способностью. Это равносильно признанию, что материал фактически является трехфазной системой с двумя твердыми фазами, одна из которых проводящая, и воздухом, который является превосходным изолятором. Соответственно, при
увеличении концентрации воздуха, что является уменьшением объемной части твердого
материала, который находится в сепараторе, будет уменьшаться объем проводника. К сожалению, это не устраняет проблему, связанную с проводящими частицами, и уменьшает
пропускную способность сепаратора. Последующие частицы могут все еще накапливаться
на любой неподвижной поверхности до тех пор, пока не образуется проводящий слой. Это
поведение наиболее очевидно, когда один из концентрируемых объектов сам по себе является проводящим, что имеет место в случае с углеродом в зольной пыли.
Патенты США 4.839.032 и 4.874.507 раскрывают использование диэлектрического
барьера 6 между перемещающимися участками ленты 8А и 8В. Этот барьер может быть
расположен вдоль краев сепаратора так, чтобы увеличить длину пути, по которому должен образоваться путь проводимости, чтобы исключить короткое замыкание электродов
9, 10. Однако, этот барьер, блокируя поле и перемещение частиц из одного потока в противоположный поток, также до некоторой степени препятствует разделению. Далее труд6
BY 4922 C1
но гарантировать стабильность при длительном сроке службы такого барьера в виде пластины.
Кроме того, целесообразно, чтобы материал, который следует использовать в качестве
барьера 6, должен быть гибким, чтобы противостоять толчкам и движению лент 8А и 8В
без разрушения. Это требование гибкости исключает использование твердых керамических материалов и требует диэлектрических материалов с более низким модулем, типа
полимерных материалов. Однако, проблема с полимерными материалами состоит в том,
что они являются по существу мягкими, и в них могут быть вкраплены проводящие частицы, и таким образом полимерные материалы могут стать проводящими. Далее, когда
возникает искровой разряд, полимерные материалы выдерживают только относительно
низкую температуру и не так устойчивы к эрозии, обусловленной искрообразованием, как
керамические материалы. Как раскрыто в патентах США 4.839.032 и 4.874.507, когда
барьер располагается поперек сепаратора 100 между противоположными электродами 9,
10, то заряды двигаются до тех пор, пока через диэлектрик не образуется поле. Таким образом, когда диэлектрик перекрывается искрой, имеется существенный заряд и энергия,
запасенная в зарядах на противоположных сторонах диэлектрического барьера, рассеивается в искровом разряде, приводя к трекингу и эрозии полимерного материала.
Еще одна проблема, связанная с сепаратором 100 из фиг. 2, состоит в том, что увеличенный путь не предотвращает искровой пробой, обусловленный электрическим полем
постоянного тока, даже при том, что среднее электрическое поле может быть намного ниже поля пробоя. Когда происходит электрический искровой разряд, канал искрового разряда является сильно ионизированным и в высокой степени проводящим. Как и очень
проводящий материал, искровой разряд становится эквипотенциальной поверхностью.
Если искровой разряд начинается на одном электроде и распространяется наружу, то во
время периода искрообразования канал искрового разряда находится под тем же потенциалом, что и электрод. Электрическое поле в вершине искрового разряда является тогда
градиентом потенциала между электродом и локальной областью, находящейся непосредственно за пределами ведущего острия искрового разряда. Сильное электрическое поле и
градиент поля на вершине искрового разряда может выстраивать частицы и приводить к
дальнейшему искрообразованию и трекингу. Когда возникает искровой разряд, то он создает локальную область плазмы высокой энергии, которая может разрушать и разлагать
полимерные материалы, в результате приводя к образованию углерода и трекингу. Этот
углерод является достаточно проводящим и может приводить к дальнейшему пробою.
Таким образом, работа ленточного сепаратора на проводящих частицах является проблематичной, и способы, используемые, чтобы сделать возможным разделение проводящих материалов, ограничены и не полностью удовлетворительны для долгосрочной
работы в промышленном процессе.
Таким образом, задача настоящего изобретения - создать противоточный ленточный
сепаратор для работы с высокой эффективностью на проводящих частицах.
Также задача настоящего изобретения - создать пассивную систему, которая будет работать длительное время и будет требовать небольшого обслуживания.
Далее, задача настоящего изобретения - создать способ и устройство, которые делают
возможным разделение высоких концентраций проводящих материалов.
Еще одна задача настоящего изобретения - создать способ и устройство, которые делают возможным разделение проводящих материалов выше порога перколяции.
Далее задача настоящего изобретения - создать способ и устройство, которые делают
возможным разделение проводящих материалов с высокой производительностью без
ухудшения параметров из-за проводимости частиц.
В соответствии с настоящим изобретением способ для электростатического разделения различных компонент смеси частиц в сепараторе, включающих проводящие частицы,
в камере разделения, включает обеспечение камеры разделения противостоящими поверхностями, состоящими из электродов, ограниченных блоком для создания градиента
7
BY 4922 C1
потенциала электрического поля, включающим чередующиеся проводящие элементы и
диэлектрические элементы, посредством чего проводящие элементы соединяются с соответствующими узловыми точками схемы падения напряжения, чтобы ограничить максимальную разность потенциалов между любыми двумя смежными проводящими
элементами. Кроме того, способ включает поступление материала в камеру разделения,
создающую электрическое поле между противостоящими поверхностями, разделение различных компонент в электрическом поле в соответствии со знаком их заряда, и механическое перемещение компонент с одноименным эффективным зарядом в двух потоках с
разноименным эффективным зарядом, находящихся близко друг к другу и перпендикулярно к электрическому полю. Далее, способ включает удаление разделенных компонент
смеси частиц из камеры разделения.
С помощью такой установки эффекты поверхностной проводимости и трекинга, обусловленные проводящими частицами, скапливающимися в застойных областях сепаратора, уменьшаются, и таким образом противоточный ленточный сепаратор может работать
при более высокой пропускной способности с высокой эффективностью и может использоваться для отделения высоких концентраций проводящих материалов от смеси.
В соответствии с настоящим изобретением, устройство для электростатического разделения смеси частиц, содержащих проводящие частицы, включает в себя камеру разделения, имеющую по меньшей мере пару электродов, по меньшей мере одну транспортерную ленту, расположенную между парой опор так, чтобы одновременно встряхивать и
перемещать смесь частиц между парой электродов по меньшей мере в двух потоках, и
блок для создания градиента потенциала электрического поля, содержащий чередующиеся проводящие и диэлектрические элементы, расположенные по меньшей мере вдоль продольных краев сепаратора. Проводящие элементы блока для создания градиента
потенциала электрического поля присоединяются к соответствующим узловым точкам
схемы деления напряжения, которая ограничивает максимальную разность потенциалов
между любыми двумя смежными проводящими элементами.
С помощью такого устройства эффекты поверхностной проводимости и трекинга,
обусловленные проводящими частицами, скапливающимися в застойных областях сепаратора, уменьшаются, и, таким образом, противоточный ленточный сепаратор может работать при более высокой пропускной способности, с высокой эффективностью, и может
использоваться для отделения высоких концентраций проводящих материалов от смеси.
В одном из вариантов воплощения настоящего изобретения блок для создания градиента потенциала электрического поля выполнен из экструдированного (формованного выдавливанием) пластмассового композиционного материала, содержащего как проводящие,
так и непроводящие области пластмассы, а также содержащего непроводящие диэлектрические элементы. Этот экструдированный пластмассовый композиционный материал
(композит) соединен по меньшей мере с одной печатной платой, содержащей схему деления напряжения.
В таком устройстве противоточный ленточный сепаратор требует небольшого обслуживания и является устойчивым к трению от постоянного взаимодействия с перемещающимися лентами.
Далее изобретение поясняется с помощью описания конкретных вариантов его воплощения со ссылками на чертежи, на которых изображены:
фиг. 1 - график зависимости удельного сопротивления от объемного содержания (в
процентах) композита из определенного материала, известный в уровне техники,
фиг. 2 - устройство разделения частиц в соответствии с уровнем техники (схематически),
фиг. 3 - поперечное сечение блока для создания градиента потенциала электрического
поля в соответствии с настоящим изобретением,
фиг. 4 - схема варианта воплощения схемы падения напряжения в соответствии с настоящим изобретением,
8
BY 4922 C1
фиг. 5 - схема другого варианта воплощения схемы падения напряжения в соответствии с настоящим изобретением и
фиг. 6 - график вольтамперной кривой нелинейных варисторов, которые используются
в варианте воплощения деления напряжения, изображенном на фиг. 5,
фиг. 7А и 7Б - экструдированный блок для создания градиента потенциала электрического поля в соответствии с одним из вариантов воплощения настоящего изобретения,
причем фиг. 7А представляет собой вид сверху, а фиг. 7Б - вид сбоку (с торца), и
фиг. 8 - поперечное сечение печатной платы, содержащей схему падения напряжения,
представленную на одной из фиг. 4 и 5, и имеющей соединители для присоединения к
задней стороне экструдированного блока градиента потенциала электрического поля на
фиг. 7А и 7Б.
Известно два условия для формирования искрового разряда при работе высоковольтного оборудования постоянного тока (DC) в атмосфере. Искровой разряд в этом смысле
определяется как лавина электронов, где электрическое поле обеспечивает достаточную
энергию электронам для того, чтобы активизировать дальнейшую ударную ионизацию
молекул, это приводит к экспоненциальному увеличению тока, к тепловому нагреву и, в
конечном счете, к тепловой ионизации, и обычно к визуальному и звуковому каналу искрового разряда.
Первым условием является то, что электрическое поле или градиент потенциала электрического поля должны быть достаточными, чтобы обеспечить энергию свободным
электронам со скоростью выше той, с которой электроны теряют энергию, проходя через
газ, так, чтобы энергия электронов могла увеличиваться до уровня, при котором они могут
вызывать дальнейшую ионизацию. Вторым условием является то, что разность потенциалов между высоким потенциалом и низким потенциалом должна превышать некоторое
критическое значение. Это критическое значение является функцией состава газа и, до некоторой степени, электрода, особенно свойств вторичной электронной эмиссии, работы
выхода и свойств автоэлектронной (холодной) эмиссии электрода. Характеристики пробоя
жидкостей и твердых тел обычно намного выше, чем поля пробоя для газов, прежде всего
потому, что длина свободного пробега электронов в жидкостях или в твердых телах намного короче, и поэтому электрическое поле должно сообщать энергию электронам с более высокой скоростью в твердых телах или в жидкостях, чтобы достичь энергий,
необходимых для дальнейшей ионизации.
Что касается сепаратора 100 из фиг. 2, то, когда зазор 5 между проводниками 9, 10
большой, условием ограничения для пробоя является то, что электрическое поле должно
быть выше некоторого предела. Оно сводится к значению 30 кВ/см для прочности пробоя
воздуха. Когда зазор 5 очень маленький, тогда условие ограничения становится таким, что
разность потенциалов должна превышать напряжение искрового разряда газа. Эта зависимость минимального напряжения искрового разряда была обнаружена Пашеном и названа
законом Пашена. Для воздуха минимальное напряжение искрового разряда составляет 327
В и возникает в зазоре приблизительно 7,5 микрон при давлении 1 атмосфера. Это представляет поле напряженностью 440 кВ/см.
Тенденция электродов в ленточном сепараторе, например электродов 9, 10 из фиг. 2, к
искрообразованию и закорачиванию может быть снижена посредством управления максимальной разностью потенциалов и максимальным электрическим полем, которое существует вдоль твердых поверхностей внутри сепаратора, особенно там, где проводящие
частицы могут быть собраны и порождать пути проводимости. В соответствии с настоящим изобретением разность потенциалов, а следовательно, и максимальное электрическое
поле между различными областями управляется путем обеспечения проводящими элементами, поочередно расположенными между непроводящими элементами между электродами 9, 10, и опорным потенциалом и путем электрического соединения проводящих
элементов с блоком деления напряжения так, чтобы управлять максимальной разностью
потенциалов между смежными проводящими элементами.
9
BY 4922 C1
На фиг. 3 представлено схематическое изображение блока для создания градиента потенциала электрического поля в соответствии с вариантом воплощения настоящего изобретения для обеспечения управляемой максимальной разности потенциалов между
электродами 9, 10 сепаратора 100. Должно быть понятно, что изображенное иллюстративное исполнение приводится просто для примера относительно числа проводников и диэлектрических элементов, относительно способа, которым они установлены, способа,
которым они поддерживаются, их формы и размера и т.п., и что могут применяться многочисленные модификации, и они должны охватываться настоящим изобретением.
Блок 300 для создания градиента потенциала электрического поля имеет переднюю
поверхность 302, сформированную диэлектрическими элементами 20-28 и проводящими
элементами 11-18. Передняя поверхность 302 расположена так, что она обращена лицом к
перемещающимся лентам 8А, 8Б и расположена между поверхностью 91 высокого потенциала и поверхностью 90 низкого потенциала, которая в одном из вариантов воплощения
соединена с землей.
Проводящие элементы 90, 11-18 и 91 соединены посредством соединительных проводов 30-39 соответствующим образом со схемой деления напряжения. Диэлектрические
элементы 20-28 поддерживаются изолирующими механическими держателями 40 и полимерным герметизирующим связующим веществом 19, которое механически склеивает
блок и электрически изолирует заднюю поверхность 304 блока 300 для создания градиента потенциала электрического поля от контакта с другими механическими держателями
(не показаны). Проводящие элементы 11-18 присоединяются посредством соединительных проводов 30-39 к схеме падения напряжения, такой как, например, показана на фиг. 4
и 5. В частности, соединительный провод 30 присоединяется к узловой точке 130, соединительный провод 31 присоединяется к узловой точке 131, соединительный провод 32
присоединяется к узловой точке 132, соединительный провод 33 присоединяется к узловой точке 133 и т.п. на фигурах 4 и 5.
На фиг. 4 изображен вариант воплощения схемы 400 падения напряжения, включающей множество резисторов 50-58. Резисторы 50-58 соединяются последовательно, как показано, между поверхностью 91 высокого потенциала, которая присоединяется к схеме в
узловой точке 139, и поверхностью 90 опорного потенциала, которая присоединяется к
схеме в узловой точке 130. Резисторы 50-58 создают последовательное падение напряжения от поверхности 91 до поверхности 90. В предпочтительном варианте воплощения
схемы 400 деления напряжения резисторы 50-58 имеют одинаковое значение так, чтобы
потенциал высокого напряжения поверхности 91 был одинаково разделен на каждом из
резисторов 50-58. Последовательное падение напряжения в узловых точках 131-138, присоединенных, соответственно, к проводящим элементам 31-38 блока 300 для создания
градиента потенциала электрического поля, обеспечивает постепенное изменение напряжения от поверхности 91 до поверхности 90, чтобы уменьшить тенденцию к искрообразованию между любыми проводящими элементами.
Этот тип управляемого падения напряжения использовался в других высоковольтных
устройствах, типа генератора Ван де Графа, чтобы ограничивать максимальное электрическое поле и уменьшать искровой разряд между различными компонентами с высоким напряжением. Такие приборы для создания градиента потенциала электрического поля
обычно используют резисторы, чтобы создавать управляемое падение напряжения и делить высокое напряжение на некоторый ряд ступеней меньшего напряжения. Далее, в высоковольтных системах передачи переменного тока часто используются керамические
изоляторы. Эти изоляторы обычно имеют рифленую поверхность и обычно делят напряжение от высокого напряжения до нуля (земли) посредством механизма емкостного падения напряжения. Однако механизм емкостного падения напряжения неэффективен для
напряжений постоянного тока. Предпочтительное устройство для деления напряжений
постоянного тока, таким образом, имеет высокий импеданс при нормальных эксплуатационных режимах и низкий импеданс для напряжений выше нормальных эксплуатационных
10
BY 4922 C1
режимов. Такая нелинейная вольтамперная характеристика может быть достигнута, например, при использовании нелинейных компонентов типа варисторов или зенеровских
(опорных) диодов.
На фиг. 5 изображена схема 500 падения напряжения в соответствии с другим вариантом воплощения настоящего изобретения, который использует множество варисторов.
Варисторы 71-79 и 171-179 имеют некоторую нелинейную вольтамперную кривую, на которой ток увеличивается по экспоненте, начиная с напряжения, характеризующего "включено". На фиг. 5 изображена первая цепь из варисторных элементов 71-79, которые
размещены, последовательно перемежаясь с соответствующими резисторами 61-69. Кроме того, имеется вторая цепь варисторных элементов 171-179, которые размещены, последовательно перемежаясь с соответствующими резисторами 161-169. Кроме того, вторая
цепь размещается параллельно с первой цепью. Резисторы 61-69 и 161-169 гарантируют,
что варисторы делят любой ток, протекающий в схеме между узловыми точками 130 и 139.
Так как варисторные элементы имеют экспоненциальную вольтамперную зависимость, то ток, протекающий через варистор, чувствителен к напряжению на варисторном
элементе. Кроме того, на практике каждый варисторный элемент слегка отличается от другого. Далее, как только температура варистора увеличивается, ток при заданном напряжении также увеличивается. Таким образом, возможный вид отказа этого варианта
воплощения схемы 500 деления напряжения состоит в том, что один варистор будет проводить больше тока, чем другие варисторы, приводя в результате к повышению температуры
варистора так, что он будет проводить ток еще больше, до тех пор, пока не начнется стремительный рост температуры варисторного прибора и не произойдет возможный отказ прибора. Таким образом, чтобы предотвратить этот стремительный рост температуры любого
конкретного варистора 71-79 и 171-179, используются резисторы 61-69 и 161-169 для того,
чтобы перенести рабочую точку комбинации варистор-резистор в близкие по параметрам
рабочие области.
В одном из вариантов воплощения схемы деления напряжения в соответствии с настоящим изобретением для элементов 71-79 и 171-179 используются варисторы SK20680
от компании Сименс. Эти варисторы имеют рассеиваемую мощность 1 Вт, что соответствует напряжению приблизительно 1000 В при токе 1 мА. Таким образом, если резисторы
61-69 выбраны имеющими сопротивление 100000 Ом при токе 1 мА, то на каждом резисторе будет падение напряжения 100 В. Дополнительное сопротивление каждого резистора стабилизирует рабочую точку схемы 500 так, чтобы множество цепей из варисторных
элементов могли быть соединены параллельно, чтобы увеличить полную допустимую силу тока схемы 500 при поддержании стабильной работы.
Используя схему падения напряжения фиг. 5, напряжение фиксируется варисторами
71-79 и 171-179 на рабочей точке варистора. Варисторный тип схемы фиксации напряжения является предпочтительным по сравнению с системой зенеровских диодов, потому
что варисторы являются двунаправленными компонентами, в противоположность зенеровским диодам, которые являются однонаправленными. Таким образом, варисторы 71-79
и 171-179 будут ограничивать разность потенциалов между любыми двумя проводниками
11-18 (фиг. 3) при любой полярности. Также варисторы обычно дешевле, являются более
стойкими приборами при работе с высокой мощностью и имеют номинальные напряжения, которые являются подходящими для использования в схемах деления напряжения.
Использование нелинейных пассивных элементов типа варисторов обеспечивает несколько дополнительных выгод. Например, когда падение напряжения на варисторе
меньше, чем фиксируемое напряжение, то прохождение тока очень мало. На фиг. 6 изображены некоторые типичные вольтамперные характеристики для металло-окисных варисторов S20K680 с номинальным рабочим напряжением переменного тока, составляющим
680 В (среднеквадратичное значение). Одно из преимуществ схемы деления напряжения
фиг. 5 состоит в том, что число элементов деления напряжения может быть большим без
риска того, что внутри цепи деления напряжения мог бы образоваться высокий потенциал.
11
BY 4922 C1
Таким образом, напряжение на полной цепи ограничивается напряжением питания, и максимальное напряжение на любой из пар смежных проводящих элементов 11-18 (фиг. 3)
ограничивается варисторным фиксированным напряжением. Фактическое напряжение на
любой из пар смежных проводников 11-18 является динамическим значением, которое
зависит от проводимости любых других элементов в последовательной цепи. Таким образом, если на одной из пар смежных проводников частично проводящий слой допускает
проводимость, составляющую ток в несколько микроампер, то напряжение на этой паре
проводников будет падать до тех пор, пока ток через проводящий слой не станет равным
току, который ограничен другими варисторами в последовательном соединении.
В соответствии с настоящим изобретением ограничение максимальной разности потенциалов между смежными проводящими элементами с помощью блока для создания
градиента потенциала электрического поля обеспечивает несколько выгод. Например, ограничение градиента поля на конце пути проводимости сепаратора (например, продольные концы сепаратора) уменьшает диэлектрофоретическую силу на частицах, которую на
частицы накладывает градиент электрического поля. Эти силы стремятся заставить частицы
соединяться и образовывать цепочки гранул. Цепочки гранул получаются, когда частицы
являются проводящими, и силы притяжения собирают частицы вместе и образуют некоторую проводящую цепь. Чтобы стать проводящим, каждый зазор в цепи должен иметь падение напряжения, по меньшей мере равное потенциалу искрообразования для воздуха или
327 В для зазора 7,5 мкм. Таким образом, сильное поле может перемещать частицы и заставлять этот промежуток замыкаться. Подобным образом сильное поле может увеличивать
площадь контакта и уменьшать сопротивление контакта между смежными частицами.
Например, в одном из вариантов воплощения настоящего изобретения было обнаружено, что для отделения углерода от зольной пыли ограничение максимального напряжения между проводящими элементами блока для создания градиента потенциала
электрического поля приблизительно до 700 В достаточно для подавления эффектов закорачивания электрического поля между электродами. Минимальное напряжение, требуемое для запуска искрового разряда, составляет 327 В, когда зазор составляет 7,5 мкм.
Таким образом, с максимальным напряжением, ограниченным до 700 В, два таких зазора
будут исключать возможность проводимости между двумя проводниками.
Таким образом, схемы уменьшения напряжения, как показано на фиг. 4-5, в комбинации с блоком градиента потенциала электрического поля 300 используются для того, чтобы ограничивать разность потенциалов, и, следовательно, электрическое поле и градиент
электрического поля в воздушном зазоре между противоположными поверхностями 9, 10
электростатического сепаратора 100 (фиг. 2). На продольных крайних областях сепаратора
100 электрическое поле тангенциально к крайней поверхности. Чтобы далее ограничить
электрическое поле в воздушном зазоре и уменьшить эффект формирования цепочек гранул, желательно использовать материал с высокой диэлектрической постоянной так, чтобы электрическое поле в пределах воздушного зазора было уменьшено еще больше. Таким
образом, должно быть понятно, что установка проводников при определенных потенциалах, окруженных диэлектриками с определенными диэлектрическими постоянными, приводит в результате к такому распределению проводников и диэлектриков, которое может
существенно влиять на окружающее электрическое поле.
Также должно быть понятно, что важна конфигурация проводников и изоляторов.
Геометрия параллельных плоскостей сепаратора требует, чтобы все поверхности раздела
между высоковольтными электродами и конструкцией неподвижной механической опоры
были защищены от искрового перекрытия и пробоя. Таким образом, что касается фиг. 2,
это требование необходимо выполнить, например, на продольных краях электродов 9, 10,
на концах электродов 9, 10, смежных с выходными точками 4, 7, в точке подачи 3, где подаваемый материал вводится через щель в электроде, и при любых разнесенных проходах
заряда, разряда в электродах 9, 12.
12
BY 4922 C1
Также должно быть понятно, что тенденция к пробою различна на различных краях
поверхностей электрода и также зависит от разделяемого материала и концентрации, вырабатываемой в сепараторе. В случае зольной пыли, углеродный остаток с низкой концентрацией обычно составляет меньше 3 % углерода, и, следовательно, меньше тенденция к
искрообразованию и закорачиванию. В углеродном остатке с высокой концентрацией содержание углерода может превышать 50 % углерода, так что тенденция к закорачиванию
очень высока. По краям сепаратора 100 имеется непрерывное изменение (потенциала) от
низкого значения до высокого значения. Таким образом, в зависимости от назначения, которое ожидается для какого-то заданного применения, должно быть понятно, что различные края в сепараторе могут иметь различные конфигурации, чтобы упростить конструкцию сепаратора на тех участках, где не требуются очень высокие уровни защиты.
Настоящее изобретение полезно в разделении многих смесей, которые содержат проводящие частицы. Примеры таких материалов включают зольную пыль с проводящими
частицами углерода, измельченную металлическую стружку от операций металлообработки, включающую металлические частицы, металлосодержащие шлаки и отходы от пирометаллургических операций, графитовые руды, сульфидометаллические руды, шлаки,
содержащие кремний, уголь, который может включать частицы древесного угля и сульфиды металлов, антрацит, который может сам быть проводящим, углеродосодержащие
отходы, минеральные пески и карбид кремния.
Также должно быть понятно, что важен выбор материалов конструкции. Изоляционный материал должен иметь высокую диэлектрическую постоянную, хорошее сопротивление электрического трекинга, сопротивление трения и должен быть пространственно
устойчив в сепараторе. Один из примеров материала, который хорошо работает, представляет собой высокочистую спеченную поликристаллическую окись алюминия с высокой
плотностью. Этот материал очень твердый, очень стоек к трению, является очень хорошим изолятором, вплоть до высоких температур, и легко доступен. Однако, могут также
использоваться и другие керамические материалы, такие как: муллит, шпинель, кварц,
сапфир, фарфор, стекло или другие материалы с высокой диэлектрической постоянной,
такие как титанат бария. В некоторых применениях могут использоваться полимерные
материалы, где искрообразование было подавлено и нет искровой эрозии. Далее, износостойкие полимерные материалы, такие как полиэтилен со сверхвысоким молекулярным
весом, уретаны или политетрафторэтилен (PTFE) могут также использоваться, когда трение не является слишком сильным.
Далее, должно быть понятно, что выбор материалов проводников намного шире. Требования по допустимой силе тока очень низкие, так что материал не должен быть хорошим проводником. Далее, эрозия проводящего материала является меньшей проблемой,
когда он окружен изоляционным материалом, таким как, например, твердая окись алюминия. Проводники могут быть выбраны из металла или из проводящей пластмассы. Использовались оба типа систем и оба хорошо работают.
На фиг. 7А и 7В изображен один из вариантов воплощения блока 276 для создания
градиента потенциала электрического поля в соответствии с настоящим изобретением,
который включает в себя проводящий пластмассовый материал 272, экструдированный
вместе с изолирующим пластмассовым материалом 274, что в результате приводит к получению составной детали 276. Составная деталь 276 может быть экструдирована по низкой цене, и изолирующие детали 278 из окиси алюминия, например, могут быть
сцементированы вместе между смежными проводящими пластмассовыми деталями 272,
таким образом обеспечивая некоторую протяженную фронтальную поверхность 290, чтобы предотвратить электрический трекинг.
На фиг. 8 изображена печатная плата 80, содержащая схему деления напряжения,
имеющая многочисленные соединители 82. Плата 80 схемы деления напряжения может
прикрепляться с помощью соединителей 82 к задней стороне 292 экструдированной детали 276, и весь блок может быть герметизирован с помощью не показанного подходящего
13
BY 4922 C1
диэлектрического герметизирующего корпуса, чтобы защитить компоненты от пыльной
окружающей среды внутри сепаратора.
Было экспериментально доказано, что блок для создания градиента потенциала электрического поля достаточно эффективен в предотвращении искрообразования и пробоя
напряжения трекинга при работе ленточного полномерного сепаратора по отделению углерода от зольной пыли. Сепаратор, включающий эти компоненты, продемонстрировал
длительный срок службы при выработке углеродного потока с высоким весовым содержанием углерода более 50 %. Это представляет очень большую объемную долю проводящего материала, и сепаратор при такой концентрации в отсутствии этих деталей 276 блока
для создания градиента потенциала электрического поля очень быстро вышел бы из строя.
Таким образом, после описания нескольких конкретных вариантов воплощения изобретения могут быть выполнены различные изменения, модификации и усовершенствования. Такие изменения, модификации и усовершенствования надо понимать в том смысле,
что они являются частью этого описания и должны быть в пределах сущности и в рамках
изобретения.
Соответственно, предшествующее описание дано посредством неограничивающего
примера и ограничивается только формулой изобретения и ее эквивалентами.
Фиг. 1
Фиг. 3
14
BY 4922 C1
Фиг. 4
Фиг. 5
Фиг. 6
15
BY 4922 C1
Фиг. 7А
Фиг. 7Б
Фиг. 8
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
273 Кб
Теги
патент, by4922
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа