Способ и устройство для электростатического разделения

 

Изобретение относится к электромеханическому разделению высоких концентраций проводящих материалов. Задачей изобретения является разделение проводящих материалов с высокой производительностью без ухудшения параметров из-за проводимости частиц. Для этого разделение смеси частиц, включающих проводящие частицы, осуществляют на ленточном противоточном сепараторе с помощью блока для создания градиента потенциала электрического поля. Указанный блок состоит из множества проводящих элементов, расположенных между множеством диэлектрических элементов. Проводящие элементы соединены с соответствующими точками схемы падения напряжения, предназначенной для деления напряжения между электродом с высоким потенциалом электрического сепаратора и опорным потенциалом. Это позволяет ограничить потенциал напряжения между любыми смежными проводящими элементами до некоторого максимального потенциала, чтобы предотвратить искрообразование. 3 с. и 29 з.п.ф-лы, 8 ил.

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.

Предшествующий уровень техники 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 NO_x (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 C-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^o 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 использование 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.

Раскрытие изобретения 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 шунтирующее 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 невыполнимо. 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 ампер и рассеивал 1 мегаватт 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 перемещающимся 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 трудно 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, а также 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 могут 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 образования 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 на проводящих частицах с высокой эффективностью.

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.

Поставленная задача решается тем, что в способе 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 первый и второй компонент 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, согласно изобретению 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, посредством чего соответственные проводящие элементы присоединяют к соответствующим узловым точкам схемы падения напряжения так, чтобы ограничивать максимальную разность потенциалов между двумя любыми проводящими элементами.

В способе согласно изобретению схема падения напряжения может включать в себя множество варисторов или множество резисторов, или множество элементов с нелинейной вольтамперной характеристикой.

В способе согласно изобретению смесь компонентов, подлежащая разделению, может быть выбрана из числа углеродсодержащей зольной пыли и размельченного угля, диэлектрические элементы могут включать в себя окись алюминия.

В способе согласно изобретению каждый блок для создания градиента потенциала электрического поля может включать в себя экструдированную пластмассовую составную деталь, содержащую проводящие и непроводящие области пластмассы, множество диэлектрических элементов, содержащих окись алюминия, расположенных между проводящими областями, или, по меньшей мере, одну печатную плату, содержащую схему падения напряжения.

В способе максимальную разность потенциалов напряжения между любыми двумя проводящими элементами ограничивают до значений, меньших, чем примерно 1 тысяча вольт.

В способе согласно изобретению сепаратор может включать в себя сетчатую ленту, поддерживаемую роликами на концах сепаратора, при котором продольные стороны сепаратора и сетчатой ленты ограничивают множеством блоков для создания градиента потенциала электрического поля.

В способе согласно изобретению концы сепаратора также ограничивают множеством блоков для создания градиента потенциала электрического поля.

В способе согласно изобретению сепаратор может содержать 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.

В способе согласно изобретению, по меньшей мере, один блок для создания градиента потенциала электрического поля может включать 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.

Поставленная задача решается также тем, что устройство для трибоэлектрического электростатического разделения смеси частиц, содержащее 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, в двух потоках с разноименным эффективным зарядом, согласно изобретению содержит блок для создания градиента потенциала электрического поля, содержащий чередующиеся проводящие и диэлектрические элементы и ограничивающий, по меньшей мере, один из первых и вторых электродов, посредством чего соответствующие проводящие элементы электрически соединяются с узловыми точками схемы падения напряжения, которая ограничивает максимальную разность потенциалов между любыми двумя проводящими элементами.

В устройстве согласно изобретению блок для создания градиента потенциала может включать в себя экструдированный пластмассовый композит, состоящий из проводящих и непроводящих областей пластмассы и непроводящих диэлектрических элементов, а также, по меньшей мере, одну печатную плату, содержащую схему падения напряжения.

В устройстве согласно изобретению непроводящие диэлектрические элементы могут выбираться из числа окись алюминия, сапфир, кордиерит, муллит, фарфор, стекло, полиэтилен со сверхвысоким молекулярным весом, политетрафторэтилен (TPFE), полиэстер.

В устройстве согласно изобретению схема падения напряжения может включать в себя множество варисторов или множество резисторов, или множество элементов с нелинейной вольтамперной характеристикой.

В устройстве согласно изобретению смесь компонент, подлежащая разделению, может выбираться из числа углеродсодержащей зольной пыли и размельченного угля, а максимальная разность потенциалов напряжения между любыми двумя проводящими элементами может ограничиваться до значений меньше, чем примерно 1 тысяча вольт.

В устройстве согласно изобретению сепаратор может содержать сетчатую ленту, поддерживаемую роликами на концах сепаратора, а продольные стороны сепаратора и сетчатой ленты могут быть ограничены блоком для создания градиента потенциала электрического поля, при этом концы сепаратора также могут быть ограничены блоком для создания градиента потенциала электрического поля.

В устройстве согласно изобретению транспортерная лента может быть сетчатой лентой, а продольные стороны сепаратора и сетчатой ленты могут быть ограничены блоком для создания градиента потенциала электрического поля.

Поставленная задача решается также тем, что 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, согласно изобретению может содержать
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 может быть расположен по продольному краю первого или второго электрода.

С помощью этих технических решений эффекты поверхностной электропроводности и трекинга, производимые проводящими частицами, скапливающимися в застойных участках сепаратора, уменьшаются, и поэтому противоточный ленточный сепаратор может работать с более высокой пропускной способностью, с высоким КПД, и его можно использовать для отделения от смеси высоких концентраций проводящих материалов.

Также с помощью этих технических решений противоточный ленточный сепаратор требует меньшего объема обслуживания, стоек к истиранию от постоянного взаимодействия с движущимися лентами.

Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает график зависимости удельного сопротивления от объемного содержания (в процентах) композита из определенного материала, известный в уровне техники,
фиг. 2 схематически иллюстрирует устройство разделения частиц в соответствии с уровнем техники,
фиг. 3 иллюстрирует поперечное сечение блока для создания градиента потенциала электрического поля в соответствии с настоящим изобретением,
фиг. 4 изображает схему варианта воплощения схемы падения напряжения в соответствии с настоящим изобретением,
фиг. 5 изображает схему другого варианта воплощения схемы падения напряжения в соответствии с настоящим изобретением,
фиг. 6 изображает график вольтамперной кривой нелинейных варисторов, которые используются в варианте воплощения деления напряжения, изображенном на фиг. 5,
фиг. 7А и 7Б иллюстрируют 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 изображает 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.

Подробное описание
Известны 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 визиальному 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 электродами 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 а ленточном сепараторе, например, электродов 9, 10 из фиг. 1, 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, 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 схемой падения напряжения так, чтобы управлять максимальной разностью потенциалов между смежными проводящими элементами.

На фиг. 3 иллюстрируется 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 перемещающимися лентам 8А, 8Б, и расположена между поверхностью 91 высокого потенциала и поверхностью 90 низкого потенциала, которая в одном из вариантов воплощения соединена с землей. Например, блок 300 для создания градиента потенциала может ограничивать стороны движущихся лент 8А, 8В и продольные стороны сепаратора 100. Ленты 8В, 8В могут быть лентами любого типа, применяемыми или обычно используемыми в трибоэлектрических ленточных сепараторах. Ленты 8В, 8В предпочтительно являются сетчатыми лентами, поддерживаемыми роликами на концах сепаратора 100.

Проводящие элементы 90, 11-18 и 91 соединены посредством соединительных проводов 30-39 соответствующим образом со схемой падения 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 фиг. 4 и 5.

Фиг. 4 изображает вариант воплощения схемы 400 падения напряжения, включающую 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 падения 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 режимов. Такая нелинейная вольтамперная характеристика может быть достигнута, например, при использовании нелинейных компонентов типа варисторов или зенеровских (опорных) диодов.

Фиг. 5 изображает схему 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 падения 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 предотвращать 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 падения 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 ватт, что соответствует напряжению приблизительно 1,000 вольт при токе 1 миллиампер. Таким образом, если резисторы 61-69 выбраны имеющими сопротивление 100,000 Ом при токе 1 миллиампер, то на каждом резисторе будет падение напряжения 100 вольт. 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. Фиг. 6 изображает некоторые типичные вольтамперные характеристики для металлоокисных варисторов S20K680 с номинальным рабочим напряжением переменного тока, составляющим 680 В (среднеквадратичное значение). Одно из преимуществ схемы падения 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. 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 проводником 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 вольт для зазора 7,5 микрон. 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 вольт достаточно для подавления эффектов закорачивания электрического поля между электродами. Минимальное напряжение, требуемое для запуска искрового разряда, составляет 327 вольт, когда зазор составляет 7,5 микрон. Таким образом, с максимальным напряжением, ограниченным до 700 вольт, два таких зазора будут исключать возможность проводимости между двумя проводниками.

Таким образом, схемы падения напряжения, как показано на фиг. 4 и 5, в комбинации с блоком для создания градиента потенциала электрического поля 300 используются для того, чтобы ограничивать разность потенциалов, и, следовательно, электрическое поле и градиент электрического поля в воздушном зазоре между электродами 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.

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 менее 3% углерода, и, следовательно, меньше тенденция к искрообразованию и закорачиванию. В углеродном остатке с высокой концентрацией содержание углерода может превышать 50%, 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 тверд, 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 300 для создания градиента потенциала электрического поля в соответствии с настоящим изобретением, который включает в себя проводящие пластмассовые детали 272, экструдированные 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 в месте между смежными проводящими пластмассовыми деталями 272, таким образом обеспечивая некоторую протяженную фронтальную поверхность 290, чтобы предотвратить электрический трекинг.

На фиг. 8 иллюстрируется печатная плата 80, содержащая схему падения напряжения, имеющая многочисленные соединители 82. Плата 80 схемы падения 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 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.

Формула изобретения

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 первый и второй компонент 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, посредством чего соответственные проводящие элементы присоединяют к соответствующим узловым точкам схемы падения напряжения так, чтобы ограничивать максимальную разность потенциалов между двумя любыми проводящими элементами.

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 компонентов, подлежащую разделению, выбирают из числа углеродсодержащей 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 каждый блок для создания градиента потенциала электрического поля включает в себя экструдированную пластмассовую составную деталь, содержащую проводящие и непроводящие области пластмассы.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что каждый 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 и в котором 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 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, содержащий чередующиеся проводящие и диэлектрические элементы и ограничивающий, по меньшей мере, один из первых и вторых электродов, посредством чего соответствующие проводящие элементы электрически соединяются 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 включает в себя экструдированный пластмассовый композит, состоящий из проводящих и непроводящих областей пластмассы и непроводящих диэлектрических элементов.

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 (TPFE), 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 сепаратор содержит сетчатую ленту, поддерживаемую роликами на концах сепаратора, а продольные стороны сепаратора и сетчатой ленты ограничены блоком для создания градиента потенциала электрического поля.

25. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что концы сепаратора также ограничены блоком 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8