Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tĩnh điện cao áp trong công nghệ tách các phần tử có điện dẫn khác nhau

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:112

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là Phân tích và đánh giá các yêu cầu đối với các công nghệ phân tách hạt khác nhau, trong đó có công nghệ phân tách tĩnh điện trong điều kiện thực tế tại các mỏ sa khoáng của Việt Nam. 2. Đánh giá đặc trưng của các thành phần có trong mẫu sa khoáng titan tại các mỏ của Việt Nam hiện nay. So sánh với đặc trưng của quặng titan đã được khai thác trên thế giới. Mô phỏng kích thước tương đương của các hạt thành phần điển hình và phân tích khả năng nhiễm điện của các thành phần đó, từ đó đánh giá khả năng phân tách và các yêu cầu kỹ thuật tương ứng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tĩnh điện cao áp trong công nghệ tách các phần tử có điện dẫn khác nhau

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐINH QUỐC TRÍ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUÂT TĨNH ĐIỆN CAO ÁP TRONG CÔNG NGHỆ TÁCH CÁC PHẦN TỬ CÓ ĐIỆN DẪN KHÁC NHAU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐINH QUỐC TRÍ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUÂT TĨNH ĐIỆN CAO ÁP TRONG CÔNG NGHỆ TÁCH CÁC PHẦN TỬ CÓ ĐIỆN DẪN KHÁC NHAU Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN ĐÌNH THẮNG Hà Nội – 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Hà Nội, ngày 21 tháng 8 năm 2018 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NGHIÊN CỨU SINH PGS.TS. Nguyễn Đình Thắng Đinh Quốc Trí
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp, PGS.TS. Nguyễn Đình Thắng đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu và đã giành thời gian và tâm huyết cũng như tạo điều kiện mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Điện và Bộ môn Hệ thống Điện tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Chân thành cảm ơn các Giảng viên và cán bộ Bộ môn Hệ thống điện, đã hỗ trợ tận tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tác giả thực sự cảm động và từ đáy lòng mình xin bày tỏ lòng biết ơn đến người mẹ, người vợ yêu quý cùng các con thân yêu cùng nội ngoại hai bên của tôi đã luôn ở bên tác giả những lúc khó khăn nhất, những lúc mệt mỏi nhất, để động viên, để hỗ trợ về tài chính và tinh thần, giúp tác giả có thể đứng vững trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện bản luận án này. Tác giả luận án Đinh Quốc Trí
MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................................. 1 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................ 4 DANH MỤC HÌNH .................................................................................................................... 5 MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 7 0.1 Lý do chọn đề tài .............................................................................................................. 7 0.2 Mục đích nghiên cứu ...................................................................................................... 10 0.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 11 0.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ..................................................... 12 0.5 Cấu trúc của luận án........................................................................................................ 13 CHƯƠNG I. CÔNG NGHỆ PHÂN TÁCH TĨNH ĐIỆN ........................................................ 15 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ................................................................................... 15 1.2.Tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................................................... 15 1.2.1 Nguyên lý phân tách các phần tử và các công nghệ ứng dụng ................................... 15 1.2.2. Các mô hình thiết bị hiện có trong và ngoài nước ..................................................... 19 1.3 Kết luận chương 1 .......................................................................................................... 24 CHƯƠNG II. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH CÁC MẪU PHÂN TÁCH ........... 25 2.1 Đặt vấn đề ....................................................................................................................... 25 2.2.Phát triển mô hình thử nghiệm của thiết bị phân tách tĩnh điện ..................................... 27 2.2.1 Tính toán lựa chọn hình dạng kích thước điện cực ..................................................... 27 2.2.1.1 Lựa chọn vật liệu chế tạo điện cực ........................................................................... 27 2.2.1.2 Lựa chọn hình dạng điện cực .................................................................................... 28 2.3 Quy trình thực nghiệm đo kích thước và khả năng tích điện .......................................... 36 2.3.1. Thu thập và xử lý mẫu ............................................................................................... 36 2.3.2. Đo và mô phỏng kích thước tương đương của phần tử .............................................. 37 2.3.3. Đo khả năng tích điện tích: ........................................................................................ 38 2.3.4. Kết quả: ...................................................................................................................... 41 2.3.5.Nhận xét ...................................................................................................................... 42 2.4 Kết luận chương 2 ........................................................................................................... 42 1
CHƯƠNG III. QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC PHẦN TỬ TRONG MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁCH ................................................................................................................................ 44 3.1 Phân tích các lực tác động lên các phần tử trong điện trường ........................................ 44 3.1.1 Các lực tác động lên phần tử mô phỏng ...................................................................... 45 3.1.2 Phân tích sự tác dụng của các lực lên phần tử ........................................................... 47 3.1.3 Một số nhận xét và đánh giá ....................................................................................... 47 3.2 Xác định quỹ đạo bay của các phần tử trong môi trường thiết bị ................................... 48 3.2.1 Ý nghĩa của việc xác định quỹ đạo bay của các phần tử ............................................ 49 3.2.2 Hình ảnh quỹ đạo bay của các phần tử cần phân tách ................................................ 50 3.2.3 Vai trò chuyển động của các phần tử trong nguyên lý phân tách tĩnh điện ................ 52 3.3. Quá trình tích điện của các phần tử cần phân tách ....................................................... 54 3.3.2 Tích điện do cảm ứng .................................................................................................. 56 3.3.3. Tích điện do ma sát .................................................................................................... 57 3.4 Kết quả mô phỏng quỹ đạo bay ..................................................................................... 58 3.5.Kết luận chương 3 .......................................................................................................... 60 CHƯƠNG IV. TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT CỦA THIẾT BỊ PHÂN TÁCH TĨNH ĐIỆN ..... 61 4.1 Mô phỏng phân bố điện trường trong thiết bị phân tách ................................................ 61 4.1.1 Các phương pháp tính toán điện trường ...................................................................... 61 4.1.2 Phần mềm mô phỏng COMSOL ................................................................................. 73 4.1.3 Kết quả mô phỏng điện trường trong thiết bị trên phần mềm Comsol ...................... 77 4.1.4 Nhận xét kết quả mô phỏng ........................................................................................ 82 4.2 Quy trình thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến hiệu suất phân tách của thiết bị ................................................................................................................................. 83 4.2.1 Thực nghiệm phân tách khi chưa có điện trường: ....................................................... 85 4.2.2. Thực nghiệm phân tách khi có ảnh hưởng của điện áp .............................................. 87 4.2.3. Thực nghiệm phân tách khi có ảnh hưởng của nhiệt độ sấy ...................................... 88 4.2.4. Hiệu suất tách với Zircon: .......................................................................................... 89 4.2.5. Hiệu suất tách với Ilmenite: ....................................................................................... 90 4.2.6 Nhận xét kết quả thực nghiệm .................................................................................... 90 4.3 Kết luận chương 4 .......................................................................................................... 91 KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................................... 92 I. Các kết quả đã đạt được .................................................................................................... 92 2
II. Một số kết luận mới liên quan đến vấn đề nghiên cứu .................................................... 93 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ................................................................ 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 96 PHỤ LỤC ............................................................................................................................... 106 3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AC Điện xoay chiều ADC Dòng điện một chiều hạ áp AND Điều chỉnh dòng điện AVR Tự động điều chỉnh điện áp BEM Phương pháp phần tử biên COMSOL Phần mềm mô phỏng phân bố điện trường DC Điện một chiều FDM Phương pháp sai phân hữu hạn FEM Phương pháp phần tử hữu hạn HVI Dòng điện phía cao áp HVU Điện cao áp IC Vi mạch ICL Mạch hiển thị LED Đèn tín hiệu LM Vi mạch khuếch đại thuật toán MA Máy biến áp RC Mạch điện trở điện dung TI Máy biến dòng đo lường TU Máy biến áp đo lường Uđk Điện áp điều khiển Iđk Dòng điện điều khiển 4
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Nguyên lý hoạt động và thiết bị kiểu trục quay ....................................................... 20 Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động và thiết bị kiểu dùng hai điện cực phẳng. ............................... 22 Hình 1.3. Nguyên lý hoạt động và thiết bị kiểu máng nghiêng ............................................... 23 Hình 2.1 Phân bố khối lượng hạt theo thứ tự khay hứng sản phẩm, đường kính dây dẫn 0,5mm ....................................................................................................................................................... 28 Hình 2.2 Phân bố khối lượng hạt theo thứ tự khay hứng sản phẩm, đường kính dây dẫn 1,0mm ....................................................................................................................................................... 29 Hình 2.3 Phân bố khối lượng hạt theo thứ tự khay hứng sản phẩm, đường kính dây dẫn 1,5mm ....................................................................................................................................................... 29 Hình 2.4 Phân bố khối lượng hạt theo thứ tự khay hứng sản phẩm, dây dẫn hình trụ đường kính 5mm ....................................................................................................................................... 30 Hình 2.5 Phân bố khối lượng hạt theo thứ tự khay hứng sản phẩm, sử dụng điện cực hình rẻ quạt ................................................................................................................................................ 30 Hình 2.6 Hình dạng điện cực trên trong mô hình vật lý của thiết bị. ....................................... 32 Hình 2.7 Hình dạng điện cực dưới trong mô hình vật lý của thiết bị. ...................................... 32 Hình 2.8 Mô hình vật lý của thiết bị thử nghiệm ...................................................................... 35 Hình 2.9 Thiết kế của tủ đo lường, điều khiển và bảo vệ. ........................................................ 36 Hình 2.10 Phân bố kích thước trung bình của hạt sa khoáng. .................................................. 37 Hình 2.11. Sơ đồ đo điện tích hạt khi biết trị số điện trở R ...................................................... 38 Hình 2.13. Mô hình nguyên lý đo điện tích ............................................................................. 40 Hình 2.14. Kết quả đo điện tích của hạt sa khoáng .................................................................. 41 Hình 2.15. Khả năng nhiễm điện trái dấu của các thành phần Ilmenite và Zircon ................... 42 Hình 3.1. Lực tác dụng lên các phần tử trong thiết bị tách sử dụng máng nghiêng ............... 44 Hình 3.2 Thiết bị phân tách để chụp quỹ đạo bay .................................................................... 49 Hình 3.3. Khi chưa có điện áp đặt lên điện cực ........................................................................ 51 Hình 3.4. Khi có điện áp đặt lên điện cực ................................................................................. 51 Hình 3.5. Mô hình nguyên lý thiết bị phân tách tĩnh điện sử dụng máng nghiêng................... 52 Hình 3.6 Khi chưa có điện áp ................................................................................................... 58 Hình 3.7 Điện áp đặt lên điện cực 10 kV .................................................................................. 59 Hình 3.8 Điện áp đặt lên điện cực 20 kV .................................................................................. 59 Hình 3.9 Điện áp đặt lên điện cực 30 kV .................................................................................. 59 5
Hình 4.1.Chia miền mô hình theo phương pháp sai phân hữu hạn........................................... 63 Hình 4.2. Giới hạn trường của miền A trong mặt phẳng 2 chiều ............................................. 68 Hình 4.3. Mô hình phần tử hữu hạn hình tam giác ................................................................... 69 Hình 4.4. Giao diện của mô-dun AC/DC trong COMSOL ...................................................... 74 Hình 4.5. Giao diện phần phân tích tĩnh điện ........................................................................... 74 Hình 4.6. Mô hình hình học của thiết bị tuyển tĩnh điện sử dụng trong mô phỏng ................. 77 Hình 4.7. Phân bố và hướng của điện trường giữa các bản cực (hình trái), trị số điện trường lấy theo đường thẳng nối từ điện cực trụ đến cực bản, bắt đầu từ điện cực trụ (hình phải). Trường hợp a=4cm, b=15cm và U=20kV ....................................................................................................... 78 Hình 4.8. Phân bố điện trường, hướng của điện trường và trị số của điện trường lấy dọc theo khoảng cách từ điện cực trụ đến cực bản trong trường hợp thay đổi a. Từ trên xuống dưới a=3cm, a=2cm và a=1cm............................................................................................................................ 79 Hình 4.9. Phân bố điện trường, hướng của điện trường và trị số của điện trường lấy dọc theo khoảng cách từ điện cực trụ đến cực bản trong trường hợp thay đổi b. Từ trên xuống dưới b=14cm, b=13cm và b=12cm ........................................................................................................ 80 Hình 4.10. Phân bố điện trường, hướng của điện trường và trị số của điện trường lấy dọc theo khoảng cách từ điện cực trụ đến cực bản trong trường hợp thay đổi điện áp U. Từ trên xuống dưới U=15kV và U=25kV......................................................................................................... 81 Hình 4.11. Phân bố điện trường, hướng của điện trường và trị số của điện trường lấy dọc theo khoảng cách từ điện cực trụ đến cực bản trong trường hợp thay đổi hình dạng điện cực âm phía trên. Từ trên xuống dưới: kết quả mô phỏng khi thay bằng các hình trụ đường kính 5cm và đường kính 1cm ........................................................................................................................................ 82 Hình 4.12 Phân bố khối lượng theo thứ tự các khay khi thay đổi góc nghiêng ........................ 86 Hình 4.13 Phân bố khối lượng theo thứ tự các khay khi điện áp thay đổi (Zircon) ................. 87 Hình 4.14 Phân bố khối lượng theo thứ tự các khay khi điện áp thay đổi (Ilmenite)............... 88 Hình 4.15 Phân bố khối lượng theo thứ tự các khay phụ thuộc nhiệt độ sấy (Zircon) ............. 88 Hình 4.16 Phân bố khối lượng theo thứ tự các khayphụ thuộc nhiệt độ sấy(Ilmenite) ............ 89 6
MỞ ĐẦU 0.1 Lý do chọn đề tài Công nghệ phân tách các hạt sa khoáng ứng dụng kỹ thuật cao áp tĩnh điện là một trong những khâu công nghệ quan trọng đối với ngành khai thác khoáng sản, đặc biệt là khai thác các thành phần Imenite và Zircon có trong sa khoáng titan tại Việt Nam. Trên cơ sở đánh giá chung hiện nay [3,6], Việt Nam có nguồn tài nguyên sa khoáng titan đáng kể, với trữ lượng lớn và chất lượng tốt. Trong đó trữ lượng đã được thăm dò và đánh giá là khoảng hàng chục triệu tấn ilmenit, nằm dọc ven biển các tỉnh Quảng Ninh, Thanh Hóa, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên - Huế, Bình Định, Bình Thuận. Những tỉnh có trữ lượng lớn là Hà Tĩnh, Thừa Thiên - Huế, Bình Định, Bình Thuận [3]. Tuy nhiên tại Việt Nam vẫn còn chưa đầu tư cho công nghệ và trang thiết bị đúng mức cần thiết [6], cụ thể là các nghiên cứu ứng dụng, làm chủ công nghệ và chế tạo thiết bị phù hợp với điều kiện khai thác của Việt Nam, mặc dù chúng ta có nguồn quặng khá phong phú và chất lượng tốt. Có thể thấy đối với các dạng khoáng sản nói trên, trong thành phần chứa các loại hạt khoáng có tính chất dẫn điện khác nhau (Ilmenite và Zircon). Nhằm mục đích phân tách và làm giàu các thành phần sa khoáng quan trọng và chủ yếu này, khâu công nghệ chính được ứng dụng là công nghệ cao áp tĩnh điện. Kỹ thuật cao áp tĩnh điện sử dụng điện trường tĩnh điện để phân tách các hạt vật liệu bay trong không gian điện trường được tạo ra và tối ưu trong thiết bị. Trên thế giới và tại Việt Nam, trong ngành công nghiệp khai khoáng, công nghệ này thường được sử dụng để phân tách khối lượng lớn các phần tử khoáng sản có tính chất dẫn điện khác nhau. Cụ thể là phân tách các khoáng chất quan trọng, cũng như giúp loại bỏ các thành phần quặng không cần thiết để làm giàu khoáng chất. So với công nghệ cổ điển như sàng lọc cơ khí, tuyển từ, công nghệ cao áp tĩnh điện có những ưu điểm quan trọng cần được khai thác như: 7
- Dễ dàng điều chỉnh điều khiển hoạt động và tối ưu hóa thông số thiết bị; - Dễ dàng trong lắp đặt vận hành, bảo dưỡng sửa chữa; - Có giá thành chấp nhận được; - Không gây ô nhiễm môi trường; - Mức tiêu thụ điện năng thấp. Ngay đối với công nghệ cao áp tĩnh điện, các kỹ thuật áp dụng trong các thiết bị cũng đang được phát triển và tối ưu theo các hướng khác nhau, làm chủ được kỹ thuật phù hợp là đòi hỏi quan trọng đối với việc làm chủ công nghệ, nắm được các kỹ thuật tiên tiến hiện nay. Cùng với sự phát triển gần đây của kinh tế Việt Nam, nhu cầu các sản phẩm khoáng chất từ quặng titan khai thác được hiện nay đang ở mức cao đòi hỏi việc nâng cao năng suất cũng như cải tiến hiệu suất khai thác của các thiết bị hiện có. Đòi hỏi này đã mang đến nhiều cơ hội cũng như vấn đề kỹ thuật cần được quan tâm nghiên cứu. Trong đó có các vấn đề tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật, lựa chọn công nghệ hợp lý và nghiên cứu thiết kế thiết bị phân tách và làm giàu khoáng sản sử dụng công nghệ cao áp tĩnh điện. Các hướng nghiên cứu này giúp Việt Nam có thể làm chủ được công nghệ, tự mình sản xuất và tối ưu thông số thiết bị. Từ đó có thể có hướng phát triển riêng phù hợp nhất với điều kiện kinh tế kỹ thuật của Việt Nam. Nhằm mục đích đó, luận án tập trung vào việc nghiên cứu công nghệ và chế tạo thiết bị ứng dụng công nghệ này trong ngành khai khoáng, đặc biệt là khai thác và làm giàu sản phẩm từ quặng titan. Thủ tướng Chính phủ cũng có chỉ thị số 02/CT-TTg, trong đó nêu rõ từ 1/7/2012 “không cho phép xuất khẩu quặng titan (thô) chưa qua chế biến dưới mọi hình thức”. Do đó hiện nay việc ứng dụng công nghệ để nâng cao chất lượng khoáng sản xuất khẩu là bắt buộc và hết sức cần thiết. Công nghệ phân tách ứng dụng kỹ thuật điện cao áp còn được áp dụng hiệu quả trong lĩnh vực xử lý chất thải điện tử [1,2,5]. Cùng với sự phát triển kinh tế hiện nay, số lượng 8
chất thải điện tử đang ngày càng gia tăng ở Việt Nam [1,2,18,25,30] nói chung và Hà Nội nói riêng trong điều kiện hội nhập kinh tế khu vực và thế giới. Vấn đề trở nên nghiêm trọng không chỉ do sự gia tăng khối lượng chất thải mà hơn nữa đó là các nguy cơ đe dọa đối với môi trường và sức khỏe con người do các thành phần độc hại trong chất thải gây nên [10,16,30]. Các giải pháp đồng bộ cả về kỹ thuật, kinh tế và quản lý là hết sức cấp bách nhằm bảo vệ môi trường và thu hồi tái sử dụng các tài nguyên quý hiếm trong chất thải điện tử. Khác với các chất thải thông thường, chất thải điện tử có thể được thu gom và tái sử dụng, tái chế với tỷ lệ khá cao do có chứa các kim loại quý hiếm [31,33,59,66]. Tuy vậy, nhìn chung việc tái sử dụng chất thải ở Việt Nam còn rất hạn chế; chủ yếu dừng ở mức sử dụng lại các phụ tùng để phục vụ cho thay thế, sửa chữa nhỏ lẻ. Công nghiệp tái chế chỉ mới hình thành tại các làng nghề, trong các doanh nghiệp gia đình nhỏ hoặc các công ty tư nhân. Các cơ sở này chủ yếu tái chế giấy, nhựa, sắt, nhôm, chì. Tuy nhiên, điều đáng nói là công nghệ tái chế tại các cơ sở này thô sơ và còn quá lạc hậu. Sau khi các kim loại và linh kiện điện tử còn dùng được được bóc tách và đem bán hoặc sửa chữa, phần còn lại chủ yếu được đốt hoặc nghiền rồi pha thêm hoá chất để tạo ra sản phẩm mới, vốn là các sản phẩm đơn giản như chai lọ, túi nylon với số lượng còn rất hạn chế. Do sử dụng các công nghệ lạc hậu và thiết bị thô sơ nên hiệu qủa kinh tế rất thấp đồng thời đang gây ra rất nhiều vấn đề môi trường như ô nhiễm không khí, nước, đất, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người lao động và cộng đồng dân cư xung quanh. Theo thông tin đưa ra từ Viện Môi trường – Tài nguyên thuộc Đại học Quốc gia TP.HCM , hiện vẫn chưa có chương trình nào nghiên cứu về vấn đề xử lý chất thải điện tử ở Việt Nam dù giới khoa học có ít nhiều quan tâm. Các nghiên cứu hiện thời vẫn đang tập trung nhiều vào việc xử lý chất thải tập trung, chẳng hạn như chất dioxin, dầu biến thế, dầu nhớt, thuốc trừ sâu, thực phẩm… 9
Từ những phân tích nêu trên cho thấy hướng nghiên cứu công nghệ, tính toán mô phỏng và thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị ứng dụng kỹ thuật cao áp tĩnh điện trong công nghệ tuyển khoáng và làm giàu đồng thời với công nghệ xử lý chất thải điện tử nhằm tiến tới làm chủ công nghệ là hướng nghiên cứu phù hợp và việc lựa chọn luận án “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tĩnh điện cao áp trong công nghệ tách các phần tử có tính chất về điện dẫn khác nhau” là cần thiết và có ý nghĩa quan trọng đối với các công ty khai thác khoáng sản, công ty môi trường. 0.2 Mục đích nghiên cứu Thực tế hiện nay tại Việt Nam trong việc ứng dụng công nghệ kỹ thuật điện cao áp cho phân tách các phần tử có tính chất về điện khác nhau đã đặt ra hàng loạt vấn đề kỹ thuật liên quan đến đánh giá, phân tích, mô phỏng và tối ưu công nghệ. Đối với mỗi lĩnh vực áp dụng cụ thể bao gồm phân tách khoáng sản, xử lý chất thải điện tử, tuyển chọn hạt giống… lại có yêu cầu đặt ra riêng, đặc biệt là khi áp dụng với điều kiện tại Việt Nam như đặc trưng của quặng, hiệu suất phân tách, hiệu quả kinh tế của thiết bị, các yêu cầu đối với môi trường, kỹ thuật lắp đặt và vận hành… Có thể liệt kê các yêu cầu đối với bài toán nghiên cứu công nghệ cao áp tĩnh điện trong phân tách các mẫu sa khoáng titans như sau: 1. Phân tích và đánh giá các yêu cầu đối với các công nghệ phân tách hạt khác nhau, trong đó có công nghệ phân tách tĩnh điện trong điều kiện thực tế tại các mỏ sa khoáng của Việt Nam. 2. Đánh giá đặc trưng của các thành phần có trong mẫu sa khoáng titan tại các mỏ của Việt Nam hiện nay. So sánh với đặc trưng của quặng titan đã được khai thác trên thế giới. Mô phỏng kích thước tương đương của các hạt thành phần điển hình và phân tích khả năng nhiễm điện của các thành phần đó, từ đó đánh giá khả năng phân tách và các yêu cầu kỹ thuật tương ứng. 3. Mô phỏng thiết kế của thiết bị phân tách, phân tích quá trình hoạt động của điện trường để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới quỹ đạo chuyển động của các hạt cũng 10
như vị trí kết thúc quỹ đạo bay của mỗi thành phần có trong các mẫu quặng khác nhau. 4. Xây dựng và vận hành thiết bị cụ thể có khả năng điều chỉnh các thông số phù hợp cho thực nghiệm vật lý trên các mẫu quặng thực tế. 5. Đánh giá hiệu suất phân tách quặng và tối ưu thông số thiết kế cũng như vận hành của thiết bị phân tách dựa trên mô phỏng và thực nghiệm tương ứng, trên cơ sở các mẫu quặng thực tế. 6. Đề xuất công nghệ và mô hình thiết bị phù hợp với điều kiện Việt Nam. Trong phạm vi của luận án, các yêu cầu trên đều được nghiên cứu với mục tiêu áp dụng cho điều kiện khai thác tại Việt Nam. Trong đó yêu cầu đầu tiên thực chất là vấn đề đánh giá và lựa chọn công nghệ hợp lý hợp lý cho khâu phân tách tĩnh điện sẽ áp dụng trong luận án này, sẽ được trình bày trong phần tổng quan nhằm làm cơ sở cho các phần tiếp theo. Liên quan nến nội dung phát triển công nghệ phân tách tĩnh điện còn có yêu cầu phải định lượng được hiệu suất phân tách sau mỗi lần hoạt động và xây dựng mối quan hệ giữa giá trị hiệu suất này với các yếu tố khác nhau trong thiết kế và vận hành thiết bị, từ đó đưa ra thông số và hiệu suất phân tách tối ưu đối với mẫu quặng thực tế tại Việt Nam. 0.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là công nghệ và mô hình thiết bị ứng dụng kỹ thuật điện cao áp trong lĩnh vực tách các phần tử có tính chất về điện khác nhau: - Lĩnh vực khai thác khoáng sản với các thành phần hạt là là điện dẫn (Ilmenite) và điện môi (Zircon) có trong sa khoáng titan tại các mỏ thực tế đang vận hành tại Việt Nam. - Lĩnh vực xử lý chất thải điện tử với các thành phần cần phân tách là kim loại và phi kim có trong chất thải điện tử sau khi đã được nghiền nhỏ. Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung cho hai nội dung ứng dụng bao gồm: 11
- Ứng dụng điện trường cao áp tĩnh điện trong thiết bị tuyển và làm giàu khoáng sản Việt Nam. - Ứng dụng điện trường cao áp tĩnh điện trong thiết bị tách kim loại và phi kim trong công nghệ xử lý chất thải điện tử 0.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện mô hình thiết bị, nâng cao hiệu quả trong lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật điên cao áp. Đối với các đơn vị liên quan như Tổng công ty khai thác khoáng sản, công ty môi trường các kết quả nghiên cứu và đề xuất của luận án sẽ giúp các đơn vị này làm chủ công nghệ và có thể tự chế tạo thiết bị, giảm đáng kể ngoại tệ để nhập thiết bị từ nước ngoài. Các đóng góp mới của luận án: Nội dung của luận án đã tập trung nghiên cứu công nghệ, thiết kế chế tạo và thử nghiệm với các đối tượng và điều kiện của Việt Nam. Luận án đã đạt được một số kết quả nghiên cứu có thể được tóm lược như sau: Đóng góp 1: Đề xuất được việc lựa chọn công nghệ phù hợp với điều kiện Việt Nam. Phân tích ưu nhược điểm của từng công nghệ. Thu thập đo đạc các thông số liên quan của một số mẫu cụ thể phục vụ quá trình nghiên cứu của Việt Nam. Các kết quả thu được ý nghĩa thực tế quan trọng giúp cho việc khẳng định công nghệ phù hợp do trước đây chưa có các nghiên cứu và số liệu cụ thể.Thực tế vận hành tại các cơ sở sản xuất thường theo quy trình định sẵn không thay đổi với các đối tượng khác nhau. Đóng góp 2: Đánh giá phân tích các ảnh hưởng đến hiệu suất thiết bị. Các kết quả thử nghiệm với các đối tượng đa dạng về đặc tính cơ điện, các thông số kỹ thuật của thiết bị đã góp phần giải thích rõ hơn các hiện tượng xảy ra trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết. 12
Đóng góp 3: Đề xuất mô hình thiết bị phù hợp với các thông số cụ thể về hình dạng kích thước, vật liệu chế tạo. Đưa ra các thông số kỹ thuật tối ưu cho mô hình thiết bị. 0.5 Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương và kết luận chung, cụ thể như sau: Chương 1. Công nghệ phân tách tĩnh điện Giới thiệu tổng quan về các công nghệ và mô hình thiết hiện có trên thế giới và ở Việt Nam. Phân tích các ưu và nhược điểm của các công nghệ và mô hình thiết bị này, từ đó đề xuất hướng việc lựa chọn công nghệ và thiết bị phù hợp khắc phục một số tồn tại. Chương 2. Phân tích và đánh giá đặc tính của các mẫu phân tách Chương 2 giải quyết các vấn đề kỹ thuật bao gồm: - Thu thập và đo đạc trên một số lượng mẫu đủ lớn từ các nguồn sa khoáng và chất thải điện tử thực tế tại Việt Nam; - Đánh giá tổng quát hóa về mô hình vật lý chung của các phần tử, khả năng nhiễm điện trái dấu của các thành phần theo các kịch bản thông số thay đổi - Đề xuất thông số của mô hình vật lý phù hợp với điều kiện nghiên cứu, phục vụ cho các nội dung nghiên cứu tiếp theo. Chương 3. Quỹ đạo chuyển động các phần tử trong môi trường phân tách Phân tích đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động khi có và không có điện trường trong môi trường hoạt động của thiết bị. Các nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở mô phỏng bằng phần mềm và thực nghiệm trên mô hình vật lý của thiết bị cho phép phân tích các lực tác động lên chuyển động của đối tượng cần tách trong điện trường. Các kết luận sẽ đưa ra quan hệ cần thiết giữa các thông số của thiết bị với vị trí thu hồi sản phẩm trong mô hình. 13
Chương 4. Tối ưu hóa hiệu suất phân tách Trình bày quy trình thực nghiệm với các thông số kỹ thuật thay đổi bao gồm góc nghiêng, cường độ điện trường, kích thước các phần tử, nhiệt độ, độ ẩm ... Phân tích đánh giá lựa chọn thông số tối ưu cho đối tượng cụ thể. Đề xuất thông số cho việc mở rộng áp dụng với đối tượng khác mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới. Kết luận chung 14
CHƯƠNG I. CÔNG NGHỆ PHÂN TÁCH TĨNH ĐIỆN 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước Các nghiên cứu trong nước liên quan tới ứng dụng kỹ thuật điện cao áp chủ yếu tập trung giới thiệu mô hình còn nghiên cứu công nghệ được công bố còn khá ít và tập trung theo sự khác biệt về đặc tính (trọng lượng riêng, từ tính, tĩnh điện, thành phần hóa học [2,3,5,6] trong lĩnh vực khai thác khoáng sản. Trong đó việc phân tách các thành phần khác nhau sử dụng công nghệ cao áp tĩnh điện là một khâu quan trọng trong toàn bộ chu trình phân tách công nghiệp, vốn bao gồm nhiều công đoạn sử dụng các công nghệ nói trên. Trong việc áp dụng mô hình ứng dụng kỹ thuật điện cao áp có rất ít các nghiên cứu so sánh ưu nhược điểm của các mô hình, nguyên nhân do các công ty hiện tại hầu như chỉ nhập duy nhất một kiểu mô hình. Cho đến nay, chưa thấy có nghiên cứu nào được công bố trong nước liên quan đến vấn đề phân tách hạt sử dụng công nghệ tuyển tĩnh điện. Việc áp dụng công nghệ và mô hình trong lĩnh vực xử lý chất thải điện tử là hoàn toàn mới mẻ với Việt Nam do gần đây mới xuất hiện khái niệm chất thải điện tử, việc thu hồi và xử lý chủ yếu theo công nghệ thủ công đơn giản như tháo dỡ, chôn lấp. Mặt khác chưa có chính sách hỗ trợ nghiên cứu và triển khai công nghệ xử lý nên hầu như chưa có công trình nào nghiên cứu áp dụng. 1.2.Tình hình nghiên cứu ngoài nước Phần tổng quan về nghiên cứu ngoài nước sẽ tập trung phân tích các hướng nghiên cứu dựa trên chi tiết các công nghệ và mô hình thiết bị áp dụng, đã được công bố có liên quan tới nội dung nghiên cứu của luận án. 1.2.1 Nguyên lý phân tách các phần tử và các công nghệ ứng dụng Cho đến nay trong những giai đoạn khác nhau, tại nhiều quốc gia trên thế giới đã có những nghiên cứu và thử nghiệm các kỹ thuật sử dụng công nghệ cao áp tĩnh điện nhằm 15
tách và phân loại các phần tử hoặc vật liệu có đặc tính khác nhau về điện, [7-9,13-15]. Kết quả của các nghiên cứu đó đã khẳng định tiềm năng của việc ứng dụng công nghệ phân tách này, đặc biệc là trong lĩnh vực khai khoáng [10,19,21,26,27,52-54,67,69,74,77,90]. Tuy nhiên những kết quả đạt được cho đến nay cũng chưa cho phép khẳng định công nghệ này đã hoàn toàn tối ưu, mà vẫn tồn tại nhiều vấn đề kỹ thuật cần tiếp tục nghiên cứu cải tiến. Đặc biệt, việc ứng dụng lý thuyết và các nghiên cứu công nghệ cần được thực hiện không chỉ trong điều kiện lý tưởng mà cả trong các điều kiện thực tế, do hiệu quả của quá trình tách phụ thuộc vào nhiều yếu tố quan trọng khác như độ ẩm, nhiệt độ, cấu trúc, thành phần, kích thước… của các phần tử cần phân tách cũng như môi trường thiết bị. Một trong những hướng nghiên cứu chính hiện nay tập trung chủ yếu vào việc mô phỏng, tính toán điện trường và tính toán phân tích quỹ đạo bay tối ưu của các phần tử trong môi trường thiết bị [16,32,33,45,49,51,62,71,73.82]. Khi nghiên cứu quỹ đạo bay của các phần tử cần tách này, có thể thấy rằng lực tác động lên chúng chịu ảnh hưởng của các yếu tố chủ yếu là cấu trúc và cường độ điện trường được thiết bị tạo ra. Do vậy việc đảm bảo thiết kế tối ưu cho thiết bị và điều chỉnh cường độ điện trường đạt đến trị số phù hợp với từng loại hạt đóng vai trò quan trọng đối với hiệu quả làm việc của thiết bị. Các kết quả mô phỏng cho thấy trị số điện trường phóng điện cực đại trong môi trường đồng nhất, khi khoảng cách giữa các điện cực khoảng 1cm, có thể đến giá trị 28-30 kV/cm, nhưng đối với môi trường không đồng nhất giá trị này lại có thể nhỏ hơn rất nhiều. Trong trường hợp khi có phóng điện vầng quang thì trị số của điện trường lại có thể tăng lên đến khoảng 20 kV/cm. Ở đây phóng điện vầng quang có tác dụng làm phân bố điện trường đều hơn trong khoảng không gian giữa các điện cực, dẫn đến điện trường phóng điện tăng. Mặt khác, do hiệu ứng biên của điện cực và các lớp của phần tử cần phân tách, cường độ điện trường phóng điện trung bình lại không thể vượt quá 10 kV/cm. Nhưng như vậy yêu cầu đối với thiết bị sử dụng điện trường tĩnh điện là cần loại bỏ các hiệu ứng mũi nhọn trên bề mặt điện cực do chúng tăng khả năng tạo ra điện trường không 16