BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
ĐINH QUỐC TRÍ
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TĨNH ĐIỆN
CAO ÁP TRONG CÔNG NGHỆ TÁCH CÁC PHẦN TỬ
CÓ ĐIỆN DẪN KHÁC NHAU
Ngành:Kỹ thuật điện
Mã số: 9520201
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIỄN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN
Hà Nội - 2018
Công trình này được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS.NGUYỄN ĐÌNH THẮNG
Phản biện 1: ..................................... Phản biện 2: ..................................... Phản biện 3: ...................................... .
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sỹ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Vào hồi .......giờ , ngày .......tháng .......năm .........
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nôi 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
1. Nguyễn Đình Thắng, Đinh Quốc Trí. Nghiên cứu công
nghệ phân tách các phần tử có tính điện dẫn khác nhau
bằng kỹ thuật cao áp tĩnh điện. Tạp chí Khoa học và
Công nghệ các trường Đại học kỹ thuật số 89 (2012).
2. Đinh Quốc Trí. Đánh giá khả năng tích điện của các
phần tử dạng hạt có tính chất về điện khác nhau. Tạp chí
Khoa học và Công nghệ các trường Đại học kỹ thuật, số
97 (2013).
3. Đinh Quốc Trí, Lê Đức Tùng. Mô phỏng trường tĩnh điện
và lựa chọn hình dạng bản cực cho thiết bị phân tách rác
thải điện tử.Tạp chí KHCN ĐHĐN, 9(94) 2015
4. Đề tài bộ giáo dục và đào tạo do tác giả làm chủ nhiệm:
Mã số đề tài: B2013.01.40. ( Đề tài đã được nghiệm thu
tháng 9/2017)
Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ và chế tạo thiết bị ứng dụng kỹ thuật điện cao áp trong việc tách các phần tử có tính chất về điện khác nhau ứng dụng cho công nghệ tuyển khoáng .
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Công nghệ phân tách các phần tử ứng dụng kỹ thuật tĩnh điện cao áp 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 tại Việt Nam. Tuy nhiên tại Việt Nam vẫn còn chưa đầu tư cho công nghệ và trang thiết bị đúng mức cần thiết [2,8,9], 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.
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 [4].
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 [6,8]. 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.
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 điện cao áp tĩnh điện 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.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu các nội dung liên quan đến tối ưu hóa công nghệ cao áp tĩnh điện ứng dụng cho phân tách các phần tử có tính chất khác nhau về điện, cụ thể là:
2
- 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.
- 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 titans 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.
- 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 như vị trí kết thúc quỹ đạo bay của mỗi thành phần có trong các mẫu quặng khác nhau.
- 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.
- 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.
- Đề xuất công nghệ và mô hình thiết bị phù hợp với điều kiện Việt Nam.
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:
3
- 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
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu sử dụng kết hợp nhiều cách tiếp cận:
Sử dụng phân tích tổng quan để tìm hướng phát triển của nghiên cứu Sử dụng các cơ sở lý thuyết để phân tích mô phỏng mô hình thiết bị. Thử nghiệm kiểm chứng tính hiệu quả của đề xuất mô hình tối ưu.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
▪ Ý nghĩa khoa học: 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.
▪ Ý nghĩa thực tiễn:
- 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:
- 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
4
thường theo quy trình định sẵn không thay đổi với các đối tượng khác nhau.
- 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.
- 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.
1. 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 [2,9,19,22,26,37] 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.
5
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 tách và phân loại các phần tử hoặc vật liệu có đặc tính khác nhau về điện, [2-7]. 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 [8].
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 [2,3,12,13]. 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.
• Công nghệ tách dựa trên cơ sở sự khác biệt về trị số điện dẫn.
Các sa khoáng trong tự nhiên rất đa dạng về hình dạng, kích thước, tính chất vật lý, hóa học [2,4,34,48]. Đặc biệt khoáng sản quý như Ilmenite và zircon là hai loại khoáng sản có trữ lượng rất lớn ở ven biển miền Trung Việt Nam. Nhu cầu về hai loại khoáng sản này trong nước và quốc tế rất lớn. Đồng thời hai loại khoáng sản này lại có tính chất về điện trái ngược nhau nên việc áp dụng công nghệ tách theo trị số điện dẫn là rất phù hợp.
• Công nghệ dựa trên nguyên lý ma sát điện:
- Nguyên lý tách dựa trên hiệu ứng tích điện tích do ma sát giữa các phần tử khi chuyển động.
6
- Khi chuyển động các phần tử sẽ tiếp xúc với nhau và trên bề mặt của chúng sẽ xuất hiện điện tích trái dấu có trị số tương đối nhỏ, nếu quá trình này được lặp lại nhiều lần trị số điện tích trên bề mặt sẽ tăng lên.
• Công nghệ tách dựa trên sự khác biệt về độ thấm điện môi.
Cơ sở để tách là sự khác biệt về độ thấm điện môi, trong đó:
- Quá trình tách diễn ra trong môi trường chất lỏng.
- Các phần tử cần tách sẽ chuyển động trong chất lỏng có độ thấm điện môi được chọn phù hợp và trong điện trường.
- Các phần tử có độ thấm điện môi lớn sẽ dịch chuyển về phía điện trường có trị số lớn còn các phần tử có độ thấm điện môi nhỏ sẽ chuyển về phía ngược lại.
1.2.2. Các mô hình thiết bị hiện có trong và ngoài nước
Hiện nay trong công nghiệp phổ biến 3 loại mô hình thiết bị ứng dụng kỹ thuật điện cao áp để tuyển và làm giàu khoáng sản có cấu tạo và nguyên lý hoạt động khác nhau (theo [16,18]).
1.2.2.1.Thiết bị tuyển quặng kiểu trục quay hình trụ
Nguyên lý hoạt động và thiết bị thực tế được mô tả trên hình 1.1.
Hình 1.1. Nguyên lý hoạt động và thiết bị kiểu trục quay
7
1.2.2.2 Thiết bị dùng điện cực phẳng
Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động và thiết bị kiểu dùng hai điện cực phẳng.
1.2.2.3 Thiết bị tuyển kiểu máng nghiêng
Hình 1.3. Nguyên lý hoạt động và thiết bị kiểu máng nghiêng
1.3 Kết luận chương 1
Trên cơ sở đánh giá ưu nhược điểm của các công nghệ có thể thấy rõ công nghệ tách các phần tử theo trị số điện dẫn khác nhau là phù hợp và hiệu quả nhất. Do vậy hướng nghiên cứu của luận án cũng chọn đi sâu vào nghiên cứu công nghệ này.
8
Với những ưu điểm vượt trội của mô hình thiết bị tách dùng máng nghiêng như hiệu suất cao, chi phí năng lượng thấp, cấu trúc đơn giản và đặc biệt chưa được nghiên cứu trong nước nên việc nghiên cứu mô hình, mô phỏng bằng phần mềm, sản xuất chế tạo và thử nghiệm để tối ưu là rất cần thiết.
Luận án đề xuất hướng nghiên cứu công nghệ tách theo trị số điện dẫn áp dụng với đối tượng của Việt Nam với điều kiện môi trường trong nước.
Trong các nội dung tiếp theo của luận án, mô hình vật lý của thiết bị sẽ được thiết kế và chế tạo, đồng thời tiến hành các hoạt động thực nghiệm để khẳng định hiệu quả cũng như tiềm năng của mô hình này ứng dụng trong lĩnh vực tuyển và làm giàu khoáng sản Việt Nam cũng như mở rộng với lĩnh vực tương đối mới là tách chất thải điện tử.
2. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH CÁC MẪU PHÂN TÁCH
2.1 Đặt vấn đề
Quá trình tách các phần tử có điện dẫn khác nhau trong điện trường có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất. Việc xác định chính xác các yếu tố này là rất cần thiết. Cơ sở lý thuyết giúp định hình đối tượng, quá trình và hiện tượng cho việc nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở cho việc giải quyết một số hiện tượng vật lý ảnh hưởng. Quá trình thực nghiệm trên mô hình thực được thiết kế chế tạo trên cơ sở lý thuyết và lựa chọn cụ thể. Thực nghiệm giúp kiểm chứng chính xác hơn các quá trình xảy ra. Kết quả thực nghiệm với các thông số kỹ thuật khác nhau được thay đổi khẳng định ảnh hưởng của các yếu tố của bản thân đối tượng cũng như các yếu tố vật lý khác.
2.2. Phát triển mô hình thử nghiệm của thiết bị phân tách tĩnh điện
Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của các mô hình thiết bị đã nêu ở chương 1, việc chọn lựa mô hình thiết bị phục vụ thử nghiệm có vai trò rất quan trọng. Mô hình phải đáp ứng những yêu cầu sau:
9
- Quá trình tách bằng mô hình thiết bị phản ánh đúng như vận hành thực tế;
- Cấu trúc mô hình đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật cần thiết cho thử nghiệm;
- Cấu tạo đơn giản có thể chế tạo trong nước, dễ dàng thay đổi thông số khi thử nghiệm,đảm bảo an toàn cho người thử nghiệm;
2.2.1 Tính toán lựa chọn hình dạng kích thước điện cực
2.2.1.1 Lựa chọn vật liệu chế tạo điện cực
- Do khí hậu Việt Nam có độ ẩm cao nên vật liệu làm điện không bị ăn mòn, gỉ gây ra biến dạng điện cực
- Cách điện phải đảm bảo không gây ra phóng điện.
2.2.1.2 Lựa chọn hình dạng điện cực
Kết quả thử nghiệm với hai điện cực được sử dụng trong thực tế có hình dạng khác nhau:
a. Điện cực dạng dây dẫn
Nghiên cứu chỉ đưa ra một số đồ thị mô tả kêt quả điển hình của một số trường hợp để dễ so sánh hiệu quả tách các đồ thị miêu tả kết quả khi cùng một điều kiện:
- Điện áp đặt lên các cực trong các trường hợp bằng nhau. - Góc nghiêng của máng bằng nhau. Các thử thử nghiệm đã được tiến hành với kích thước của điện cực bao gồm:
- Dây dẫn có đường kính 0,5; 1,0 và 1,5mm. - Trường hợp sử dụng dây dẫn dạng ống hình trụ đường kính 5mm:
b. Điện cực dạng hình rẻ quạt
Từ các số liệu đo đạc và so sánh có thể rút ra kết luận hiệu suất tách của thiết bị khi dùng điện cực hình rẻ quạt sẽ cao hơn nhiều so với trường hợp dùng điện cực dạng dây dẫn. Các kết quả tính toán mô phỏng và thử nghiệm cho thấy điện cực trên có hình rẻ quạt và
10
điện cực dưới có dạng hình trụ sẽ cho hiệu suất tách của thiết bị lớn nhất.
Mô hình điện cực trên của thiết bị trên hình 2.6.
Hình 2.6 Hình dạng điện cực trên trong mô hình vật lý của thiết bị (a. Mặt cắt ngang; b. Mặt cắt trên).
Trên cơ sở các phân tích tính toán, lựa chọn và mô phỏng tác giả đã đưa ra mô hình thiết bị phục vụ cho thử nghiệm như trên hình 2.12.
Hình 2.11.Mô hình vật lý của thiết bị thử nghiệm
11
2.3 Quy trình thực nghiệm đo kích thước và khả năng tích điện
2.3.1. Thu thập và xử lý mẫu
Có hai loại mẫu phân tách được thu thập và đưa ra thử nghiệm, bao gồm: sa khoáng titan lấy từ các mỏ ở miền Trung Việt Nam và chất thải điện tử sau khi xử lý. Với mỗi loại mẫu cần phân tách, luận án thực hiện một quy trình thu thập và xử lý mẫu tương ứng, kèm theo là các kịch bản với thông số xử lý cụ thể.
Quá trình thu thập thực hiện đối với sa khoáng mẫu thử nghiệm tại các mỏ ở miền Trung Việt Nam.
Đối với chất thải điện tử có chứa thành phần kim loại (dẫn điện) và phi kim (cách điện) cần tiến hành cắt nhỏ, nghiền và dùng thiết bị phân chia kích thước phục vụ cho các kịch bản thử nghiệm sau này.
2.3.2. Đo và mô phỏng kích thước tương đương của phần tử
Trong thực tế các hạt khoáng sản có hình dạng rất đa dạng, để thuận tiện cho tính toán và mô phỏng người ta thường quy về hình cầu, hình elip hoặc bán elip [2,3]. Bằng thiết bị chuyên dụng và phương pháp quy hình dạng các hạt về dạng hình cầu có thể tính được bán kính tương đương của các hạt theo công thức sau [2,3,4]:
Kết quả đo trung bình của mẫu sa khoáng từ các mẫu thu thập có dạng như sau (xem hình 2.13):
Hình 2.13.Phân bố kích thước trung bình của hạt sa khoáng.
Từ kết quả đo đạc và tính toán nói trên có thể rút ra kết luận sơ bộ: bán kính tương đương của các hạt khoáng sản tại mỏ Cẩm hòa dao động trong khoảng từ 70 đến 2000μm. Kích thước này rất phù
12
hợp với việc dùng thiết bị kiểu máng nghiêng và cho hiệu suất tách cao.
2.3.3. Đo khả năng tích điện tích:
Để đo được khả năng tích điện của các phần tử người ta thường dùng có hai phương pháp sau (theo [13,14]):
2.3.3.1. Phương pháp đo điện tích từng phần tử:
Hình 2.14. Sơ đồ đo điện tích hạt khi biết trị số điện trở R
Nhược điểm của phương pháp này là cần phải có các thiết bị đo với độ nhậy cao, nên việc đo đạc bằng phương pháp này dễ gây ra sai số lớn.
2.3.3.2. Phương pháp đo điện tích trung bình
Phương pháp này dựa trên cơ sở đo trị số điện áp xuất hiện trên hệ thống cảm biến điện dung do sự tích điện của phần tử và trọng lượng của chúng.
Hình 2.16. Mô hình nguyên lý đo điện tích
2.3.4. Kết quả:
a) So sánh kết quả thực nghiệm và lý thuyết: thể hiện trên hình 2.16.
13
Hình 2.16. Kết quả đo điện tích của hạt sa khoáng
b) Ảnh hưởng của điện trường đến khả năng tích điện: Hình 2.17
Hình 2.17. Khả năng nhiễm điện trái dấu của các thành phần Ilmenite và Zircon
2.3.5. Nhận xét
Từ kết quả mô phỏng và thực nghiệm trên các thành phần sa khoáng thu thập được, có thể rút ra một số nhận xét như sau:
- Trong trường hợp chưa có điện trường (E=0), các hạt vẫn tích điện tích. - Điện trường có trị số càng lớn các hạt càng tích được nhiều điện tích. - Các hạt điện dẫn tích điện trái dấu (điện tích âm) với các hạt điện môi (điện tích dương).
2.4 Kết luận chương 2
- Kết quả đo và tính kích thước tương đương của các phần tử cần tách (đặc biệt là sa khoáng) khi quy về hình cầu nằm trong khoảng dao dộng từ 70 đến 230µm. Kích thước này phù hợp với mô hình thiết bị hiện có với hiệu suất cao.
- Các phần tử có tính chất về điện khác nhau (điện dẫn và điện môi) khi chuyển động trong điện trường sẽ tích điện trái dấu do vậy để nâng cao hiệu suất tách việc đặt điện cực dưới có cực
14
tính dương sẽ hút các điện môi về phía điện cực này làm tăng hiệu suất tách điện môi.
- Trong điện trường các phần tử có tính điện dẫn tích điện với trị số lớn hơn so với phần tử điện môi nên cần chọn lựa thông số điện trường phù hợp. Kết quả thực nghiệm sẽ góp phần làm sáng tỏ ảnh hưởng của các số liệu này đến quỹ đạo bay của các thành phần và vị trí kết thúc tương ứng của chúng trong môi trường điện trường của các phần tử.
3. QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC PHẦN TỬ TRONG MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁCH
3.1 Phân tích các lực tác động lên quỹ đạo bay
Trong thực tế lý thuyết khi phân tích các lực người ta thường đưa giả thiết đơn giản sau ([5]) nhằm đơn giản hóa quá trình mô phỏng:
1. Các phần tử được mô phỏng quỹ đạo bay có hình cầu; 2. Điện tích phân bố đều trên bề mặt các phần tử;
Đối với mỗi thiết bị tách, lực tác dụng lên các phần tử trong một thiết bị tách bất kỳ có thể được đơn giản hóa bằng cách mô tả như trên hình vẽ 3.1.
Hình 3.1. Lực tác dụng lên các phần tử trong thiết bị tách
3.1.1 Các lực tác động lên phần tử mô phỏng
Đối với thiết bị tách sử dụng máng nghiêng, các lực tác dụng lên phần tử bao gồm các lực thành phần sau:
15
3.1.1.1 Lực điện trường
Lực điện trường được tính bởi công thức:
(3.1) F=0,832QmE
3.1.1.2 Trọng lực
Khi lọt vào trong không gian, mỗi phần tử sẽ bị trọng lực tác dụng. Lực này có trị số:
(3.4) Fg=mg=(4r3/3)/g
3.1.1.3 Lực cản của môi trường (trong thiết bị này môi trường là không khí)
Khi trượt trong môi trường không khí, mỗi phần tử sẽ bị kéo bởi lực xác định theo công thức Stoke:
(3.5) Fr=6r
3.1.1.4 Lực tương tác giữa các phần tử
Khi trượt trong máng nghiêng, mỗi phần tử sẽ bị các phần tử lân cận kéo lại với một lực kéo có hướng ngược với hướng trượt phía dưới của phần tử và có độ lớn được xác định bởi công thức:
(3.6) Fd=Fgcos
3.1.1.5 Lực đẩy Archimede
Như ta đã biết, trong mọi môi trường các phần tử đều chịu một lực Archimede có hướng ngược với trọng lực, ở đây là môi trường không khí. Lực Archimede làm cho phần tử nổi trong không khí có trị số:
(3.7) Fa=(4r3/3)ag
3.1.1.6 Lực dính (adhesion force)
Khi các phần tử chuyển động trên máng trượt, chúng dính vào nhau hoặc dính vào máng bởi tác động của lực dính. Lực này có trị số phụ thuộc vào tình trạng vật lý của bề mặt tiếp xúc.
16
3.1.2 Phân tích sự tác dụng của các lực lên phần tử
Phần tử rời khỏi máng nghiêng khi lực điện trường lớn hơn tổng trọng lực và lực Archimed:
(3.8) F>(Fg-Fa)cos
Thay các biểu thức lực điện trường và trọng lực ở trên ta được:
17,2r2E2>(4r3/3)gcos (3.10)
Như vậy ta có thể xác định được điện trường nhỏ nhất có thể làm cho phần tử rời khỏi máng được xác định như sau:
(3.11)
3.1.3 Một số nhận xét và đánh giá
Hiệu quả của phương pháp tách tĩnh điện liên quan đến khả năng kiểm soát việc các phần tử rời khỏi máng nghiêng trong thiết bị. Lực điện trường là lực chi phối cách hành xử của các phần tử khi nó bắt đầu chuyển động trong máng nghiêng, mà lực này lại phụ thuộc chủ yếu vào điện tích của phần tử. Nội dung này đã làm rõ các cơ chế tích điện cho phần tử, các lực tác dụng lên phần tử, xác định sơ bộ điện trường tới hạn. Để việc thiết kế một thiết bị phân tách tĩnh điện có hiệu suất tối ưu, cần phải đánh giá những yếu tố sau:
- Hình dạng, kích thước và khối lượng riêng của phần tử - Độ dốc của máng nghiêng - Kích thước và vị trí tương đối của các điện cực cao áp đối với máng - Trị số điện áp đặt lên các điện cực
3.2 Xác định quỹ đạo bay của hạt trong môi trường thiết bị
Để xác định quỹ đạo bay thường dùng phương pháp chụp ảnh quỹ đạo bay thực tế của phần tử trong môi trường thiết bị đang vận hành.
17
3.2.1 Ý nghĩa của việc xác định quỹ đạo bay của các phần tử
Hiểu được các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo bay của các phần tử trong thiết bị tách tĩnh điện và các yếu tố vật lý ảnh hưởng đến nó là một bước cơ bản để thiết kế bất kỳ một thiết bị tách nào. Trong khuôn khổ luận án này, nó là một bước quan trọng trong khâu tính toán sơ bộ để thiết kế thiết bị.
3.2.2 Hình ảnh quỹ đạo bay của các phần tử cần phân tách
Hình ảnh quỹ đạo bay của các phần tử cần phân tách trong môi trường thiết bị đang hoạt động khi chưa có điện trường và khi có ảnh hưởng của điện trường điện áp cao được thể hiện trên các hình số 3.4 và 3.5.
Hình 3.3. Khi chưa có điện áp đặt lên điện cực
Hình 3.4. Khi có điện áp đặt lên điện cực
18
3.2.3 Vai trò chuyển động của các hạt trong nguyên lý phân tách tĩnh điện
Để hiểu rõ những yếu tố vật lý ảnh hưởng đến quỹ đạo bay của các phần tử, cần phân tích được quá trình tích điện đối với các phần tử diễn ra thế nào, sau đó phân tích các lực tác dụng lên từng phần tử.
3.3. Quá trình tích điện của các phần tử cần phân tách
Khi đi từ máng cấp vào máng trượt đặt trong điện trường, các phần tử sẽ được tích điện theo 3 cách: 1- Tích điện bằng phương pháp vầng quang hay đánh phá ion (ion bombardment), 2- Tích điện bằng cảm ứng và 3- Tích điện bằng ma sát. Sau đây ta sẽ đi vào tìm hiểu cơ chế tích điện của từng cách, và thực tế là thiết bị trong luận án này cũng sử dụng cả 3 cách này.
3.3.1 Tích điện do vầng quang
Là phương pháp tích điện hiệu quả và phổ biến nhất. Ý tưởng căn bản của phương pháp này là làm ion hóa lớp không khí giữa hai bản cực của thiết bị tách để xảy ra phóng điện vầng quang, khi các phần tử rắn cần tách chảy qua khu vực này nó sẽ bị các ion bám vào và trở thành tích điện.
3.3.1.1. Cơ chế tích điện
Một hạt được tích điện nhiều hay ít phụ thuộc vào nhiều yếu tố: kích cỡ hạt, hằng số điện môi tương đối của hạt, trị số cường độ điện trường, hàm lượng điện tích (ion) trong không khí sinh ra do quá trình vầng quang.
3.3.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tích điện do vầng quang
- Bao gồm bụi và độ ẩm trong môi trường tĩnh điện của thiết bị.
3.3.2 Tích điện do cảm ứng
Tích điện bằng cảm ứng là phương pháp mà phần tử ban đầu không tích điện sẽ được tích điện sau khi đặt vào trong điện trường.
19
3.3.3. Tích điện do ma sát
Tích điện bằng ma sát có nghĩa là điện tích sẽ xuất hiện trong phần tử sau khi phần tử trượt trên các phần tử khác (trượt giữa rắn và rắn hoặc giữa lỏng và rắn).
3.3.3.1. Tích điện giữa các vật liệu dẫn điện:
Khi hai kim loại đưa vào tiếp xúc nhau, điện tích giữa chúng sẽ được dịch chuyển cho đến khi mức Fermi giữa chúng bằng nhau.
3.3.3.2. Tích điện do tiếp xúc giữa vật liệu dẫn điện và không dẫn điện:
Cơ chế để các điện tử được chuyển từ vật liệu dẫn điện sang không dẫn điện và ngược lại là do sự khác nhau về trị số công thoát giữa các vật liệu.
3.3.3.3. Tích điện do tiếp xúc giữa các vật liệu không dẫn điện:
Quá trình chuyển điện tích do tiếp xúc giữa các vật liệu không dẫn điện diễn ra ở bề mặt ngoài (một vài micro mét) của vật liệu.
3.4.Kết luận chương 3
Chương 3 đã tiến hành 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 tính toán 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, cho phép đưa ra quan hệ cần thiết giữa các thông số của thiết bị với vị trí thu hồi sản phẩm trong mô hình.
4. TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT CỦA THIẾT BỊ PHÂN TÁCH TĨNH ĐIỆN
4.1 Mô phỏng phân bố điện trường trong thiết bị phân tách
Bằng thực nghiệm có thể đánh giá chính xác mức độ ảnh hưởng của các yếu tố này. Kết quả thực nghiệm sẽ góp phần đưa ra các thông số tối ưu đối với phần mô hình thiết bị đề xuất và đối với từng đối tượng cụ thể.
20
4.1.1 Các phương pháp tính toán điện trường
Tính toán điện trường trong bất kỳ một thiết bị nào chính là giải phương trình Poisson-Laplace.
4.1.1.1 Phương pháp phần tử biên (BEM)
Trong phương pháp BEM, lớp tiếp giáp giữa 2 cách điện 1 và 2 bất kỳ trong một bài toán phân tích tĩnh điện phải thỏa mãn điều kiện:
(4.1)
4.1.1.2 Phương pháp sai phân hữu hạn
Xét một vùng điện trường trong mặt phẳng Oxy thoả mãn phương trình Poisson và Laplace và đã biết được điện thế nhờ các điều kiện biên và bờ của bài toán, các giá trị này cho ta biết được thông tin về điện thế của một số hữu hạn nút ban đầu của quá trình tính toán.
4.1.1.3 Phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên nguyên lý tổng quát cho phép nghiên cứu hành vi của các hệ thống vật lý là nguyên lý “tác động cực tiểu” còn gọi là nguyên lý Hamilton.
4.1.2 Phần mềm mô phỏng COMSOL
Trong luận án này, phân bố điện trường và điện thế trong thiết bị tách được tính toán bằng phần mềm COMSOL 4.3.
4.1.3 Kết quả mô phỏng điện trường trong thiết bị trên phần mềm Comsol
Trong khuôn khổ của luận án, một số kết quả thực hiện trong quá trình mô phỏng được trình bày sơ bộ. Quá trình mô phỏng được tiến hành cho các trường hợp sau:
- Điện áp các điện cực được thay đổi đồng thời với sự thay đổi khoảng cách giữa các điện cực và máng nghiêng.
- Điện cực sử dụng trong mô phỏng có dạng hình trụ và rẻ quạt:
21
Hình 4.7. Phân bố và hướng của điện trường giữa các bản cực Trường hợp a=4cm, b=15cm và U=20kV
4.1.4 Nhận xét kết quả mô phỏng
Trong luận án này, phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên phần mềm COMSOL được sử dụng để tính toán và mô phỏng điện trường trong thiết bị tách tĩnh điện. Những kết quả sơ bộ khi thay đổi thông số kỹ thuật cho phép ta thiết kế sơ bộ một thiết bị với kích thước và điện áp đặt vào phù hợp.
4.2 Quy trình thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến hiệu suất phân tách của thiết bị
Quy trình này được xây dựng dựa trên hoạt động thực tế của mô hình trong phòng thí nghiệm.
Các kết quả thực nghiệm đã minh chứng ảnh hưởng của các yếu góc nghiêng, trọng lượng riêng của các phần tử, điện áp, nhiệt độ sấy đến hiệu suất tách
4.2.1 Hiệu suất phân tách Ilmenite:
Hình 4.12 Hiệu suất phân tách Ilmenite
22
4.2.2. Hiệu suất phân tách Zircon
Hình 4.12 Hiệu suất phân tách Zircon
4.2.3 Nhận xét kết quả thực nghiệm
- Khi điện áp đặt lên điện cực thay đổi từ 12 đến 25 kV hiệu suất có thể đạt ≥ 99%.
- Khi điện áp nhỏ hơn 12 kV hoặc lớn hơn 30 kV hiệu suất chỉ đạt đến 70 %.
- Từ các nhận xét trên có thể rút ra kết luận với khoảng cách, góc nghiêng và vị trí tương đối của các điện cực, hiệu suất tách tối ưu khi điện áp dao động trong khoảng 20 đến 30 kV.
4.3 Kết luận chương 4
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. Cụ thể các kết luận rút ra như sau:
- Hiệu suất tách của thiết bị đạt cao nhất khi góc nghiêng dao động trong giới hạn 35- 45 độ;
- Cần sấy sơ bộ mẫu quặng trước khi đưa vào thiết bị để tách
- Điện áp tối ưu 20-30 kV ;
- Nhiệt độ sấy máng nghiêng 100O C
- Để nâng hiệu suất tách cần tăng số tầng tách
- Đối với chất thải điện tử không tiến hành sấy để tránh hiện tượng kết dính do trong thành phần chất thải điện tử có hàm lượng nhựa lớn.
23
KẾT LUẬN CHUNG
I. Các kết quả đã đạt được
Luận án đã giải quyết được một số vấn đề kỹ thuật đặt ra trong việc ứng dụng kỹ thuật điện cao áp để tách các phần tử có tính chất về điện khác nhau trong lĩnh vực khai thác, làm giàu khoáng sản và xử lý chất thải điện tử. Các kết quả có thể được tóm lược như sau:
1. Luận án đã 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. Việc so sánh ưu nhược điểm của công nghệ cho phép chọn lựa công nghệ phù hợp với điều kiện thực tế trong nước.
2. Lần đầu tiên phân tích và đánh giá được đặc trưng của các thành phần có trong mẫu sa khoáng tại các mỏ của Việt Nam hiện nay. Kết quả đo đạc thông số và so sánh với đặc trưng của quặng trên thế giới cho phép rút ra kết luận về khả năng phân tách và các yêu cầu kỹ thuật trong điều kiện cụ thể tại Việt Nam.
3. Luận án đã thực hiện mô phỏng thiết kế của thiết bị phân tách, và phân tích quá trình hoạt động của điện trường để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới quỹ đạo chuyển động của các phần tử khác nhau. Những nghiên cứu này là cơ sở cho việc xây dựng thành công thiết bị với khả năng điều chỉnh các thông số phù hợp cho thực nghiệm trên các mẫu quặng thực tế đã thu thập.
4. Xây dựng được quy trình nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố thiết kế và vận hành đến hiệu suất phân tách. Tối ưu thông số kỹ thuật của thiết bị phân tách dựa trên mô phỏng và thực nghiệm tương ứng, trên cơ sở các mẫu quặng thực tế.
II. Một số kết luận mới liên quan đến vấn đề nghiên cứu
1. Trên cơ sở phân tích mô hình hoạt động và đánh giá ưu nhược điểm của các công nghệ phân tách ứng dụng kỹ thuật điện cao áp, luận án đã lựa chọn mô hình phân tách sử dụng điện cực dạng máng nghiêng, đề xuất phạm vi điều chỉnh thông số và công suất của thiết bị phù hợp với điều kiện nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam.
24
2. Các đánh giá dựa trên cơ sở đo đạc thông số về kích thước và khả năng nhiễm điện của các thành phần có tính chất về điện khác nhau có trong số lượng mẫu sa khoáng đã thu thập đủ lớn tại Việt Nam cho phép rút ra kết luận về mô hình và khả năng phân tách các phần tử, cho phép đề xuất thông số cần tối ưu đối với thiết bị phân tách. Kết quả mô phỏng điện trường trong luận án đã cho phép lựa chọn hình dạng và kích thước điện cực hợp lý cho mô hình vật lý của thiết bị.
3. Luận án đã phát triển được quy trình nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố tác động đến hiệu suất của thiết bị . Trên cơ sở các kết quả mô phỏng và thử nghiệm, mô hình thiết bị hoàn chỉnh đã được thiết kế chế tạo. Mô hình chế tạo cũng đáp ứng được các yêu cầu để tiếp tục phát triển nghiên cứu. Hiệu suất phân tách thực tế của thiết bị với thông số tối ưu đã đạt được trong phòng thí nghiệm là trên 99,5%. Đây cũng là cơ sở đề luận án lần đầu tiên đề xuất được công nghệ và mô hình thiết bị phân tách tĩnh điện phù hợp với điều kiện Việt Nam.
KIẾN NGHỊ VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
1. Các nghiên cứu trong luận án phù hợp với đối tượng nghiên cứu đã lựa chọn bao gồm sa khoáng titan thu thập tại các mỏ đang hoạt động tại Việt Nam. Luận án đề xuất tiếp tục nghiên cứu các đối tượng có sai khác về đặc tính so với đối tượng đã thử nghiệm do tỷ lệ, thành phần, hàm lượng cấu trúc khác. Bên cạnh đó tác giả mong muốn ứng dụng thiết bị rộng rãi tại các đơn vị khai thác mỏ tại Việt Nam. Đặc biệt việc so sánh hiệu quả kinh tế kỹ thuật của thiết sẽ rất thuận lợi cho việc khẳng định các ưu điểm của mô hình vật lý đã xây dựng thành công. 2. Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ kỹ thuật điện cao áp trong phân tách hạt trong luận án tuy đạt được kết quả thành công về hiệu suất phân tách đối với sa khoáng, nhưng mới chỉ là các kết quả ban đầu. Tiềm năng ứng dụng của công nghệ cap áo tĩnh điện trong công nghiệp còn rất lớn, luận án mong muốn mở rộng việc áp dụng công nghệ phân tách này cho các lĩnh vực khác như tuyển hạt giống, lọc bụi tĩnh điện. Các nội dung này đòi hỏi phát triển hướng nghiên cứu tiếp theo trong từng lĩnh vực cụ thể.
