專利名稱：從粉煤灰中分離碳的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對利用摩擦電逆流傳送帶型分離裝置將碳從粉煤灰中分離出來的工藝的改進，更特別的是控制進入分離裝置的粉煤灰的相對濕度，使其達到最佳濕度范圍。
2.相關(guān)技術(shù)描述在世界范圍內(nèi)，大量的煤被燃燒用來發(fā)電。通常，煤被研磨成細的粉末，靠壓縮空氣將彌散的煤粉送入鍋爐并燃燒，其燃燒釋放出的熱量用于產(chǎn)生蒸汽提供給渦輪發(fā)電機發(fā)電。在鍋爐內(nèi)，煤中的碳成分燃燒并釋放出熱量。而未燃燒的原料被加熱到較高的溫度，通常被熔化且以粉煤灰的形式通過并排出鍋爐。這些粉煤灰通常在煙道氣沉積和擴散到大氣中之前被收集。例如，一個1000兆瓦的發(fā)電廠每個小時大約燃燒500噸煤。世界上許多燃煤電廠的煤灰水平通常都在10％的范圍內(nèi)，隨之而來的是在這個工業(yè)化的世界里，產(chǎn)生了大量的煤灰。
每一個電廠的經(jīng)濟的設(shè)計方案都需要在基本投資和保養(yǎng)費用之間權(quán)衡，研磨煤達到完全燃燒所需的花費被煤燃燒時釋放出的BTUs值以及煤在被研磨之前的成本所平衡。另外，近年來，大量的實用電廠的燃煤所造成的空氣污染這一事實已經(jīng)變得重要了，NOX(氮氧化物)的排放是空氣污染的其中一例，各電廠都在試圖減少這一污染。NOX是由氮氣和氧氣在高溫下反應(yīng)形成的，并受惠于高溫。降低NOX排放的一條途徑是降低鍋爐內(nèi)的溫度并減少過剩的氧氣。這種方式是通過稱之為“低NOX燃燒器”來實現(xiàn)的。許多鍋爐的制造廠家生產(chǎn)這種低NOX燃燒器，并且已在許多應(yīng)用中正在安裝這種設(shè)備。但是，降低燃燒室中的溫度和過剩氧氣的負面效應(yīng)是增加了鍋爐所排出的粉煤灰中未燃燒的碳。
在穿過高溫鍋爐及其后的粉煤灰收集的不燃燒物的通道之后，通常跟隨鍋爐的冷卻管線，將煤中相對不活潑的粘土和頁巖礦物轉(zhuǎn)變成玻璃陶瓷狀的物質(zhì)。這些無機物顆粒的一個特性是，它們易于與石灰反應(yīng)生成水泥樣的(cementacious)材料，粉煤灰的這一火山灰質(zhì)的特性在工業(yè)領(lǐng)域中被廣泛開發(fā)利用，例如，將粉煤灰摻入水泥中，以取代一些水泥，并與在水合作用過程中從水泥中釋放出的游離的石灰反應(yīng)，并用很少的游離態(tài)的石灰制造高強度的混凝土，使其變成抗硫酸鹽、高強度、廉價的水泥。在混凝土中用粉煤灰作為火山灰的一個優(yōu)點是將大量的廢物轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅坑杏玫牟牧?；在混凝土中用粉煤灰取代水泥的另一個優(yōu)點是減少了水泥的生產(chǎn)。水泥通常是由含鈣、鋁和硅的礦物原料生產(chǎn)的，在生產(chǎn)水泥時這些礦物在水泥窯爐中結(jié)合在一起并被加熱到垂熔(incipient fusion)。但是，生產(chǎn)每噸水泥大約需要開采兩噸的礦物，以及大約有一噸的CO2被排放到大氣中，其中一些CO2來自燃料的燃燒，而另一些來自作為鈣原料所使用的石灰石。因而，用粉煤灰替代水泥的再一個優(yōu)點是以1∶1的比例降低了CO2的排放。具體說，每使用一噸的粉煤灰，就減少了所需排放的一噸CO2。
粉煤灰在混凝土中的使用要求粉煤灰具有特定的物理特性。這些特性的其中之一[定義在American Society for Testing andMaterials(ASTM)，C618的說明書中]是碳含量少于6％。但是這一說明只是一個上限，并且許多用戶希望碳的含量盡可能低。不幸的是，粉煤灰使鍋爐達到低NOX鍋爐所增加的碳，常常導(dǎo)致粉煤灰的碳水平超過由潛在的粉煤灰用戶定義的能接受的限度，因而，這是一個折中方案即減少了大氣中的NOX，而加重了另一個問題，CO2的溫室排放。因而，從粉煤灰(例如，從低NOX的燃燒器產(chǎn)生的粉煤灰)中去除碳，使其能用于混凝土中，有益于實用電廠避免廢物處理的問題，有益于用比水泥成本低的原料生產(chǎn)混凝土的生產(chǎn)廠家，同時也有益于減少環(huán)境中CO2的排放。
已經(jīng)提出大量的用于從粉煤灰中去除碳的方法，包括低溫燃燒、泡沫浮選、顆粒粒徑分類以及靜電分離。靜電分離包含眾多的不同技術(shù)，基于待分離的顆粒的電學特性。一種類型的靜電分離是導(dǎo)體/非導(dǎo)體的分離，這有賴于不同顆粒之間的導(dǎo)電性的不同。通常顆粒借助電暈和與導(dǎo)電表面的接觸兩種方式帶電的比率決定了哪些顆粒被接收、哪些顆粒被拒絕。這種類型的分離裝置在文獻中有詳細的描述，(例如由Norman L.Weiss編輯，American Institute of Mining 1985年版權(quán)所有，Society ofMining Engineers(SME)Mineral Processing手冊的第六章，Metallurgical and Petroleum Engineers，(Library of Congresscatalog card number 85-072130))。但是，這種導(dǎo)電/非導(dǎo)電類型的分離裝置的一個共同問題是，需要每一種顆粒與導(dǎo)電表面接觸。對于粉末狀的顆粒來說，這一與導(dǎo)電表面接觸的要求呈現(xiàn)了許多困難，諸如，顆粒在導(dǎo)電表面的附著力，以及因分離裝置的能力對其表面區(qū)域顆粒的厚度的依賴關(guān)系而減少的分離能力。
另一種類型的靜電分離方法是利用接觸帶電，并將在此后被稱為摩擦電靜電分離。在這種方法(同樣在SME MineralProcessing手冊中有描述)中，各顆粒依靠它們互相之間的接觸帶電。這一方法具有無須接觸帶電表面的優(yōu)點，以及理論上允許用于小粒徑顆粒的分離。The SME Mineral Processing手冊設(shè)置了一個基于作者實際經(jīng)驗的20微米的較低的限度。然而，Whitlock在美國專利第4,839,032和4,847,507號專利中所描述的一種摩擦電逆流傳送帶型分離裝置，已經(jīng)在比20微米更細的顆粒下成功并連續(xù)運行，并從粉煤灰中分離碳(見，例如Whitlock，(1993)，“Electrostatic Separation of Unburned Carbonfrom Flysh”Proceedings Tench International Ash Use Symposium，第二卷，第70-1至70-12頁)。
該科技和工程文獻中大量地討論了低環(huán)境濕度對發(fā)現(xiàn)和實踐靜電的影響的重要性。所給出的理由是，固體表面的水薄膜是導(dǎo)電的，這一表面的傳導(dǎo)泄露了顆粒上的所有電荷，從而使分離無效。更進一步，該文獻解釋了由于粉末狀顆粒吸收水分并可能導(dǎo)致在吸收水分后結(jié)塊，因而，水分薄膜的傳導(dǎo)與顆粒因濕度而結(jié)塊的結(jié)合效應(yīng)都要求靜電分離裝置必須在低濕度環(huán)境下運行。例如在美國專利第5,513,755號中，Heavilon等人揭示了避免顆粒聚集的低濕度的重要性。特別是，Heavilon等人揭示了了一種靜電分離裝置，該裝置使碳顆粒或是通過與導(dǎo)電的傳送帶接觸或是通過傳導(dǎo)帶電，帶電的碳顆粒從行進在導(dǎo)電的傳送帶上的一個粉煤灰層，借助置于導(dǎo)電傳送帶下面的粉煤灰層的拍打桿的攪動裝置被釋放，該帶電的碳顆粒飛起與一個電極接觸，并借助接觸接受了一個相反的電荷。帶有該相反電荷的顆粒最終向外、向下運動進入產(chǎn)品廢料斗或廢料倉中。因而Heavilon等人的這種靜電分離裝置是一種以上所描述的導(dǎo)體/非導(dǎo)體型的分離裝置，其是依靠碳顆粒的導(dǎo)電性而帶電，并使不導(dǎo)電的煤灰礦物質(zhì)不帶電，而導(dǎo)致上述討論的缺點。
加熱用于將粉煤灰從遠距離的收集倉輸送到例如一個靜電分離裝置中的傳輸空氣，以及此后對用于將粉煤灰中結(jié)塊的氣動傳輸?shù)募訜幔在s走其中的水分的方法已在電子應(yīng)用工業(yè)中廣泛采用。另外，Heavilon等人描述了加熱器的使用是在運送粉煤灰到裝料斗之前，將粉煤灰以在靜電分離裝置的導(dǎo)電傳送帶上的一個薄層運送，加熱器將粉煤灰加熱到一個高于露點的足夠高的溫度，驅(qū)趕水分足以削弱碳和煤灰之間的表面粘合。這是參考了結(jié)塊顆粒中的水分的振動狀態(tài)，例如在1984年Mcgraw Hill著的Perry’s Chemical Engineering Handbook，第六版中所描述的。換句話說“在顆粒的接觸點處，少量的液體被保持在離散的透鏡形圓環(huán)狀態(tài)”，這些水分的透鏡形橋路的大小取決于水分的表面張力(T)，以及當前水分的含量。參看下面的Kelvin的公式(1)，表面張力(T)是壓力差(P)或毛細吸力、以及沿水分曲面的曲率半徑(R)的函數(shù)(1)P＝2T/R正如由W.B.Pietsch在題為“Agglomerate Bonding andStrength”的第7.2章中(Handbook of Powder Science andTechnology，由M.E.Fayed and L.Otten 1984編輯，Van Nostrand，Lirary of Congress number 83-6828號)中所討論的，當顆粒的表面粗糙度超過振動粘合的尺寸時，液體橋路與較大的顆粒短開，減弱了保持顆粒的結(jié)合力。大概，這就是需要解脫碳和粉煤灰之間結(jié)合的水分標準。
然而，Heavilon等人沒有提到任何測量水分的標準或特別的水分含量標準的范圍，這一標準對于那些基于導(dǎo)電的分離裝置的操作是需要的。另外，該文獻只討論了去除水分以有助于顆粒的自由流動，以及去除水分以避免在非導(dǎo)電顆粒上形成導(dǎo)電薄膜。由此得出低濕度將避免這些問題，并隱含“濕度越低，效果越好”的含義。
本發(fā)明的概要意想不到的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了對粉煤灰和未燃燒的碳而言，粉煤灰具有一個最佳濕度范圍，該范圍導(dǎo)致使用摩擦電分離裝置的改進，在這里將作詳細的描述。
按照本發(fā)明的一個實施方案，被送到摩擦電分離裝置的粉煤灰的相對濕度受控地保持在預(yù)定的濕度范圍。
按照某一實施方案的方法，從粉煤灰中分離碳顆粒的方法包括以下步驟改變粉煤灰的相對濕度，使之在一個最加范圍以內(nèi)；以及將待處理的粉煤灰送入摩擦電分離裝置中，以便使碳顆粒和粉煤灰摩擦帶電；并從帶電的粉煤灰中分離帶電的碳顆粒的步驟。特別是，該相對濕度可以通過向用于將粉煤灰從遠距離的收集倉傳送到摩擦電分離裝置的空氣中添加水分得以增大。另外，粉煤灰的相對濕度只是借助在粉煤灰進入摩擦電分離裝置之前向粉煤灰添加水分而得以增大的。另外，對于這些實施方案中的每一個來說，其水分既可以是液態(tài)的，也可以是汽態(tài)的。
在一個變換的實施方案中，其粉煤灰的相對濕度降低到最佳濕度范圍以內(nèi)。特別是，該相對濕度的降低是借助對從遠距離的收集倉傳送到分離裝置的空氣傳送系統(tǒng)的加熱、超過環(huán)境溫度、保持該空氣傳送系統(tǒng)的溫度高于環(huán)境溫度，并在環(huán)境溫度之上收集粉煤灰。仍是在一個進一步的變換的實施方案中，空氣的加熱是在其用于粉煤灰的流動輸送之前。
根據(jù)本發(fā)明，一種用于從粉煤灰中分離碳顆粒的裝置包括粉煤灰處理裝置，用于改變(增加或降低)粉煤灰的相對濕度到最佳濕度范圍以內(nèi)；摩擦電分離裝置與粉煤灰處理裝置耦合，其接收待處理的粉煤灰并使碳顆粒和粉煤灰摩擦帶電，以便從帶電的粉煤灰中分離出帶電的碳顆粒。
在該裝置的一個實施方案中，粉煤灰的處理裝置包括用于向從遠距離的收集倉傳送到分離裝置的傳輸空氣添加水分的裝置。變換的是，粉煤灰的處理裝置包括用于向或是在進入分離裝置之前的粉煤灰添加水分，或是在給分離裝置供料的收集倉中向粉煤灰添加水分。
粉煤灰處理裝置的一個變換的實施方案是一個加熱器，用于加熱從遠距離的收集倉輸送粉煤灰到分離裝置的傳輸空氣，其加熱是在傳輸空氣與粉煤灰結(jié)合之前。變換地是，該粉煤灰處理裝置是一個用于加熱流動傳輸粉煤灰的空氣的加熱器，例如，只要在粉煤灰收集倉中收集的粉煤灰在進入逆流傳送帶型分離裝置之前。對于這些實施方案，其空氣傳輸系統(tǒng)和粉煤灰收集倉同樣可以被隔絕，以減少任何空氣傳輸和儲存系統(tǒng)的熱量損失。
在本發(fā)明的另一個實施方案中，一個實用電廠包括燃燒煤以產(chǎn)生熱量用于發(fā)電的燃煤鍋爐，其中該燃煤鍋爐同樣產(chǎn)生不燃燒的礦物質(zhì)，并以粉煤灰的形式伴隨廢氣離開鍋爐。該實用電廠同樣包括與燃煤鍋爐耦合的煤灰分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)將從煤灰分離系統(tǒng)收集到的粉煤灰輸送到遠距離的儲存容器中。另外，該實用電廠包括用于增加和降低粉煤灰的相對濕度到最佳濕度范圍的裝置，以及接收待處理的粉煤灰的摩擦電分離裝置，以使在待處理的粉煤灰中的碳顆粒與待處理的粉煤灰一樣摩擦帶電，以便從帶電的粉煤灰中靜電分離帶電的碳顆粒。
本發(fā)明的其他目的和特征在結(jié)合隨后對以下的附圖的詳細描述后，將變得明了。應(yīng)當明白，這些附圖只是為了說明的目的，而非有意限定本發(fā)明。
附圖的簡要說明前述以及其他的發(fā)明目的和優(yōu)點從以下的附圖中將更加完全明了

圖1為燃煤發(fā)電廠的示意圖，示出了帶有摩擦電靜電逆流傳送帶分離裝置的煤灰輸送、儲存以及處理系統(tǒng)；圖2為空氣濕度圖，示出了在各種溫度以及29.92(mm)汞柱大氣壓下空氣和水蒸汽的特性；圖2A示出了每磅干燥的空氣中水的熱函與水溫的關(guān)系曲線；圖3為一些粉煤灰的水分含量與相對濕度的關(guān)系曲線圖；圖4為一些水分和鹽溶液的相對濕度和相應(yīng)的曲率半徑圖表；圖5示出了測量到的在兩種表面之間的力作為相對濕度的函數(shù)；圖6為各種物料在不同的相對濕度下的體積和表面電阻率的圖表；圖7為低碳煤灰產(chǎn)品的產(chǎn)率作為相對濕度的函數(shù)曲線；圖8為低碳煤灰中碳含量作為相對濕度的函數(shù)曲線；
圖9為對于兩個不同溫度下的含碳煤灰產(chǎn)品的產(chǎn)率和碳含量的曲線；圖10為一個燃煤發(fā)電廠的示意圖，示出了用于按照本發(fā)明增加煤灰的相對濕度的一些實施方案；圖11為一個燃煤發(fā)電廠的示意圖，示出了用于按照本發(fā)明降低煤灰的相對濕度的一些實施方案；本發(fā)明的詳細描述圖1是一個發(fā)電廠10的示意圖，包括燃煤鍋爐22、帶有摩擦電靜電逆流傳送帶型分離裝置12的粉煤灰傳輸、儲存、處理機構(gòu)，諸如在美國專利第4,839,032號和4,874,507號(在此后用‘032和‘057表示)中所描述的，在此通過參照被合并進來。按照原來常用的工業(yè)作法，煤14通常例如借助壓輥16、18研磨，并借助輸送機20由空氣輸送到鍋爐22，在那里以噴出的粉末狀形式燃燒。煤的燃燒加熱了裝水的管道，從而加熱其中的水以形成蒸汽，該蒸汽膨脹穿過渦輪26驅(qū)動發(fā)電機28發(fā)電。這些蒸汽又冷凝成液態(tài)的水并借助泵30被泵送回鍋爐，從而在該封閉的循環(huán)系統(tǒng)中被連續(xù)不斷地加熱和冷凝。燃煤中的未燃燒的物質(zhì)借助熱輸送管道以廢氣的形式轉(zhuǎn)移到煤灰分離系統(tǒng)，例如靜電沉淀器裝料斗32，在那里煤灰中的固體物質(zhì)被去除，廢氣通過煙囪32向上排放到大氣中。
在圖1的系統(tǒng)中，煤灰中的固體物質(zhì)被從靜電沉淀器裝料斗32輸送到遠距離的儲存容器倉36。通常，借助壓縮機38壓縮的空氣由加熱器40在煤灰通過輸送機42進入料倉36之前被加熱，在料倉處，該輸送空氣從出口44處釋放，而煤灰46聚集在料倉中。在料倉的底部48，懸浮的石子(圖中未示出)用于容納借助于輸送裝置輸送的空氣50，以便使粉煤灰懸浮，從而使粉煤灰能容易地通過出口52。通常，這一懸浮空氣同樣由加熱器54加熱，所述料倉與靜電逆流傳送帶型分離裝置12相連接，當粉煤灰離開料倉時，其通過一個例如在料倉中的篩網(wǎng)56，以去除其中可能干擾分離裝置操作的任何錯配物料。在通過篩網(wǎng)以后，粉煤灰隨后被送入分離裝置，在那里碳顆粒摩擦帶電，并從粉煤灰中被摩擦分離出來。同樣使用了用于輸送和以均勻的方式分布粉煤灰的裝置，對該懸浮進料裝置、分離裝置以及用于輸送和分布粉煤灰的裝置，在‘032號專利中都有詳細描述。
如上討論的，輸送和儲存粉煤灰的常規(guī)的作法是將粉煤灰保持在盡可能的干燥狀態(tài)，以便阻止各顆粒的結(jié)塊以及削弱碳顆粒和粉煤灰之間的表面附著力，這可以借助例如加熱傳輸空氣來實現(xiàn)。在圖1的實施方案中，該用于將煤灰從沉淀器裝料斗32輸送到料倉36的空氣借助加熱器40被加熱；用于使煤灰在沉淀器裝料斗中懸浮的空氣也同樣借助加熱器54被加熱?？諝獾募訜釋?dǎo)致煤灰空氣系統(tǒng)比使用周圍環(huán)境的空氣時要熱。粉煤灰在傳輸空氣中的運動使空氣與粉煤灰和粉煤灰與粉煤灰之間的接觸迅速達到平衡狀態(tài)。達到這一包括溫度和相對濕度在內(nèi)的平衡狀態(tài)是非常迅速的。常規(guī)的工業(yè)作法在于設(shè)計這樣一種傳輸系統(tǒng)以用于較壞的環(huán)境條件下，并常年以同樣的方式運行。但是，例如設(shè)計成在潮濕的夏季條件下保持煤灰干燥以及自由流動的這樣一種傳輸系統(tǒng)的缺點是，其設(shè)計超出了干燥冬季下的條件。
使各相之間的水分運動的驅(qū)動力是化學勢。在平衡狀態(tài)，所有各相都具有相同的化學勢。任選的一個純凈的冷凝相被看作具有唯一的化學勢，因而液態(tài)的水和水蒸汽在平衡態(tài)具有相同的化學勢，所以并沒有凈驅(qū)動力使水從一相變運動到另一相。在含水的粉煤灰系統(tǒng)中，對水活性的常規(guī)測量是用相對濕度，空氣的飽和態(tài)或100％的相對濕度是指液態(tài)水的平衡態(tài)；而0％的相對濕度是指空氣中水份的含量為0％。相對濕度界于0％到100％之間反映了大氣中在不同水的聚集條件下水的化學勢。水蒸汽的壓力隨溫度按指數(shù)率增長，因而空氣溫度的升高，提高了飽和溫度，提高了飽和分壓，也使在恒定的水含量的條件下降低了相對濕度。如在在1984年Mcgraw Hill著的Perry’sChemical Engineering Handbook，第六版中所公開的空氣溫度圖，在這里被重新繪制，作為圖2和圖2A，其用圖表示出了在不同的溫度和相對濕度條件下的含水空氣的平衡態(tài)含量，以及在不同溫度下水的熱函(焓，Enthalpy of Water)。在圖2中用字母A代表的各曲線是每磅干燥空氣的飽和熱函(B.t.u)線；用字母B代表的各曲線是濕球溫度和露點或飽和溫度；用字母C代表的各曲線是每磅干燥空氣的飽和熱函(B.t.u)；用字母D代表的各曲線是每磅干燥空氣中水分的粒度；用字母E代表的各曲線是相對濕度曲線；用字母F代表的各曲線是濕球溫度；用字母G代表的各曲線是每磅干燥空氣的立方英尺數(shù)。跟隨以上之后的是對固體物料自身加熱并沒有改變該物料的相對濕度，加熱與空氣接觸的物料增加了水分飽和部分的壓力，并在恒定的絕對濕度下降低了其相對濕度。加熱在密封容器中的物料到100℃，對其相對濕度不會產(chǎn)生影響。
圖3是粉煤灰的水分含量作為空氣相對濕度以及用燒失量(LOI％)表示的未燃燒碳的不同含量的函數(shù)曲線，這些實驗數(shù)據(jù)是從一個水分吸收系統(tǒng)獲得的，該系統(tǒng)由一下各部分構(gòu)成帶有對稱的懸浮樣品盤的分析天平；帶有溫度控制和凈化氣體控制的樣品室；用于調(diào)節(jié)凈化后氣體的相對濕度，以提供最終在恒定的流量率下的室內(nèi)相對濕度在0％到65％之間的系統(tǒng)；以及用于連續(xù)監(jiān)控室內(nèi)相對濕度(由Vaisala公司提供)的相對濕度探測器。收集這些數(shù)據(jù)的過程包括裝配水吸收系統(tǒng)和天平，同時在實驗室凈化氣體流量率下凈化室內(nèi)空氣從而調(diào)節(jié)浮動效果；將10到15克待分析的粉煤灰置于天平盤上；在0％的相對濕度氣流下，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度到222到250℃，并保持在這一溫度恒定大約30分鐘，以去除從暴露的大氣中吸收的水分；冷卻樣品和樣品室到需要的實驗溫度，同時保持0％相對濕度的凈化氣體；記錄在0％相對濕度下的干燥樣品重量；以大約2％的相對濕度增長增加相對濕度，在每個數(shù)據(jù)點最少10分鐘的平衡時間之后，獲得樣品的重量，這些數(shù)據(jù)點的設(shè)置包括在相對濕度下的樣品重量；對于每一個相對濕度的增長計算樣品從其干重所增加的重量百分比；借助繪制重量百分比增量與每一次相對濕度增長后的相對濕度的關(guān)系曲線，提供了圖3的等溫吸附線。
從圖3中可以看到，在含有較多未燃燒的碳的粉煤灰中，其水分含量隨相對濕度的增加較大，水分含量與粉煤灰相對濕度的函數(shù)關(guān)系對碳含量的這種依賴性，可以用碳比煤灰成分中的無機物容易吸收更多的水分來解釋。如上面所討論過的，粉煤灰中殘留的碳源于未完全燃燒的煤，煤已經(jīng)被加熱到較高的溫度，其易揮發(fā)的成分被蒸發(fā)，而且已經(jīng)發(fā)生部分氧化作用，這樣使其中的碳顆粒成為多孔的并具有低容積密度。正是這種多孔性，使碳顆粒相對非多孔的玻璃質(zhì)礦物具有較高的吸水性。在碳顆?？紫吨蟹@的水分不會在表面上與其他的顆粒表面特性相配合而影響分離。
眾所周知，沿著一個曲面，液體的表面張力(T)施加一個力，該力沿著該曲面產(chǎn)生一個壓差(P)，這一壓差(P)等于表面張力(T)的兩倍除以該表面的曲率半徑(R)，即所知的開爾文毛細方程(Kelvin’s Capillary Equation)
(1)P＝2T/R當塊狀的液態(tài)水與其蒸汽達到平衡狀態(tài)時，沿著水蒸汽界面的壓差為零，其曲率半徑趨于無窮大，在液體和蒸汽之間有具有一個平坦的界面，在水的分壓低于飽和分壓的平衡態(tài)時，系統(tǒng)只能在曲面上達到平衡狀態(tài)，致使沿著彎曲界面的壓差等于相對濕度。表面張力隨曲率半徑和鹽含量的變化可以被忽略。
圖4示出了一個對于純水和一些飽和鹽溶液的相對濕度與特征界面曲率半徑比較的關(guān)系表。這些鹽通過降低塊狀液體水相的相對濕度改變了一些量的關(guān)系。這將導(dǎo)致在任何給定的相對濕度條件下曲率半徑的增大，但在較低的相對濕度狀態(tài)下，曲率半徑的增加并不大。從圖4的表中可以看到，較低的相對濕度具有較低的面間曲率半徑特性。當達到分子線度的數(shù)量級時，失去了水和固體物料(之間)起邊界作用的前提。這發(fā)生在水的百分之十的相對濕度下。在該點，水的吸收作用與其說是純物理接觸毛細作用現(xiàn)象，不如說它變成一個化學吸收或化學吸附作用，在一篇征求審核的文章(作者P.F.Luckham，在Power Technology(58，1989，75-91)中，名為“The Measurementof Interparticle Forces”)中，論證說明了對彎液面粒狀材料熱力學的適用性，是建立在對于水的曲率半徑小到大于40埃、接近20個水分子的水平上。P.F.Luckham示出了(在這里重新繪制，作為圖5)一個測得的用4πRcosθ換算后的附著力作為水的相對蒸汽壓(P/Ps，濕度)的函數(shù)曲線，從圖5中能夠看到，該附著力隨相對濕度的降低而單調(diào)遞減。在這些實驗中，0％相對濕度的附著力被簡化成在兩片干燥的云母表面之間。
電解液的水溶液由于運動的載流子而具有導(dǎo)電性，特別是溶液中的正負離子。這些離子由于水的自然極性而形成，并以水合離子的形式存在。當水層的厚度達到水合離子那么薄時，系統(tǒng)的導(dǎo)電性開始下降，特別是表面薄膜的導(dǎo)電性隨厚度的遞減按指數(shù)率遞減。因而，水的表面薄膜的電學導(dǎo)電性在薄膜表面太薄而不允許所溶解的離子有明顯的運動時開始下降，其導(dǎo)電性隨水的含量單調(diào)降低。當薄膜變薄時，其顆粒的導(dǎo)電性受塊狀體積的傳導(dǎo)性支配。
在重新繪制的圖6中(Smithsonian Physical Tables，第88期，Eight revised Edition，由Smithsonian Institution 1934年出版)，是一個固體介質(zhì)的體積和表面電阻率的圖表，該體積電阻率ρ是在一厘米正立方體的相對的兩個面之間的電阻率；該表面電阻率σ是在其曲面球心的相對的兩個邊緣之間的電阻率。該表面電阻率通常隨濕度在一個較寬的范圍內(nèi)具有多樣性。所有材料都顯示出了隨相對濕度的遞減其電阻率增大。
由美國礦山局(US Bureau of Mines)研究，由Foster Fraas在1962年《美國礦山局公報》(US Bureau of Mines Bulletin)，第#603期上發(fā)表的，題為“The Electrostatic Separation of GranularMinerals”(此后用“該研究”表示)的文章中，已經(jīng)測定了一些濕度對分離的影響。例如，在該研究的第7章中討論了相對濕度對顆粒表面導(dǎo)電性的影響同濕度對接觸帶電型分離裝置的影響一樣。在討論濕度對摩擦分離石英和長石的影響中，該研究指出“在相對濕度達到20％高時，可以獲得滿意的分離效果”。在較低的相對濕度條件下，石英和長石相對鋁帶負電；在較高的濕度條件下，長石開始帶正電，而在更高的濕度下，石英開始帶正電。在非常高的相對濕度條件下，兩種材料停止帶電。該研究通過這兩個作用作出解釋；其中一個表面導(dǎo)電，而其他兩個顆粒表面變得與所有各(顆粒)表面吸收的相同的水分薄膜的結(jié)果一樣。就石英和長石來說，這一吸濕作用導(dǎo)致了顆粒相對于鋁而言在導(dǎo)電符號上的變化。隨著水分涂覆的增加，石英、長石和鋁這三種表面都變得更相似了。
在相對濕度變化的條件下摩擦分離粉煤灰時，其產(chǎn)率的變化已經(jīng)相當精細地被測得。在所有情況下，碳顆粒持續(xù)帶正電，而玻璃狀無機礦物質(zhì)帶負電。然而在一個最佳濕度范圍內(nèi)低碳原料的產(chǎn)率得到提高。圖7示出了多種低碳產(chǎn)品的產(chǎn)率和該產(chǎn)品的碳含量與在處理之前的供料煤灰的相對濕度的函數(shù)關(guān)系。這些相對濕度的測量是非常精確的。其煤灰樣品是這樣準備的在與沸石分子篩的布袋接觸的同時，在混凝土攪拌器中機械混合粉煤灰。該煤灰被干燥到或低于實驗條件下的相對濕度。如果必要，可以添加水分使相對濕度達到所需要的實驗水準。樣品被保護起來防止與大氣接觸，當使用懸浮或凈化氣體時，氣體以實驗條件下的相對濕度供給，除了最低的相對濕度以外，在此都使用干燥的空氣。所使用的實驗用分離裝置已經(jīng)過特別修正，以保持樣品在處理過程中的濕度。分離后的兩種產(chǎn)品同樣得到測試，以確定其相對濕度沒有明顯的變化。其濕度是用Vaisala公司(地址100 Commerce Way，Woburn，MA 01801，(617)933-4500)制造的、帶有HMI31指示器的HMP35或36相對濕度傳感器測量的。這些傳感器經(jīng)常地借助與在特定溫度下的各種飽和鹽溶液比較而校準。在低相對濕度下，該傳感器可能需要10分鐘達到穩(wěn)定水平。
圖7的圖表清楚地示出了在某些相對濕度下的最大產(chǎn)率。另外，圖7示出了低碳產(chǎn)品具有一個最佳濕度范圍。所有工藝的最佳化都要求權(quán)衡眾多相關(guān)參數(shù)和該工藝的最大經(jīng)濟價值。就從粉煤灰中去除碳而言，碳的去除必須達到用戶所能接受的水平，而產(chǎn)率又要求最大。例如，如果當?shù)氐拿夯矣脩粢?％的碳含量，在生產(chǎn)含碳3％或低于3％的煤灰的同時，應(yīng)使產(chǎn)率最大化。表1示出的數(shù)據(jù)來自圖7、圖8和圖9。在第一欄中是在煤灰產(chǎn)品僅達到3％燒失量的相對濕度的明細表，下一欄示出了在相對濕度條件下其混合物達到3％燒失量時的產(chǎn)率明細表。
對于這一狀態(tài)的解釋是不清楚的。問題不在于顆粒的導(dǎo)電性。粉煤灰中的碳是極易導(dǎo)電的，具有大約0.004歐姆厘米的電阻率，如此的導(dǎo)電性，使水分薄膜在碳的導(dǎo)電性上將不具有測量效果。煤灰是大于10個數(shù)量級的低導(dǎo)電性。盡管如此，顆粒的導(dǎo)電性不是在運行摩擦電逆流傳送帶型分離裝置時的重要因素，而在5％到25％相對濕度范圍內(nèi)的表面導(dǎo)電性的比例變化并不大。結(jié)塊作用也不象是唯一的解釋。低相對濕度將導(dǎo)致少量的結(jié)塊，這將導(dǎo)致在分離效果上的不斷提高。代替用于分離的最佳相對濕度和最佳相對濕度范圍被發(fā)現(xiàn)。當顆粒被干燥，水分薄膜變薄時，其表面變得愈加不同于當它們變得更干燥時。顆粒帶電并不希望當這些顆粒變成具有較少相似性時其帶電符號改變，而導(dǎo)致所不希望的分離效果降低。
圖7到圖9是對于一定數(shù)量的不同粉煤灰樣品的產(chǎn)品產(chǎn)率和產(chǎn)品的純度作為相對濕度函數(shù)的曲線。另外，圖9示出了低碳粉煤灰樣品的產(chǎn)品產(chǎn)率在兩個不同溫度下的函數(shù)。如圖7到圖9所示，所有樣品都示出了一個產(chǎn)品產(chǎn)率隨相對濕度變化的一個峰值，以及一個最佳濕度范圍，而在較低或較高的相對濕度下產(chǎn)率降低，在非常高的相對濕度下，產(chǎn)品的純度下降。精確的最佳相對濕度位置和最佳相對濕度范圍多少有賴于操作的溫度，以及對不同的粉煤灰樣品多少有些不同。對圖9而言，可以看到，對這些粉煤灰其最佳相對濕度隨溫度有點增加，而其絕對產(chǎn)率還同樣較高。
從材料中去除水分是眾所周知的，眾多技術(shù)和商用裝置的零部件都是可行的。加熱與空氣接觸的材料減少空氣的相對濕度，可以將材料中的水分轉(zhuǎn)移到空氣中。例如，這可以通過在與煤灰接觸之前加熱空氣的方式、或在與空氣接觸之前加熱煤灰、或在它們接觸的同時加熱兩者的方式來實現(xiàn)。最好的顆粒干燥設(shè)備是使用所有三種方式。事實上，所有粉煤灰的運載都使用了加熱的空氣用于傳輸，因而如果必要的化，增強這一加熱是很容易的事。在傳輸煤灰之前對空氣除濕有時也同樣采用，但通常這種方式較昂貴。
本發(fā)明的一個目標是控制向分離裝置供料的粉煤灰的相對濕度，從而保持一個特定的最佳濕度范圍。通常其控制即需要增大相對濕度的裝置，又需要降低相對濕度的裝置。圖10示出了一種借助在煤灰傳輸系統(tǒng)中從沉淀器裝料斗32到分離裝置12之間的各點62、64、66、68上向粉煤灰噴入水分以增大相對濕度的方法。圖11示出了一些用于降低煤灰相對濕度的方法，包括用另外的加熱器72加熱傳輸空氣；借助傳輸系統(tǒng)42和料斗36上的隔熱裝置76的熱隔絕減少在傳輸期間的熱量損失；增加穿過傳輸系統(tǒng)(38、40、42)的傳輸空氣的流量率；以及特別有效的技術(shù)是加強在沉淀器裝料斗處的沉淀器懸浮空氣系統(tǒng)(61、63、65)，或在料斗底部增加懸浮空氣系統(tǒng)(54、50)。無論是在壓縮之前干燥空氣或是在壓縮之后對空氣進行除濕，兩者在圖中均未示出。但是，用于干燥和濕潤物料的各種方法是公知的，并且對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以利用已知的工程作法設(shè)計和實施合適的系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)控制濕度在最佳的濕度范圍以內(nèi)，從而達到最佳產(chǎn)率。
參照圖10，如果煤灰的相對濕度太低了，可以使用向煤灰中添加水分的方法，以增加其相對濕度達到最佳濕度范圍。用于傳輸?shù)目諝?例如借助氣力輸送或懸浮輸送)可以在與煤灰接觸之前濕潤，這可以通過噴射液態(tài)水或水蒸氣的方式實現(xiàn)。蒸汽(氣體)與空氣的混合可以借助一個簡單的噴射口容易并快速地完成，在那里蒸汽被噴入流動的空氣中并與空氣混合。而液態(tài)水的噴射更困難一些，液態(tài)水必須被打散成細小的水滴，才能和空氣迅速混合。該工藝在這一噴射裝置中的狀態(tài)在由L.Bayvel和Z.Orzechowski著，Taylor & Francis出版的名為”LiquidAtomizaion”(Library of Congress #93-8528，TP156.56157)一書中有詳細的描述。特別實用的是水的氣動霧化設(shè)備，因為可以以壓縮氣體的形式提供相對較大的能量，在高速氣流下將水變成細小的水滴并能迅速混合。
濕度增加設(shè)備62、64、66、68的的特定位置通常是由電廠的規(guī)劃決定的，在那里水或蒸汽都是可行的。如果傳輸空氣被加熱成蒸汽，使用蒸汽噴射將是非常方便的，同時減少了噴射太多液態(tài)水從而使作業(yè)失常的可能性。這是特別重要的，如果水是從在料斗底部的傳輸通道50加入到懸浮空氣中，或是通過沉淀器底部的傳輸通道65加入的，在粉煤灰料斗底部太多的水可能導(dǎo)致結(jié)塊甚至阻塞料斗，其所需的水量可能非常小。
參照圖3，對于每小時50噸的流量率、13％燒失量的情況而言，煤灰的相對濕度從5％增加到10％，使水分含量從0.04％增加到0.06％，或者說增加了0.02％代表大約每噸0.4磅，或相對每小時50噸的流量率大約每小時增加20磅的水分。液態(tài)水的噴射同樣可以增加相對濕度，但應(yīng)小心確認水分的擴散遍及所有的粉煤灰。這樣做的一種途徑是使水通過一個氣動霧化裝置(來自Delevan公司的#38972-2型，地址200 Delevan Drive，Lexington，TN 38351)，它使用壓縮空氣產(chǎn)生極細小的液滴，這種液態(tài)水同樣可以從煤灰傳輸系統(tǒng)中的各個位置62和64上噴出。在位于供料儲存料斗下方的噴射點68或在料斗底部的懸浮點66的位置上，變換水的噴射方式是方便的，因為煤灰的相對濕度可以在料斗中水噴嘴的前方被探測到，同時使用的水量可以受到控制。同樣篩網(wǎng)和懸浮供料裝置56可以用于產(chǎn)生混合或使水擴散到所有煤灰中。
水同樣可以被噴入壓縮機38中，用于壓縮傳輸空氣。在那里由于空氣被壓縮后壓縮能量將有一點下降，其蒸汽減溫。在粉煤灰儲存?zhèn)}36之前添加或從粉煤灰中去除的水分，可以允許較長時間的停留，以便在各顆粒之間遷移。在這種情況下，煤灰上水的最初分布不必象在經(jīng)歷較少時間的水的添加和分離時那樣的均勻。
參見圖11，其示出了用于降低粉煤灰相對濕度到一個最佳的濕度范圍內(nèi)的各種實施方案。一種用于減少在通過傳輸通道42傳輸和處理粉煤灰的過程中熱量損耗的裝置，借助在傳送通道42和料斗36上的隔熱層76的熱隔絕得以實現(xiàn)。在通常的電廠煤灰處理系統(tǒng)中，粉煤灰以大于150°F的溫度離開靜電沉淀器裝料斗32，如果煤灰隨后通過氣動傳輸系統(tǒng)(38、40、42)經(jīng)過較長的距離，由于熱量散失到周圍環(huán)境中，煤灰可能冷卻到接近環(huán)境溫度。當煤灰以及周圍的空氣冷卻時，空氣所能保持的水分減少，當煤灰和空氣被分離時，在料斗36處只有少量的水隨空氣離開，而其它的則停留在煤灰上。減少在沉淀器裝料斗和料斗之間氣動傳輸管線的溫度下降(例如將管線熱隔絕)能有助于降低當粉煤灰進入分離裝置12時的相對濕度。同樣地，由于在沉淀器溫度下水的飽和壓非常高，在高溫下用干燥的空氣代替與煤灰接觸的空氣可去除更多的水分。例如，借助懸浮沉淀器裝料斗32，諸如，通過空氣傳輸系統(tǒng)61、63、65，伴隨足夠干燥的空氣，在煤灰被傳輸?shù)搅隙分埃瑥拿夯抑腥〈鷼埩舻臍怏w，可以從煤灰-空氣系統(tǒng)去除水分。
在介紹完本發(fā)明的這些具體實施方案之后，對于熟悉這項技術(shù)的人員可能很容易發(fā)現(xiàn)各種各樣的修正方案和改進方案，而這些方案將傾向于成為這項發(fā)明的一部分。因而前述的描述只是借助例舉的方式，而只限于在隨后的權(quán)利要求書中所定義的范圍及其等同物。
權(quán)利要求
1.一種從粉煤灰中分離碳顆粒的方法，包括如下步驟借助一種增加或降低粉煤灰相對濕度的手段，控制粉煤灰的相對濕度，達到最佳的相對濕度范圍，以便制造經(jīng)處理的粉煤灰；以及將待處理的粉煤灰送入摩擦電分離裝置中，以便使碳顆粒和粉煤灰摩擦帶電，從而從帶電的粉煤灰中靜電分離帶電的碳顆粒。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述最佳的相對濕度范圍是從大約5％到30％。
3.如權(quán)利要求2的方法，其中所述粉煤灰的相對濕度是降低的。
4.如權(quán)利要求2的方法，其中所述粉煤灰的相對濕度是增加的。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中所述粉煤灰的相對濕度是通過向從遠距離的收集倉將粉煤灰傳送到摩擦電分離裝置的空氣中添加水來增大粉煤灰的相對濕度。
6.如權(quán)利要求5的方法，其中所述的添加的水是液態(tài)的。
7.如權(quán)利要求5的方法，其中所述的添加的水是蒸汽態(tài)的。
8.如權(quán)利要求4的方法，其中該相對濕度的增大是借助在摩擦電分離裝置進料時向粉煤灰添加水。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中向粉煤灰添加水的步驟先于粉煤灰通過摩擦電分離裝置進料口的懸浮區(qū)域段。
10.如權(quán)利要求3的方法，其中是通過如下步驟降低粉煤灰原料的相對濕度的將粉煤灰與降低了相對濕度的空氣結(jié)合，在用于將煤灰傳送到摩擦電分離裝置的煤灰-空氣傳輸系統(tǒng)中，其中該煤灰-空氣傳輸系統(tǒng)的溫度高于環(huán)境溫度；保持該煤灰-空氣傳輸系統(tǒng)的溫度高于環(huán)境溫度；當該煤灰-空氣傳輸系統(tǒng)的溫度高于環(huán)境溫度時，將空氣從煤灰中分離；以及收集所述煤灰，并送入摩擦電分離裝置中。
11.如權(quán)利要求10的方法，其中空氣的相對濕度是借助這樣一種方式來降低的加熱空氣并使其干燥而提供減小了相對濕度的空氣。
12.如權(quán)利要求3的方法，其中粉煤灰的相對濕度是借助加熱懸浮在粉煤灰中的空氣得以降低的。
13.一種從粉煤灰中分離碳顆粒的裝置，包括粉煤灰處理裝置，用于增加和降低粉煤灰的相對濕度，以達到最佳相對濕度范圍，而生產(chǎn)經(jīng)處理的粉煤灰；以及摩擦電分離裝置，該裝置接受經(jīng)處理的粉煤灰，并使碳顆粒和粉煤灰摩擦帶電，以便從帶電的粉煤灰中分離帶電的碳顆粒。
14.如權(quán)利要求13的裝置，其中所述粉煤灰處理裝置包括用于向傳輸空氣添加水分的裝置，該傳輸空氣用來將粉煤灰從遠距離的收集倉輸送到摩擦電分離裝置。
15.如權(quán)利要求13的裝置，其中所述粉煤灰的處理裝置包括在摩擦電分離裝置的進料口處用于向粉煤灰添加水分的裝置。
16.如權(quán)利要求13的裝置，其中所述粉煤灰的處理裝置包括用于向摩擦電分離裝置送料的煤灰貯藏容器中的粉煤灰添加水分的裝置。
17.如權(quán)利要求13的裝置，其中傳輸空氣用于將粉煤灰從遠距離的收集倉輸送到摩擦電分離裝置，以及所述粉煤灰處理裝置包括在將傳輸空氣與粉煤灰結(jié)合之前對傳輸空氣加熱的加熱器。
18.如權(quán)利要求17的裝置，其中將粉煤灰從遠距離的收集倉輸送到摩擦電分離裝置的空氣傳輸系統(tǒng)是隔熱的，以便減少在該空氣傳輸系統(tǒng)中傳輸空氣的熱損失。
19.如權(quán)利要求18的裝置，進一步包括在該空氣傳輸系統(tǒng)終端的煤灰貯藏容器，該容器帶有通向摩擦電分離裝置的出口。
20.如權(quán)利要求13的裝置，其中所述的粉煤灰處理裝置包括在空氣與粉煤灰結(jié)合之前使粉煤灰流動的用于加熱空氣的加熱器。
21.如權(quán)利要求13的裝置，其中所述的粉煤灰處理裝置包括用于干燥傳輸空氣的裝置，該傳輸空氣用于在將傳輸空氣與粉煤灰結(jié)合之前將粉煤灰從遠距離的收集倉輸送到摩擦電分離裝置。
22.一種實用的電廠系統(tǒng)，包括鍋爐，通過燃煤以產(chǎn)生熱量用于發(fā)電，該鍋爐產(chǎn)生的不可燃物質(zhì)以氣體形式排出鍋爐；與所述鍋爐耦合的煤灰分離系統(tǒng)，接收從鍋爐中排出的氣體，并收集其中的煤灰；與煤灰分離系統(tǒng)耦合的粉煤灰傳輸系統(tǒng)，接收所收集的煤灰并將其輸送到遠距離的貯存容器中；粉煤灰處理裝置，用于增大或降低粉煤灰的相對濕度，以達到最佳濕度范圍；以及摩擦電逆流傳送帶型分離裝置，從遠距離的貯存容器中接收粉煤灰，并使在粉煤灰中的碳顆粒和粉煤灰一樣摩擦帶電，以便從帶電的粉煤灰中靜電分離帶電的碳顆粒。
全文摘要
從粉煤灰中分離碳顆粒的裝置及方法,包括增加或降低粉煤灰的相對濕度以達到最佳濕度范圍,并將該最佳濕度的粉煤灰送入摩擦電分離裝置中,以便使其中的碳顆粒和粉煤灰摩擦帶電,最終將帶電的碳顆粒從帶電的粉煤灰中靜電分離出來。
文檔編號B03B9/04GK1248181SQ98802779
公開日2000年3月22日 申請日期1998年2月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月24日
發(fā)明者詹姆斯·D·比特尼, 托馬斯·M·當恩, 小弗蘭卡·J·哈瑞琪 申請人:分離技術(shù)公司