EP0504452B1 - Verfahren und Einrichtung zur Aufladung von Partikeln - Google Patents

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EP0504452B1
EP0504452B1 EP91104307A EP91104307A EP0504452B1 EP 0504452 B1 EP0504452 B1 EP 0504452B1 EP 91104307 A EP91104307 A EP 91104307A EP 91104307 A EP91104307 A EP 91104307A EP 0504452 B1 EP0504452 B1 EP 0504452B1
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EP
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tube
particles
electrode
radiator
friction charger
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Bernd Dr. Gellert
Andreas Kwetkus
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
ABB AB
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ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B03C3/28—Plant or installations without electricity supply, e.g. using electrets
    • B03C3/30—Plant or installations without electricity supply, e.g. using electrets in which electrostatic charge is generated by passage of the gases, i.e. tribo-electricity
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    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/38—Particle charging or ionising stations, e.g. using electric discharge, radioactive radiation or flames
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    • B03C7/00—Separating solids from solids by electrostatic effect
    • B03C7/006—Charging without electricity supply, e.g. by tribo-electricity or pyroelectricity

Definitions

  • the invention relates to a device for charging particles according to the introductory part of claim 1.
  • Friction chargers of this type are described, for example, in the brochure "ESB electrostatic automatic powder coating systems", page 13, from the company ESB, Meersburg (FRG), undated.
  • This charge strongly depends on the dielectric properties of the particles.
  • DE-C-744 361 points out that the dielectric constant of surfaces can be influenced by irradiation with UV light in order to support an electrostatic separation process.
  • a good insulator is charged differently than a bad one, so that the good insulator material can be separated from the bad one in an electrical field.
  • EP-A-0 241 555 it is known to irradiate particles suspended in air with UV light and then to separate them in an electrostatic filter.
  • the invention has for its object to provide a device for efficient charging of particles.
  • the device according to the invention enables high charging efficiency.
  • the physical mechanism (the work function of the electrons from the material) of the charge transfer changes in a positive way for precharged particles in the friction charger.
  • the charge difference between the particles achieved on impact with the neutral wall (in the friction charger) can be particularly intensified, because one polarity discharges while the other receives additional charges . This leads to better selectivity.
  • UV excimer lamp As is described, for example, in US Pat. No. 4,837,484 or EP-A-0 254 111.
  • UV excimer lamp generate high-energy UV radiation in a well-defined wavelength range and their geometry can be easily adapted to the process.
  • the main advantage of these emitters is that the radiation is very narrow-band (monochromatic), so that very specific energies of the photons are emitted. It can be charged very effectively and selectively.
  • the device according to the invention is particularly suitable for the selective charging of ash-forming and sulfur-containing constituents in pulverized coal, because these constituents are charged differently as particles which practically consist entirely of coal.
  • the device for charging particles shown in FIG. 1 comprises a UV radiation device 1 and a friction charger 2 directly adjoining it.
  • the UV radiation device consists of two concentric quartz tubes 3, 4, which have an annular space between them, the discharge space 5, set free.
  • the outer quartz tube 3 is provided on the outside with a metallization 6, which serves as an outer electrode.
  • a metal tube or metal grid can also be used.
  • a high voltage source 8 is connected to the two electrodes 6 and 7 such that the inner electrode 7 is at ground potential.
  • a protective tube 9 made of quartz covers the inner electrode 7 from the inside. The interior of the protective tube 9 forms the radiation chamber 10.
  • the discharge space 5 is filled with a gas or gas mixture which forms excimers under discharge conditions.
  • a gas or gas mixture which forms excimers under discharge conditions.
  • UV excimer emitters of the type described are known and are the subject of the European patent application mentioned at the outset, where the gases or gas mixtures in the discharge space 5 are also described in detail in relation to the wavelength of the UV radiation generated.
  • UV emitter 1 In addition to the illustrated embodiment of the UV emitter 1, other configurations are also suitable, for example UV excimer emitters as described in German Offenlegungsschriften DE-A-40 10 190 or 40 22 279.
  • the friction charger 2 consists essentially of an earthed metal tube 11. Because the contact charging of solids (and particles) is heavily dependent on the electrical properties of the wall material (the tube 11), the metal tube 11 consists of an alloy of metal with rare earths (La , Ce, Ce iron) or it has an insert made of such a material.
  • the metal tube 11 consists of an alloy of metal with rare earths (La , Ce, Ce iron) or it has an insert made of such a material.
  • a particularly advantageous embodiment of a friction charger results if the friction charging is supported by an additional electric field.
  • Such a supercharger is illustrated in FIG. 3, for example.
  • a first electrode 12 Arranged in a first tube 11 which is at earth potential is a first electrode 12 which runs in the longitudinal direction of the tube and which has a negative potential with respect to earth potential.
  • a sieve-shaped extension 13 At the lower end of the tube 11 there is a sieve-shaped extension 13, which has a funnel-shaped end 14 with an outlet opening 15. The first electrode 12 extends into the funnel-shaped end 15 of the extension 13.
  • a second tube 16 coaxially surrounds the sieve-shaped attachment 13 while leaving an annular gap 17 and serves as a second electrode lying at positive potential.
  • a gas stream 18 symbolized by arrows can be introduced into the annular space 17 through this annular gap 17.
  • a collecting funnel 19 is provided under the outlet opening 15.
  • a rotationally symmetrical guide device 20 is arranged at the lower end of the second pipe 16 and within the same.
  • the first tube 11 consists of a material suitable for optimal frictional charging. Alloys of metals with rare earths, such as lanthanum, cerium, cerium iron, or coated with rare earths are particularly suitable or steamed metal parts. It is particularly advantageous to insert an insert 21 made of such a material into the tube 11.
  • the insert 21 consists of a spirally wound metal strip or metal wire, which abuts the inner wall of the tube 11 everywhere or is spaced apart and replaceable. In this way, the abrasion of the special material is reduced and the maintenance friendliness of the system is increased. If the individual turns of the insert 21 do not lie on top of one another, the "active" surface of the insert is enlarged.
  • the operation of the device described above is evident from the following:
  • the mixture containing the particles to be loaded is fed at the upper end of the tube 11 in the direction of the arrow.
  • the particles are negatively charged by contact with the tube walls.
  • the low work function of the rare earths ensures a high negative charge of the particles.
  • the particles charged in this way are deflected in the sieve-shaped attachment under the influence of the field acting between the inner electrodes 12 and outer electrode 16 to the (positive) outer electrode 16 and conveyed through the meshes 22 of the sieve-like attachment 13.
  • the particles Before reaching the positive electrode (tube 16), the particles are entrained and discharged by the outer gas stream 18 at a suitable flow rate.
  • Negatively charged particles that reach the positive electrode lose their charge can be removed from the electrode by suitable devices, for example tapping devices, brushes or the like, and can be fed back to the charger. The same applies to particles that have not received sufficient charging in the charger. These pass through the lower part of the funnel-shaped end 14 into the collecting funnel 19 and are also returned or separated. This creates a negatively charged particle flow at the outlet of the supercharger, which contains few or no more uncharged particles.

Landscapes

  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Aufladung von Partikeln gemäss dem einleitenden Teil des Anspruchs 1.
    • TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIK
  • Bei der elektrostatischen Separation von Partikeln, z.B. Kohleteilchen, werden in einem Reibungsauflader (TRIBO-Auflader) fein gemahlene Partikel durch Stösse an Festkörpern, z.B. Wänden, aufgeladen. Reibungsauflader dieser Art sind beispielsweise im Prospekt "ESB Elektrostatik-Automatik-Pulverbeschichtungs-Systeme", Seite 13, der Firma ESB, Meersburg (BRD), undatiert, beschrieben. Diese Aufladung hängt stark von den dielektrischen Eigenschaften der Partikel ab. So wird in der DE-C-744 361 darauf hingewiesen wird, dass durch Bestrahlung mit UV-Licht die Dielektrizitätskonstante von Oberflächen beeinflusst werden kann, um einen elektrostatischen Trennprozess zu unterstützen. Ein guter Isolator wird dabei anders als ein schlechter aufgeladen, sodass man das gute Isolatormaterial vom schlechten in einem elektrischen Feld trennen kann. Je nach Kombination der zu trennenden Materialien können sogar Aufladungen mit verschiedener Polarität vorkommen. Durch mehrere Stösse werden weitere Ladungen auf die Partikel gebracht; jedoch nicht mehr so viele wie bei früheren Stössen, weil schliesslich eine Sättigung erreicht wird. Effiziente Reibungsauflader sollen durch möglichst wenig Stösse diese "maximale" Ladungsdichte erreichen.
  • Aus der EP-A-0 241 555 ist es bekannt, in Luft suspendierte Partikel mit UV-Licht zu bestrahlen und anschliessend in einem elektrostatischen Filter abzuscheiden.
  • Es ist auch schon lange bekannt, (DE-C-394 577), die in Gasen schwebenden Partikel durch Bestrahlung mit Licht von geeigneter Wellenlänge, für welche sie lichtelektrisch empfindlich sind, positiv zu laden und unmittelbar hinter dem Bestrahlungsraum durch ein hinreichend starkes elektrisches Feld abzuscheiden.
    • KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einrichtung zur effizienten Aufladung von Partikeln anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird durch die in den Patentnasprüchen gekennzeichneten Merkmale gelöst.
  • Die erfindungsgemässe Einrichtung ermöglicht eine hohe Effizienz der Aufladung. Darüber hinaus ändert sich der physikalische Mechanismus (die Austrittsarbeit der Elektronen aus dem Material) des Ladungsübergangs in positiver Weise für vorgeladene Partikel im Reibungsauflader. Bei Substratkombinationen, bei denen Aufladung verschiedener Polarität vorkommt, kann z.B. bei positiver Vorab-Aufladung die erzielte Ladungsdifferenz zwischen den Partikeln beim Stoss mit der neutralen Wand (im Reibungsaulader) besonders verstärkt werden, weil sich die eine Polarität entlädt, während die andere zusätzliche Ladungen erhält. Dadurch wird eine bessere Selektivität erzielt.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Voraufladung mittels eines UV-Excimerstrahlers erfolgt, wie er beispielsweise in der US-Patentschrift 4,837,484 oder der EP-A-0 254 111 beschrieben ist. Diese neuen UV-Excimerstrahler erzeugen energiereiche UV-Strahlung in einem wohldefinierten Wellenlängenbereich und lassen sich hinsichtlich ihrer Geometrie leicht dem Prozess anpassen. Der Hauptvorteil dieser Strahler liegt darin, dass die Strahlung sehr schmalbandig (monochromatisch) ist, so dass ganz spezifische Energien der Photonen abgestrahlt werden. Damit kann sehr effektiv und selektiv aufgeladen werden.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Aufladung der Partikel im Reibungsauflader durch ein elektrische Feld unterstützt wird und die aufgeladenen Partikel nach Verlassen des Reibungsaufladers durch Einwirken eines elektrischen Feldes umgekehrter Polarität von den ungeladenen separiert werden.
  • Die erfindungsgemässe Einrichtung eignet sich insbesondere zur selektiven Aufladung aschebildender und schwefelhaltiger Bestandteile in pulverisierter Kohle, weil diese Bestandteile als Partikel unterschiedlich aufgeladen werden, die praktisch zur Gänze nur aus Kohle bestehen.
  • Die Erfindung sowie weitere mit ihr erzielbare Vorteile werden nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • In der Zeichnung zeigt
    • Fig.1
    in schematisierter Form eine Einrichtungen zur elektrostatischen Aufladung von Partikeln, bestehend aus einem UV-Strahler mit nachgeschaltetem Reibungsauflader;
    Fig.2
    einen Querschnitt durch die Einrichtung nach Fig.1 längs deren Linie AA;
    Fig.3
    eine Abwandlung der Einrichtung nach Fig.1 mit einem feldunterstützen Reibungsauflader.
    DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die in Fig.1 dargestellte Einrichtung zur Aufladung von Partikeln umfasst eine UV-Bestrahlungseinrichtung 1 und einen sich unmittelbar daran anschliessenden Reibungsauflader 2. Die UV-Bestrahlungsvorrichtung besteht aus zwei konzentrischen Quarzrohren 3, 4, die zwischen sich einen ringförmigen Raum, den Entladungsraum 5, freilassen. Das äussere Quarzrohr 3 ist aussen mit einer Metallisierung 6 versehen, welche als Aussenelektrode dient. Anstelle eines mit einer Metallisierung 6 versehenen Quarzrohres 3 kann auch ein Metallrohr oder Metallgitter verwendet werden.
  • Auf der dem Entladungsraum 5 abgewandten Innenwand des inneren Rohres 4 ist eine für UV-Strahlung transparente Innenelektrode 7 in Gestalt eines Drahtnetzes angeordnet. An die beiden Elektroden 6 und 7 ist eine Hochspannungsquelle 8 angeschlossen, derart, dass die Innenelektrode 7 auf Erdpotential liegt. Ein Schutzrohr 9 aus Quarz deckt die Innenelektrode 7 nach innen ab. Das Innere des Schutzrohrs 9 bildet den Bestrahlungsraum 10.
  • Der Entladungsraum 5 ist mit einem unter Entladungsbedingungen Excimere bildenden Gas bzw. Gasgemisch gefüllt. UV-Excimerstrahler der beschriebenen Art sind bekannt und Gegenstand der eingangs genannten Europäischen Patentanmeldung, wo auch die Gase bzw. Gasgemische im Entladungsraum 5 in Relation zur Wellenlänge der erzeugten UV-Strahlung detailliert beschrieben sind.
  • Neben der dargestellten Ausführungsform des UV-Strahlers 1 eignen sich auch andere Konfigurationen, z.B. UV-Excimerstrahler wie sie in den deutschen Offenlegungsschriften DE-A-40 10 190 oder 40 22 279 beschrieben sind.
  • Der Reibungsauflader 2 besteht im wesentlichen aus einem geerdeten Metallrohr 11. Weil die Kontaktaufladung von Festkörpern (und Partikeln) stark von den elektrischen Eigenschaften des Wandmaterials (des Rohres 11) abhängig ist, besteht das Metallrohr 11 aus einer Legierung von Metall mit seltenen Erden (La,Ce,Ce-Eisen) oder es weist einen Einsatz aus einem solchen Material auf.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines Reibungsaufladers ergibt sich, wenn die Reibungsaufladung durch ein zusätzliches elektrisches Feld unterstützt wird. Ein derartiger Auflader ist in Fig.3 beispielsweise veranschaulicht.
  • In einem auf Erdpotential liegenden ersten Rohr 11 ist eine in Rohrlängsrichtung verlaufende erste Elektrode 12 angeordnet, die gegenüber Erdpotential Negativ-Potential aufweist. Am unteren Ende des Rohres 11 schliesst sich ein siebartiger Ansatz 13 an, der ein trichterförmiges Ende 14 mit einer Austrittsöffnung 15 aufweist. Die erste Elektrode 12 ragt bis in das trichterförmige Ende 15 des Ansatzes 13 hinein.
  • Eine zweites Rohr 16 umgibt unter Belassung eines Ringspaltes 17 koaxial den siebförmigen Ansatz 13 und dient als zweite, auf Positiv-Potial liegende Elektrode. Durch diesen Ringspalt 17 ist ein durch Pfeile symbolisierter Gasstrom 18 in den Ringraum 17 einleitbar.
  • Unter der Austrittsöffnung 15 ist ein Auffangtrichter 19 vorgesehen. Am unteren Ende des zweiten Rohres 16 und innerhalb desselben ist eine rotationssymmetrische Leiteinrichtung 20 angeordnet.
  • Das erste Rohr 11 besteht aus einem für optimale Reibungsaufladung geeigneten Material. In Frage kommen dabei besonders Legierungen von Metallen mit seltenen Erden, wie Lanthan, Cer, Cer-Eisen, oder mit seltenen Erden beschichtete oder bedampfte Metallteile. Besonders vorteilhaft ist es, in das Rohr 11 einen Einsatz 21 aus einem derartigen Material einzusetzen. Im Beispielsfall besteht der Einsatz 21 aus einem spiralig gewundenen Metallband oder Metalldraht, die überall an der Innenwand des Rohres 11 anliegen oder von dieser distanziert und auswechselbar sind. Auf diese Weise wird der Abrieb des speziellen Materials verringert und die Wartungsfreundlichkeit der Anlage erhöht. Liegen die einzelnen Windungen des Einsatzes 21 nicht aufeinander, ergibt sich eine Vergrösserung der "aktiven" Oberfläche des Einsatzes.
  • Die Wirkungsweise des im vorstehenden beschriebenen Einrichtung geht aus folgendem hervor:
    Das die zu ladenden Partikel enthaltende Gemenge wird am oberen Ende des Rohres 11 in Pfeilrichtung zugeführt. Die Partikel werden durch Kontakt mit den Rohrwänden negativ aufgeladen. Die niedrige Austrittsarbeit der seltenen Erden gewährleistet eine hohe negative Aufladung der Partikel. Die so aufgeladenen Teilchen werden im siebförmigen Ansatz unter Einfluss des zwischen der Innenelektroden 12 und Aussenelektrode 16 wirkenden Feldes zur (positiven) Aussenelektrode 16 abgelenkt und durch die Maschen 22 des siebartigen Ansatzes 13 befördert. Vor dem Erreichen der positiven Elektrode (Rohr 16) werden die Teilchen durch den äusseren Gasstrom 18 mit geeigneter Strömungsgeschwindigkeit mitgerissen und ausgetragen. Negativ geladene Teilchen, welche die positive Elektrode erreichen, verlieren ihre Ladung, können durch geeignete Vorrichtungen, z.B. Klopfvorrichtungen, Bürsten o.ä., von der Elektrode entfernt und dem Auflader erneut zugeführt werden. Gleiches gilt für Partikel, die im Auflader keine ausreichende Aufladung erhalten haben. Diese gelangen durch den unteren Teil des trichterförmigen Endes 14 in den Auffangtrichter 19 und werden ebenfalls zurückgeführt oder separiert. Dadurch wird am Ausgang des Aufladers ein negativ geladener Partikelfluss erzeugt, der wenige oder keine ungeladenen Partikel mehr enthält.
    • BEZEICHNUNGLISTE [Kein Teil der Anmeldung - nur zur Information]
    • 1
    UV-Excimer-Strahler
    2
    Reibungsauflader
    3,4
    Quarzrohre
    5
    Entladungssraum
    6
    Metallisierung von 3
    7
    Innenelektrode
    8
    Hochspannungsquelle
    9
    Schutzrohr
    10
    Bestrahlungsraum
    11
    erstes Rohr
    12
    Innenelektrode
    13
    siebartiger Ansatz
    14
    trichterförmiges Ende von 13
    15
    Austrittsöffnung an 11
    16
    zweites Rohr (Aussenelektrode)
    17
    Ringspalt zwischen 13 und 16
    18
    Gasstrom
    19
    Auffangtrichter
    20
    Leiteinrichtung
    21
    Einsatz in 11
    22
    Maschen von 13 bzw. 14

Claims (10)

  1. Einrichtung zur Aufladung von Partikeln in einem Reibungsauflader, dem eine elektrostatische Trennvorrichtung zur Separation von ungeladenen Partikeln nachgeschaltet ist, gekennzeichnet durch im wesentlichen einen UV-Strahler (1), vorzugsweise einen UV-Excimer-Strahler, welcher Strahler unmittelbar dem Reibungsauflader (2) vorgeschaltet ist, und durch dessen Bestrahlungsraum (10) der zu bestrahlende Partikelstrom hindurchleitbar ist, und dass der UV-Strahler als Zylinder-Innenstrahler ausgebildet, mit zwei konzentrischen, voneinander distanzierten Rohren (3,4), von denen das dem Bestrahlungsraum (10) zugewandte innere Rohr (4) aus für UV-Strahlung transparentem dielektrischem Material, vorzugsweise Quarz, besteht, die dem Bestrahlungsraum (10) zugewandte Oberfläche des inneren Rohres (4) mit einer für die UV-Strahlung transparenten Elektrode (7) versehen ist, und das äussere Rohr mit einer Aussenelektrode (6) versehen ist oder aus Metall besteht.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung der Aufladung der Partikel im Reibungsauflader ein elektrische Feld vorgesehen ist und die aufgeladenen Partikel nach Verlassen des Reibungsaufladers (2) durch Einwirken eines elektrischen Feldes umgekehrter Polarität von den ungeladenen separiert werden.
  3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erzeugung eines Zusatzluftstroms (18) vorgesehen sind, der ausserhalb des Reibungsaufladers (2) geführt wird und erst nach der Reibungsaufladung auf die geladenen Partikel einwirkt.
  4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Reibungsauflader (2) mit im wesentlichen einem geerdeten zylindrischen Rohr (11) mit mindestens einem auf Negativ-Potential liegenden sich in Rohrlängsrichtung erstreckenden ersten Elektrode (12) und mindestens einer auf Positiv-Potential liegenden zweiten Elektrode (16), die in Strömungsrichtung der Partikel gesehen stromab des genannten Rohres (11) angeordnet ist.
  5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Teil des besagten Rohres (11) als Sieb ausgebildet ist oder einen siebartigen Ansatz (13) aufweist, welche als Trennzone wirken, wobei diese Trennzone im Wirkungsbereich des elektrischen Feldes zwischen der ersten (12) und zweiten Elektrode (16) angeordnet ist.
  6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zylindrische Rohr (11) aus einem Material mit geringer Austrittsarbeit, vorzugsweise seltenen Erden besteht, oder innen mit einem solchen beschichtet oder bedampft ist.
  7. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass im zylindrischen Rohr (11) ein Einsatz (21), vorzugsweise in Gestalt einer Spirale, aus einem Material mit geringer Austrittsarbeit, vorzugsweise seltenen Erden besteht, oder mit einem solchen beschichtet oder bedampft ist, welcher Einsatz (21) an der Innenwandung des Rohres (11) anliegt oder von ihr distanziert angeordnet ist.
  8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Material Lanthan, Cer oder Cer-Eisen oder eine diese Substanzen enthaltende Legierung ist.
  9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Elektrode (12) im mittigen Bereich des genannten Rohres (11) angeordnet ist, und dass eine zweite Elektrode (16) gleichfalls rohrförmig mit einem Durchmesser grösser als derjenige des Rohres ausgebildet ist und sich unmittelbar an das stromabwärtsseitige Ende des ersten Rohres (11) anschliesst.
  10. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Ringraum (17) zwischen den beiden Rohren (11,16) eine Hilfsströmung (18) in Strömungsrichtung der Partikel einleitbar ist.
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