EP1673172B1 - Prozessreaktor und betriebsverfahren für die elektrodynamische fragmentierung - Google Patents

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EP1673172B1
EP1673172B1 EP04763842A EP04763842A EP1673172B1 EP 1673172 B1 EP1673172 B1 EP 1673172B1 EP 04763842 A EP04763842 A EP 04763842A EP 04763842 A EP04763842 A EP 04763842A EP 1673172 B1 EP1673172 B1 EP 1673172B1
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EP
European Patent Office
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electrode
reaction
voltage
funnel
processing reactor
Prior art date
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EP04763842A
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English (en)
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EP1673172A1 (de
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Peter Hoppe
Josef Singer
Harald Giese
Peter Stemmermann
Uwe Schweike
Wolfram Edinger
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C19/00—Other disintegrating devices or methods
    • B02C19/18—Use of auxiliary physical effects, e.g. ultrasonics, irradiation, for disintegrating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C19/00—Other disintegrating devices or methods
    • B02C19/18—Use of auxiliary physical effects, e.g. ultrasonics, irradiation, for disintegrating
    • B02C2019/183—Crushing by discharge of high electrical energy

Definitions

  • the invention relates to a process reactor for the electrodynamic fragmentation of particulate mineral materials immersed in a process fluid by means of pulsed high-voltage discharges and a method for operating the process reactor.
  • overrun mode also called batch mode in technical usage
  • a small amount in the range of a few kilograms of the material to be treated is usually introduced by hand into the process space and above the ground electrode, usually a sieve bottom , deposited and fragmented by means of high voltage discharges.
  • the sieve passage and, if present, the sieve support are discharged separately.
  • Typical representative of this mode of operation is the Franka 0 system DE19534232 C2 ( Figures 5, 6) or similar systems, which are described for example in the publication [1].
  • Sieves also have the serious disadvantage of an inevitable tendency to clogging due to debris in the concrete debris, such as nails and Arm michsreste that affect the functioning of a technical system.
  • the object of the invention is to provide a process reactor for a preferably continuous and efficient electrodynamic fragmentation of brittle, particulate, mineral materials for industrially relevant mass flow rates.
  • the object is achieved by a process reactor according to the characterizing features of claim 1 and by a method according to the method steps of claim 11.
  • the outlet at the funnel-shaped bottom opens into a pitot tube, below which there is a transport unit for the removal of material, which removes the processed fragmented material that sank through the pitot tube.
  • a material supply device is introduced with the fraction to be fractionated material in the reaction vessel.
  • a stowage device which regulates the material flow and the level height in the reaction chamber or with which the material flow is regulated.
  • the average residence time T M of the material in the reaction zone by the speed of the material throughput determines the pitot tube below the reaction zone. This speed is determined by the outlet area A u at the Staurohrausgang, the adjustable distance a between the lower opening of the pitot tube and the transport / material extraction unit and their speed v 0 . The combination of these parameters results in the delivery rate dV / dt.
  • the length 1 of the pitot tube is chosen so that when fragmenting a stable angle of repose of the struck on the transport unit, fragmented Guts formed.
  • the degree of fragmentation of the processed material is set via the average number of high-voltage pulses n acting on the quantity m of the material in the reaction zone and the delivery rate dV / dt and the amount of energy introduced into the material per high-voltage pulse and the pulse repetition frequency f of the high-voltage pulses ,
  • the central outlet at the funnel-shaped bottom is a metallic Pitot tube with the upper clear entrance surface A o, the outlet, the lower clearance exit area A u and the area relationship A o ⁇ A u.
  • This outlet has a conical edge and fits flush and smooth into the conical part of the funnel-shaped bottom.
  • the metallic border of the outlet forms the counter electrode in the two-electrode system of the process reactor and is connected to a reference potential, usually ground potential.
  • the pitot tube can have a round or polygonal cross-section and lead away from the reactor vertically or obliquely.
  • the metallic wall of the reaction vessel it is placed on the same reference potential as the pitot tube.
  • the pitot tube opens vertically or obliquely into a discharge channel, and is at an adjustable distance a above the transport unit for material removal.
  • a material supply device In the opening of the wall of the reaction vessel opens a material supply device, is introduced with the fragment to be fragmented in the reaction vessel.
  • a stowage device is located in or protrudes into the reaction vessel, which regulates the level or the material flow.
  • the high-voltage electrode is, as described in claim 3, from electrically good conductive, low-burning metal. According to claim 4, it can therefore be solid cylindrical or tubular so hollow cylindrical with each round or polygonal cross-section.
  • the central diameter d e end of the conical widening on the outlet tube faces parallel with the circumferentially constant width g to form a conically annular gap between the high voltage electrode and the reference potential electrode, thus forming the conically annular reaction zone for fragmentation.
  • the material supply device for example, a known from the conveyor vibrator or a conveyor belt.
  • the stowage device in the reaction vessel is according to claim 6, for example, a guided on the wall of the reaction vessel, height adjustable baffle, which touches in the closed position with its bottom edge of the reaction vessel or seated there.
  • the stowage device according to claim 7 may be a horizontally or helically circulating group of at least one channel along the bottom line of which there are holes at each of which attaches a tube with at least the clear width of the hole diameter, thus not jamming by falling Good can.
  • the tubes lead down near the reactor wall and open into the actual reaction volume.
  • a baffle plate according to claim 8 on which the piled-up, fractionated material is turned away and, for example, deflected downwards via a separating board, or likewise a conveyor belt according to claim 9.
  • the beginning of the discharge channels at the two electrodes is crucial for the reliable long-term operation of the fragmentation system. At the exit surfaces they should begin in a designated area, so that the electrode erosion is not locally stuck, but occurs statistically evenly distributed with each discharge.
  • Two surface states can contribute according to claim 10, namely the annular forehead of the high voltage electrode is smooth or rough designed in the intended start region of the discharge channels on their surface, that statistically uniform distribution local elevations of the electric field come about through the shaping.
  • pulsed high-voltage discharges are used.
  • the electrical discharge is in this regime, at least predominantly by the property to be fragmented and not around it only by the process liquid.
  • FIG. 1 shows the process reactor in axial section
  • FIG. 2 enlarges the reaction area with the near environment and the pitot tube.
  • the material to be fragmented is conveyed / vibrated via the oscillatingly mounted tube 5, the vibrator, from the material receiving funnel into the barrel-shaped reaction container 1 made of sheet metal.
  • the amount of material supplied is adjustable by the intensity of the vibratory conveyor drive 6.
  • the baffle plate 7 is installed height adjustable. With the adjustable passage width w between the baffle plate lower edge and the funnel-shaped wall of the reaction vessel 1, the height of the bed of the material to be processed in the reaction chamber above the reaction zone 8, regardless of the intensity of the vibratory conveyor 6 or Material transport limited to the top. This reduces the residence time of the material before it is processed.
  • the restriction of the total amount of material in the reaction vessel 1 is also important in the case of repair work.
  • the plate-like shaped end 4 of the high voltage electrode 3 with the mean diameter d e of the forehead forms the annular gap of width g with the opposite funnel-shaped ground electrode 9.
  • the high voltage discharges occur preferably at the highest field strengths, ie between the end 4 of the high voltage electrode 3, a hereby in contact mineral material chunks with lower relative dielectric constant ⁇ r than the process liquid, here water, and the reaction vessel 1 here to ground / ground potential.
  • the Fragmentierguts with the electrodes 4 and 9 as well as the HV discharges occur statistically distributed over the circumference of the electrodes 4, 9.
  • the reaction zone 8 sufficient material to be fragmented is heaped up and the material throughput through this zone is not geometrically limited, even if the pulse generator / electrical energy store is sufficiently powerful. Then, the average residence time T M of the material in the reaction zone is determined by the speed of material withdrawal through the pitot tube 9.
  • the pitot tube 9 is strongly conical with its high voltage electrode 3 opposite region, here has a circular cross-section and opens slightly conical downward.
  • the entry of the reaction zone 8 into the pitot tube has the smaller inside diameter d o and thus the circular entrance surface A o and the exit the larger clear width d u with the corresponding larger exit area A u .
  • the length 1 of the pitot tube 9 is chosen so that a stable angle of repose forms on the backstoping surface under water and despite the vibrations caused by the fragmentation process. Under these conditions, the mean number n of high-voltage pulses, which acts on the amount m of the material passed, determined by the stagnation parameters a, v 0 and the pulse repetition frequency f of the high voltage pulses.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Prozessreaktor für die elektrodynamische Fragmentierung von in eine Prozessflüssigkeit getauchten, stückigen, mineralischen Materialien durch gepulste Hochspannungsentladungen und ein Verfahren zum Betreiben des Prozessreaktors.
  • In seinem grundsätzlichen Aufbau besteht ein solcher Prozessreaktor aus:
    • einem geschlossenen Reaktionsbehälter mit trichterförmigem Boden und zentralem Auslass darin. Eine mit Hochspannung beaufschlagbare Elektrode, die Hochspannungselektrode, ragt von oben in diesen hinein. Diese Elektrode ist bis auf ihren frei stehenden Endbereich mit einer elektrischen Isolation ummantelt. Die Hochspannungselektrode ist entlang ihrer Achse verschiebbar, so dass das Ende derselben dem Auslass, dessen metallische Umrandung die andere, auf elektrischem Bezugspotential befindliche Gegenelektrode repräsentiert, am trichterförmigen Boden des Reaktionsbehälters zentral gegenübersteht. Material wird über eine Öffnung in der Wand des Reaktionsbehälters zur Fraktionierung kontinuierlich oder schubweise zugeführt.
  • Der überwiegende Teil der bisher bekannt gewordenen Fragmentierungsanlagen arbeitet im Schubbetrieb, im fachlichen Sprachgebrauch auch Batch-Mode genannt, d.h. eine geringe Menge im Bereich von einigen Kilogramm des zu behandelnden Materials wird in den Prozessraum meist von Hand eingebracht und über der Masseelektrode, meist einem Siebboden, deponiert und mittels der Hochspannungsentladungen fragmentiert. Wenn die gewünschte Zahl der Entladungen erreicht ist, wird der Siebdurchgang und, soweit vorhanden, die Siebauflage getrennt entladen. Typischer Vertreter dieser Betriebsweise ist die Franka-0-Anlage DE19534232 C2 (Fign. 5, 6) bzw. ähnliche Anlagen, die beispielsweise in der Veröffentlichung [1] beschrieben werden.
  • Für industriell relevante Massendurchsätze ist dieser Batch-Mode nicht sonderlich geeignet. Die in [2] angegebene Vorrichtung ist für die kontinuierliche Befüllung, ist aber u.a. wegen des verwendeten Siebes nicht für größere Massendurchsätze geeignet.
  • In der US 6 039 274 (Fig. 1) wird ebenfalls ein kontinuierlicher Materialstrom im Zusammenhang mit einem Sieb bzw. Schwingsieb angegeben, allerdings ist ungelöst: der Durchsatz, die Behandlungsdauer und die Sieblebensdauer.
  • Die in der DE 197 27 534 C2 und GB 1 284 426 patentierten, kontinuierlich arbeitenden Verfahren beruhen auf dem Einsatz des elektrohydraulischen Prinzips, d.h. nur der Einwirkung der Schockwellen infolge einer HV-Entladung unter Wasser. Allgemein kann gesagt werden, dass ein wesentlicher Schwachpunkt aller Anlagen mit Siebboden im Prozessgefäß darin liegt, dass abgesehen von den nur relativ kleinen möglichen Massendurchsätzen die größte Zuschlagkomponente, der ein Entkommen aus dem Prozessbereich ermöglicht wird, stets kleiner ist, als die Maschenweite des Siebes. In der Praxis sind die Verhältnisse noch ungünstiger: ist eine Zuschlagkomponente aus dem Material herausgelöst und liegt sie nicht zwangsläufig über einem Loch des Bodensiebs, sondern gelangt dort erst im Verlauf einiger weiterer Entladungen hin, kann sie eine oder weitere Fragmentierung/-en erfahren. Dieser Effekt ist immer dann unerwünscht, wenn neben der grundsätzlichen Forderung nach Zerkleinerung eines Materials auch die Erhaltung der Größe bestimmter Komponenten in einem heterogen Material eine wichtige Rolle spielt. Als Beispiel sei hier die Aufbereitung von Beton angeführt, bei der das Arbeiten über einer Siebelektrode unvermeidlich zu einer unerwünschten Verschiebung der Sieblinie des ursprünglichen Zuschlagmaterials zu kleineren Fraktionen führt. Ein direktes Anmischen neuen Betons auf der Basis dieses Rezyklats ist somit ausgeschlossen. Soll diese Sieblinienverschiebung oder der unerwünschte Mahlprozess vermieden werden, so muss ein Sieb mit größerer Löcheranzahl und mit größerem Lochdurchmesser eingesetzt werden. Dies hat jedoch zur Folge, dass mit größerer Lochzahl die Bruchwahrscheinlichkeit des Siebes zunimmt und dass durch die größeren Löcher nicht nur die Zuschlagkomponenten in der gewünschten Originalgröße, sondern auch kleinere Zuschlagbestandteile mit Restanhaftungen der Zementmatrix und Matrixkonglomerate entkommen. Dies wiederum widerspricht der Forderung nach einer möglichst vollständigen Separation der Komponenten.
  • Siebe haben zudem den gravierenden Nachteil einer nicht zu umgehende Tendenz zum Verstopfen infolge von Fremdkörpern im Betonschutt, wie Nägel und Armierungsreste, welche die Funktionsfähigkeit einer technischen Anlage beeinträchtigen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine vorzugsweise kontinuierliche und effiziente elektrodynamische Fragmentierung von spröden, stückigen, mineralischen Materialien für industriell relevante Massendurchsätze einen Prozessreaktor bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird durch einen Prozessreaktor gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren gemäß den Verfahrensschritten des Anspruchs 11 gelöst.
  • Der Auslass am trichterförmigen Boden mündet in ein Staurohr, unter dem sich eine Transporteinheit für den Materialabtransport befindet, die das durch das Staurohr absackende prozessierte Fragmentiergut abtransportiert. In der Öffnung der Wand des Reaktionsgefäßes endet eine Materialzuführungseinrichtung, mit der zu fraktionierendes Material in das Reaktionsgefäß eingeleitet wird. Im Reaktionsgefäß vor dem Materialeinlass sitzt eine Staueinrichtung, die den Materialzustrom und die Füllstandshöhe im Reaktionsraum reguliert oder mit der der Materialzustrom reguliert wird.
  • Nach Anspruch 11 wird die mittlere Verweildauer TM des Materials in der Reaktionszone durch die Geschwindigkeit des Materialabzuges durch das Staurohr unterhalb der Reaktionszone bestimmt. Diese Geschwindigkeit wird durch die Austrittsfläche Au am Staurohrausgang, den einstellbaren Abstand a zwischen der unteren Öffnung des Staurohres und der Transport-/Materialab-zugseinheit und deren Geschwindigkeit v0 festgelegt. Aus der Kombination dieser Parameter ergibt sich die Förderrate dV/dt. Die Länge 1 des Staurohres wird so gewählt, dass sich beim Fragmentieren ein stabiler Schüttwinkel des auf der Transporteinheit auffallenden, fragmentierten Guts ausbildet. Schließlich wird der Fragmentierungsgrad des prozessierten Guts über die mittlere Zahl der Hochspannungspulse n, die auf die Menge m des in der Reaktionszone befindlichen Materials einwirken, und die Förderrate dV/dt sowie die pro Hochspannungsimpuls in das Material eingetragene Energiemenge und die Pulsfolgefrequenz f der Hochspannungspulse eingestellt.
  • In den Unteransprüchen 2 bis 9 sind Merkmale beschrieben, mit welchen spezifischen Baukomponenten die Einrichtung aufgebaut werden kann.
  • Nach Anspruch 2 ist der zentrale Auslass am trichterförmigen Boden ein metallisches Staurohr mit der oberen lichten Eintrittsfläche Ao, dem Auslass, der unteren lichten Austrittsfläche Au und der Flächenbeziehung Ao < Au. Dieser Auslass hat einen konischen Rand und fügt sich bündig und glatt in den konischen Teil des trichterförmigen Bodens ein. Die metallische Umrandung des Auslass bildet die Gegenelektrode in dem Zweielektrodensystem des Prozessreaktors und ist an ein Bezugspotential, meist Erdpotential, angeschlossen.
  • Im Falle des kreisförmigen Querschnitts und damit senkrecht sitzenden Staurohrs stehen Durchmesser und Querschnitt über A = πd2/4 in Beziehung. Im Allgemeinen kann das Staurohr runden oder polygonalen Querschnitt haben und senkrecht oder schräg vom Reaktor wegführen. Auf dem trichterförmigen Boden sitzt die metallische Wand des Reaktionsgefäßes auf, sie ist an das gleiche Bezugspotential wie das Staurohr gelegt.
  • Das Staurohr mündet senkrecht oder schräg in einen Abzugskanal, und steht mit einem einstellbarem Abstand a über der Transporteinheit für den Materialabtransport.
  • In die Öffnung der Wand des Reaktionsgefäßes mündet eine Materialzuführungseinrichtung, mit der zu fragmentierendes Gut in das Reaktionsgefäß eingebracht wird.
  • Eine Staueinrichtung sitzt in dem oder ragt in das Reaktionsgefäß, die die Füllstandshöhe oder der Materialzustrom reguliert.
  • Die Hochspannungselektrode ist, wie in Anspruch 3 beschrieben, aus elektrisch gut leitfähigem, abbrandarmen Metall. Nach Anspruch 4 kann sie massiv also vollzylindrisch oder röhrenförmig also hohlzylindrisch sein mit jeweils rundem oder polygonalem Querschnitt.
  • Die Stirn mit dem mittleren Durchmesser de steht der konischen Aufweitung am Auslassrohr steht unter Bildung eines konisch ringförmigen Spaltes zwischen der Hochspannungselektrode und der auf dem Bezugspotential liegenden Elektrode mit der umfänglich konstanten Weite g parallel gegenüber und bildet damit die konisch ringförmige Reaktionszone für das Fragmentieren.
  • Die Materialzuführungseinrichtung ist nach Anspruch 5 beispielsweise ein aus der Fördertechnik bekannter Rüttler oder ein Transportband. Die Staueinrichtung im Reaktionsgefäß ist nach Anspruch 6 beispielsweise eine an der Wand des Reaktionsgefäßes geführte, höhenverstellbare Prallwand, die in geschlossener Stellung auch mit ihrem Bodenrand das Reaktionsgefäß berührt oder dort aufsitzt. Andrerseits kann die Staueinrichtung nach Anspruch 7 eine an der Innenwand des Reaktionsraums waagrecht oder helikal umlaufende Gruppe aus mindestens einer Rinne sein, entlang deren Bodenlinie sich Löcher befinden, an denen jeweils ein Rohr mit mindestens der lichten Weite des Lochdurchmessers ansetzt, damit durchfallendes Gut nicht verklemmen kann. Die Rohre führen nahe der Reaktorwand nach unten und münden in das eigentliche Reaktionsvolumen.
  • Als Transporteinheit kommt beispielsweise in Frage:
  • Ein Stauscheibe nach Anspruch 8, auf der das aufgeschüttete, fraktionierte Gut weggedreht und beispielsweise über ein Abscheidebrett runtergelenkt wird, oder ebenfalls ein Transportband nach Anspruch 9.
  • Der Beginn der Entladungskanäle an den beiden Elektroden ist entscheidend für den zuverlässigen Langzeitbetrieb der Fragmentieranlage. An den Austrittsflächen sollen sie in einem vorgesehenen Gebiet beginnen, damit der Elektrodenabbrand nicht lokal festsitzt, sondern bei jeder Entladung möglichst statistisch gleichmäßig verteilt auftritt. Zwei Oberflächenzustände können nach Anspruch 10 dazu beitragen, nämlich die ringförmige Stirn der Hochspannungselektrode ist im vorgesehenen Startgebiet der Entladungskanäle an ihrer Oberfläche glatt oder derart rau gestaltet, dass durch die Formgebung statistisch gleichverteilt lokale Überhöhungen des elektrischen Feldes zustande kommen.
  • Bei der elektrodynamischen Fragmentierung wird mit gepulsten Hochspannungsentladungen prozessiert. Die elektrische Entladung geht in diesem Regime zumindest überwiegend durch das zu fragmentierende Gut und nicht darum herum nur durch die Prozessflüssigkeit.
  • Der Prozessreaktor erfüllt folgende Anforderungen:
    • kontinuierliche und kontrollierte Zu- und Abfuhr des zu fragmentierenden Materials zum und aus dem Reaktionsvolumen;
    • Anordnung von Hochspannungs- und Masselektrode derart, dass große Materialdurchsätze erzielt werden.
  • Durch diese Maßnahmen werden die folgenden Vorteile erreicht:
    • Die Füllhöhe des Materials im Prozessreaktor wird konstant gehalten. Dies ist ein wesentlicher Punkt, da beim Versagen der Staueinrichtung der Prozessreaktor in dem Fall, in dem die Anlieferung des Materials schneller erfolgt als die Bearbeitung und Abfuhr - ein Szenario, das bei Betriebsstörungen leicht eintreten kann - sukzessive mit zugeliefertem Material aufgefüllt werden würde. Dies hätte zwei nachteilige Auswirkungen:
      • Erstens, die Materialkinetik im Prozessraum wird durch die Überschichtung mit großen Materialmengen eingeengt. Das Material kann sich bei der Bearbeitung unter der Einwirkung der Schockwellen bei jedem Puls weniger frei umschichten und die Fraktionierung erfolgt weniger gleichmäßig.
      • Zweitens, die hohe Überschichtung des Reaktionsraumes mit nachfolgendem Material führt erfahrungsgemäß zu Kavernenbildung, als Silo-Effekt bezeichnet. Diese Kavernen sind teilweise durch Ausbildung einer Art Gewölbedecke von so großer Stabilität, dass die Materialnachförderung total zum Erliegen kommt.
    • Die mittlere Verweildauer des zu fragmentierenden Gutes im Reaktionsvolumen kontrolliert, um den gewünschten Grad der Fragmentierung durch eine mittlere Zahl von Entladungen je Masseeinheit des durchgesetzten Materials zu erreichen.
    • Das fragmentierte Material wird aus dem Reaktionsvolumen kontrolliert und kontinuierlich abgeführt.
  • Die Gestaltung der Elektrodengeometrie bringt die folgenden Vorteile:
    • Die Hochspannungsentladungen gehen bevorzugt durch das zu fragmentierende Material, es wird elektrodynamisch fraktioniert, d.h. Entladungswege durch das Material explodieren dasselbe zunächst, darauf folgende Schockwelleneinwirkung mahlt das Material weiter durch äußere Einwirkung.
    • Keine Entladungen treten an der Oberfläche der Isolation der Hochspannungselektrode auf.
  • Entsprechend konstruktive, feldentlastende Maßnahmen, wie in der DE 101 26 646 A1 beschrieben, werden im Bereich des Isolationsendes durch die Formgebung der Hochspannungselektrode getroffen.
  • Gegenüber den bisher üblicherweise verwendeten, zylindrischen HV-Elektroden, die einer Masseplatte oder einem Siebboden in Abständen von ca. 20 bis 40 mm gegenüberstehen (siehe z.B. DE 195 34 232 C2 ), weist die hier angegebene Elektrodenanordnung die Vorteile auf:
    • der Reaktionsraum ist bei gleichem Elektrodenabstand auf Grund seiner konischen Ringform wesentlich größer, demnach kann mehr Material durchgesetzt und bearbeitet werden;
    • der Abbrand beider Elektroden ist wegen derer größerer Oberflächen und der statistisch über deren Umfang verteilt auftretenden Funken geringer;
    • die Masseelektrode, das Staurohr, weist nicht die üblichen siebähnlichen Strukturen mit den damit verbundenen Problemen der mechanischen Stabilität sowie der Verstopfung auf;
    • eine Kompensation des Elektrodenabbrandes wird durch eine vertikale Verschiebung in z-Richtung der HV-Elektrode gemeinsam mit deren Isolator 2 durchgeführt und damit auch der Elektrodenabstand g an die optimalen Prozessparameter angepasst;
    • wegen der stochastischen Natur der Verteilung der Materialbrocken in der Reaktionszone bzw. der Funkenbildung ist das Staurohr insgesamt die Masseelektrode und hat daher auch eine axiale Ausdehnung
  • Im Folgenden wird der Aufbau des Prozessreaktors gemäß den Ansprüchen 2, 7 und 8 anhand der Zeichnung vorgestellt.
  • Figur 1 zeigt den Prozessreaktor im axialen Schnitt, Figur 2 vergrößert das Reaktionsgebiet mit naher Umgebung und Staurohr.
  • Das zu fragmentierende Material wird über das schwingfähig gelagerte Rohr 5, den Rüttler, vom Materialaufnahmetrichter in den tonnenförmigen Reaktionsbehälter 1 aus Blech gefördert/gerüttelt. Die zugeführte Materialmenge ist durch die Intensität des Schwingförderantriebs 6 einstellbar. Um ein Überfüllen des Reaktionsbehälters 1 zu vermeiden aber auch zum Schutz der Hochspannungselektrode 3 samt Isolator 2 ist die Prallplatte 7 höhenverstellbar eingebaut. Mit der einstellbaren Durchlassweite w zwischen der Prallplattenunterkante und der trichterförmigen Wand des Reaktionsbehälters 1 wird die Höhe der Schüttung des zu prozessierenden Guts im Reaktionsraum oberhalb der Reaktionszone 8 unabhängig von der Intensität des Schwingförderers 6 oder des Materialtransportes nach oben hin begrenzt. Dadurch wird die Aufenthaltsdauer des Materials vor seiner Prozessierung reduziert. Die Beschränkung der Gesamtmenge an Material im Reaktionsbehälter 1 ist darüber hinaus für den Fall von Reparaturarbeiten von Bedeutung.
  • Das tellerähnlich geformte Ende 4 der Hochspannungselektrode 3 mit dem mittleren Durchmesser de der Stirn bildet den Ringspalt der Breite g mit der gegenüberliegenden trichterförmigen Masseelektrode 9. Die Hochspannungsentladungen treten bevorzugt an den Orten höchster Feldstärke auf, d.h. zwischen dem Ende 4 der Hochspannungselektrode 3, einem hiermit in Kontakt stehenden mineralischen Materialbrocken mit geringerer relativer Dielektrizitätskonstanten εr als die Prozessflüssigkeit, hier Wasser, und dem Reaktionsbehälter 1 hier auf Masse-/Erdpotential. Bei der räumlich und zeitlich statistischen Berührung des Fragmentierguts mit den Elektroden 4 und 9, treten so auch die HV-Entladungen statistisch verteilt über den Umfang der Elektroden 4, 9 auf.
  • Zu- und Ablauf der bei der elektrodynamischen Fragmentierung benötigten Prozessflüssigkeit - meist Wasser - erfolgen über Öffnungen im Boden des Reaktionsbehälters 11, 12.
  • Oberhalb der Reaktionszone 8 ist ausreichend zu fragmentierendes Material aufgeschüttet und der Materialdurchsatz durch diese Zone geometrisch nicht begrenzt, auch sei der Pulsgenerator/elektrische Energiespeicher genügend stark ausgelegt. Dann wird die mittlere Verweildauer TM des Materials in der Reaktionszone durch die Geschwindigkeit des Materialabzugs durch das Staurohr 9 bestimmt. Das Staurohr 9 ist stark konisch mit seinem der Hochspannungselektrode 3 gegenüberstehenden Bereich, hat hier kreisrunden Querschnitt und öffnet sich schwach konisch nach unten. Der Eintritt von der Reaktionszone 8 in das Staurohr hat die kleinere lichte Weite do und damit die kreisförmige Eintrittsfläche Ao und der Austritt die größere lichte Weite du mit der entsprechend größeren Austrittsfläche Au. Die Abzugsgeschwindigkeit v0 bzw. Förderrate dV/dt aus der Reaktionszone 8 wird, bedingt durch den einstellbaren Abstand a zwischen dem Ausgang des Staurohrs 9 und der Transporteinheit 10, die hier ein Transportband ist, das sich mit der einstellbaren Geschwindigkeit vo bewegt, von der rückstauenden Oberfläche des Austrags auf dem Transportband bestimmt. Die Länge 1 des Staurohrs 9 wird so gewählt, dass sich unter Wasser und trotz der Erschütterungen durch den Fragmentierungsprozess ein stabiler Schüttwinkel auf der rückstauenden Oberfläche ausbildet. Unter diesen Bedingungen wird die mittlere Zahl n der Hochspannungspulse, die auf die Menge m des durchgesetzten Materials einwirkt, durch die Stauparameter a, v0 sowie die Pulsfolgefrequenz f der Hochspannungspulse festgelegt. Über diese Parameter wird der Fragmentierungsgrad des durchgesetzten Materials gesteuert. Bei konstanten Stauparametern führt die Erhöhung/Reduktion der Pulsfolgefrequenz f zu einer höheren/geringeren Fragmentierung. Werden die Grenzen der Leistungsfähigkeit des Pulsgenerators erreicht oder wirken der Elektrodenabstand g und/oder der elektrodenseitige Durchmesser do des Staurohrs begrenzend, müssen die Stauparameter angepasst werden, d.h. der Abstand a zum rückstauenden Element und/oder die Geschwindigkeit vo der rückstauenden Oberfläche reduziert werden.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1.
    Reaktionsbehälter
    2.
    Hochspannungsisolator
    3.
    Hochspannungselektrode
    4.
    Ende/Stirn der Hochspannungselektrode
    5.
    Rohr/Rüttler
    6.
    Schwingförderantrieb
    7.
    Prallplatte
    8.
    Reaktionszone
    9.
    Staurohr, Masseelektrode
    10.
    Transporteinheit
    11.
    Düse
    12.
    Siebfilter
    Referenzen:
    • [1]
    Hammon J. et al. "Electric pulse rock sample disintegrator", Proc. 28th IEEE Int. Conf on Plasma Science and 13th IEEE Int. Pulsed Power Conf. (PPPS-2001), Las Vegas, USA, June 17-22, 2001, pp 1142-1145
    [2]
    Andres, J. in: Int. Journal of Mineral Processing, 4 (1977) 33-38

Claims (11)

  1. Prozessreaktor für die elektrodynamische Fragmentierung von in eine Prozessflüssigkeit getauchten, stückigen, mineralischen Materialien durch gepulste Hochspannungsentladungen, bestehend aus:
    einem Reaktionsbehälter mit trichterförmigem Boden,
    einer von oben in diesen ragenden, mit Hochspannung beaufschlagbaren Elektrode, die Hochspannungselektrode, die bis auf ihren Endbereich mit einer elektrischen Isolation ummantelt ist,
    wobei die Hochspannungselektrode entlang ihrer Achse verschiebbar ist, so dass das Ende derselben dem zentralen Auslass, wo sich die andere, die auf elektrischem Bezugspotential befindliche Elektrode befindet, am trichterförmigen Boden des Reaktionsbehälters in variablem Abstand gegenübersteht, dadurch gekennzeichnet, dass:
    der Auslass am trichterförmigen Boden in ein Staurohr mündet, unter dem sich eine Transporteinheit (10) für den Materialabtransport befindet, die das durch das Staurohr absackende prozessierte Fragmentiergut abtransportiert,
    in die Öffnung der Wand des Reaktionsgefäßes (1) eine Materialzuführungseinrichtung (5) mündet, mit der zu fraktionierendes Material in das Reaktionsgefäß (1) eingeleitet wird,
    im Reaktionsgefäß (1) vor dem Materialeinlass eine Staueinrichtung (7) sitzt, die den Materialzustrom und die Füllstandshöhe im Reaktionsraum reguliert oder mit der der Materialzustrom reguliert wird,
  2. Prozessreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    der zentrale Auslass am trichterförmigen Boden ein metallisches Staurohr (9) der Länge 1 mit der oberen lichten Weite do und der unteren lichten Weite du und do < du ist, einen konischen Rand hat und bündig und glatt in den konischen Teil des trichterförmigen Bodens eingelassen ist und die auf Bezugspotential liegende Elektrode bildet,
    die auf den trichterförmigen Boden des Reaktionsgefäßes (1) aufsitzende Wand ebenfalls metallisch ist und diese und das Staurohr (9) auf einem gemeinsamen elektrischen Potential, dem Bezugspotential, liegen.
  3. Prozessreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Hochspannungselektrode (3) aus elektrisch gut leitfähigem, abbrandarmen Metall ist,
    außerhalb des Reaktionsraumes an ihr ein isolierender Schlauch zur Kühlwasserzuführung angeschlossen ist,
    am der Elektrode auf Bezugspotential gegenüberliegenden freien Ende trichterförmig aufgeweitet ist und,
    wobei die Stirn mit dem Durchmesser de der konischen Aufweitung am Auslassrohr (9) unter Bildung eines konisch ringförmigen Spaltes zwischen der Hochspannungselektrode (3) und der auf dem Bezugspotential liegenden Elektrode (9) mit der umfänglich konstanten Weite g parallel gegenübersteht und damit die konisch ringförmige Reaktionszone (8) für das Fragmentieren bildet,
  4. Prozessreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
    Hochspannungselektrode (3) vollzylindrisch oder hohlzylindrisch ist und runden oder polygonalen Querschnitt hat.
  5. Prozessreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Materialzuführungseinrichtung (5) ein Rüttler oder ein Transportband ist.
  6. Prozessreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Staueinrichtung (7) eine höhenverstellbare Prallwand ist.
  7. Prozessreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Staueinrichtung (7) eine an der Innenwand des Reaktionsraums waagrecht oder helikal umlaufende Gruppe aus mindestens einer Rinne ist, entlang deren Bodenlinie sich Löcher befinden, an denen jeweils ein Rohr mit mindestens der lichten Weite des Lochdurchmessers ansetzt, und die Rohre nahe der Reaktorwand nach unten führen und kurz vor dem Reaktionsboden enden.
  8. Prozessreaktor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Transporteinheit (10) für den Materialabtransport eine Stauscheibe ist.
  9. Prozessreaktor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Transporteinheit (10) für den Materialabtransport ein Transportband ist.
  10. Prozessreaktor nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass
    die ringförmige Stirn der Hochspannungselektrode (3) an ihrer Oberfläche glatt oder derart gestaltet ist, dass durch die Formgebung lokale Überhöhungen des elektrischen Feldes zustande kommen.
  11. Verfahren zur elektrodynamischen Fragmentierung von in eine Prozessflüssigkeit getauchten, stückigen, mineralischen Materialien durch gepulste Hochspannungsentladungen mit einem Prozessreaktor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bestehend aus den Schritten:
    das zu fragmentierende Material wird über eine Materialzuführungseinrichtung regulierbar in den tonnenförmigen Reaktionsbehälter (1) eingeleitet,
    die Höhe der Materialschüttung im Reaktionsbehälter (1) wird über eine Staueinrichtung nach oben hin begrenzt,
    die mittlere Verweildauer TM des Materials in der Reaktionszone (8) wird durch die Geschwindigkeit des Materialabzuges durch ein Staurohr (9) unterhalb der Reaktionszone (8) bestimmt, wobei diese Geschwindigkeit durch die Förderrate dV/dt der Transport-/Materialabzugseinheit (10) bestimmt wird,
    die Länge 1 des Staurohres (9) so gewählt wird, dass sich beim Fragmentieren ein stabiler Schüttwinkel des auf der Transporteinheit (10) abfallenden, fragmentierten Guts ausbildet,
    der Fragmentierungsgrad des prozessierten Guts wird über die mittlere Zahl der Hochspannungspulse n, die auf die Menge m des in der Reaktionszone befindlichen Materials einwirken, und die Förderrate dV/dt sowie die pro Hochspannungsimpuls in das Material eingetragene Energiemenge und die Pulsfolgefrequenz f der Hochspannungspulse eingestellt,
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