JP2013538124A

JP2013538124A - 静電分離制御システム

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Publication number: JP2013538124A
Application number: JP2013527307A
Authority: JP
Inventors: ブルースイー．マッケイ，; ブーレントセルト，
Original assignee: セパレーションテクノロジーズエルエルシー
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-10-10
Also published as: CO6690777A2; AU2011295883A1; KR20130103725A; WO2012031080A1; CN103079707A; BR112013005152A2; UA110352C2; US8552326B2; AU2011295883B2; ZA201301426B; JP2015205276A; US20120059508A1; RU2577866C2; BR112013005152B1; EP2611545A1; TW201223645A; CN103079707B; CA2809268A1; KR101867849B1; CA2809268C

Abstract

プロセス制御システム、より具体的には、微粒子材料の分離のための静電分離を制御するためのプロセス制御システムを提供する。一実施形態において、静電分離システムを使用して微粒子材料の処理を制御する方法が提供され、この方法は、流入供給物の少なくとも１つの構成要素中に希釈される第１の流れと、前記流入供給物の少なくとも１つの構成要素中に濃縮される第２の流れと、を回収するために、静電分離システム内で微粒子材料を処理することと、前記静電分離プロセスの少なくとも１つの入力変数と、前記静電分離システム内で制御される前記第１の流れの少なくとも１つの特性を示す少なくとも１つの出力変数と、を決定することと、などを包含する。

Description

本発明は、プロセス制御に関し、より具体的には、微粒子材料の分離のための静電分離を制御するためのプロセス制御に関する。

理論上、異種の導電性粒子は、文献に十分に記載されている様々な方法によって静電的に分離することができる。多大な商業的成功を収めている静電分離方法の一種は、特許文献１および特許文献２に開示されるような摩擦電気向流ベルト式分離器を利用する。そのようなベルト分離器システムは、表面接触、すなわち摩擦電気効果による異なる成分の帯電特性に基づいて粒子混合物の成分を分離する。これらのシステムは、典型的には、長手方向に配置された平行に離間された電極を利用し、その間を、一対のエンドローラによって駆動されると連続的なループを形成するベルトが長手方向に移動する。粒子混合物が電極間のベルトに積載され、電極によって生成される強力な電場に供される。この結果、電場に供された正の電荷を帯びた粒子が陰極に向かって移動し、負の電荷を帯びた粒子が陽極に向かって移動する。移動するベルトセグメントの向流動作が電極を反対方向に掃引し、粒子混合物の成分を分離器のいずれかの末端上にあるそれらのそれぞれの放電点に輸送する。最終的に、粒子混合物のある程度の分離を引き起こす向流移動ベルトによって、各粒子がシステムの一端に向かって移送される。

摩擦電気向流ベルト式分離器システムの現在最も確立された用途は、石炭フライアッシュからの未燃炭素の分離である。世界中で、発電用のタービンに動力を供給する蒸気を生成するために、膨大な量の微粉炭がボイラー内で燃焼される。ボイラー内では、石炭中の炭素質成分が燃焼して熱を放出し、非炭素質材料が残存してフライアッシュとして回収される。通常の石炭のアッシュ含有量は様々であるが、典型的には、総石炭含有量の約１０％を構成する。その結果として、産業界全体で非常に大量のフライアッシュが生成される。歴史的に、石炭フライアッシュの主な販路の１つは、セメントの一部の代わりとしてのコンクリート製品中の添加物としてであった。さらに、フライアッシュの添加は、コンクリートの強度および化学腐食に対する耐性の強化をもたらし、その結果、廃棄物を貴重な副産物へと変化させる。しかしながら、ボイラーの大幅な改良を含む様々なアプローチにより一酸化窒素の排出量を削減することを発電所に義務付けた１９９０年の大気浄化法（ＴｈｅＣｌｅａｎＡｉｒＡｃｔ）の施行以来、フライアッシュ中の未燃炭素の存在のためにコンクリートにおける使用が制限されてきている。これらの変化は、フライアッシュ中の未燃炭素のレベルを上昇させる結果となり、ほとんどの材料が、未燃炭素を除去するための追加処理なしにはコンクリートの生成に使用することができなくなった。向流ベルト式分離器システムは、炭素除去のためにフライアッシュを処理するための最も費用効率の高い信頼できる方法のうちの１つであることが証明されている。この技術は、典型的には、低炭素フライアッシュ製品、および炭素含有量の高いフライアッシュ流を生成する。先に述べたように、低炭素製品は、レディーミクストコンクリートの用途における使用に理想的に好適である。その一方で、高炭素含有量のフライアッシュは、その高い燃料価値に起因して、流入石炭とともに燃焼させるために直接ボイラーに返送することができる貴重な副産物である。代替として、高炭素フライアッシュは、セメント窯への二次的燃料等の他の燃焼用途にも使用することができる。

米国特許第４，８３９，０３２号明細書米国特許第４，８７４，５０７号明細書

１つ以上の実施形態によれば、静電分離システムを使用して微粒子材料の処理を制御するための方法が提供される。本方法は、流入供給物の少なくとも１つの構成要素中に希釈される第１の流れと、流入供給物の少なくとも１つの構成要素中に濃縮される第２の流れとを回収するために、静電分離システム内で微粒子材料を処理することを含む。また、本方法は、静電分離プロセスの少なくとも１つの入力変数と、静電分離システム内で制御される第１の流れの少なくとも１つの特性を示す少なくとも１つの出力変数と、を決定することとも含む。本方法は、静電分離システムからの少なくとも１つの出力変数を時間間隔を置いて測定することと、少なくとも１つの出力変数の標的範囲を選択することと、をさらに含む。本方法は、出力信号を生成するために測定された出力変数を標的範囲と比較することと、出力信号に少なくとも部分的に基づいて、プロセスに応じて少なくとも１つの入力変数を調整することと、もさらに含む。

１つ以上の実施形態によれば、微粒子材料を受容するように構成される供給点と、静電分離システムと、微粒子材料と流体連通し、微粒子材料の出力変数を測定するように構成される、センサと、測定された出力変数に少なくとも部分的に基づいてセンサからの出力信号を受信し、出力信号に少なくとも部分的に基づいて静電分離システムの少なくとも１つの入力変数を制御するように動作可能に連結される、コントローラと、を備える、微粒子混合物を分離するための装置が提供される。

１つ以上の実施形態によれば、コントローラによって実行される結果として、コントローラに、静電分離システムを使用して微粒子材料の処理を制御する方法を行うように命令する命令を定義する、保存されたコンピュータ可読信号をその上に含むコンピュータ可読媒体が提供される。コンピュータ可読媒体は、少なくとも１つの出力変数を測定することと、少なくとも１つの出力変数を標的範囲と比較することと、少なくとも１つの出力変数および標的範囲に基づいて出力信号を生成することと、出力信号に少なくとも部分的に基づいて少なくとも１つの入力変数を調整することと、を含む。

制御システムは、対象となる一次製品の収率を最大化するよう処理する一方で、出力パラメータを標的範囲内に維持することができる。また、制御システムは、製品が所定期間を超えて仕様外である期間に品質の劣った製品用の場所へと生産を方向転換させるために、一次流の到達先を制御してもよい。さらに、制御システムは、システムの変更により出力の品質が標的範囲内に戻った時点で、良質な製品用の場所に戻るように一次流の到達先を再指示してもよい。

以下の図面を考慮すると、本発明の特徴、態様、および利点がより良く理解されるであろう。
向流ベルト式分離器システムの全体的な構成を示す断面図である。一実施形態による供給制御システムを示す略図である。一実施形態に従って、上部陰極の極性を利用する一方で、フライアッシュから未燃炭素を静電分離する間に製品の強熱減量（ＬＯＩ）を制御するためのプロセス制御システムの手順を示すフローチャートである。フライアッシュから未燃炭素を静電分離するための非制御プロセスのＬＯＩおよび生産力を示すヒストグラムである。一実施形態に従って、フライアッシュから未燃炭素を静電分離するための制御プロセスのＬＯＩおよび生産力を示すヒストグラムである。一実施形態に従って、制御されたプロセスについての同様のチャートを示すデータと比較した、フライアッシュから未燃炭素を静電分離するための非制御プロセスによって生成されたトラックサンプルからのＬＯＩ測定値の変動を示すヒストグラムである。一実施形態に従って、上部陽極の極性のスキームを利用する一方で、フライアッシュから未燃炭素を静電分離する間に製品のＬＯＩを制御するためのプロセス制御システムの手順を概念的に示すフローチャートである。これらの図面は、必ずしも原寸に比例しておらず、必要ではない場合があるか、または他の詳細を理解しづらくする傾向がある詳細は、省略されている場合があることを理解されたい。また、本発明は、本明細書に示される特定の実施形態に限定されるものではないことも理解されたい。

静電向流ベルト式分離器システムを使用した異種材料の静電分離において、一貫した製品品質をもたらすために、プロセスからの特定の出力変数を制御することが望ましい。しかしながら、入力変数および処理に影響を与える供給材料の他の測定不能な物理的パラメータは、頻繁に変動し、プロセスによって制御されようとしている出力変数に影響を与える。いくつかの処理システムにおいて、製品サンプルは、間隔を空けて、例えば、３０分または１時間の操作ごとに１回採取される。各サンプルについて対象となる出力変数が測定される。次いで、操作者は、各サンプルが調べられた後で、入力変数のうちの１つ以上をサンプル値と標的範囲との間の差によって決定される各変更の程度によって調整する。通常、操作者による調整は、出力変数をそれらの目的値に戻そうと試みる際の、特定のシステムについての彼らの独自の経験に基づいている。

静電分離プロセスを制御するそのような既知の方法に関する問題の１つは、サンプル抽出間の時間間隔の間には出力変数が制御されないということである。したがって、入力変数または静電分離プロセスの他の物理的パラメータにおける変化が、出力変数の値を望ましい値の範囲外に移動させる原因である場合、次にサンプルが手動で採取されるまでその変化は検出されない。結果として、相当量の生産製品が顧客の仕様内に属さない可能性がある。静電分離プロセスを制御するそのような既知の方法に関するさらに別の問題は、そのような方法は、実験室で測定される出力変数の値に基づいて、１つ以上の入力変数を調整するためには操作者の客観的分析に依存するということである。その結果として、入力変数の調整が、操作者間で頻繁に異なる場合があり、したがって、一貫性のない製品品質がもたらされる。さらに、不正確な決定および保守的な操作によって、貴重な製品が不純物を含んでいるために除去されるという準最適な動作が引き起こされるため、操作者の一貫性のない応答が製品の収率に悪影響を与えることが多い。

一実施形態において、静電分離プロセス制御システムは、プロセスの１つ以上の出力変数を制御し、ひいては一貫した品質の製品の流れを生成するために、入力変数のうちの１つ以上をプロセスに合わせて調整することにより、投入供給物の品質または静電分離プロセスの他の物理的パラメータにおける変動を補正することができる。

一実施形態において、制御システムは、多様な投入供給材料および分離器の形状に対応するための幅広い能力および柔軟性を有することができる。２つの粒子が接触すると、より高い仕事関数を有する粒子が電子を得て負の電荷を帯び、一方でより低い仕事関数を有する粒子が電子を失って正の電荷を帯びるため、いかなる異種微粒子混合物も分離することができる。粒子混合物または材料は、微粒子材料の全重量または全体積の第１のパーセンテージで第１の構成要素を含み、微粒子材料の全重量または全体積の第２のパーセンテージで第２の構成要素を含むことができ、第１のパーセンテージは、前記第２のパーセンテージよりも高い。フライアッシュの分離に加えて、システムは、例えば、ふすまから小麦粉を分離するため、および濃縮果汁の濃縮、ならびに工業鉱物および鉱石を含む様々な鉱物の選鉱のためにも使用することができる。特定の鉱物用途は、石英、黒鉛、黄鉄鉱、ドロマイト、雲母、硫化物、他の汚染物質、およびそれらの組み合わせの除去による方解石、石灰石、大理石、トラバーチン、トゥファ、および白亜のうちの少なくとも１つを含む炭酸カルシウム鉱物；透角閃石、石英、黄鉄鉱、他の汚染物質、およびそれらの組み合わせの除去によるドロマイト材料；硫化物、方解石、ドロマイト、菱苦土石、黄鉄鉱、石英、黒鉛、炭酸塩、透角閃石、他の汚染物質、およびそれらの組み合わせの除去による滑石鉱物；鉄、石英、雲母、他の汚染物質、およびそれらの組み合わせの除去によるカオリン鉱物；岩塩、キーゼル石、他の汚染物質、およびそれらの組み合わせの除去によるカリ材料の精製を含む。これは幅広い可能性の示唆を提供するが、この技術は、これらの用途にのみ限定されるのではなく、不連続相に異なる微粒子材料が存在する場合に広い適用性を有する。分離器が材料を処理すると、炭酸カルシウム等の第１の構成要素を含む第１の流れを生成することができ、汚染物質、例えば石英等の第２の構成要素を含む第２の流れを生成することができる。

システムの一実施形態において、制御システムは、製品品質を標的仕様内に維持することができる一方で、同時に一次製品の収率を最大化する。また、制御システムは、製品の品質が所定期間を超えて標的範囲外であった場合に、タンクまたは貯留槽等の品質の劣った製品用の場所へと一次流の製品を自動的に方向転換させ、仕様内に戻った時点で元に戻すこともできるため、既存の方法と比較して優れた製品品質を保証する別の手段を提供する。

一実施形態において、静電分離システムを使用して微粒子材料の処理を制御する方法が提供される。この方法は、図１に示すように微粒子材料を処理することを含んでもよい。

図１には、プロセス制御システムを利用することができる静電ベルト式分離システム１０の例が概略的に示される。ベルト分離器システム１０は、長手方向の中心線２５によって画定される長手方向に配置された平行に離間された電極１２および１４／１６と、離間された電極間を長手方向に移動するベルト１８とを含む。ベルトは、一対のエンドローラ１１、１３によって駆動される連続的なループを形成する。粒子混合物または微粒子材料は、供給領域２６、すなわち電極１４と１６の間で微粒子材料を受容するように構成される供給点で、タンク、貯留槽、またはサイロ等の微粒子材料の源からベルト１８上に積載される。微粒子材料の源は、分離システムの上流に位置するシステムまたはプロセスからとすることができる。ベルト１８は、電極１２および１４／１６の長さに沿って粒子混合物の成分を輸送するために反対方向に移動する向流移動ベルトセグメント１７および１９を含む。

電極１４／１６に印加される電位と反対の極性の電極１２に電位を印加することにより、電極１２と１４／１６との間で横方向に電場が生じる。ベルト１８によって粒子混合物の成分が電極に沿って輸送されると、粒子が電荷を帯び、電場のためにシステム１０の長手方向の中心線２５に対して横方向の力を受ける。この電場は、正の電荷を帯びた粒子を陰極に向かって移動し、負の電荷を帯びた粒子を陽極に向かって移動する。最終的に、各粒子は、粒子の電荷および電極の極性に応じて、一次製品除去セクション２４または二次製品除去セクション２２のいずれかに移送される。特定の例において、微粒子材料の第１の構成要素が負の電荷を帯びてもよく、微粒子材料の第２の構成要素が正の電荷を帯びてもよい。他の例において、微粒子材料の第１の構成要素が正の電荷を帯びてもよく、微粒子材料の第２の構成要素が負の電荷を帯びてもよい。これらの例のいずれにおいても、静電分離システムは、上部電極パネル上の負極性および下部電極パネル上の正極性、または上部電極パネル上の正極性および下部電極パネル上の負極性により動作してもよい。一次製品の流出流は、一次製品除去セクション２４からシステムを出る一方で、二次製品の流出流は、二次製品除去セクション２２からシステムを出る。粒子が発生させる電荷が、どの電極に粒子が引き寄せられるか、ひいては、ベルトが粒子を運ぶ方向を決定する。粒子の帯電の程度は、材料の相対的な電子親和性、すなわち粒子の仕事関数によって決定される。個々の微粒子材料間の仕事関数の差が大きいほど、粒子の分離のための駆動力が大きくなる。

分離プロセスの全体的な有効性は、典型的には、正常な工業条件下の処理過程において連続的に変化する、静電分離プロセスのための供給物の成分組成に関連する多くの要因によって影響を受ける可能性がある。また、制御可能であってもまたはそうでなくてもよい他の環境要因が、混合物の粒子の仕事関数、つまりは全体的な処理可能性に多大な影響を及ぼす可能性がある。これらの環境要因は、米国特許第６，０７４，４５８号に論じられるように、供給混合物の温度および相対湿度を含む。さらに、分離は、米国特許第５，９０４，２５３号に開示されるように、特定のベルト形状によって、また経時的なベルトの連続磨耗によって影響を受ける可能性がある。全体として、供給物の品質、環境要因、およびベルト１８の進行する磨耗における自然の変動の組み合わせが、特定のレベルの分離を維持するためにプロセスを連続的に監視および調整しなければならない環境を作り出す。通常、これらの調整は、製品の純度のみならず、一次製品と二次製品との流出流の収率の分割にも影響する。純度と収率との間のこれらのトレードオフは、正常な動作の間、常に分離を最適化する上で困難を引き起こす可能性がある。収率は、一次製品の流出流の出口に送られる供給流のパーセンテージとして定義されてもよい。

また、静電分離プロセスを制御する実践において利用される主なプロセス変数も、図１を考慮することにより示される。これらの変数は、電極の極性の選択（上部が陽極で下部が陰極、または上部が陰極で下部が陽極）、ベルト１８が電極を掃引する速度、電極１２と１４／１６との間の横方向の間隙の距離、およびシステム１０への微粒子混合物の総供給量を含む。また、分離に影響を及ぼす場合がある別の変数は、供給物注入領域２６の位置である。一般的な実践の一例において、システムは、図２に示すように、分離システムの長手方向の長さに沿った複数の位置で供給物が注入されることができるように利用される。この略図は、供給ポート１（ＦＰ１）、供給ポート２（ＦＰ２）、および供給ポート３（ＦＰ３）と表記された、分配器の空気スライドを使用する分離システムの長手方向の長さに沿った供給物導入のための３つの考えられる位置を示している。この場合、ＦＰ１が、二次製品の排出点に最も近い、すなわち近接しており、ＦＰ３が、一次製品の排出点に最も近い、すなわち近接している。しかしながら、供給ポートの位置は、供給ポート１と供給ポート２との間のあらゆる場所を含む、分離システムの長手方向の長さに沿ったあらゆる場所の１つ以上の点とすることができる。例えば、供給ポートの位置は、第１の流れの出口に近接する位置、第２の流れの出口に近接する位置、その間の位置、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される供給ポートの位置であってもよい。供給ポートの位置および分離されるべき微粒子材料のシステムへの送達の最適な選択は、他の制御変数、または電極の極性、ベルトの速度、供給量、間隙の距離、および供給物の相対湿度のうちの１つ以上の入力変数の特定の設定と並んで、要求される分離の程度に応じて変化する。

特定の実施形態において、コントローラは、プロセス変数を分かり易くするかまたは調整することができる。例えば、コントローラは、後に論じる図３および６のフローチャートに示されるプロセスを実行するように構成されてもよい。これらのプロセスの実行を通して、コントローラは、所望の出力を達成するように、例えば、ベルトの速度、電極間の距離、供給量、供給ポートの位置、供給物の相対湿度、またはシステムの任意の他のプロセス変数を調整することができる。

一実施形態において、静電分離システムは、所望の分離を達成するため、あるいは一次製品の流出流中の特定の構成要素の所望の濃度もしくは含有量、または所望の収率を達成するように、入力変数のうちの１つ以上を制御することによって操作される。静電分離システムは、約３ｋＶ〜１４ｋＶ、より好ましくは約５ｋＶ〜１０ｋＶの電圧で動作することができる。ベルトの速度は、約１０〜７０フィート／秒、より好ましくは約２０〜５０フィート／秒の速度で操作することができる。システムは、約０．２００〜１．０００インチ、より好ましくは約０．３００〜０．６００インチの間隙範囲で動作することができる。分離システムに供給される微粒子材料の供給量は、電極幅１フィート当たり約１０〜６０トン／時、より好ましくは電極幅１フィート当たり約１５〜４５トン／時とすることができる。供給物の相対湿度は、約１〜１５パーセント、より好ましくは約１〜４パーセントとすることができる。

製品を標的仕様内に維持すると同時に、一次製品流と二次製品流との間の収率分割を最適化するために、製品流の品質を連続的または間欠的に監視し、複数の第１の制御変数または入力変数のうちの少なくとも１つまたは複数を操作、調整、または制御する少なくとも１つの制御システムを提供する制御システムが提供される。第１の制御変数間の複雑な相互作用と相まって、常に変化し続ける供給混合物の性質に起因して、前述の通り、既存の既知の技術を使用してこれを達成するのは困難であることが多い。

特定の実施形態において、静電システムを使用して微粒子材料の処理を制御するための方法は、流入供給物流の少なくとも１つの構成要素中に希釈される第１の流れまたは第１の製品流と、流入供給物の少なくとも１つの構成要素中に濃縮される第２の流れまたは第２の製品流とを回収するために、静電分離システム内で微粒子材料を処理することを含む。静電分離プロセスの少なくとも１つの入力変数と、静電分離システム内で制御される第１の流れの少なくとも１つの特性を示す少なくとも１つの出力変数とを決定することができる。少なくとも１つの出力変数は、時間間隔を置いて測定することができ、少なくとも１つの出力変数の標的範囲を選択することができる。測定された出力変数を標的範囲と比較して出力信号を生成することができ、出力信号に少なくとも部分的に基づいて、少なくとも１つの入力変数を調整することができる。この方法は、制御システムを使用して行うことができ、少なくとも１つの入力変数の調整は、自動的に達成することができる。

時間間隔は、例えば、所望のＬＯＩ、汚染物質の濃度、または収率を達成するために、所望の様式でシステムを制御する場合がある測定値を得るのに好適な任意の間隔であってもよい。特定の実施形態において、間隔は、２０分未満または１０分未満であってもよい。

図３を参照すると、上部の負極性を使用したフライアッシュからの未燃炭素の除去に適用される場合の、一実施形態による、制御システムによって用いられ、静電分離器のプロセスのためにコントローラによって実施することができる手順を概念的に説明するフローチャートが示される。この場合、分離器の主な制御変数または入力変数は、供給量（ＦＲ）、ベルトの速度（ＢＳ）、電極の間隙の距離（ＧＡＰ）、および供給ポートの位置（ＦＰ）である。分離器の性能を支配する重要な出力変数は、連続的に監視され（ＴＲＱ）、平均化される（ＴＲＱ_ａｖｇ）ベルトトルクである。この特定の制御システムにおいて対象となる出力変数は強熱減量（ＬＯＩ）であるが、他の例では、収率、または汚染物質等の別の構成要素の濃度とすることができる。ＬＯＩは、発電所のボイラーの燃焼チャンバ内における燃焼の間に未燃のまま残存する炭素として定義することができる。特定の実施形態において、ＬＯＩを２．５％以下に維持することが望ましい。ＬＯＩの測定値は、入力値に移動平均の算出（ＬＯＩ_ａｖｇ）を提供し、一方で、それは標的範囲（ＬＯＩ_ｍｉｎ〜ＬＯＩ_ｍａｘ）と比較するために使用される。一次製品の流出流の出力に送達される供給流のパーセンテージに関連する収率等の他の出力変数を監視することができる。図３に示すように、主な制御変数または入力変数（ｄｅｌＦＲ、ｄｅｌＢＳ、ｄｅｌＧＡＰ、およびｄｅｌＦＰ）に対する調整は、制御システムによって予測される。

特定の実施形態において、システムは、入力変数のうちの１つ以上を使用することができ、同時または順次に１つ以上の入力変数を調整することができる。特定の実施形態において、例えば、システムは、ベルトの速度を第１の制御パラメータとして調整可能な第１の入力変数として利用する。例えば、ベルトの速度が最大動作範囲に達する場合、特定の実施形態において、間隙を、第２の制御パラメータとして調整可能な第２の入力変数として使用することができる。例えば、ベルトの速度が最大動作範囲に達し、間隙が最小動作範囲に達する場合、特定の実施形態において、供給量を、第３の制御パラメータとして調整可能な第３の入力信号として使用することができる。制御システムは、生産される一次製品の収率を最大化する一方で、ＬＯＩ等の一次製品流の特徴または特性を標的範囲内に維持するように適切な調整を行う。

図６を参照すると、上部の正極性を使用したフライアッシュからの未燃炭素の除去に適用される場合の、コントローラによって実施することができる静電分離器のプロセス制御システムの手順を概念的に説明する別のフローチャートが示される。この制御システムは、供給量（ＦＲ）、ベルトの速度（ＢＳ）、電極の間隙の距離（ＧＡＰ）、供給ポートの位置（ＦＰ）、ならびにベルトトルク（ＴＲＱおよびＴＲＱ_ａｖｇ）といった分離器の同じ主な制御変数を利用する。この場合も同様に、対象となる出力変数は、平均ＬＯＩ_ａｖｇおよび標的範囲ＬＯＩ_ｍｉｎ〜ＬＯＩ_ｍａｘと並んでＬＯＩである。この反対の極性を有する場合において、図６に示すように、ｄｅｌＦＲ、ｄｅｌＢＳ、ｄｅｌｄｅｌＧＡＰ、およびｄｅｌＦＰを使用して第１の変数に対する調整が行われる。この場合、システムは、供給ポートを第１の制御パラメータとして利用し、間隙を第２の制御パラメータとして利用する。この場合も同様に、制御システムは、生産される一次製品の収率を最大化する一方で、一次製品のＬＯＩを厳密な標的範囲内に維持するように適切な調整を行う。あらゆる状況下での良質な製品の回収を保証するために、自動方向転換および返却制御も含まれる。この例は、一実施形態による静電分離のための制御システムのさらに別の例を提供する。

良好なプロセス制御は、対象となる出力制御変数または出力変数の正確な信頼できるオンライン測定を必要とする。一実施形態において、オンライン測定は、少なくとも１つのセンサの使用によって達成することができる。この生データは、標的範囲と比較するために直接使用することができるか（すなわち、１回のオンライン測定）、または全体的な精度を向上させるために２つ以上の測定値の移動平均を使用することができる。例えば、ＬＯＩ、または構成要素もしくは汚染物質の濃度の所望の測定値を得るために、任意のオンライン分析器を使用することができる。例えば、フライアッシュの炭素含有量の評価のために高温燃焼技術またはマイクロ波技術を利用するオンライン分析器が使用されてもよい。調整が示唆された場合、制御システムは、制御された出力変数を仕様内に戻すという目的で、新しい最適な動作条件のセットを決定し、主な動作入力変数に対する変更を行う。所定の期間後に対象となる制御された出力変数が仕様外である場合、制御システムは、良質な製品の汚染を回避するために、一次製品のための搬送システムの到達先を良質な製品の到達先から仕様に合わない製品用の場所に方向転換させる。プロセスの変更により一次流の品質が仕様内に戻ったことが示されると、制御システムは、搬送の流れを良質な製品用のサイロに戻す。これは、制御されたプロセスの品質向上を確実にするための大きな進展である。

一実施例に従って、フライアッシュから未燃炭素を除去する製品用途に制御システムを適用する。この場合、図１および２に概略的に示すように、プロセス制御システムは、ベルト式静電分離器とともに利用される。例示的な分離器は、低ＮＯｘ制御を装備する接線方向燃焼ボイラー内で瀝青炭を燃焼させる発電所からのフライアッシュを使用する。しかしながら、プロセス制御システムは、他の種類の原料および発電所構成から形成されたフライアッシュにも等しく良好に使用されてもよいことを理解されたい。本実施例の特定の分離器の形状は、上部電極パネル上の負極性および下部電極上の正極性を利用する。分離器からの一次製品は、濃縮されたフライアッシュ流であり、対象となる出力変数は、強熱減量（ＬＯＩ）により測定されたフライアッシュ流中の未燃炭素の濃度またはパーセンテージである。

この実施例では、初期動作パラメータは、３５トン／時の供給量、３０フィート／秒のベルトの速度、０．４５０インチの電極間の間隙、および図２に示すような供給ポート３の供給ポートの位置を含む。

時間間隔を置いて別個のＬＯＩ測定値を提供するために、オンラインＬＯＩ分析器を使用して製品流の品質を監視した。試験の変動を減少させ、代表的なサンプル抽出を保証するのに役立つように、約４〜７分の間隔で３つの測定値の移動平均値を作成した。次いで、平均値を許容最小標的および最大標的からなるＬＯＩの標的範囲と比較した。測定された平均ＬＯＩ値が標的範囲内にある場合は、いずれの入力変数に対しても変更は行わなかった。分離器制御システム内に含まれる規則に基づいて主な入力変数に対する調整を行った。この制御システムは、所与の分離器の形状および典型的な流入供給物である灰の特性（記載されるように石炭源および特定の発電所のボイラー条件によって影響を受ける可能性がある）のために経験的に決定された。

図３に示すように、この例におけるように、上部の負極性を使用したフライアッシュからの未燃炭素の除去に適用される場合の、静電分離器のプロセスのための制御システムによって用いられる手順を概念的に説明するフローチャートが示される。この場合、分離器の主な制御変数は、供給量（ＦＲ）、ベルトの速度（ＢＳ）、電極の間隙の距離（ＧＡＰ）、および供給ポートの位置（ＦＰ）であった。分離器の性能を支配する重要な出力変数はベルトトルクであり、これは連続的に監視し（ＴＲＱ）、平均化した（ＴＲＱ_ａｖｇ）。出力変数は、移動平均の算出（ＬＯＩ_ａｖｇ）のために入力に提供された強熱減量（ＬＯＩ）であり、今度は、それを標的範囲（ＬＯＩ_ｍｉｎ〜ＬＯＩ_ｍａｘ）と比較するために使用した。図３に示すように、第１の変数（ｄｅｌＦＲ、ｄｅｌＢＳ、ｄｅｌＧＡＰ、およびｄｅｌＦＰ）に対する調整は、制御システムによって予測された。一般的に、システムは、ベルトの速度を第１の制御パラメータとして利用する一方で、他の全てのパラメータを一定に保持する。制御システムは、生産される一次製品の収率を最大化する一方で、一次製品のＬＯＩを厳密な標的範囲内に維持するように適切な調整を行った。ベルトの速度が減速すると、製品のＬＯＩが増加した。また、ベルトの速度が加速すると、収率が増加した。

制御システムによってもたらされる優れた製品品質および収率の利点を示す例を以下に提供する。制御システムに見出される利点は、非常に狭い標的範囲内で製品品質を迅速に達成し、維持する能力であり、それは、潜在的な顧客に一貫した製品品質を有する製品を提供するために極めて有利である。

図４ａは、分離器が図４ｂに示すような制御システムを用いた場合の同様のヒストグラムと比較して、従来の操作者による制御を利用した標準的なプロセスの１日の商業運転の過程にわたる製品品質のヒストグラムを提供する。図４ｂは、流入供給物の品質が連続的に変化する一方で、制御システムが、はるかに迅速な応答をもたらし、生産過程にわたって製品品質を標的範囲内に良好に維持することを示す。図４ａは、従来のプロセスが、長期間にわたって製品品質が標的範囲から外れることを日常的に経験することを示す。この用途の場合、標的の高い側での仕様外の生産は、低い側での仕様外の動作よりも劣っているため、操作者が、図４ａにおいて明白である仕様の低い側に逸脱するという自然の傾向が存在する。しかしながら、通常、この実践によって導入される動作の非効率性が存在するため、準最適な収率がもたらされる。常に最適条件下で動作する制御システムによって明らかな利点がもたらされ、図４ｂ対図４ａに示されるようにはるかに高い収率につながる。

特定の実施形態において、制御システムは、一定の変動しない製品品質を有する製品を顧客に一貫して提供することもできる。より均一な制御された製品の所望の特性を図５にさらに示す。これは、分離器制御プロセスの完全実装後の同じプラントのヒストグラムとともに、従来の操作者による制御で運転する商業プラントの製品のＬＯＩのヒストグラムを示している。これらの分布は、数ヶ月の過程にわたって含まれた何百というトラックサンプルを表している。どちらの場合も、この商業運転での製品のＬＯＩの所望の標的範囲は２．０〜２．５パーセントであり、このプロセスについて収集されたデータは、この範囲内にはるかに良好に集中しており、２つのピークによって示唆されるように、より狭い範囲に分布しているように見える。制御システムのさらなる利益も、自動制御の実施により、労働のための運転コストが大きく削減されることに派生している。この場合、自動設備のために、以前の操作者による制御運転と比較して、直接労働が実際に半分に削減された。この大幅な改善は、通常の分離器操作のための操作者の注意が大きく減少されたことと並んで、操作者が手動で収集し、ＬＯＩテストを行うサンプルの数を１９６／日から２０未満の周期的な確認サンプルへと削減することによって達成された。このコスト削減は、このような分離用途のために静電技術が経済的に実現可能であり続けることを保証するための鍵である。

Claims

静電分離システムを使用して微粒子材料の処理を制御する方法であって、
流入供給物の少なくとも１つの構成要素中に希釈される第１の流れと、前記流入供給物の少なくとも１つの構成要素中に濃縮される第２の流れと、を回収するために、静電分離システム内で微粒子材料を処理することと、
前記静電分離プロセスの少なくとも１つの入力変数と、前記静電分離システム内で制御される前記第１の流れの少なくとも１つの特性を示す少なくとも１つの出力変数と、を決定することと、
前記静電分離システムから前記少なくとも１つの出力変数を時間間隔を置いて測定することと、
前記少なくとも１つの出力変数の標的範囲を選択することと、
出力信号を生成するために前記測定された出力変数を前記標的範囲と比較することと、
前記出力信号に少なくとも部分的に基づいて、プロセスに応じて前記少なくとも１つの入力変数を調整することと、を含む、方法。
前記少なくとも１つの入力変数は、極性、電圧、ベルトの速度、供給量、供給ポートの位置、間隙、供給物の相対湿度、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
前記少なくとも１つの入力変数を調節することは、前記静電分離システムのための制御システムによる自動調整を含む、請求項１に記載の方法。
前記静電分離システム内で微粒子材料を処理することは、約３〜１４ｋＶの電圧で動作することを含む、請求項３に記載の方法。
前記電圧は、約５〜１０ｋＶである、請求項４に記載の方法。
前記静電分離システム内で微粒子材料を処理することは、約１０〜７０フィート／秒の速度でベルトを操作することを含む、請求項３に記載の方法。
前記速度は、約２０〜５０フィート／秒である、請求項６に記載の方法。
前記静電分離システム内で微粒子材料を処理することは、約０．２００〜１．０００インチの間隔で前記システムを操作することを含む、請求項３に記載の方法。
前記間隙は、約０．３００〜０．６００インチである、請求項８に記載の方法。
前記供給物の相対湿度は、約１〜１５パーセントである、請求項３に記載の方法。
前記供給物の相対湿度は、約１〜４％である、請求項１０に記載の方法。
前記静電分離システム内で微粒子材料を処理することは、電極幅１フィート当たり約３〜１７トン／時の供給量で前記微粒子材料を供給することを含む、請求項３に記載の方法。
前記供給量は、電極幅１フィート当たり約４〜１３トン／時である、請求項１２に記載の方法。
前記静電分離システム内で微粒子材料を処理することは、少なくとも１つの供給ポートの位置に前記微粒子材料を送達することを含む、請求項３に記載の方法。
前記出力変数は、前記流入供給物の少なくとも１つの構成要素の濃度である、請求項１に記載の方法。
時間間隔を置いて前記出力変数を測定することは、オンライン分析器を使用して前記出力変数を測定することを含む、請求項１５に記載の方法。
前記時間間隔は、２０分未満である、請求項１６に記載の方法。
前記時間間隔は、１０分未満である、請求項１７に記載の方法。
前記出力変数は、時間間隔を置いて得られる少なくとも１つのオンライン測定値の平均値として算出される、請求項１７に記載の方法。
前記制御下の出力変数は、時間間隔を置いて得られる少なくとも２つのオンライン測定値の平均値として算出される、請求項１９に記載の方法。
前記微粒子材料は、未燃炭素を含有する石炭焚き発電からのフライアッシュであり、前記第１の流れは、炭素含有量中に希釈され、前記第２の流れは、炭素含有量中に濃縮され、前記出力変数は、前記第１の流れの強熱減量（ＬＯＩ）である、請求項２に記載の方法。
前記出力変数は、前記ＬＯＩであり、前記プロセスは、複数の入力変数に少なくとも部分的に基づいて調整する、請求項２１に記載の方法。
前記複数の入力変数は、前記標的範囲内で実質的に一貫したＬＯＩの品質を得る一方で、同時に炭素含有量中に希釈される前記第１の流れの収率を最大化するように調整される、請求項２２に記載の方法。
前記ＬＯＩは、オンライン分析器を使用して測定される、請求項２１に記載の方法。
前記オンライン分析器は、時間間隔を置いた前記フライアッシュの前記炭素含有量の評価のために高温燃焼技術を利用する、請求項２４に記載の方法。
前記オンライン分析器は、時間間隔を置いて得られる前記フライアッシュの前記炭素含有量の評価のためにマイクロ波技術を利用する、請求項２４に記載の方法。
前記静電分離システムは、上部電極パネル上の負極性および下部電極パネル上の正極性により動作する、請求項２１に記載の方法。
前記流入供給物は、前記第１の流れの出口に近接する位置、前記第２の流れの出口に近接する位置、その間の位置、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される供給ポートの位置を通って送達される、請求項２７に記載の方法。
前記プロセスは、ベルトの速度を第１の制御変数として使用し、それは標的ＬＯＩから間隔をおいた時間にわたって測定されるＬＯＩの平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項２７に記載の方法。
ベルトの速度が最大動作範囲に達する場合、前記プロセスは、間隙を第２の制御変数として利用し、それは前記標的ＬＯＩから間隔をおいた時間にわたって測定されるＬＯＩの平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項２９に記載の方法。
ベルトの速度が前記最大動作範囲に達し、間隙が最小動作範囲に達する場合、前記プロセスは、供給量を第３の制御変数として利用し、それは前記標的ＬＯＩから間隔をおいた時間にわたって測定されるＬＯＩの平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項３０に記載の方法。
前記静電分離システムは、上部電極パネル上の正極性および下部電極パネル上の負極性により動作する、請求項２１に記載の方法。
前記プロセスは、供給ポートの位置および間隙のうちの少なくとも１つを第１の制御変数として利用し、それは標的ＬＯＩから間隔をおいた時間にわたって測定されるＬＯＩの平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項３２に記載の方法。
前記供給ポートの位置が前記第２の流れの出口に近接し、前記間隙が最小動作範囲に達する場合、前記プロセスは、供給量を第３の制御変数として利用し、それは標的ＬＯＩから間隔をおいた時間にわたって測定されるＬＯＩの平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項３２に記載の方法。
前記微粒子材料は、前記微粒子材料の全重量の第１のパーセンテージで第１の構成要素を含み、前記微粒子材料の前記全重量の第２のパーセンテージで第２の構成要素を含み、前記第１のパーセンテージは、前記第２のパーセンテージよりも高い、請求項２に記載の方法。
前記微粒子材料は、少なくとも１つの汚染物質を含む少なくとも１つの工業鉱物を含む、請求項３５に記載の方法。
前記工業鉱物は、方解石、石灰石、大理石、トラバーチン、トゥファ、および白亜のうちの少なくとも１つを含む鉱物を含有する炭酸カルシウムを含み、前記少なくとも１つの汚染物質は、石英、黄鉄鉱、ドロマイト、雲母、黒鉛、硫化物、およびそれらの組み合わせを含み、前記第１の流れは、炭酸カルシウム中に濃縮され、前記第２の流れは、前記少なくとも１つの汚染物質中に濃縮され、前記出力変数は、前記第１の流れの汚染物質の濃度である、請求項３６に記載の方法。
前記工業鉱物は、滑石を含み、前記少なくとも１つの汚染物質は、黄鉄鉱、硫化物、黒鉛、炭酸塩、方解石、菱苦土石、石英、および透角閃石のうちの少なくとも１つを含み、前記第１の流れは、滑石中に濃縮され、前記第２の流れは、前記少なくとも１つの汚染物質中に濃縮され、前記出力変数は、前記第１の流れの汚染物質の濃度である、請求項３６に記載の方法。
前記微粒子材料は、カリを含み、前記少なくとも１つの汚染物質は、岩塩およびキーゼル石を含み、前記第１の流れは、カリ中に濃縮され、前記第２の流れは、前記少なくとも１つの汚染物質中に濃縮され、前記出力変数は、前記第１の流れの汚染物質の濃度である、請求項３６に記載の方法。
前記出力変数は、前記第１の流れの汚染物質の前記濃度であり、前記プロセスは、複数の入力変数に基づいて調整する、請求項３６に記載の方法。
前記複数の入力変数は、前記標的範囲内で実質的に減少され、かつ一貫した汚染物質含有量の品質を得る一方で、同時に汚染物質含有量中に希釈される前記第１の製品流の前記収率を最大化するように調整される、請求項４０に記載の方法。
前記複数の入力変数は、極性、ベルトの速度、供給量、供給ポートの位置、および間隙を含む、請求項４１に記載の方法。
前記汚染物質の濃度は、オンライン分析器を使用して測定される、請求項３５に記載の方法。
前記出力変数は、時間間隔を置いて得られる少なくとも１つのオンライン汚染物質測定値の平均値として算出される、請求項３６に記載の方法。
前記出力変数は、時間間隔を置いて得られる少なくとも２つのオンライン汚染物質測定値の平均値として算出される、請求項４４に記載の方法。
前記第１の構成要素は、正の電荷を帯び、前記第２の構成要素は、負の電荷を帯び、前記静電分離システムは、上部電極パネル上の正極性および下部電極パネル上の負極性により動作する、請求項３５に記載の方法。
前記流入供給物は、前記第１の流れの出口に近接する位置、前記第２の流れの出口に近接する位置、その間の位置、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される供給ポートの位置を通って送達される、請求項４６に記載の方法。
前記プロセスは、ベルトの速度を第１の制御変数として利用し、それは標的値から間隔をおいた時間にわたって測定される値の平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項４６に記載の方法。
ベルトの速度が最小動作範囲に達する場合、前記プロセスは、間隙を第２の制御変数として利用し、それは標的値から間隔をおいた時間にわたって測定される値の平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項４６に記載の方法。
ベルトの速度が最大動作範囲に達し、間隙が最小動作範囲に達する場合、前記プロセスは、供給量を第３の制御変数として利用し、それは標的値から間隔をおいた時間にわたって測定される値の平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項４６に記載の方法。
前記第１の構成要素は、正の電荷を帯び、前記第２の構成要素は、負の電荷を帯び、前記静電分離システムは、上部電極パネル上の負極性および下部電極パネル上の正極性により動作する、請求項３５に記載の方法。
前記プロセスは、供給ポートの位置を第１の制御変数として使用し、それは標的値から間隔をおいた時間にわたって測定される値の平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項５１に記載の方法。
前記プロセスは、ベルトの速度を第２の制御変数として使用し、それは標的値から間隔をおいた時間にわたって測定される値の平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項５１に記載の方法。
供給ポートの位置が前記第２の流れの出口に近接し、間隙が最小動作範囲に達する場合、前記プロセスは、供給量を第３の制御変数として利用し、それは標的値から間隔をおいた時間にわたって測定される値の平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項５１に記載の方法。
前記第１の構成要素は、負の電荷を帯び、前記第２の構成要素は、正の電荷を帯び、前記静電分離システムは、上部電極パネル上の正極性および下部電極パネル上の負極性により動作する、請求項３５に記載の方法。
前記プロセスは、供給ポートの位置を第１の制御変数として使用し、それは標的値から間隔をおいた時間にわたって測定される値の平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項５５に記載の方法。
前記プロセスは、ベルトの速度を第２の制御変数として使用し、それは標的値から間隔をおいた時間にわたって測定される値の平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項５１に記載の方法。
供給ポートの位置が前記第２の流れの出口に近接し、間隙が最小動作範囲に達する場合、前記プロセスは、供給量を第３の制御変数として利用し、それは標的値から間隔をおいた時間にわたって測定される値の平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項５５に記載の方法。
分離されるべき前記混合物の前記第１の構成要素は、負の電荷を帯び、前記第２の構成要素は、正の電荷を帯び、前記静電分離システムは、上部電極パネル上の負極性および下部電極パネル上の正極性により動作する、請求項３５に記載の方法。
前記流入供給物は、前記第１の流れの出口に近接する位置、前記第２の流れの出口に近接する位置、その間の位置、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される供給ポートの位置を通って送達される、請求項５９に記載の方法。
前記プロセスは、ベルトの速度を第１の制御変数として利用し、それは標的値から間隔をおいた時間にわたって測定される値の平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項５９に記載の方法。
ベルトの速度が最小動作範囲に達する場合、前記プロセスは、間隙を第２の制御変数として利用し、それは標的値から間隔をおいた時間にわたって測定される値の平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項５９に記載の方法。
ベルトの速度が最大動作範囲に達し、間隙が最小動作範囲に達する場合、前記プロセスは、供給量を第３の制御変数として利用し、それは標的値から間隔をおいた時間にわたって測定される値の平均値を差し引いた関係を利用することによって調整される、請求項５９に記載の方法。
前記第１の流れを品質の劣った製品用の場所に送達することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
前記第１の流れを品質の劣った製品用の場所に送達することは、前記測定された出力変数を前記標的範囲と比較することに少なくとも部分的に基づく、請求項６４に記載の方法。
微粒子混合物を分離するための装置であって、
微粒子材料を受容するように構成される供給点と、
静電分離システムと、
前記微粒子材料と流体連通し、前記微粒子材料の出力変数を測定するように構成される、センサと、
前記測定された出力変数に少なくとも部分的に基づいて前記センサから出力信号を受信し、前記出力信号に少なくとも部分的に基づいて前記静電分離システムの少なくとも１つの入力変数を制御するように動作可能に連結される、コントローラと、を備える、装置。
前記静電分離システムの出口および前記システムの入口と流体的に接続するリサイクルラインをさらに備える、請求項６６に記載の装置。
前記静電分離システムの前記出口は、一次製品の出口である、請求項６７に記載の装置。
前記静電分離システムの上流に位置するシステムからの微粒子材料の源をさらに備える、請求項６６に記載の装置。
前記少なくとも１つの入力変数は、極性、ベルトの速度、供給量、供給ポートの位置、および間隙からなる群から選択される、請求項６６に記載の装置。
前記微粒子材料は、未燃炭素を含有する石炭焚き発電からのフライアッシュである、請求項６６に記載の装置。
前記センサは、前記静電分離システムの出口における流れの強熱減量（ＬＯＩ）を測定する、請求項６６に記載の装置。
コントローラによって実行される結果として、前記コントローラに、
少なくとも１つの出力変数を測定することと、
前記少なくとも１つの出力変数を標的範囲と比較することと、
前記少なくとも１つの出力変数および前記標的範囲に基づいて出力信号を生成することと、
前記出力信号に少なくとも部分的に基づいて少なくとも１つの入力変数を調整することと、を含む、静電分離システムを使用して微粒子材料の処理を制御する方法を行うように命令する命令を定義する、保存されたコンピュータ可読信号をその上に含むコンピュータ可読媒体。