PL180257B1 - Sposób i urzadzenie do oddzielania elektrostatycznego PL PL PL PL PL PL PL PL - Google Patents

Abstract

1. Sposób oddzielania elektrostatyczneg skladników mieszaniny róznych czastek, w którym wprowadza sie mieszanine pomiedzy dwie przeciwlegle elektrody, wytwarza sie pole elektryczne pomiedzy przeciwleglymi po- wierzchniami przeciwleglych elektrod, oddziela sie skladniki od siebie w kierunku pola elektrycznego zgodnie ze znakiem ladunku kaz- dego z tych skladników, skladniki o podobnych ladunkach netto przem ieszcza sie mechanicz- nie w przynajmniej dwóch strumieniach, kazdy o róznym ladunku netto, w poblizu siebie nawza- jem, poprzecznie do pola elektrycznego, przy czym co najmniej dwa strumienie utrzymuje sie w lacznosci równolegle do pola elektrycznego i podczas przemieszczania tych strumieni poprze- cznie do pola elektiycznego przesyla sie co naj- mniej czesc jednego ze skladników z jednego strumienia do drugiego i usuwa sie rozdzielone skladniki z przestrzeni pomiedzy przeciw- leglymi elektrodami, znam ienny tym, ze stop- niuje sie potencjaly pola elektrycznego pomiedzy przeciwleglymi powierzchniami ele- ktrod ( 9 , 10). F ig . 2 PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest sposób i urządzenie do oddzielania elektrostatycznego.

Lotny popiół pochodzący ze spalania węgla zawiera zwykle niespalone resztki węgla, pochodzące od cząstek węgla, które nie spaliły się podczas przechodzenia przez strefę spalania kotła. Obecnie problem niespalonych resztek węgla jest coraz poważniejszy, z powodu zmian w działaniu kotłów, które zostały wdrożone w celu zmniejszenia emisji N0x-ów. Jednym potencjalnym zastosowaniem dla popiołu lotnego jest zastosowanie go jako dodatku pucolanowego w betonie. Popiół lotny w betonie oddziaływuje z wapnem, w celu wytworzenia produktów cementujących, powodujących zwiększenie wytrzymałości betonu utwardzonego, zmniejszenie zawartości wody, ciepła uwadniania, przepuszczalności, kosztów, oraz polepszenie płynności. Jednak niespalone resztki węgla zawarte w popiele lotnym pochodzącym ze spalania węgla są niepożądane w przypadku powtórnego użytkowania popiołu lotnego w takim betonie. Niespalony węgiel w popiele lotnym w dużym stopniu ogranicza stosowanie popiołu lotnego w betonie.

Podczas kiedy węgiel jest dość dobrym izolatorem, węgiel pochodzący z rozkładu termicznego jest dobrym przewodnikiem, o oporności dużo poniżej 1 oma/cm. Cząsteczki węgla w popiele lotnym pochodzą od cząsteczek węgla, które zostały rozłożone termicznie i częściowo spalone. Podczas tego rozkładu termicznego i częściowego spalania, z węgla powstają związki lotne tak, że cząsteczki resztkowe węgla posiadają bardzo małą gęstość masową i są bardzo porowate. Typowa zawartość węgla dla popiołu lotnego mieści się w zakresie 7 do 12%, a często wynosi powyżej 15%. W popiele lotnym przeznaczonym do zastosowania w betonie jako pucolan wymaga się mniejszej niż 6% a nawet niż 3% straty prażenia (LOI), odpowiadającej zawartości węgla, ponieważ węgiel spala się podczas prażenia przy 750°C.

Niespalony węgiel posiada pewną wartość opałową i może być ponownie spalony w kotle, który początkowo wytworzył go w postaci składnika popiołu. Skuteczne wykorzystanie tego węgla jako paliwa wymaga, aby był on zagęszczony możliwie najbardziej, w celu uniknięcia przeładowania oddzielacza elektrostatycznego i erozji rur konwekcyjnych.

Węgiel w popiele lotnym jest przewodzącym materiałem cząsteczkowym w materiale nieprzewodzącym. Przewodność takiej mieszaniny zależy od spójności fazy przewodzącej. Według teorii perkolacji, oporność (odwrotność przewodności) mieszaniny zmniejsza się wraz z koordynacją cząsteczek przewodzących, a kiedy koordynacja przekroczy pewną wartość, oporność mieszaniny zmniejsza się w sposób gwałtowny, przy niewielkim zwiększeniu objętości materiału przewodzącego. Zachodzi to przy około 37% objętości materiału przewodzącego. Poniżej tego poziomu wiązania pomiędzy cząsteczkami są niewystarczające do utworzenia ciągłego mostka z jednej powierzchni do drugiej. Powyżej tego poziomu istnieje wystarczająca ilość sąsiadujących ze sobą cząsteczek, aby utworzyły one ciągły mostek z jednej powierzchni do drugiej. Próg perkolacji dla 37% objętości materiału lepiej przewodzącego jest reprezentatywny dla wielu systemów, ponieważ pochodzi on z rozważań czysto geometrycznych.

W popiele lotnym pochodzącym z węgla, węgiel posiada o wiele mniejszy ciężar właściwy niż mineralny materiał popiołu. Ta zmniejszona gęstość masowa przekłada się na większe napięcie właściwe i stąd dla 37% objętości węgla w popiele zachodzi przy około 10% wagowych węgla w popiele lotnym. Ten próg perkolacji wynoszący 10% wagowych węgla stanowi zasadniczą trudność przy oddzielaniu węgla z popiołu lotnego. Z opisów patentowych USA 4 839 032 i 4 874 507 znany jest oddzielacz typu pasowego, który może być stosowany do tarciowego/elektrostatycznego oddzielania różnorodnych mieszanin cząsteczek, zawierających cząsteczki przewodzące. Ten typ oddzielacza może oddzielać zasadniczo wszystkie materiały, które posiadają właściwości naładowywania się poprzez tarcie, w tym przewodniki. Ten typ elektrostatycznego oddzielacza przeciwprądowego typu pasowego ma zdolność do oddzielania różnorodnych mieszanin cząsteczek. Przemysłowe stosowanie tego oddzielacza dla mieszanin zawierających cząsteczki przewodzące powoduje narastanie przewodzących osadów pomiędzy rejonami o różnym potencjale elektrycznym wewnątrz oddzielacza.

W tym znanym oddzielaczu przeciwprądowym typu pasowego jest wykorzystane silne pole elektryczne do przemieszczania naładowanych poprzez tarcie cząsteczek z jednego ruchomego strumienia do strumienia sąsiedniego, przemieszczającego się w kierunku przeciwnym. Pole elektryczne jest wytwarzane przez dwie równoległe elektrody, pomiędzy którymi poruszają się odcinki pasa oraz strumienia cząsteczek. Aby hamować cząsteczki i podtrzymywać elektrody, konieczne jest dostarczenie połączenia mechanicznego pomiędzy dwoma elektrodami, dostarczonego wzdłuż ich krawędzi wzdłużnych i prostopadłego do elektrod i odcinków pasa. W tym rejonie, cząsteczki węgla przewodzącego mogą zbierać się i powodować łączenie substancji przewodzącej pomiędzy elektrodami, a w ten sposób zwarcie elektrod.

Zasadniczo można w prosty sposób zastosować silniejsze źródło wysokiego napięcia, o większej zdolności prądu do kompensacji degradacji pola elektrycznego spowodowanej tymi zwarciami. Jednak dla niektórych zastosowań jest to niewykonalne. Na przykład, warstwa węgla o przekroju 1 mm kwadratowego posiada oporność około 100 omów na cm. Przy 1 cm szczelinie 5 pomiędzy elektrodami 9 i 10 i przyłożonym napięciu 10 kV, 1 mm kwadratowy węgla będzie przewodził 100 amperów i rozpraszał megawat mocy.

Jednym podejściem do złagodzenia powyższego problemu jest to, że części elektrod mogą być zakończone i zastąpione obszarami z materiału nieprzewodzącego, które mogą być wyczyszczone przez pas. Zwiększa to długość ścieżki, na której musi wytworzyć się ścieżka przewodząca, oraz zmniejsza prawdopodobieństwo utworzenia się ścieżki przewodzącej. Jednak w rejonach, w których elektroda jest zastąpiona dielektrykiem, nie istnieje pole elektryczne służące oddzielaniu i dlatego skuteczność oddzielacza jest zmniejszona. Ponadto, problemem związanym z takim podejściem jest to, że wzdłuż krawędzi separatora nie ma oddzielającego pola elektrycznego, co prowadzi do przenoszenia przez pas, materiału, który nie jest oddzielony. Taki nieoddzielony materiał zanieczyszcza dwa oddzielone produkty i zmniejszał skuteczność oddzielacza. Ponadto, pomimo dłuższej długości ścieżki, na której musi się tworzyć ścieżka przewodząca, zanieczyszczenie cząstkami przewodzącymi prowadzi do narastania warstw przewodzących, a w rezultacie do zniszczenia szczeliny, co po jakimś czasie doprowadzi do ścierania i erozji powierzchni dielektrycznych.

Ruchome odcinki pasa oddzielacza przenoszą materiał cząstkowy w stanie płynnym. Tak jak inne płyny, materiał cząstkowy przemieszcza się i wypełnia wszystkie dostępne luki. Wzdłuż krawędzi oddzielacza (na przykład boków wzdłużnych elektrod, punktów zasilania i punktów wyjściowych istnieją powierzchnie nieruchome. W zależności od warunków mechanicznych płynu, który jest obrabiany, istnieje stojąca warstwa graniczna o pewnej grubości. Kiedy cząsteczki przewodzące zbiorą się na tej warstwie granicznej, przewodzenie powierzchniowe i zanieczyszczenie są nieuniknionym rezultatem pracy z cząsteczkami przewodzącymi.

Pewne niedogodności mogą być częściowo złagodzone poprzez pracę przy zmniejszonej wydajności. Równa się to uznaniu, że materiał jest w rzeczywistości systemem trójfazowym z dwoma fazami stałymi, z których jedna jest przewodząca, oraz powietrzem, które jest doskonałym izolatorem. Zgodnie z tym, zwiększenie stężenia powietrza, to znaczy zmniejszanie części objętościowej materiału stałego, który znajduje się w oddzielaczu, będzie zmniejszało objętość przewodnika. Niestety to zmniejsza wydajność oddzielacza. Ponadto cząsteczki mogą nadal gromadzić się na każdej nieruchomej powierzchni, do czasu aż zostanie utworzona warstwa przewodząca. Zachowanie to jest najbardziej widoczne, kiedy jeden ze zgromadzonych czynników jest sam przewodnikiem, tak jak w przypadku węgla w popiele lotnym.

Pomiędzy ruchomymi odcinkami pasowymi jest umieszczona bariera dielektryczna. Bariera ta może być wytworzona wzdłuż krawędzi oddzielacza tak, aby zwiększyć długość ścieżki, na której musi się utworzyć ścieżka przewodzenia, w celu zwarcia elektrod. Jednak bariera ta, poprzez zablokowanie pola i ruchu cząsteczek z jednego strumienia do strumienia przeciwnego także, do pewnego stopnia, zapobiega oddzielaniu.

Dodatkowo, materiał stosowany jako bariera powinien być elastyczny, w celu przeciwdziałania trzepotaniu i przerywania się pasów podczas ruchu. To wymaganie elastyczności wyklucza stosowanie sztywnych materiałów ceramicznych i wymaga materiałów dielektrycznych o niskim module, takich jak materiały polimerowe. Jednak materiały polimerowe są miękkie i mogą się na nich osadzać cząsteczki przewodzące, przez co same mogą się stać przewodnikami. Ponadto, kiedy ma miejsce iskrzenie, materiały polimerowe wytrzymują tylko względnie niskie temperatury i nie są odporne na erozję spowodowaną iskrzeniem tak, jak materiały ceramiczne. Jak opisano w opisach patentowych US 4 839 032 i 4 874 507, kiedy bariera jest wytworzona w poprzek oddzielacza, pomiędzy przeciwległymi .elektrodami ładunki przemieszczają się do czasu, aż w poprzek dielektryka narośnie pole. Tak więc, kiedy zachodzi iskrzenie dielektryka, istnieje znaczny ładunek, a energia przechowywana w ładunkach po przeciwległych stronach bariery dielektrycznej jest rozpraszana w iskrze, prowadząc od erozji i zanieczyszczania materiału polimerowego.

Zwiększona ścieżka nie zapobiega przeskokom iskier spowodowanym polem elektrycznym prądu stałego, nawet jeśli średnie pole elektryczne jest dużo poniżej przeskoku. Kiedy pojawia się iskra elektryczna, kanał iskrowy jest bardzo zjonizowany i dobrze przewodzący. Jako dobry przewodnik, iskra staje się powierzchnią ekwipotencjalną. Jeśli iskra zaczyna się na jednej elektrodzie i rozprzestrzenia się na zewnątrz, wtedy podczas okresu iskrzenia kanał iskrowy posiada taki sam potencjał jak elektroda. Pole elektryczne na końcu iskry jest wtedy gradientem potencjału pomiędzy elektrodą i lokalnym rejonem tuż poniżej przedniego końca iskry. Silne pole elektryczne i gradient pola na końcu iskry mogą zorientować iskry i prowadzić do dalszego iskrzenia i zanieczyszczania. Kiedy pojawia się iskra, wytwarza ona lokalny obszar z plazmą o wysokiej energii, która może erodować i rozkładać materiał polimerowy, powodując tworzenie się węgla i zanieczyszczanie. Węgiel ten jest dość dobrym przewodnikiem i może prowadzić do dalszych uszkodzeń.

Celem wynalazku jest opracowanie oddzielacza przeciwprądowego typu pasowego i sposobu oddzielania do pracy z cząsteczkami przewodzącymi o wysokiej skuteczności, o długim czasie użytkowania bez potrzeby częstej konserwacji, umożliwiającego oddzielanie wysokich stężeń materiałów przewodzących oraz oddzielanie materiału przewodzącego powyżej progu perkolacji z wysoką wydajnością, bez zmniejszania dopuszczalnego obciążenia związanego z przewodnością cząsteczek.

Sposób oddzielania elektrostatycznego składników mieszaniny różnych cząstek, w którym wprowadza się mieszaninę pomiędzy dwie przeciwległe elektrody, wytwarza się pole elektryczne pomiędzy przeciwległymi powierzchniami przeciwległych elektrod, oddziela się składniki od siebie w kierunku pola elektrycznego zgodnie ze znakiem ładunku każdego z tych składników, składniki o podobnych ładunkach netto przemieszcza się mechanicznie w przynajmniej dwóch strumieniach, każdy o różnym ładunku netto, w pobliżu siebie nawzajem, poprzecznie do pola elektrycznego, przy czym co najmniej dwa strumienie utrzymuje się w łączności równolegle do pola elektrycznego i podczas przemieszczania tych strumieni poprzecznie do pola elektrycznego przesyła się co najmniej cześć jednego ze składników z jednego strumienia do drugiego i usuwa się rozdzielone składniki z przestrzeni pomiędzy przeciwległymi elektrodami, według wynalazku charakteryzuje się tym, że stopniuje się potencjały pola elektrycznego pomiędzy przeciwległymi powierzchniami elektrod.

180 257

Korzystnie, stosuje się maksymalną różnicę potencjałów pola elektrycznego mniejszą niż około 1000 woltów.

Urządzenie do oddzielania elektrostatycznego składników mieszaniny różnych cząstek zawierające dwie przeciwległe elektrody, pomiędzy którymi jest umieszczony co najmniej jeden pas podtrzymywany pomiędzy co najmniej dwiema podporami, według wynalazku charakteryzuje się tym, że co najmniej jedna elektroda jest ograniczona co najmniej jednym zespołem spadku napięcia, zawierającym ułożone naprzemiennie elementy przewodzące i elementy dielektryczne, przy czym elementy przewodzące są połączone elektrycznie z węzłami obwodu straty napięcia.

Korzystnie zespół spadku napięcia zawiera płytkę drukowaną.

Korzystnie, obwód straty napięcia zawiera waristory.

Korzystnie, obwód straty napięcia zawiera elementy oporowe.

Korzystnie, obwód straty napięcia zawiera kompozyt z wyciskanego tworzywa sztucznego, zawierający rejony przewodzące i nieprzewodzące tworzywa sztucznego i nieprzewodzące elementy dielektryczne.

Korzystnie, nieprzewodzące elementy dielektryczne zostały wybrane z listy obejmującej tlenek glinu, szafir, kordieryt, mulit, porcelanę, szkło, polietylen o ultrawysokiej masie cząsteczkowej, PTFE, poliester.

Korzystnie, obwód straty napięcia zawiera wiele nieliniowych elementów prądowo-napięciowych.

Korzystnie, wzdłużne boki na co najmniej jednej elektrody są ograniczone zespołem spadku napięcia.

Korzystnie, poprzeczne boki co najmniej jednej elektrody są ograniczone zespołem spadku napięcia.

Korzystnie, zespół spadku napięcia jest wielokrotny, z których każdy ogranicza wzdłużne boki co najmniej jednej elektrody.

Urządzenie do oddzielania elektrostatycznego składników mieszaniny różnych cząstek zawierające dwie przeciwległe elektrody, pomiędzy którymi jest umieszczony co najmniej jeden pas podtrzymywany pomiędzy co najmniej dwiema podporami, według wynalazku charakteryzuje się tym, że co najmniej jedna elektroda jest ograniczona co najmniej jednym zespołem spadku napięcia zawierającym ułożone naprzemiennie elementy przewodzące i elementy dielektryczne, przy czym elementy przewodzące są połączone elektrycznie z węzłami obwodu straty napięcia, a podporami są rolki.

Efekty przewodzenia powierzchniowego i zanieczyszczania spowodowanego przez cząsteczki przewodzące gromadzące się w rejonach zastoju oddzielacza są zmniejszone i dlatego oddzielacz przeciwprądowy typu pasowego może działać przy wyższej wydajności, z wysoką sprawnością, oraz może być stosowany do oddzielania mieszaniny materiałów przewodzących o wysokich stężeniach, przy czym oddzielacz wymaga niewiele konserwacji i jest odporny na ścieranie spowodowane ciągłym oddziaływaniem ruchomych pasów.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wykres oporności w zależności od procentu objętości kompozytu materiału cząsteczkowego według rozwiązań wcześniejszych, fig. 2 - sposób schematyczny urządzenie do oddzielania cząsteczek według rozwiązań wcześniejszych, fig. 3 - przekrój zespołu spadku napięcia według niniejszego wynalazku, fig. 4 - schemat przykładu wykonania obwodu strat napięcia według niniejszego wynalazku, fig. 5 - schemat innego przykładu wykonania obwodu strat napięcia według niniejszego wynalazku, fig. 6 - wykres krzywej prądowo-napięciowej nieliniowych waristorów stosowanych w przykładzie wykonania zespołu podziału napięcia przedstawionym na fig. 5, fig. 7A i 7B przedstawiają wyciskany współbieżnie zespół spadku napięcia według jednego z przykładów wykonania niniejszego wynalazku, przy czym fig. 7A jest widokiem z góry, a fig. 7B jest widokiem z tyłu, fig. 8 przedstawia przekrój płytki drukowanej zawierające obwód straty napięcia według jednej z fig. 4 i 5, oraz posiadającej łączniki do łączenia z tylną stroną wyciskanego współbieżnie zespołu spadku napięcia z fig. 7A i 7B.

Przy pracy wyposażenia wysokiego napięcia prądu stałego w atmosferze, istnieją dwa kryteria dla wytworzenia iskry. Iskra jest tu określona jako lawina elektomów, przy czym pole elektryczne dostarcza elektronom energii wystarczającej do zapewnienia dalszej jonizacji zderzeniowej cząsteczek, a to prowadzi do wykładniczego wzrostu prądu, podgrzewania i w końcu jonozacji cieplnej i, typowo, widocznego i słyszalnego kanału iskrowego.

Pierwszym kryterium jest to, że pole elektryczne albo gradient napięcia musi być wystarczający do dostarczenia energii do elektronów swobodnych z większą szybkością niż elektrony tracą energię do gazu tak, że elektrony mogą powiększać swoją energię do poziomu, w którym mogą one spowodować dalszą jonizację. Drugim kryterium jest to, że różnica potencjału pomiędzy potencjałem wysokim i potencjałem niskim musi przewyższać pewną wartość krytyczną. Ta wartość krytyczna jest funkcją składu gazu oraz, do pewnego zakresu, elektrody, to znaczy właściwości emisji elektronów drugorzędowych, funkcji pracy, oraz właściwości emisji pola elektrody. Właściwości przebicia płynów i ciał stałych są typowo dużo większe niż pola przebicia dla gazów, po pierwsze dlatego, że średnia ścieżka swobodna elektronów w płynach albo ciałach stałych jest o wiele krótsza i dlatego pole elektryczne musi dostarczać z większą prędkością energii do elektronu w ciele stałym albo płynie, w celu osiągnięcia energii koniecznej dla dalszej jonizacji.

Oddzielacz 100, w którym szczelina 5 pomiędzy elektrodami 9, 10 jest duża, kryterium ograniczającym dla przebicia jest to, że pole elektryczne musi przewyższać pewną granicę. Powoduje to powstanie wartości 30 kV/cm dla wytrzymałości na przebicie powietrza. Kiedy szczelina 5 jest bardzo mała, wtedy pojawia się takie kryterium ograniczające, że różnica potencjałów musi przewyższać potencjał zapłonowy gazu. Ten minimalny potencjał zapłonowy został odkryty przez Pascheńa i jest nazywany Prawem Pascheria. Dla powietrza, minimalny potencjał zapłonowy wynosi 327 woltów i zachodzi w szczelinie mierzącej około 7,5 mikrona, przy ciśnieniu 1 atmosfery. Reprezentuje to pole 440 kV/cm.

Tendencja elektrod 9,10 w oddzielaczu 100 typu pasowego, (fig. 1) do iskrzenia w górę i nieco na boki może być zmniejszona poprzez kontrolowanie maksymalnej różnicy potencjałów i maksymalnego pola elektrycznego, które istnieje wzdłuż stałych powierzchni wewnątrz oddzielacza 100, zwłaszcza kiedy cząsteczki przewodzące mogą narastać i powodować powstanie ścieżek przewodzenia. Według niniejszego wynalazku, różnica potencjałów, a stąd i maksymalne pole elektryczne pomiędzy różnymi rejonami, jest kontrolowana poprzez dostarczenie elementów przewodzących, umieszczonych naprzemiennie pomiędzy elementami nieprzewodzącymi, pomiędzy elektrodami 9, 10 oraz potencjał odniesienia i elektryczne połączenie elementów przewodzących z zespołem podziału napięcia tak, aby kontrolować maksymalną różnicę potencjałów pomiędzy sąsiednimi elementami przewodzącymi.

Według fig. 3, przedstawiony jest na niej schemat zespołu spadku napięcia 300 według przykładu wykonania niniejszego wynalazku, służącego do dostarczania kontrolowanej maksymalnej różnicy potencjału pomiędzy elektrodami 9,10 oddzielacza 100.

Zespół spadku napięcia 300 posiada powierzchnię czołową 302 utworzoną przez elementy dielektryczne 20, 21,22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 i elementy przewodzące 11, 12, 13, 14, 15, 16,17, 18. Powierzchnia czołowa 302 jest tak zlokalizowana, że jest zwrócona w kierunku ruchomych pasów 8A, 8B i jest umieszczona pomiędzy elementem 91 o wysokim potencjale i elementem 90 o niskim potencjale, które w jednym przykładzie wykonania są uziemione.

Elementy przewodzące 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 i elementy 90 o niskim potencjale oraz 91 o wysokim potencjale są odpowiednio połączone, poprzez połączenia 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, z obwodem podziału napięcia. Elementy dielektryczne 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28 są podtrzymywane przez izolujące podpory mechaniczne 40 i polimerowy przylepiec zalewany 19, który mechanicznie łączy zespół w całość i elektrycznie chroni powierzchnię tylną 304 zespołu spadku napięcia 300 przed kontaktem z innymi podporami mechanicznymi (nie pokazanymi). Elementy przewodzące 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 są

180 257 połączone, poprzez połączenia 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, z obwodem spadku napięcia tak jak, na przykład, pokazano na fig. 4 i 5.

Obwód straty napięcia 400 (fig. 4) zawiera kilka elementów oporowych 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, które są połączone, jak pokazano, w szeregi, pomiędzy elementem 91 o wysokim potencjale, który jest połączony z obwodem w węźle 139, oraz elementem 90 o niskim potencjale, który jest połączony z obwodem w węźle 130. Elementy oporowe 50,51,52, 53, 54, 55, 56, 57, 58 dają sekwencyjną stratę napięcia od elementu 91 o wysokim potencjale do elementu 90 o niskim potencjale. W korzystnym przykładzie wykonania obwodu straty napięcia 400, elementy oporowe 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58 posiadają taką samą wielkość tak, że wysoki potencjał na elemencie 91 o wysokim potencjale jest równo podzielony w poprzek każdego z elementów oporowych 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58. Sekwencyjna strata ciśnienia w węzłach 131, 132, 133, 134, 135, 136, 137, 138, odpowiednio połączonych z połączeniami 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 zespołu spadku napięcia 300, powoduje stopniową zmianę napięcia od elementu 91 o wysokim potencjale do elementu 90 o niskim potencjale tak, aby zmniejszyć tendencję do iskrzenia pomiędzy dowolnymi elementami przewodzącymi.

Ten typ kontrolowanej straty ciśnienia został zastosowany w innych urządzeniach wysoko-napięciowych, takich jak generatory Van de Graafa, do ograniczania maksymalnego pola elektrycznego i zmniejszania iskrzenia pomiędzy różnymi składnikami wysokonapięciowymi. Taki zespół spadku napięcia 300 typowo zawiera elementy oporowe do wytwarzania kontrolowanego spadku napięcia i do dzielenia wysokiego napięcia. Ponadto, w systemach przesyłania wysokiego napięcia prądu przemiennego są często stosowane izolatory ceramiczne. Izolatory te posiadają typowo pofałdowaną powierzchnię i typowo dzielą napięcie od napięcia wysokiego do uziemienia w pojemnościowym mechanizmie straty napięcia. Jednak pojemnościowy mechanizm straty napięcia jest nieskuteczny dla prądu stałego. Korzystne urządzenie do podziału napięcia DC posiada więc wysoką impedancję przy normalnych warunkach pracy i niską impedancję dla napięć powyżej normalnych warunków pracy. Ta nieliniowa charakterystyka prądowo-napięciowa może być osiągnięta, na przykład, poprzez zastosowanie składników nieliniowych, takich jak różne waristory albo diody Zenera.

Obwód straty napięcia 500 (fig. 5) według innego przykładu wykonania niniejszego wynalazku, zawiera waristory 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79 i 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179 posiadające nieliniową krzywą prądowo-napięciową, w której prąd zwiększa się wykładniczo powyżej charakterystycznego napięcia „włączenia”. Na fig. 5 pierwszy łańcuch waristorów 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79 jest rozmieszczony naprzemiennie z odpowiednim szeregiem elementów oporowych 161, 162, 163, 164, 165, 166, 167, 168, 169. Dodatkowo, równolegle do pierwszego łańcucha jest umieszczony drugi łańcuch. Elementy oporowe 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69 i 161, 162, 163, 164, 165, 166, 167, 168, 169 zapewniają, że waristory 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79,171, 172, 173,174, 175, 176,177, 178, 179 dzielą każdy prąd przepływający w obwodzie pomiędzy węzłami 130 i 139.

Ponieważ waristory 71,72, 73, 74, 75,76,77, 78,79,171,172, 173, 174,175, 176,177, 178, 179 posiadają wykładniczy stosunek prądowo-napięciowy, prąd przepływający w nich jest czuły na napięcie występujące w poprzek elementu waristorowego. Dodatkowo, w rzeczywistości każdy element waristorowy jest nieco inny. Ponadto, wraz ze wzrostem temperatury waristora 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179, zwiększa się także prąd przepływający przy danym napięciu. Tak więc, możliwym powodem awarii w tym przykładzie wykonania obwodu straty napięcia 500 jest to, że jeden waristor 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179 będzie przewodził większy prąd niż inne, powodując wzrost temperatury tego waristora 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79,171,172, 173, 174, 175, 176, 177, 178,179 tak, że przewodzi on większy prąd, do czasu aż powstanie niestabilność cieplna i w rezultacie uszkodzenie. Tak więc, w celu zapobieżenia tej niestabilności cieplnej dowolnego konkretnego waristora 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179, są stosowane elementy oporowe 61,

180 257

62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69 i 161, 162, 163,164, 165,166,167,168,169 do doprowadzania punktu działania ich połączenia do podobnych warunków pracy.

W jednym przykładzie wykonania obwodu podziału napięcia według niniejszego wynalazku, dla elementów 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79 i 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179 stosowane sąwaristory przystosowane do rozpraszania jednego wata, co odpowiada napięciu około 1000 woltów przy prądzie o wielkości 1 miliampera. Tak więc, jeśli elementy oporowe 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69 o oporze 100000 omów są zastosowane, przy jednym miliamperze prądu, będzie miał miejsce spadek napięcia na każdym z nich wynoszący sto woltów. Dodatkowy opór każdego opornika stabilizuje punkt pracy obwodu straty napięcia 500 w taki sposób, że można połączyć równolegle wiele łańcuchów elementów waristorowych , w celu zwiększenia całkowitej obciążalności prądowej obwodu straty napięcia 500, jednocześnie utrzymując stabilne działanie.

W obwodzie straty napięcia 500 z fig. 5, napięcie jest stabilizowane przez waristory 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 171, 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178, 179 w punkcie pracy elementu waristorowego. Preferowany jest element waristorowy typu obwodu stablizujące napięcie, a nie system diody Zenera, ponieważ jest on składnikiem dwukierunkowym, w przeciwieństwie do diod Zenera, które są jednokierunkowe. Tak więc, waristory 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 171, 172, 173,174, 175, 176, 177, 178, 179 powodują ograniczenie różnicy potencjałów pomiędzy każdymi dwoma elementami przewodzącymi 11, 12,13,14,15,16, 17, 18 (fig. 3) przy każdej polaryzacji. Elementy waristorowe są także urządzeniami tańszymi i bardziej odpornymi przy wysokich mocach, oraz posiadają napięcia znamionowe, które są odpowiednie do stosowania w obwodach straty napięcia 400, 500.

Zastosowanie nieliniowych elementów pasywnych, takich jak elementy waristorowe, daje kilka dodatkowych korzyści. Na przykład, kiedy spadek napięcia na elemencie waristorowym jest mniejszy niż napięcie stabilizacji, przepływ prądu jest bardzo mały. Fig. 6 przedstawia typową charakterystykę V-I dla elementu waristorowego z utlenionego metalu S20K680 o nominalnym napięciu pracy AC 680 V rms. Jedną zaletą obwodu straty napięcia 500, z fig. 5, jest to, że ilość elementów powodujących spadek napięcia może być większa, bez ryzyka, że we wnętrzu łańcucha spadku napięcia może narosnąć wysoki potencjał. Tak więc, napięcie w całym łańuchu jest ograniczone* do napięcia zasilania, a napięcie maksymalne na dowolnej parze sąsiadujących elementów przewodzących 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 (fig. 3) jest ograniczone do napięcia stabilizacji. Rzeczywiste napięcie na dowolnej parze sąsiadujących elementów przewodzących 11; 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 jest wartością dynamiczną, która zależy od przewodności innych elementów na ścieżce szeregowej. Tak więc, jeśli na jednej parze sąsiadujących elementów przewodzących 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 częściowo przewodząca warstwa umożliwia przewodzenie kilku mikroamperów prądu, napięcie na tej parze przewodników będzie spadaćj do czasu aż prąd przepływający przez warstwę przewodzącą zrówna się z prądem ograniczonym przez inne waristory w szeregu.

Według niniejszego wynalazku, ograniczanie maksymalnej różnicy potencjałów pomiędzy sąsiadującymi elementami przewodzącymi 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 za pomocą zespołu spadku napięcia 300 daje kilka korzyści. Na przykład, ograniczanie gradientu pola na końcu ścieżki przewodzenia oddzielacza 100 (na przykład na końcach wzdłużnych oddzielacza 100) zmniejsza siłę dielektroforetyczną działającą na cząsteczki, którą wywiera na cząsteczki gradient pola elektrycznego. Siły te dążą do skupiania cząsteczek i tworzenia łańcuchów perłowych. Łańcuchy perłowe powstają, kiedy cząsteczki są przewodnikami i siły przyciągania przyciągają cząsteczki do siebie i tworzą łańcuch przewodzący. Aby stać się przewodnikiem, każda szczelina w łańcuchu musi posiadać spadek potencjału przynajmniej o wielkości potencjału zapłonowego dla powietrza, albo 327 woltów dla szczeliny o wielkości 7,5 mikrona. Tak więc, silne pole może przemieszczać cząsteczki i powodować zamknięcie tej szczeliny. Podobnie silne pole może zwiększyć obszar kontaktu i zmniejszyć oporność styku pomiędzy sąsiednimi cząsteczkami.

180 257

Na przykład, w jednym przykładzie wykonania niniejszego wynalazku okazało się, że dla oddzielania węgla z popiołu lotnego, napięcie maksymalne pomiędzy elementami przewodzącymi zespołu spadku 300 napięcia ograniczone do około 700 woltów jest wystarczające do zlikwidowania efektu zwarcia pola elektrycznego pomiędzy elektrodami. Minimalne napięcie wymagane do wzbudzenia iskry wynosi 327 woltów dla szczeliny o wielkości 7,5 mikrona. Tak więc, przy napięciu maksymalnym ograniczonym do 700 woltów, dwie takie szczeliny eliminują możliwość przewodzenia pomiędzy dwoma przewodnikami.

Tak więc, obwody straty napięcia 400, 500 z fig. 4-5, w połączeniu z zespołem spadku napięcia 300, stosowane są do ograniczania różnicy potencjału i stąd pola elektrycznego oraz gradientu pola elektrycznego w szczelinie powietrznej pomiędzy naprzeciwległymi elektrodami 9,10 elektrostatycznego oddzielacza 100 (fig. 2). W rejonach krawędzi wzdłużnych oddzielacza 100 pole elektryczne jest styczne do powierzchni krawędzi. W celu dalszego ograniczenia pola elektrycznego w szczelinie powietrznej i zmniejszenia efektu łańcucha perłowego, pożądane jest zastosowanie materiału o wysokiej stałej dielektrycznej tak, aby pole elektryczne wewnątrz szczeliny było jeszcze bardziej zredukowane. Tak więc, ukształtowanie przewodników o konkretnych potencjałach, otoczonych dielektrykami o konkretnych stałych dielektrycznych, powoduje rozkład przewodników i dielektryków, które mogą posiadać zasadniczy wpływ na otaczające pole elektryczne.

Ukształtowanie przewodników i izolatorów jest bardzo ważne. Równoległa płaska geometria oddzielacza 100 wymaga, aby wszystkie powierzchnie styku pomiędzy elektrodami wysokiego napięcia i stacjonarne mechaniczne ukształtowanie podtrzymujące były chronione przed iskrzeniem i przebiciami. Tak więc, w rozwiązaniu według fig. 2, wymaganie to jest niezbędne na przykład na krawędziach wzdłużnych elektrod 9, 10, na ich końcach sąsiadujących z punktami wyjściowymi 4, 7, w punkcie wlotowym 3, w którym substancja jest wprowadzana przez szczelinę w elektrodzie, oraz we wszystkich oddalonych od siebie miejscach ładowania, rozładowywania w elektodach 9,10.

Tendencja do przebić jest różna na różnych krawędziach powierzchni elektrod 9, 10 oraz zależy także od oddzielanego materiału i koncentracji powstałej w oddzielaczu 100. W przypadku popiołu lotnego, koniec o niskiej zawartości węgla posiada typowo mniej niż 3% węgla i istnieje tu mniejsza tendencja do iskrzenia i powstawania zwarć. Na końcu o wysokiej zawartości węgla zawartość węgla może przewyższać 50% węgla tak, że tendencja do powstawania zwarć jest bardzo silna. Wzdłuż krawędzi oddzielacza 100 mają miejsce ciągłe zmiany od wartości niskiej do wartości wysokiej. Tak więc, w zależności od zastosowania, należy zwrócić uwagę na fakt, że różne krawędzie oddzielacza 100 mogą posiadać różne ukształtowania, w celu uproszczenia konstrukcji oddzielacza 100 w obszarach, w których nie jest wymagany wysoki stopień zabezpieczenia.

Niniejszy wynalazek jest użyteczny przy oddzielaniu wielu mieszanin, które zawierają cząsteczki przewodzące. Przykłady takich materiałów obejmują popiół lotny z cząsteczkami przewodzącymi węgla, opiłki ścierne pochodzące z operacji wykańczania metali, zawierające cząsteczki metali, żużel zawierający metal i odpady z operacji pirometalurgicznych, rudy grafitowe, rudy siarczków metalicznych, żużel zawierający krzem, węgiel, który może zawierać cząsteczki węgla drzewnego i siarczki metali, antracyt, który sam może być przewodnikiem, węgiel zawierający odpady, piaski mineralne i węglik krzemu.

Materiał izolacyjny powinien posiadać wysoką stałą dielektryczną, dobrą elektryczną oporność śledzenia, odporność na ścieranie, oraz powinien być wymiarowo stabilny w oddzielaczu 100. Jednym przykładem materiału, który jest odpowiedni, jest spiekany polikrystaliczny tlenek glinowy. Materiał ten jest bardzo twardy, bardzo odporny na ścieranie, oraz jest dobrym izolatorem, także w wysokich temperaturach, i jest łatwo dostępny. Jednak mogą być stosowane także inne materiały ceramiczne, takie jak mulit, spinel, kwarc, szafir, porcelana, szkło, albo inne materiały o wysokiej stałej dielektrycznej, takie jak tytanian barowy. W pewnych zastosowaniach mogą byc stosowane materiały polimerowe, przy czym są to zastosowania, w których zredukowano iskrzenia i nie ma miejsca erozja iskrowa. Ponadto, kiedy ścieranie nie jest zbyt silne, mogą być stosowane także materiały polimerowe odporne na ścieranie, takie jak polietylen o bardzo wysokiej masie cząsteczkowej, uretany, albo PTFE.

Ponadto należy docenić, że wybór materiałów przewodzących jest o wiele szerszy. Wymagania dotyczące zdolności do przewodzenia prądu są niewielkie tak, że materiał nie musi być dobrym przewodnikiem. Ponadto, erozja materiału przewodzącego jest mniejszym problemem, kiedy jest on otoczony materiałem izolacyjnym, takim jak, na przykład, twardy tlenek glinowy. Przewodniki mogą być wybrane spośród metali, albo z przewodzących tworzyw sztucznych. Stosowane były oba typy systemów i oba z dobrym rezultatem.

Według fig. 7A i 7B, jeden przykład wykonania zespołu spadku napięcia 276 według niniejszego wynalazku zawiera przewodzące tworzywo sztuczne 272 wyciskane współbieżnie z izolującym tworzywem sztucznym 274, tworząc z nim kompozyt. Kompozyt może być wyciskany przy niskich kosztach i, na przykład, pomiędzy sąsiadującymi przewodzącymi fragmentami tworzywa sztucznego 272 mogą być wklejone na stałe izolujące fragmenty 278 tlenku glinowego, w ten sposób kształtując trwałą powierzchnię czołową 290, zapobiegającą śledzeniu elektrycznemu.

Według fig. 8, przedstawiona jest na niej płytka drukowana 80, zawierająca obwód podziału napięcia posiadający kilka łączników 82. Płytka drukowana 80 obwodu podziału napięcia może być przymocowana, wraz z łącznikami 82, do tyłu 92 wyciśniętej części 276, a cały zespół może być zamknięty w szczelnej obudowie, nie pokazanej, w celu ochrony składników przed pyłowym środowiskiem wewnątrz oddzielacza.

Zespół spadku napięcia jest dość skuteczny w zapobieganiu iskrzeniu i przebiciom napięcia śledzenia podczas działania pełnowymiarowego oddzielacza 100 typu pasowego podczas oddzielania węgla z popiołu lotnego. Oddzielacz 100 zawierający te składniki działał przez długi czas wytwarzając strumień o wysokiej zawartości węgla, przewyższającej 50% wagowych. Jest to bardzo wysoka zawartość objętościowa materiału przewodzącego i oddzielacz, przy takim stężeniu, bez elementów 76 zespołu spadku napięcia, bardzo szybko by się zużył.

Claims (13)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób oddzielania elektrostatycznego składników mieszaniny różnych cząstek, w którym wprowadza się mieszaninę pomiędzy dwie przeciwległe elektrody, wytwarza się pole elektryczne pomiędzy przeciwległymi powierzchniami przeciwległych elektrod, oddziela się składniki od siebie w kierunku pola elektrycznego zgodnie ze znakiem ładunku każdego z tych składników, składniki o podobnych ładunkach netto przemieszcza się mechanicznie w przynajmniej dwóch strumieniach, każdy o różnym ładunku netto, w pobliżu siebie nawzajem, poprzecznie do pola elektrycznego, przy czym co najmniej dwa strumienie utrzymuje się w łączności równolegle do pola elektrycznego i podczas przemieszczania tych strumieni poprzecznie do pola elektrycznego przesyła się co najmniej część jednego ze składników z jednego strumienia do drugiego i usuwa się rozdzielone składniki z przestrzeni pomiędzy przeciwległymi elektrodami, znamienny tym, że stopniuje się potencjały pola elektrycznego pomiędzy przeciwległymi powierzchniami elektrod (9,10).
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się maksymalną różnicę potencjałów pola elektrycznego mniejszą niż około 1000 woltów.
3. 3. Urządzenie do oddzielania elektrostatycznego składników mieszaniny różnych cząstek zawierające dwie przeciwległe elektrody, pomiędzy którymi jest umieszczony co najmniej jeden pas podtrzymywany pomiędzy co najmniej dwiema podporami, znamienne tym, że co najmniej jedna elektroda (9,10) jest ograniczona co najmniej jednym zespołem spadku napięcia (300), zawierającym ułożone naprzemiennie elementy przewodzące (11,12,13,14, 15,16,17, 18) i elementy dielektryczne (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28), przy czym elementy przewodzące (11,12,13,14,15,16,17,18) są połączone elektrycznie z węzłami (131, 132,133,134,135,136,137,138) obwodu straty napięcia (400,500).
4. 4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że zespół spadku napięcia (300) zawiera płytkę drukowaną (80).
5. 5. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że obwód straty napięcia (400, 500) zawiera waristory (71,72,73,74,75,76,77,78,79,171,172,173,174,175,176,177,178,179).
6. 6. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że obwód straty napięcia (400, 500) zawiera elementy oporowe (61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69,161,162, 163,164, 165,166, 167,168,169).
7. 7. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że obwód straty napięcia (400, 500) zawiera kompozyt z wyciskanego tworzywa sztucznego, zawierający rejony przewodzące i nieprzewodzące tworzywa sztucznego i nieprzewodzące elementy dielektryczne (20, 21, 22, 23, 24,25,26,27,28).
8. 8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że nieprzewodzące elementy dielektryczne (20,21,22, 23, 24,25,26,27, 28) zostały wybrane z listy obejmującej tlenek glinu, szafir, kordieryt, mulit, porcelanę, szkło, polietylen o ultra-wysokiej masie cząsteczkowej, PTFE, poliester.
9. 9. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że obwód straty napięcia (400, 500) zawiera wiele nieliniowych elementów prądowo-napięciowych.
10. 10. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że wzdłużne boki co najmniej jednej elektrody (9,10) są ograniczone zespołem spadku napięcia (300).
11. 11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że poprzeczne boki co najmniej jednej elektrody (9,10) są ograniczone zespołem spadku napięcia (300).
12. 12. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że zespół spadku napięcia (300) jest wielokrotny, z których każdy ogranicza wzdłużne boki co najmniej jednej elektrody (9,10).
13. 13. Urządzenie do oddzielania elektrostatycznego składników mieszaniny różnych cząstek zawierające dwie przeciwległe elektrody, pomiędzy którymi jest umieszczony co najmniej jeden

    180 257 pas podtrzymywany pomiędzy co najmniej dwiema podporami, znamienne tym, że co najmniej jedna elektroda (9,10) jest ograniczona co najmniej jednym zespołem spadku napięcia (300) zawierającym ułożone naprzemiennie elementy przewodzące (11,12,13,14,15,16,17,18) i elementy dielektryczne (20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28), przy czym elementy przewodzące (11,12,13,14,15,16,17,18) są połączone elektrycznie z węzłami (131,132,133, 134,135,136,137,138) obwodu straty napięcia (400,500), a podporami są rolki.