Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tĩnh điện cao áp trong công nghệ tách các phần tử có điện dẫn khác nhau tt

Tính cấp thiết của đề tài Công nghệ phân tách các phần tử ứng dụng kỹ thuật tĩnh điện cao áp là một trong những khâu công nghệ quan trọng đối với ngành khai thác khoáng sản, đặc biệt là

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ phân tách các phần tử ứng dụng kỹ thuật tĩnh điện cao áp là một trong những khâu công nghệ quan trọng đối với ngành khai thác khoáng sản, đặc biệt là khai thác các thành phần Imenite và Zircon có trong sa khoáng tại Việt Nam Tuy nhiên tại Việt Nam vẫn còn chưa đầu tư cho công nghệ và trang thiết bị đúng mức cần thiết [2,8,9], cụ thể là các nghiên cứu ứng dụng, làm chủ công nghệ và chế tạo thiết bị phù hợp với điều kiện khai thác của Việt Nam, mặc dù chúng ta có nguồn quặng khá phong phú và chất lượng tốt

Thủ tướng Chính phủ cũng có chỉ thị số 02/CT-TTg, trong đó nêu rõ từ 1/7/2012 “không cho phép xuất khẩu quặng titan (thô) chưa qua chế biến dưới mọi hình thức” Do đó hiện nay việc ứng dụng công nghệ để nâng cao chất lượng khoáng sản xuất khẩu là bắt buộc

và hết sức cần thiết [4]

Công nghệ phân tách ứng dụng kỹ thuật điện cao áp còn được

áp dụng hiệu quả trong lĩnh vực xử lý chất thải điện tử [6,8] Các giải pháp đồng bộ cả về kỹ thuật, kinh tế và quản lý là hết sức cấp bách nhằm bảo vệ môi trường và thu hồi tái sử dụng các tài nguyên quý hiếm trong chất thải điện tử

Hướng nghiên cứu công nghệ, tính toán mô phỏng và thiết kế chế tạo hệ thống thiết bị ứng dụng kỹ thuật cao áp tĩnh điện trong công nghệ tuyển khoáng và làm giàu đồng thời với công nghệ xử lý chất thải điện tử nhằm tiến tới làm chủ công nghệ là hướng nghiên cứu phù hợp và việc lựa chọn luận án “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật điện cao áp tĩnh điện trong công nghệ tách các phần tử có tính chất về điện dẫn khác nhau” là cần thiết và có ý nghĩa quan trọng đối với các công ty khai thác khoáng sản, công ty môi trường

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu các nội dung liên quan đến tối ưu hóa công nghệ cao áp tĩnh điện ứng dụng cho phân tách các phần tử có tính chất khác nhau về điện, cụ thể là:

- Phân tích và đánh giá các yêu cầu đối với các công nghệ phân tách hạt khác nhau, trong đó có công nghệ phân tách tĩnh điện trong điều kiện thực tế tại các mỏ sa khoáng của Việt Nam

- Đánh giá đặc trưng của các thành phần có trong mẫu sa khoáng titan tại các mỏ của Việt Nam hiện nay So sánh với đặc trưng của quặng titans đã được khai thác trên thế giới Mô phỏng kích thước tương đương của các hạt thành phần điển hình và phân tích khả năng nhiễm điện của các thành phần đó, từ đó đánh giá khả năng phân tách và các yêu cầu kỹ thuật tương ứng

- Mô phỏng thiết kế của thiết bị phân tách, phân tích quá trình hoạt động của điện trường để đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới quỹ đạo chuyển động của các hạt cũng như vị trí kết thúc quỹ đạo bay của mỗi thành phần có trong các mẫu quặng khác nhau

- Xây dựng và vận hành thiết bị cụ thể có khả năng điều chỉnh các thông số phù hợp cho thực nghiệm vật lý trên các mẫu quặng thực tế

- Đánh giá hiệu suất phân tách quặng và tối ưu thông số thiết kế cũng như vận hành của thiết bị phân tách dựa trên mô phỏng và thực nghiệm tương ứng, trên cơ sở các mẫu quặng thực tế

- Đề xuất công nghệ và mô hình thiết bị phù hợp với điều kiện Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là công nghệ và mô hình thiết

bị ứng dụng kỹ thuật điện cao áp trong lĩnh vực tách các phần tử có tính chất về điện khác nhau:

- Lĩnh vực khai thác khoáng sản với các thành phần hạt là là điện dẫn (Ilmenite) và điện môi (Zircon) có trong sa khoáng titan tại các mỏ thực tế đang vận hành tại Việt Nam

- Lĩnh vực xử lý chất thải điện tử với các thành phần cần phân tách là kim loại và phi kim có trong chất thải điện tử sau khi đã được nghiền nhỏ

Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung cho hai nội dung ứng dụng bao gồm:

- Ứng dụng điện trường cao áp tĩnh điện trong thiết bị tuyển và làm giàu khoáng sản Việt Nam

- Ứng dụng điện trường cao áp tĩnh điện trong thiết bị tách kim loại và phi kim trong công nghệ xử lý chất thải điện tử

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sử dụng kết hợp nhiều cách tiếp cận:

− Sử dụng phân tích tổng quan để tìm hướng phát triển của nghiên cứu

− Sử dụng các cơ sở lý thuyết để phân tích mô phỏng mô hình thiết bị

− Thử nghiệm kiểm chứng tính hiệu quả của đề xuất mô hình tối

ưu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

▪ Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện mô

hình thiết bị, nâng cao hiệu quả trong lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật điên cao áp Đối với các đơn vị liên quan như Tổng công

ty khai thác khoáng sản, công ty môi trường các kết quả nghiên cứu và đề xuất của luận án sẽ giúp các đơn vị này làm chủ công nghệ và có thể tự chế tạo thiết bị, giảm đáng kể ngoại tệ để nhập thiết bị từ nước ngoài

▪ Ý nghĩa thực tiễn:

- Nội dung của luận án đã tập trung nghiên cứu công nghệ , thiết

kế chế tạo và thử nghiệm với các đối tượng và điều kiện của Việt Nam Luận án đã đạt được một số kết quả nghiên cứu có thể được tóm lược như sau:

- Đề xuất được việc lựa chọn công nghệ phù hợp với điều kiện Việt Nam Phân tích ưu nhược điểm của từng công nghệ Thu thập đo đạc các thông số liên quan của một số mẫu cụ thể phục

vụ quá trình nghiên cứu của Việt Nam

- Các kết quả thu được ý nghĩa thực tế quan trọng giúp cho việc khẳng định công nghệ phù hợp do trước đây chưa có các nghiên cứu và số liệu cụ thể.Thực tế vận hành tại các cơ sở sản xuất

thường theo quy trình định sẵn không thay đổi với các đối tượng khác nhau

- Đánh giá phân tích các ảnh hưởng đến hiệu suất thiết bị Các kết quả thử nghiệm với các đối tượng đa dạng về đặc tính cơ điện, các thông số kỹ thuật của thiết bị đã góp phần giải thích rõ hơn các hiện tượng xảy ra trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết

- Đề xuất mô hình thiết bị phù hợp với các thông số cụ thể về hình dạng kích thước, vật liệu chế tạo Đưa ra các thông số kỹ thuật tối ưu cho mô hình thiết bị

1 CÔNG NGHỆ PHÂN TÁCH TĨNH ĐIỆN

1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Các nghiên cứu trong nước liên quan tới ứng dụng kỹ thuật điện cao áp chủ yếu tập trung giới thiệu mô hình còn nghiên cứu công nghệ được công bố còn khá ít và tập trung theo sự khác biệt về đặc tính (trọng lượng riêng, từ tính, tĩnh điện, thành phần hóa học [2,9,19,22,26,37] trong lĩnh vực khai thác khoáng sản Trong đó việc phân tách các thành phần khác nhau sử dụng công nghệ cao áp tĩnh điện là một khâu quan trọng trong toàn bộ chu trình phân tách công nghiệp, vốn bao gồm nhiều công đoạn sử dụng các công nghệ nói trên

Trong việc áp dụng mô hình ứng dụng kỹ thuật điện cao áp có rất ít các nghiên cứu so sánh ưu nhược điểm của các mô hình, nguyên nhân do các công ty hiện tại hầu như chỉ nhập duy nhất một kiểu mô hình Cho đến nay, chưa thấy có nghiên cứu nào được công

bố trong nước liên quan đến vấn đề phân tách hạt sử dụng công nghệ tuyển tĩnh điện

Việc áp dụng công nghệ và mô hình trong lĩnh vực xử lý chất thải điện tử là hoàn toàn mới mẻ với Việt Nam do gần đây mới xuất hiện khái niệm chất thải điện tử, việc thu hồi và xử lý chủ yếu theo công nghệ thủ công đơn giản như tháo dỡ, chôn lấp Mặt khác chưa

có chính sách hỗ trợ nghiên cứu và triển khai công nghệ xử lý nên hầu như chưa có công trình nào nghiên cứu áp dụng

1.2.Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Phần tổng quan về nghiên cứu ngoài nước sẽ tập trung phân tích các hướng nghiên cứu dựa trên chi tiết các công nghệ và mô hình thiết bị áp dụng, đã được công bố có liên quan tới nội dung nghiên cứu của luận án

1.2.1 Nguyên lý phân tách các phần tử và các công nghệ ứng dụng

Cho đến nay trong những giai đoạn khác nhau, tại nhiều quốc gia trên thế giới đã có những nghiên cứu và thử nghiệm các kỹ thuật

sử dụng công nghệ cao áp tĩnh điện nhằm tách và phân loại các phần

tử hoặc vật liệu có đặc tính khác nhau về điện, [2-7] Kết quả của các nghiên cứu đó đã khẳng định tiềm năng của việc ứng dụng công nghệ phân tách này, đặc biệc là trong lĩnh vực khai khoáng [8]

Một trong những hướng nghiên cứu chính hiện nay tập trung chủ yếu vào việc mô phỏng, tính toán điện trường và tính toán phân tích quỹ đạo bay tối ưu của các phần tử trong môi trường thiết bị [2,3,12,13] Khi nghiên cứu quỹ đạo bay của các phần tử cần tách này, có thể thấy rằng lực tác động lên chúng chịu ảnh hưởng của các yếu tố chủ yếu là cấu trúc và cường độ điện trường được thiết bị tạo

ra Do vậy việc đảm bảo thiết kế tối ưu cho thiết bị và điều chỉnh cường độ điện trường đạt đến trị số phù hợp với từng loại hạt đóng vai trò quan trọng đối với hiệu quả làm việc của thiết bị

• Công nghệ tách dựa trên cơ sở sự khác biệt về trị số điện dẫn

Các sa khoáng trong tự nhiên rất đa dạng về hình dạng, kích thước, tính chất vật lý, hóa học [2,4,34,48] Đặc biệt khoáng sản quý như Ilmenite và zircon là hai loại khoáng sản có trữ lượng rất lớn ở ven biển miền Trung Việt Nam Nhu cầu về hai loại khoáng sản này trong nước và quốc tế rất lớn Đồng thời hai loại khoáng sản này lại

có tính chất về điện trái ngược nhau nên việc áp dụng công nghệ tách theo trị số điện dẫn là rất phù hợp

• Công nghệ dựa trên nguyên lý ma sát điện:

- Nguyên lý tách dựa trên hiệu ứng tích điện tích do ma sát giữa các phần tử khi chuyển động

- Khi chuyển động các phần tử sẽ tiếp xúc với nhau và trên bề mặt của chúng sẽ xuất hiện điện tích trái dấu có trị số tương đối nhỏ, nếu quá trình này được lặp lại nhiều lần trị số điện tích trên

bề mặt sẽ tăng lên

• Công nghệ tách dựa trên sự khác biệt về độ thấm điện môi

Cơ sở để tách là sự khác biệt về độ thấm điện môi, trong đó:

- Quá trình tách diễn ra trong môi trường chất lỏng

- Các phần tử cần tách sẽ chuyển động trong chất lỏng có độ thấm điện môi được chọn phù hợp và trong điện trường

- Các phần tử có độ thấm điện môi lớn sẽ dịch chuyển về phía điện trường có trị số lớn còn các phần tử có độ thấm điện môi nhỏ sẽ chuyển về phía ngược lại

1.2.2 Các mô hình thiết bị hiện có trong và ngoài nước

Hiện nay trong công nghiệp phổ biến 3 loại mô hình thiết bị ứng dụng kỹ thuật điện cao áp để tuyển và làm giàu khoáng sản có cấu tạo và nguyên lý hoạt động khác nhau (theo [16,18])

1.2.2.1.Thiết bị tuyển quặng kiểu trục quay hình trụ

Nguyên lý hoạt động và thiết bị thực tế được mô tả trên hình 1.1

1 2 4

5

6 7

9 8

Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động và thiết bị kiểu trục quay

Với những ưu điểm vượt trội của mô hình thiết bị tách dùng máng nghiêng như hiệu suất cao, chi phí năng lượng thấp, cấu trúc đơn giản và đặc biệt chưa được nghiên cứu trong nước nên việc nghiên cứu mô hình, mô phỏng bằng phần mềm, sản xuất chế tạo và thử nghiệm để tối ưu là rất cần thiết

Luận án đề xuất hướng nghiên cứu công nghệ tách theo trị số điện dẫn áp dụng với đối tượng của Việt Nam với điều kiện môi trường trong nước

Trong các nội dung tiếp theo của luận án, mô hình vật lý của thiết bị sẽ được thiết kế và chế tạo, đồng thời tiến hành các hoạt động thực nghiệm để khẳng định hiệu quả cũng như tiềm năng của mô hình này ứng dụng trong lĩnh vực tuyển và làm giàu khoáng sản Việt Nam cũng như mở rộng với lĩnh vực tương đối mới là tách chất thải điện tử

2 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH CÁC MẪU

PHÂN TÁCH 2.1 Đặt vấn đề

Quá trình tách các phần tử có điện dẫn khác nhau trong điện trường có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất Việc xác định chính xác các yếu tố này là rất cần thiết Cơ sở lý thuyết giúp định hình đối tượng, quá trình và hiện tượng cho việc nghiên cứu Kết quả nghiên cứu lý thuyết làm cơ sở cho việc giải quyết một số hiện tượng vật lý ảnh hưởng Quá trình thực nghiệm trên mô hình thực được thiết kế chế tạo trên cơ sở lý thuyết và lựa chọn cụ thể Thực nghiệm giúp kiểm chứng chính xác hơn các quá trình xảy ra Kết quả thực nghiệm với các thông số kỹ thuật khác nhau được thay đổi khẳng định ảnh hưởng của các yếu tố của bản thân đối tượng cũng như các yếu tố vật lý khác

2.2 Phát triển mô hình thử nghiệm của thiết bị phân tách tĩnh điện

Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của các mô hình thiết bị đã nêu ở chương 1, việc chọn lựa mô hình thiết bị phục vụ thử nghiệm

có vai trò rất quan trọng Mô hình phải đáp ứng những yêu cầu sau:

- Quá trình tách bằng mô hình thiết bị phản ánh đúng như vận hành thực tế;

- Cấu trúc mô hình đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật cần thiết cho thử nghiệm;

- Cấu tạo đơn giản có thể chế tạo trong nước, dễ dàng thay đổi thông

số khi thử nghiệm,đảm bảo an toàn cho người thử nghiệm;

2.2.1 Tính toán lựa chọn hình dạng kích thước điện cực

2.2.1.1 Lựa chọn vật liệu chế tạo điện cực

- Do khí hậu Việt Nam có độ ẩm cao nên vật liệu làm điện không bị

ăn mòn, gỉ gây ra biến dạng điện cực

- Cách điện phải đảm bảo không gây ra phóng điện

- Điện áp đặt lên các cực trong các trường hợp bằng nhau

- Góc nghiêng của máng bằng nhau

Các thử thử nghiệm đã được tiến hành với kích thước của điện cực bao gồm:

mô phỏng và thử nghiệm cho thấy điện cực trên có hình rẻ quạt và

điện cực dưới có dạng hình trụ sẽ cho hiệu suất tách của thiết bị lớn nhất

Mô hình điện cực trên của thiết bị trên hình 2.6

R=15

200

Hình 2.6 Hình dạng điện cực trên trong mô hình vật lý của thiết bị

(a Mặt cắt ngang; b Mặt cắt trên)

Trên cơ sở các phân tích tính toán, lựa chọn và mô phỏng tác giả

đã đưa ra mô hình thiết bị phục vụ cho thử nghiệm như trên hình 2.12

Hình 2.11.Mô hình vật lý của thiết bị thử nghiệm

2.3 Quy trình thực nghiệm đo kích thước và khả năng tích điện 2.3.1 Thu thập và xử lý mẫu

Có hai loại mẫu phân tách được thu thập và đưa ra thử nghiệm, bao gồm: sa khoáng titan lấy từ các mỏ ở miền Trung Việt Nam và chất thải điện tử sau khi xử lý Với mỗi loại mẫu cần phân tách, luận

án thực hiện một quy trình thu thập và xử lý mẫu tương ứng, kèm theo là các kịch bản với thông số xử lý cụ thể

Quá trình thu thập thực hiện đối với sa khoáng mẫu thử nghiệm tại các mỏ ở miền Trung Việt Nam

Đối với chất thải điện tử có chứa thành phần kim loại (dẫn điện) và phi kim (cách điện) cần tiến hành cắt nhỏ, nghiền và dùng thiết bị phân chia kích thước phục vụ cho các kịch bản thử nghiệm sau này

2.3.2 Đo và mô phỏng kích thước tương đương của phần tử

Trong thực tế các hạt khoáng sản có hình dạng rất đa dạng, để thuận tiện cho tính toán và mô phỏng người ta thường quy về hình cầu, hình elip hoặc bán elip [2,3] Bằng thiết bị chuyên dụng và phương pháp quy hình dạng các hạt về dạng hình cầu có thể tính được bán kính tương đương của các hạt theo công thức sau [2,3,4]:

30,62

td

Kết quả đo trung bình của mẫu sa khoáng từ các mẫu thu thập

có dạng như sau (xem hình 2.13):

Hình 2.13.Phân bố kích thước trung bình của hạt sa khoáng

Từ kết quả đo đạc và tính toán nói trên có thể rút ra kết luận sơ bộ: bán kính tương đương của các hạt khoáng sản tại mỏ Cẩm hòa dao động trong khoảng từ 70 đến 2000μm Kích thước này rất phù

hợp với việc dùng thiết bị kiểu máng nghiêng và cho hiệu suất tách cao

2.3.3 Đo khả năng tích điện tích:

Để đo được khả năng tích điện của các phần tử người ta thường dùng có hai phương pháp sau (theo [13,14]):

2.3.3.1 Phương pháp đo điện tích từng phần tử:

V

q x

Hình 2.14 Sơ đồ đo điện tích hạt khi biết trị số điện trở R

Nhược điểm của phương pháp này là cần phải có các thiết bị đo với độ nhậy cao, nên việc đo đạc bằng phương pháp này dễ gây ra sai

số lớn

2.3.3.2 Phương pháp đo điện tích trung bình

Phương pháp này dựa trên cơ sở đo trị số điện áp xuất hiện trên

hệ thống cảm biến điện dung do sự tích điện của phần tử và trọng lượng của chúng