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

7 MỞ ĐẦU 0.1 Lý do chọn đề tài Công nghệ phân tách các hạt sa khoáng ứng dụng kỹ thuật cao áp tĩnh điện là một trong những khâu công nghệ quan trọng đối với ngành khai thác khoáng sản,

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

Hà Nội – 2018

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này

là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực

Hà Nội, ngày 21 tháng 8 năm 2018

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

PGS.TS Nguyễn Đình Thắng

NGHIÊN CỨU SINH

Đinh Quốc Trí

LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp, PGS.TS Nguyễn Đình Thắng đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu và đã giành thời gian và tâm huyết cũng như tạo điều kiện mọi mặt để tác giả hoàn thành luận án

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Điện và Bộ môn Hệ thống Điện tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu Chân thành cảm ơn các Giảng viên và cán bộ Bộ môn Hệ thống điện, đã hỗ trợ tận tình giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án

Cuối cùng, tác giả thực sự cảm động và từ đáy lòng mình xin bày tỏ lòng biết

ơn đến người mẹ, người vợ yêu quý cùng các con thân yêu cùng nội ngoại hai bên của tôi đã luôn ở bên tác giả những lúc khó khăn nhất, những lúc mệt mỏi nhất, để động viên, để hỗ trợ về tài chính và tinh thần, giúp tác giả có thể đứng vững trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện bản luận án này

Tác giả luận án

Đinh Quốc Trí

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC HÌNH 5

MỞ ĐẦU 7

0.1 Lý do chọn đề tài 7

0.2 Mục đích nghiên cứu 10

0.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11

0.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 12

0.5 Cấu trúc của luận án 13

CHƯƠNG I CÔNG NGHỆ PHÂN TÁCH TĨNH ĐIỆN 15

1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 15

1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 15

1.2.1 Nguyên lý phân tách các phần tử và các công nghệ ứng dụng 15

1.2.2 Các dạng cấu trúc thiết bị hiện có trong và ngoài nước 19

1.3 Kết luận chương 1 24

CHƯƠNG II PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH CÁC MẪU PHÂN TÁCH 25

2.1 Đặt vấn đề 25

2.2.Phát triển mô hình thử nghiệm của thiết bị phân tách tĩnh điện 27

2.2.1 Tính toán lựa chọn hình dạng kích thước điện cực 27

2.2.1.1 Lựa chọn vật liệu chế tạo điện cực 27

2.2.1.2 Lựa chọn hình dạng điện cực 28

2.3 Quy trình thực nghiệm đo kích thước và khả năng tích điện 36

2.3.1 Thu thập và xử lý mẫu 36

2.3.2 Đo và mô phỏng kích thước tương đương của phần tử 37

So sánh với mẫu quặng của Việt Nam có thể thấy các mẫu quặng của nước ngoài có sự khác biệt với mẫu quặng của Việt Nam về kích thước và hàm lượng tinh quặng 38

2.3.3 Đo khả năng tích điện tích 38

2.3.4 Kết quả: 41

2

2.3.5.Nhận xét 42

2.4 Kết luận chương 2 43

CHƯƠNG III QUỸ ĐẠO CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC PHẦN TỬ TRONG MÔI TRƯỜNG PHÂN TÁCH 44

3.1 Phân tích các lực tác động lên các phần tử trong điện trường 44

3.1.1 Các lực tác động lên phần tử mô phỏng 45

3.1.2 Phân tích sự tác dụng của các lực lên phần tử 47

3.1.3 Một số nhận xét và đánh giá 47

3.2 Xác định quỹ đạo bay của các phần tử trong môi trường thiết bị 48

3.2.1 Ý nghĩa của việc xác định quỹ đạo bay của các phần tử 49

3.2.2 Hình ảnh quỹ đạo bay của các phần tử cần phân tách 50

3.2.3 Vai trò chuyển động của các phần tử trong nguyên lý phân tách tĩnh điện 52

3.3 Quá trình tích điện của các phần tử cần phân tách 54

3.3.1 Tích điện bằng phương pháp vầng quang 54

3.3.2 Tích điện do cảm ứng 56

3.3.3 Tích điện do ma sát 57

3.4 Kết quả mô phỏng quỹ đạo bay 58

3.5.Kết luận chương 3 60

CHƯƠNG IV TỐI ƯU HÓA HIỆU SUẤT CỦA THIẾT BỊ PHÂN TÁCH TĨNH ĐIỆN 61

4.1 Mô phỏng phân bố điện trường trong thiết bị phân tách 61

4.1.1 Các phương pháp tính toán điện trường 61

4.1.2 Phần mềm mô phỏng COMSOL 73

4.1.3 Kết quả mô phỏng điện trường trong thiết bị trên phần mềm Comsol 77

4.1.4 Nhận xét kết quả mô phỏng 82

4.2 Quy trình thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến hiệu suất phân tách của thiết bị 83

4.2.1 Thực nghiệm phân tách khi chưa có điện trường 85

4.2.2 Thực nghiệm phân tách khi có ảnh hưởng của điện áp 87

4.2.3 Thực nghiệm phân tách khi có ảnh hưởng của nhiệt độ sấy 88

4.2.4 Hiệu suất tách với Zircon 89

4.2.5 Hiệu suất tách với Ilmenite 90

4.2.6 Nhận xét kết quả thực nghiệm 90

3

4.3 Kết luận chương 4 91

KẾT LUẬN CHUNG 92

I Các kết quả đã đạt được 92

II Một số kết luận mới liên quan đến vấn đề nghiên cứu 93

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

PHỤ LỤC 106

4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

COMSOL Phần mềm mô phỏng phân bố điện trường

5

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động và thiết bị kiểu trục quay 20

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động và thiết bị kiểu dùng hai điện cực phẳng 22

Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động và thiết bị kiểu máng nghiêng 23

Hình 2.1 Phân bố khối lượng hạt theo thứ tự khay hứng sản phẩm, đường kính dây dẫn 0,5mm 28

Hình 2.2 Phân bố khối lượng hạt theo thứ tự khay hứng sản phẩm, đường kính dây dẫn 1,0mm 29

Hình 2.3 Phân bố khối lượng hạt theo thứ tự khay hứng sản phẩm, đường kính dây dẫn 1,5mm 29

Hình 2.4 Phân bố khối lượng hạt theo thứ tự khay hứng sản phẩm, dây dẫn hình trụ đường kính 5mm 30

Hình 2.5 Phân bố khối lượng hạt theo thứ tự khay hứng sản phẩm, sử dụng điện cực hình rẻ quạt 30

Hình 2.6 Hình dạng điện cực trên trong mô hình vật lý của thiết bị 32

Hình 2.7 Hình dạng điện cực dưới trong mô hình vật lý của thiết bị 32

Hình 2.8 Mô hình vật lý của thiết bị thử nghiệm 35

Hình 2.9 Thiết kế của tủ đo lường, điều khiển và bảo vệ 36

Hình 2.10 Phân bố kích thước trung bình của hạt sa khoáng 37

Hình 2.11 Sơ đồ đo điện tích hạt khi biết trị số điện trở R 38

Hình 2.13 Mô hình nguyên lý đo điện tích 40

Hình 2.14 Kết quả đo điện tích của hạt sa khoáng 42

Hình 2.15 Khả năng nhiễm điện trái dấu của các thành phần Ilmenite và Zircon 42

Hình 3.1 Lực tác dụng lên các phần tử trong thiết bị tách sử dụng máng nghiêng 44

Hình 3.2 Thiết bị phân tách để chụp quỹ đạo bay 49

Hình 3.3 Khi chưa có điện áp đặt lên điện cực 51

Hình 3.4 Khi có điện áp đặt lên điện cực 51

Hình 3.5 Mô hình nguyên lý thiết bị phân tách tĩnh điện sử dụng máng nghiêng 52

Hình 3.6 Khi chưa có điện áp 58

Hình 3.7 Điện áp đặt lên điện cực 10 kV 59

Hình 3.8 Điện áp đặt lên điện cực 20 kV 59

Hình 3.9 Điện áp đặt lên điện cực 30 kV 59

6

Hình 4.1.Chia miền mô hình theo phương pháp sai phân hữu hạn 63

Hình 4.2 Giới hạn trường của miền A trong mặt phẳng 2 chiều 68

Hình 4.3 Mô hình phần tử hữu hạn hình tam giác 69

Hình 4.4 Giao diện của mô-dun AC/DC trong COMSOL 74

Hình 4.5 Giao diện phần phân tích tĩnh điện 74

Hình 4.6 Mô hình hình học của thiết bị tuyển tĩnh điện sử dụng trong mô phỏng 77

Hình 4.7 Phân bố và hướng của điện trường giữa các bản cực (hình trái), trị số điện trường lấy theo đường thẳng nối từ điện cực trụ đến cực bản, bắt đầu từ điện cực trụ (hình phải) Trường hợp a=4cm, b=15cm và U=20kV 78

Hình 4.8 Phân bố điện trường, hướng của điện trường và trị số của điện trường lấy dọc theo khoảng cách từ điện cực trụ đến cực bản trong trường hợp thay đổi a Từ trên xuống dưới a=3cm, a=2cm và a=1cm 79

Hình 4.9 Phân bố điện trường, hướng của điện trường và trị số của điện trường lấy dọc theo khoảng cách từ điện cực trụ đến cực bản trong trường hợp thay đổi b Từ trên xuống dưới b=14cm, b=13cm và b=12cm 80

Hình 4.10 Phân bố điện trường, hướng của điện trường và trị số của điện trường lấy dọc theo khoảng cách từ điện cực trụ đến cực bản trong trường hợp thay đổi điện áp U Từ trên xuống dưới U=15kV và U=25kV 81

Hình 4.11 Phân bố điện trường, hướng của điện trường và trị số của điện trường lấy dọc theo khoảng cách từ điện cực trụ đến cực bản trong trường hợp thay đổi hình dạng điện cực âm phía trên Từ trên xuống dưới: kết quả mô phỏng khi thay bằng các hình trụ đường kính 5cm và đường kính 1cm 82

Hình 4.12 Phân bố khối lượng theo thứ tự các khay khi thay đổi góc nghiêng 86

Hình 4.13 Phân bố khối lượng theo thứ tự các khay khi điện áp thay đổi (Zircon) 87

Hình 4.14 Phân bố khối lượng theo thứ tự các khay khi điện áp thay đổi (Ilmenite) 88

Hình 4.15 Phân bố khối lượng theo thứ tự các khay phụ thuộc nhiệt độ sấy (Zircon) 88

Hình 4.16 Phân bố khối lượng theo thứ tự các khayphụ thuộc nhiệt độ sấy(Ilmenite) 89

7

MỞ ĐẦU 0.1 Lý do chọn đề tài

Công nghệ phân tách các hạt sa khoáng ứng dụng kỹ thuật cao áp tĩnh điện 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 titan tại Việt Nam Trên

cơ sở đánh giá chung hiện nay [3,6], Việt Nam có nguồn tài nguyên sa khoáng titan đáng

kể, với trữ lượng lớn và chất lượng tốt Trong đó trữ lượng đã được thăm dò và đánh giá

là khoảng hàng chục triệu tấn ilmenit, nằm dọc ven biển các tỉnh Quảng Ninh, Thanh Hóa, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên - Huế, Bình Định, Bình Thuận Những tỉnh có trữ lượng lớn là Hà Tĩnh, Thừa Thiên - Huế, Bình Định, Bình Thuận [3] Tuy nhiên tại Việt Nam vẫn còn chưa đầu tư cho công nghệ và trang thiết bị đúng mức cần thiết [6], 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

Có thể thấy đối với các dạng khoáng sản nói trên, trong thành phần chứa các loại hạt khoáng có tính chất dẫn điện khác nhau (Ilmenite và Zircon) Nhằm mục đích phân tách

và làm giàu các thành phần sa khoáng quan trọng và chủ yếu này, khâu công nghệ chính được ứng dụng là công nghệ cao áp tĩnh điện Kỹ thuật cao áp tĩnh điện sử dụng điện trường tĩnh điện để phân tách các hạt vật liệu bay trong không gian điện trường được tạo

ra và tối ưu trong thiết bị Trên thế giới và tại Việt Nam, trong ngành công nghiệp khai khoáng, công nghệ này thường được sử dụng để phân tách khối lượng lớn các phần tử khoáng sản có tính chất dẫn điện khác nhau Cụ thể là phân tách các khoáng chất quan trọng, cũng như giúp loại bỏ các thành phần quặng không cần thiết để làm giàu khoáng chất So với công nghệ cổ điển như sàng lọc cơ khí, tuyển từ, công nghệ cao áp tĩnh điện

có những ưu điểm quan trọng cần được khai thác như:

8

- Dễ dàng điều chỉnh điều khiển hoạt động và tối ưu hóa thông số thiết bị;

- Dễ dàng trong lắp đặt vận hành, bảo dưỡng sửa chữa;

- Có giá thành chấp nhận được;

- Không gây ô nhiễm môi trường;

- Mức tiêu thụ điện năng thấp

Ngay đối với công nghệ cao áp tĩnh điện, các kỹ thuật áp dụng trong các thiết bị cũng đang được phát triển và tối ưu theo các hướng khác nhau, làm chủ được kỹ thuật phù hợp

là đòi hỏi quan trọng đối với việc làm chủ công nghệ, nắm được các kỹ thuật tiên tiến hiện nay

Cùng với sự phát triển gần đây của kinh tế Việt Nam, nhu cầu các sản phẩm khoáng chất từ quặng titan khai thác được hiện nay đang ở mức cao đòi hỏi việc nâng cao năng suất cũng như cải tiến hiệu suất khai thác của các thiết bị hiện có Đòi hỏi này đã mang đến nhiều cơ hội cũng như vấn đề kỹ thuật cần được quan tâm nghiên cứu Trong đó có các vấn đề tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật, lựa chọn công nghệ hợp lý và nghiên cứu thiết kế thiết bị phân tách và làm giàu khoáng sản sử dụng công nghệ cao áp tĩnh điện Các hướng nghiên cứu này giúp Việt Nam có thể làm chủ được công nghệ, tự mình sản xuất và tối ưu thông số thiết bị Từ đó có thể có hướng phát triển riêng phù hợp nhất với điều kiện kinh

tế kỹ thuật của Việt Nam Nhằm mục đích đó, luận án tập trung vào việc nghiên cứu công nghệ và chế tạo thiết bị ứng dụng công nghệ này trong ngành khai khoáng, đặc biệt là khai thác và làm giàu sản phẩm từ quặng titan

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

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 [1,2,5] Cùng với sự phát triển kinh tế hiện nay, số lượng

9

chất thải điện tử đang ngày càng gia tăng ở Việt Nam [1,2,18,25,30] nói chung và Hà Nội nói riêng trong điều kiện hội nhập kinh tế khu vực và thế giới Vấn đề trở nên nghiêm trọng không chỉ do sự gia tăng khối lượng chất thải mà hơn nữa đó là các nguy cơ đe dọa đối với môi trường và sức khỏe con người do các thành phần độc hại trong chất thải gây nên [10,16,30] 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

Khác với các chất thải thông thường, chất thải điện tử có thể được thu gom và tái sử dụng, tái chế với tỷ lệ khá cao do có chứa các kim loại quý hiếm [31,33,59,66] Tuy vậy, nhìn chung việc tái sử dụng chất thải ở Việt Nam còn rất hạn chế; chủ yếu dừng ở mức sử dụng lại các phụ tùng để phục vụ cho thay thế, sửa chữa nhỏ lẻ

Công nghiệp tái chế chỉ mới hình thành tại các làng nghề, trong các doanh nghiệp gia đình nhỏ hoặc các công ty tư nhân Các cơ sở này chủ yếu tái chế giấy, nhựa, sắt, nhôm, chì Tuy nhiên, điều đáng nói là công nghệ tái chế tại các cơ sở này thô sơ và còn quá lạc hậu Sau khi các kim loại và linh kiện điện tử còn dùng được được bóc tách và đem bán hoặc sửa chữa, phần còn lại chủ yếu được đốt hoặc nghiền rồi pha thêm hoá chất để tạo ra sản phẩm mới, vốn là các sản phẩm đơn giản như chai lọ, túi nylon với số lượng còn rất hạn chế

Do sử dụng các công nghệ lạc hậu và thiết bị thô sơ nên hiệu quả kinh tế rất thấp đồng thời đang gây ra rất nhiều vấn đề môi trường như ô nhiễm không khí, nước, đất, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người lao động và cộng đồng dân cư xung quanh

Theo thông tin đưa ra từ Viện Môi trường – Tài nguyên thuộc Đại học Quốc gia TP.HCM , hiện vẫn chưa có chương trình nào nghiên cứu về vấn đề xử lý chất thải điện tử

ở Việt Nam dù giới khoa học có ít nhiều quan tâm Các nghiên cứu hiện thời vẫn đang tập trung nhiều vào việc xử lý chất thải tập trung, chẳng hạn như chất dioxin, dầu biến thế, dầu nhớt, thuốc trừ sâu, thực phẩm…

10

Từ những phân tích nêu trên cho thấy 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 tĩnh điện cao áp trong công nghệ tách các phần tử có 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

0.2 Mục đích nghiên cứu

Thực tế hiện nay tại Việt Nam trong việc ứng dụng công nghệ kỹ thuật điện cao áp cho phân tách các phần tử có tính chất về điện khác nhau đã đặt ra hàng loạt vấn đề kỹ thuật liên quan đến đánh giá, phân tích, mô phỏng và tối ưu công nghệ Đối với mỗi lĩnh vực áp dụng cụ thể bao gồm phân tách khoáng sản, xử lý chất thải điện tử, tuyển chọn hạt giống… lại có yêu cầu đặt ra riêng, đặc biệt là khi áp dụng với điều kiện tại Việt Nam như đặc trưng của quặng, hiệu suất phân tách, hiệu quả kinh tế của thiết bị, các yêu cầu đối với môi trường, kỹ thuật lắp đặt và vận hành… Có thể liệt kê các yêu cầu đối với bài toán nghiên cứu công nghệ cao áp tĩnh điện trong phân tách các mẫu sa khoáng titans như sau:

1 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

2 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 titan 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

3 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

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

Trong phạm vi của luận án, các yêu cầu trên đều được nghiên cứu với mục tiêu áp dụng cho điều kiện khai thác tại Việt Nam Trong đó yêu cầu đầu tiên thực chất là vấn đề đánh giá và lựa chọn công nghệ hợp lý cho khâu phân tách tĩnh điện sẽ áp dụng trong luận

án này, sẽ được trình bày trong phần tổng quan nhằm làm cơ sở cho các phần tiếp theo Liên quan nến nội dung phát triển công nghệ phân tách tĩnh điện còn có yêu cầu phải định lượng được hiệu suất phân tách sau mỗi lần hoạt động và xây dựng mối quan hệ giữa giá trị hiệu suất này với các yếu tố khác nhau trong thiết kế và vận hành thiết bị, từ đó đưa ra thông số và hiệu suất phân tách tối ưu đối với mẫu quặng thực tế tại Việt Nam

0.3 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:

0.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện mô hình thiết bị, nâng cao hiệu quả trong lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật điện 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

Các đóng góp mới của luận án:

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:

Đóng góp 1: 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

Đóng góp 2: 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

13

Đóng góp 3: 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

0.5 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 4 chương và kết luận chung, cụ thể như sau:

Chương 1 Công nghệ phân tách tĩnh điện

Giới thiệu tổng quan về các công nghệ và mô hình thiết bị hiện có trên thế giới và ở Việt Nam Phân tích các ưu và nhược điểm của các công nghệ và cấu trúc thiết bị từ đó

đề xuất hướng lựa chọn công nghệ và thiết bị phù hợp khắc phục một số tồn tại

Chương 2 Phân tích và đánh giá đặc tính các mẫu phân tách

Chương 2 giải quyết các vấn đề kỹ thuật bao gồm:

- Thu thập và đo đạc trên một số lượng mẫu đủ lớn từ các nguồn sa khoáng và chất thải điện tử thực tế tại Việt Nam;

- Đánh giá tổng quát hóa về mô hình vật lý chung của các phần tử, khả năng nhiễm điện trái dấu của các thành phần theo các kịch bản thông số thay đổi

- Đề xuất thông số của mô hình vật lý phù hợp với điều kiện nghiên cứu, phục vụ cho các nội dung nghiên cứu tiếp theo

Chương 3 Quỹ đạo chuyển động các phần tử trong môi trường phân tách

Phân tích đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo chuyển động khi có và không có điện trường trong môi trường hoạt động của thiết bị Các nghiên cứu được thực hiện trên

cơ sở mô phỏng bằng phần mềm và thực nghiệm trên mô hình vật lý của thiết bị cho phép phân tích các lực tác động lên chuyển động của đối tượng cần tách trong điện trường Các kết luận sẽ đưa ra quan hệ cần thiết giữa các thông số của thiết bị với vị trí thu hồi sản phẩm trong mô hình

14

Chương 4 Tối ưu hóa hiệu suất phân tách

Trình bày quy trình thực nghiệm với các thông số kỹ thuật thay đổi bao gồm góc nghiêng, cường độ điện trường, kích thước các phần tử, nhiệt độ, độ ẩm Phân tích đánh giá lựa chọn thông số tối ưu cho đối tượng cụ thể Đề xuất thông số cho việc mở rộng áp dụng với đối tượng khác mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới

Kết luận chung

15

CHƯƠNG I 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 [2,3,5,6] 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

16

tách và phân loại các phần tử hoặc vật liệu có đặc tính khác nhau về điện [7-9,13-15] 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 [10,19,21,26,27,52-54,67,69,74,77,90] Tuy nhiên những kết quả đạt được cho đến nay cũng chưa cho phép khẳng định công nghệ này đã hoàn toàn tối ưu, mà vẫn tồn tại nhiều vấn đề kỹ thuật cần tiếp tục nghiên cứu cải tiến Đặc biệt, việc ứng dụng lý thuyết và các nghiên cứu công nghệ cần được thực hiện không chỉ trong điều kiện lý tưởng mà cả trong các điều kiện thực tế, do hiệu quả của quá trình tách phụ thuộc vào nhiều yếu tố quan trọng khác như độ ẩm, nhiệt độ, cấu trúc, thành phần, kích thước… của các phần tử cần phân tách cũng như môi trường thiết bị

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 [16,32,33,45,49,51,62,71,73,82] 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 Các kết quả mô phỏng cho thấy trị số điện trường phóng điện cực đại trong môi trường đồng nhất, khi khoảng cách giữa các điện cực khoảng 1cm, có thể đến giá trị 28-30 kV/cm, nhưng đối với môi trường không đồng nhất giá trị này lại có thể nhỏ hơn rất nhiều Trong trường hợp khi có phóng điện vầng quang thì trị số của điện trường lại có thể tăng lên đến khoảng 20 kV/cm Ở đây phóng điện vầng quang có tác dụng làm phân

bố điện trường đều hơn trong khoảng không gian giữa các điện cực, dẫn đến điện trường phóng điện tăng Mặt khác, do hiệu ứng biên của điện cực và các lớp của phần tử cần phân tách, cường độ điện trường phóng điện trung bình lại không thể vượt quá 10 kV/cm Nhưng như vậy yêu cầu đối với thiết bị sử dụng điện trường tĩnh điện là cần loại bỏ các hiệu ứng mũi nhọn trên bề mặt điện cực do chúng tăng khả năng tạo ra điện trường không

17

đồng nhất Ngược lại, đối với hệ thống ứng dụng phóng điện vầng quang cần dùng các điện cực có bán kính cong càng nhỏ thì càng hiệu quả [19,21,27,36] Khoảng cách giữa các điện cực cũng cần phải tính toán phân tích nhằm đảm bảo sự phân bố điện trường trong thiết bị

Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng chỉ mô phỏng và thiết kế cấu trúc của các điện cực vẫn chưa dẫn đến hình dạng tối ưu của các điện cực Việc mở rộng lĩnh vực ứng dụng của công nghệ tách phần tử theo tính chất về điện sẽ phụ thuộc vào cấu trúc thiết bị và đặc biệt phụ thuộc vào đặc tính tự nhiên của các phần tử cần tách

Ứng dụng các kỹ thuật tối ưu khác nhau trong thiết bị phân tách, các dạng sản phẩm phổ biến hiện nay đang được sử dụng và phát triển trên thế giới bao gồm:

• 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 [3,21,27,34,72,81,90], các thông số ở bảng 1.1,

Bảng 1.1 Một số đặc tính của một số loại sa khoáng

TT Sa khoáng Trọng lượng riêng,

g/cm3

Điện trở suất, Ω.cm Phân loại

Các đặc điểm của công nghệ phân tách theo điện dẫn gồm có:

+ Quá trình tích điện diễn ra nhanh với trị số lớn

+ Hiệu suất cao (có thể đạt đến 99,5%) nếu tăng số lượng điện trường (nói một cách khác là tăng số tầng tách)

+ Năng suất 2-4 tấn/ giờ

+ Kích thước các phần tử 3mm đến 50 µm

+ Điện áp đặt lên điện cực có trị số lớn

+ Các phần tử cần tách phải có trị số điện dẫn khác nhau ít nhất 3- 4 lần

+ Kích thước thiết bị đòi hỏi lớn do cần nhiều tầng

• Công nghệ tách 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

Điện trường sẽ tác động làm các phần tử bay theo quỹ đạo khác nhau

Các đặc điểm của công nghệ phân tách theo ma sát bao gồm:

- Điện áp đặt lên điện cực tương đối nhỏ

19

- Hiệu suất tách có thể đạt 90%

- Để có thể tích được trị số điện tích đủ lớn thời gian chuyển động phải kéo dài

- Kích thước các phần tử cần tách giới hạn từ 2 mm đến 30 µm

- Năng suất nhỏ (500 kg/giờ)

• 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

Các đặc điểm của công nghệ phân tách theo độ thấm điện môi bao gồm:

- Không cần tích điện cho các phần tử trước khi cho vào dung dịch lỏng

- Điện trường có trị số nhỏ (1-2 kV/cm)

- Hiệu suất tách khoảng 80%

- Trong một số trường hợp để giảm ảnh hưởng xấu của việc tích điện ngẫu nhiên của các phần tử cần dùng điện trường xoay chiều

- Kích thước các phần tử < 0,3 mm

- Việc lựa chọn dung dịch có độ thấm điện môi ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất tách Năng suất tách nhỏ 20 kg/giờ (phương pháp này chủ yếu phục vụ cho nghiên cứu với

số lượng ít)

1.2.2 Các dạng cấu trúc thiết bị hiện có trong và ngoài nước

Hiện nay trong công nghiệp phổ biến 3 loại cấu trúc 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 [3,10,19,21,26,34,36,41,43,52,67,69,75,77,90]

20

1.2.2.1 Thiết bị tuyển quặng kiểu trục quay hình trụ

Đây là kiểu thiết bị được sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam

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

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

Trong đó: 1- Phễu cấp liệu, 2- Máng nghiêng để các hạt khoáng sản trượt xuống khu vực có điện trường 3,4,5- Điện cực trên được nối với điện cao áp cực tính âm 6- Trục hình trụ nối đất (tiếp địa) quay tròn nhờ nối với hệ thống truyền động và động cơ 7- Chổi quét các hạt sa khoáng dính vào trục quay 8- Gờ phân cách của khay thu hồi 9- Khay thu hồi sản phẩm sau tách

Hiện nay các thiết bị tuyển khoáng sản sử dụng công nghệ kỹ thuật điện cao áp kiểu trục quay hình trụ (hay còn gọi là kiểu trống quay - rotating drum electrode) đang được chế tạo bởi rất nhiều công ty khai thác khoáng sản của các nước như công ty StarTrace Private Ltd (Ấn Độ),

1 2 4

5

6 7

9 8

21

Quá trình tuyển khoáng sản diễn ra trong thiết bị này như sau: Từ phễu tiếp liệu các hạt khoáng sản sẽ rơi xuống máng nghiêng Sau đó chúng sẽ trượt trên máng nghiêng, trong quá trình trượt trên máng nghiêng chúng sẽ ma sát với nhau đồng thời ma sát với máng nghiêng, kết quả các hạt này sẽ tích một lượng điện tích

Chuyển động ra khỏi máng nghiêng những hạt này sẽ rơi vào vùng có điện trường tạo bởi điện cực trên và trục quay Dưới tác dụng của các lực tác động mà chủ yếu là điện trường các hạt có tính chất về điện khác nhau sẽ bay theo các quỹ đạo khác nhau và rơi vào các khay thu hồi sản phẩm ở vị trí khác nhau

Các hạt dẫn điện sẽ bay ra xa khỏi điện trường, còn các hạt điện môi sẽ bay gần và có

xu hướng bám vào trục quay, do vậy để thu được loại hạt này người ta lắp chổi quét áp sát vào trục quay để quét rơi các hạt này xuống khay

Thiết bị có hiệu quả tuyển cao nhất khi kích thước của các hạt khoáng sản dao động từ

75 μm đến 3000 μm

Khi ứng dụng thực tế, để tăng hiệu quả tuyển khoáng sản các công ty thường dùng thiết

bị gồm nhiều tầng ghép nối tiếp với nhau

Ưu nhược điểm của kiểu thiết bị trục quay:

- Thiết bị có năng suất lớn 3-5 tấn/giờ

- Hiệu suất phân tách trung bình khoảng 95%

- Kích thước và trọng lượng của thiết bị lớn

- Điện áp cấp cho điện cực lên đến 50 kV

- Năng lượng điện tiêu thụ lớn do thiết bị sử dụng động cơ công suất lớn để kéo trục quay khi vận hành

- Do môi trường bên trong thiết bị có nhiều bụi nên làm giảm tuổi thọ của hệ thống truyền động như vòng bi, ổ trục nên thường sau một thời gian vận hành sẽ phải tiến hành thay mới làm tăng chi phí

22

1.2.2.2 Thiết bị dùng điện cực phẳng

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động và thiết bị kiểu dùng hai điện cực phẳng

Trong đó: 1- Phễu cấp liệu 2- Điện cực phẳng (một điện cực nối với nguồn cao áp cực tính âm, điện cực còn lại nối đất) 3- Khay thu hồi sản phẩm

Nguyên lý hoạt động của thiết bị như sau: các hạt khoáng sản cần tách sẽ được đưa vào phễu tiếp liệu nhờ hệ thống băng truyền, sau đó chúng sẽ rơi tự do vào khu vực điện trường tạo bởi hai điện cực phẳng Lực điện trường và các lực khác tác động lên các hạt khiến cho chúng bay theo quỹ đạo khác nhau và rơi vào khay hồi, các hạt dẫn điện sẽ bay vào khay phía điện cực nối với điện cao áp, còn các hạt điện môi bay về phía điện cực nối đất Khay thu hồi ở giữa sẽ chứa hỗn hợp hai loại hạt này

Ưu nhược điểm của kiểu thiết bị gồm hai bản cực phẳng:

- Hiệu suất tách đạt khoảng 90%

HV (-)

0

1

2 2

3

- Năng suất trung bình khoảng 1 tấn/giờ

1.2.2.3 Thiết bị tuyển kiểu máng nghiêng

Nguyên lý tuyển của thiết bị này cũng giống với hai thiết bị đã mô tả ở trên, tuy nhiên,

về cấu tạo có một số khác biệt giúp cho nâng cao hiệu suất tuyển

Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động và thiết bị kiểu máng nghiêng

Trong đó: 1- Phễu cấp liệu 2- Máng nghiêng 3- Điện cực trên ( được cấp nguồn điện cao áp cực tính âm 4- Điện cực dưới hình trụ và cố định (được cấp nguồn điện cao áp cực tính dương) 5- Khay thu hồi sản phẩm

1 3

2

4

5

24

1.3 Kết luận chương 1

Trên cơ sở đánh giá ưu nhược điểm của các công nghệ có thể thấy rõ công nghệ tách các phần tử theo trị số điện dẫn khác nhau là phù hợp và hiệu quả nhất Do vậy hướng nghiên cứu của luận án cũng chọn đi sâu vào nghiên cứu công nghệ này

Với những ưu điểm vượt trội của cấu trúc 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

25

CHƯƠNG II 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

Khi các phần tử chuyển động trong quá trình tách chúng sẽ ma sát với nhau và ma sát

với máng nghiêng Điện dẫn của các phần tử gồm hai phần điện dẫn bề mặt và điện dẫn

khối Điện dẫn bề mặt phụ thuộc vào trạng thái bề mặt cũng như điều kiện môi trường bên

ngoài như độ ẩm, nhiệt độ Điện dẫn khối phụ thuộc vào cấu trúc và thành phần của phần

tử Hiện tượng tích điện được mô tả như sau:

Bản chất của việc tích điện của các hạt trong điện trường (tích điện cảm ứng) được

diễn giải như sau: Khi các hạt rơi vào điện trường với trị số E

0, sẽ xảy ra quá trình tràn điện tích lên các hạt từ phía điện cực Điện trường E

0 sẽ có xu hướng tách các hạt ra khỏi điện cực Nếu lực điện trường lớn hơn lực ép vào điện cực thì hạt sẽ tách ra khỏi điện cực

và chuyển động vào khoảng không gian của điện trường

Cơ sở lý thuyết đầu tiên là xác định điện tích tích lũy tới hạn của các phần tử Điện tích

tích lũy tới hạn của các hạt hình cầu được tính như sau [9,12,14,52,84,88,91,96]:

Yêu cầu thực tế liên quan đến việc tính toán đối với các hạt hình bán elip với các trục a,b,c , kết quả tính toán cho phép tính gần đúng với sai số cho phép

Phân tích các cơ sở lý thuyết tính toán điện tích tích lũy của các phần tử trong điện trường có thể thấy rằng điện tích tích lũy ngoài sự phụ thuộc vào điện trường còn một phần không nhỏ phụ thuộc vào chính các thông số của các phần tử [23,34,35,75,89]:

1 12

27

Ngoài ra các công thức trên không giải thích dấu của điện tích vì vậy việc tiến hành thử nghiệm là hết sức cần thiết

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

Việc lựa chọn vật liệu để làm điện cực phải đảm bảo các điều kiện sau:

- Do khí hậu Việt Nam có độ ẩm cao nên vật liệu làm điện cực phải có tuổi thọ cao, không bị ăn mòn, gỉ gây ra biến dạng điện cực (điều này dẫn đến thay đổi cường độ điện trường làm ảnh hưởng rõ rệt hiệu quả tách của thiết bị)

- Điện áp đặt lên điện cực có giá trị tương đối lớn nên cách điện phải đảm bảo không gây ra phóng điện từ điện cực đến các phần tử kim loại khác trong thiết bị

- Khối lượng các điện cực cần đủ nhỏ để giảm chi phí vật tư chế tạo điện cực đồng thời giảm kích thước và khối lượng các vật liệu dùng để làm giá đỡ cách điện cho điện cực

Từ các kết quả thử nghiệm với các loại vật liệu làm điện cực khác nhau nhóm nghiên cứu đề xuất điện cực nên làm bằng lá thép không gỉ (thép inox) với độ dầy 0,1 mm và được uốn thành hình ống và hình rẻ quạt

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

- Góc nghiêng của máng bằng nhau

29

- Trường hợp dây dẫn có đường kính 1,0mm:

Hình 2.2 Phân bố khối lượng hạt theo thứ tự khay hứng sản phẩm, đường kính dây dẫn 1,0mm

- Trường hợp dây dẫn có đường kính 1,5mm:

Hình 2.3 Phân bố khối lượng hạt theo thứ tự khay hứng sản phẩm, đường kính dây dẫn 1,5mm

30

- Trường hợp sử dụng dây dẫn dạng ống hình trụ đường kính 5mm:

Hình 2.4 Phân bố khối lượng hạt theo thứ tự khay hứng sản phẩm, dây dẫn hình trụ đường kính 5mm

31

Có thể rút ra một số nhận xét từ các thực nghiệm với các mẫu sa khoáng thực tế trên cơ

sở các dạng điện cực khác nhau, bao gồm:

- Trường hợp điện cực dạng dây dẫn phần lớn các hạt sa khoáng rơi vào khay hứng sản phẩm trung gian, điều đó đồng nghĩa với hiệu suất tách tương đối thấp

- Trường hợp điện cực hình rẻ quạt số lượng các hạt sa khoáng rơi vào khay hứng sản phẩm kim loại (từ khay 16-19) tăng

Đánh giá sơ bộ có thể dễ dàng nhận thấy một số đặc điểm từ khay thu hồi sản phẩm như sau:

- Số lượng các hạt sa khoáng có tính chất điện dẫn (Ilmenite – sẫm màu ) rơi vào khay hứng sản phẩm ở phía xa các điện cực (từ khay 9-12) cũng tăng

- Số lượng các hạt sa khoáng có tính điện môi (Zircon- màu sáng) rơi vào các khay ở gần điện cực (khay 3,4,5)

Từ các số liệu đo đạc và so sánh có thể rút ra kết luận hiệu suất tách của thiết bị khi dùng điện cực hình rẻ quạt sẽ cao hơn nhiều so với trường hợp dùng điện cực dạng dây dẫn Các kết quả tính toán 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

Trong thiết bị sử dụng nguyên lý làm việc này, có thể xây dựng hình dạng và kích thước điện cực chung, mô tả theo các hình vẽ dưới đây Mô hình vật lý này sẽ được sử dụng cho mô phỏng trong phần mềm Comsol nhằm đánh giá phân bố điện trường và phân tích tỷ lệ chi tiết các kích thước của điện cực

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

Mô hình điện cực dưới trên hình 2.7

D=80

200

Hình 2.7 Hình dạng điện cực dưới trong mô hình vật lý của thiết bị

33

2.2.1.3 Lựa chọn thiết bị hệ thống đo lường điện áp cao

a Phân tích đánh giá các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống đo lường cao áp

Các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống đo lường cao áp đã xây dựng cho mô hình thiết bị trong luận án bao gồm các nội dung sau:

Đo lường điện áp cao áp :

- Điện áp vào: từ 0 - 220V xoay chiều;

- Giá trị tương ứng ở đầu ra: từ 0 – 40kV một chiều;

- Cấp chính xác: 2.0;

- Nguồn cung cấp: 220 V xoay chiều;

- Hiển thị số: 00.0 – 40.0 kV

Đo lường dòng điện cao áp

- Dải đo: 0 – 1A;

- Cấp chính xác: 2.0

- Nguồn cung cấp: 220 V xoay chiều;

- Hiển thị số: 00.0 –1.0A;

b Chế tạo hệ thống đo lường điện áp và dòng điện của mạch cao áp

Tính toán thiết kế mạch đo lường điện áp bao gồm lựa chọn các thông số kỹ thuật như sau:

Thông số kỹ thuật của mạch đo lường điện áp:

- Ký hiệu: HVU - 30

- Điện áp vào đo: 0 - 220 V xoay chiều;

- Giá trị hiển thi tương ứng ở đầu ra : 0 – 30 kV một chiều;

- Cấp chính xác: 2.0;

- Nguồn cung cấp : 220 V xoay chiều;

- Hiển thị số: 00.0 – 30.0 kV;

34

Phân tích hoạt động của các khối:

- Khối nguồn cung cấp:

Khối nguồn cung cấp có điện áp vào là: 220 V~/50Hz

Điện áp ra ổn áp: +5V / -5V 0,5 A

Biến áp nguồn: Vì ở đây chúng ta cần nguồn cung cấp ổn áp điện áp ra đối xứng nên phải dùng biến áp vào là loại có điện áp vào là 220 V ~ và điện áp ra là 2 cuộn dây mắc nối tiếp nhau 9V~ - 0 - 9V~ / 1A

Mạch chỉnh lưu: Là mạch chỉnh lưu cầu, mạch lọc sử dụng tụ hóa

Để đảm bảo độ chính xác của mạch đo chúng tôi sử dụng mạch chỉnh lưu chính xác với

vi mạch khuếch đại thuật toán LM 324 và điốt chỉnh lưu theo sơ đồ chỉnh lưu chính xác

2 nửa chu kỳ Hệ số khuếch đại chọn bằng 1 vì tín hiệu đầu ra chỉ cần 2000 mV

- Khối hiển thị dùng ICL 7107

Ở đây chúng ta lựa chọn mạch ADC 12 bit có dấu là ICL 7107, có khả năng hiển thị 3,5 digit LED 7 thanh là loại Anod chung cao 14,2 mm

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 2.13

35

Hình 2.8 Mô hình vật lý của thiết bị thử nghiệm

Mô hình thiết bị thử nghiệm đã xây dựng bao gồm các bộ phận sau:

- Các thành phần chịu lực và giá đỡ điện cực

- Điện cực trên có hình dạng rẻ quạt với kích thước dài 20 cm, rộng 20 cm, đầu trên uốn cong với bán kính cong 15 mm, đầu dưới bán kính cong 1 mm

- Điện cực dưới hình trụ đường kính 8 cm dài 20 cm Do khí hậu Việt Nam có độ ẩm cao nên cả hai điện cực đều được làm từ vật liệu thép không gỉ (inox)

- Cách điện bằng vật liệu thủy tinh hữu cơ có điện áp phóng điện bề mặt không nhỏ hơn 50kV

- Phễu cấp liệu bằng thép có gắn bộ phận điều chỉnh khối lượng phần tử cần tách

- Máng cấp liệu có thể dịch chuyển do được gắn với động cơ và thiết bị sấy với dải điều chỉnh nhiệt độ từ nhiệt độ môi trường đến 150 độ

- Máng nghiêng dài 45 cm, rộng 25 cm cũng được làm từ vật liệu không gỉ

- Các khay thu hồi với số lượng 20 để có thể xác định vị trí và khối lượng các phần tử sau tách

36

Đi kèm với mô hình thiết bị là hệ thống tạo điện áp cao có thể điều chỉnh từ 0÷ 40 kV

cả hai cực tính, tủ đo lường điều khiển và bảo vệ

Hình 2.9 Thiết kế của tủ đo lường, điều khiển và bảo vệ

2.3 Quy trình thực nghiệm đo kích thước và khả năng tích điện