从粉煤灰中分离碳的方法及装置的制作方法

专利名称：从粉煤灰中分离碳的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对利用摩擦电逆流传送带型分离装置将碳从粉煤灰中分离出来的工艺的改进，更特别的是控制进入分离装置的粉煤灰的相对湿度，使其达到最佳湿度范围。
2.相关技术描述在世界范围内，大量的煤被燃烧用来发电。通常，煤被研磨成细的粉末，靠压缩空气将弥散的煤粉送入锅炉并燃烧，其燃烧释放出的热量用于产生蒸汽提供给涡轮发电机发电。在锅炉内，煤中的碳成分燃烧并释放出热量。而未燃烧的原料被加热到较高的温度，通常被熔化且以粉煤灰的形式通过并排出锅炉。这些粉煤灰通常在烟道气沉积和扩散到大气中之前被收集。例如，一个1000兆瓦的发电厂每个小时大约燃烧500吨煤。世界上许多燃煤电厂的煤灰水平通常都在10％的范围内，随之而来的是在这个工业化的世界里，产生了大量的煤灰。
每一个电厂的经济的设计方案都需要在基本投资和保养费用之间权衡，研磨煤达到完全燃烧所需的花费被煤燃烧时释放出的BTUs值以及煤在被研磨之前的成本所平衡。另外，近年来，大量的实用电厂的燃煤所造成的空气污染这一事实已经变得重要了，NOX(氮氧化物)的排放是空气污染的其中一例，各电厂都在试图减少这一污染。NOX是由氮气和氧气在高温下反应形成的，并受惠于高温。降低NOX排放的一条途径是降低锅炉内的温度并减少过剩的氧气。这种方式是通过称之为“低NOX燃烧器”来实现的。许多锅炉的制造厂家生产这种低NOX燃烧器，并且已在许多应用中正在安装这种设备。但是，降低燃烧室中的温度和过剩氧气的负面效应是增加了锅炉所排出的粉煤灰中未燃烧的碳。
在穿过高温锅炉及其后的粉煤灰收集的不燃烧物的通道之后，通常跟随锅炉的冷却管线，将煤中相对不活泼的粘土和页岩矿物转变成玻璃陶瓷状的物质。这些无机物颗粒的一个特性是，它们易于与石灰反应生成水泥样的(cementacious)材料，粉煤灰的这一火山灰质的特性在工业领域中被广泛开发利用，例如，将粉煤灰掺入水泥中，以取代一些水泥，并与在水合作用过程中从水泥中释放出的游离的石灰反应，并用很少的游离态的石灰制造高强度的混凝土，使其变成抗硫酸盐、高强度、廉价的水泥。在混凝土中用粉煤灰作为火山灰的一个优点是将大量的废物转变为大量有用的材料；在混凝土中用粉煤灰取代水泥的另一个优点是减少了水泥的生产。水泥通常是由含钙、铝和硅的矿物原料生产的，在生产水泥时这些矿物在水泥窑炉中结合在一起并被加热到垂熔(incipient fusion)。但是，生产每吨水泥大约需要开采两吨的矿物，以及大约有一吨的CO2被排放到大气中，其中一些CO2来自燃料的燃烧，而另一些来自作为钙原料所使用的石灰石。因而，用粉煤灰替代水泥的再一个优点是以1∶1的比例降低了CO2的排放。具体说，每使用一吨的粉煤灰，就减少了所需排放的一吨CO2。
粉煤灰在混凝土中的使用要求粉煤灰具有特定的物理特性。这些特性的其中之一[定义在American Society for Testing andMaterials(ASTM)，C618的说明书中]是碳含量少于6％。但是这一说明只是一个上限，并且许多用户希望碳的含量尽可能低。不幸的是，粉煤灰使锅炉达到低NOX锅炉所增加的碳，常常导致粉煤灰的碳水平超过由潜在的粉煤灰用户定义的能接受的限度，因而，这是一个折中方案即减少了大气中的NOX，而加重了另一个问题，CO2的温室排放。因而，从粉煤灰(例如，从低NOX的燃烧器产生的粉煤灰)中去除碳，使其能用于混凝土中，有益于实用电厂避免废物处理的问题，有益于用比水泥成本低的原料生产混凝土的生产厂家，同时也有益于减少环境中CO2的排放。
已经提出大量的用于从粉煤灰中去除碳的方法，包括低温燃烧、泡沫浮选、颗粒粒径分类以及静电分离。静电分离包含众多的不同技术，基于待分离的颗粒的电学特性。一种类型的静电分离是导体/非导体的分离，这有赖于不同颗粒之间的导电性的不同。通常颗粒借助电晕和与导电表面的接触两种方式带电的比率决定了哪些颗粒被接收、哪些颗粒被拒绝。这种类型的分离装置在文献中有详细的描述，(例如由Norman L.Weiss编辑，American Institute of Mining 1985年版权所有，Society ofMining Engineers(SME)Mineral Processing手册的第六章，Metallurgical and Petroleum Engineers，(Library of Congresscatalog card number 85-072130))。但是，这种导电/非导电类型的分离装置的一个共同问题是，需要每一种颗粒与导电表面接触。对于粉末状的颗粒来说，这一与导电表面接触的要求呈现了许多困难，诸如，颗粒在导电表面的附着力，以及因分离装置的能力对其表面区域颗粒的厚度的依赖关系而减少的分离能力。
另一种类型的静电分离方法是利用接触带电，并将在此后被称为摩擦电静电分离。在这种方法(同样在SME MineralProcessing手册中有描述)中，各颗粒依靠它们互相之间的接触带电。这一方法具有无须接触带电表面的优点，以及理论上允许用于小粒径颗粒的分离。The SME Mineral Processing手册设置了一个基于作者实际经验的20微米的较低的限度。然而，Whitlock在美国专利第4,839,032和4,847,507号专利中所描述的一种摩擦电逆流传送带型分离装置，已经在比20微米更细的颗粒下成功并连续运行，并从粉煤灰中分离碳(见，例如Whitlock，(1993)，“Electrostatic Separation of Unburned Carbonfrom Flysh”Proceedings Tench International Ash Use Symposium，第二卷，第70-1至70-12页)。
该科技和工程文献中大量地讨论了低环境湿度对发现和实践静电的影响的重要性。所给出的理由是，固体表面的水薄膜是导电的，这一表面的传导泄露了颗粒上的所有电荷，从而使分离无效。更进一步，该文献解释了由于粉末状颗粒吸收水分并可能导致在吸收水分后结块，因而，水分薄膜的传导与颗粒因湿度而结块的结合效应都要求静电分离装置必须在低湿度环境下运行。例如在美国专利第5,513,755号中，Heavilon等人揭示了避免颗粒聚集的低湿度的重要性。特别是，Heavilon等人揭示了了一种静电分离装置，该装置使碳颗粒或是通过与导电的传送带接触或是通过传导带电，带电的碳颗粒从行进在导电的传送带上的一个粉煤灰层，借助置于导电传送带下面的粉煤灰层的拍打杆的搅动装置被释放，该带电的碳颗粒飞起与一个电极接触，并借助接触接受了一个相反的电荷。带有该相反电荷的颗粒最终向外、向下运动进入产品废料斗或废料仓中。因而Heavilon等人的这种静电分离装置是一种以上所描述的导体/非导体型的分离装置，其是依靠碳颗粒的导电性而带电，并使不导电的煤灰矿物质不带电，而导致上述讨论的缺点。
加热用于将粉煤灰从远距离的收集仓输送到例如一个静电分离装置中的传输空气，以及此后对用于将粉煤灰中结块的气动传输的加热，以赶走其中的水分的方法已在电子应用工业中广泛采用。另外，Heavilon等人描述了加热器的使用是在运送粉煤灰到装料斗之前，将粉煤灰以在静电分离装置的导电传送带上的一个薄层运送，加热器将粉煤灰加热到一个高于露点的足够高的温度，驱赶水分足以削弱碳和煤灰之间的表面粘合。这是参考了结块颗粒中的水分的振动状态，例如在1984年Mcgraw Hill著的Perry’s Chemical Engineering Handbook，第六版中所描述的。换句话说“在颗粒的接触点处，少量的液体被保持在离散的透镜形圆环状态”，这些水分的透镜形桥路的大小取决于水分的表面张力(T)，以及当前水分的含量。参看下面的Kelvin的公式(1)，表面张力(T)是压力差(P)或毛细吸力、以及沿水分曲面的曲率半径(R)的函数(1)P＝2T/R正如由W.B.Pietsch在题为“Agglomerate Bonding andStrength”的第7.2章中(Handbook of Powder Science andTechnology，由M.E.Fayed and L.Otten 1984编辑，Van Nostrand，Lirary of Congress number 83-6828号)中所讨论的，当颗粒的表面粗糙度超过振动粘合的尺寸时，液体桥路与较大的颗粒短开，减弱了保持颗粒的结合力。大概，这就是需要解脱碳和粉煤灰之间结合的水分标准。
然而，Heavilon等人没有提到任何测量水分的标准或特别的水分含量标准的范围，这一标准对于那些基于导电的分离装置的操作是需要的。另外，该文献只讨论了去除水分以有助于颗粒的自由流动，以及去除水分以避免在非导电颗粒上形成导电薄膜。由此得出低湿度将避免这些问题，并隐含“湿度越低，效果越好”的含义。
本发明的概要意想不到的是，已经发现了对粉煤灰和未燃烧的碳而言，粉煤灰具有一个最佳湿度范围，该范围导致使用摩擦电分离装置的改进，在这里将作详细的描述。
按照本发明的一个实施方案，被送到摩擦电分离装置的粉煤灰的相对湿度受控地保持在预定的湿度范围。
按照某一实施方案的方法，从粉煤灰中分离碳颗粒的方法包括以下步骤改变粉煤灰的相对湿度，使之在一个最加范围以内；以及将待处理的粉煤灰送入摩擦电分离装置中，以便使碳颗粒和粉煤灰摩擦带电；并从带电的粉煤灰中分离带电的碳颗粒的步骤。特别是，该相对湿度可以通过向用于将粉煤灰从远距离的收集仓传送到摩擦电分离装置的空气中添加水分得以增大。另外，粉煤灰的相对湿度只是借助在粉煤灰进入摩擦电分离装置之前向粉煤灰添加水分而得以增大的。另外，对于这些实施方案中的每一个来说，其水分既可以是液态的，也可以是汽态的。
在一个变换的实施方案中，其粉煤灰的相对湿度降低到最佳湿度范围以内。特别是，该相对湿度的降低是借助对从远距离的收集仓传送到分离装置的空气传送系统的加热、超过环境温度、保持该空气传送系统的温度高于环境温度，并在环境温度之上收集粉煤灰。仍是在一个进一步的变换的实施方案中，空气的加热是在其用于粉煤灰的流动输送之前。
根据本发明，一种用于从粉煤灰中分离碳颗粒的装置包括粉煤灰处理装置，用于改变(增加或降低)粉煤灰的相对湿度到最佳湿度范围以内；摩擦电分离装置与粉煤灰处理装置耦合，其接收待处理的粉煤灰并使碳颗粒和粉煤灰摩擦带电，以便从带电的粉煤灰中分离出带电的碳颗粒。
在该装置的一个实施方案中，粉煤灰的处理装置包括用于向从远距离的收集仓传送到分离装置的传输空气添加水分的装置。变换的是，粉煤灰的处理装置包括用于向或是在进入分离装置之前的粉煤灰添加水分，或是在给分离装置供料的收集仓中向粉煤灰添加水分。
粉煤灰处理装置的一个变换的实施方案是一个加热器，用于加热从远距离的收集仓输送粉煤灰到分离装置的传输空气，其加热是在传输空气与粉煤灰结合之前。变换地是，该粉煤灰处理装置是一个用于加热流动传输粉煤灰的空气的加热器，例如，只要在粉煤灰收集仓中收集的粉煤灰在进入逆流传送带型分离装置之前。对于这些实施方案，其空气传输系统和粉煤灰收集仓同样可以被隔绝，以减少任何空气传输和储存系统的热量损失。
在本发明的另一个实施方案中，一个实用电厂包括燃烧煤以产生热量用于发电的燃煤锅炉，其中该燃煤锅炉同样产生不燃烧的矿物质，并以粉煤灰的形式伴随废气离开锅炉。该实用电厂同样包括与燃煤锅炉耦合的煤灰分离系统，该系统将从煤灰分离系统收集到的粉煤灰输送到远距离的储存容器中。另外，该实用电厂包括用于增加和降低粉煤灰的相对湿度到最佳湿度范围的装置，以及接收待处理的粉煤灰的摩擦电分离装置，以使在待处理的粉煤灰中的碳颗粒与待处理的粉煤灰一样摩擦带电，以便从带电的粉煤灰中静电分离带电的碳颗粒。
本发明的其他目的和特征在结合随后对以下的附图的详细描述后，将变得明了。应当明白，这些附图只是为了说明的目的，而非有意限定本发明。
附图的简要说明前述以及其他的发明目的和优点从以下的附图中将更加完全明了

图1为燃煤发电厂的示意图，示出了带有摩擦电静电逆流传送带分离装置的煤灰输送、储存以及处理系统；图2为空气湿度图，示出了在各种温度以及29.92(mm)汞柱大气压下空气和水蒸汽的特性；图2A示出了每磅干燥的空气中水的热函与水温的关系曲线；图3为一些粉煤灰的水分含量与相对湿度的关系曲线图；图4为一些水分和盐溶液的相对湿度和相应的曲率半径图表；图5示出了测量到的在两种表面之间的力作为相对湿度的函数；图6为各种物料在不同的相对湿度下的体积和表面电阻率的图表；图7为低碳煤灰产品的产率作为相对湿度的函数曲线；图8为低碳煤灰中碳含量作为相对湿度的函数曲线；
图9为对于两个不同温度下的含碳煤灰产品的产率和碳含量的曲线；图10为一个燃煤发电厂的示意图，示出了用于按照本发明增加煤灰的相对湿度的一些实施方案；图11为一个燃煤发电厂的示意图，示出了用于按照本发明降低煤灰的相对湿度的一些实施方案；本发明的详细描述图1是一个发电厂10的示意图，包括燃煤锅炉22、带有摩擦电静电逆流传送带型分离装置12的粉煤灰传输、储存、处理机构，诸如在美国专利第4,839,032号和4,874,507号(在此后用‘032和‘057表示)中所描述的，在此通过参照被合并进来。按照原来常用的工业作法，煤14通常例如借助压辊16、18研磨，并借助输送机20由空气输送到锅炉22，在那里以喷出的粉末状形式燃烧。煤的燃烧加热了装水的管道，从而加热其中的水以形成蒸汽，该蒸汽膨胀穿过涡轮26驱动发电机28发电。这些蒸汽又冷凝成液态的水并借助泵30被泵送回锅炉，从而在该封闭的循环系统中被连续不断地加热和冷凝。燃煤中的未燃烧的物质借助热输送管道以废气的形式转移到煤灰分离系统，例如静电沉淀器装料斗32，在那里煤灰中的固体物质被去除，废气通过烟囱32向上排放到大气中。
在图1的系统中，煤灰中的固体物质被从静电沉淀器装料斗32输送到远距离的储存容器仓36。通常，借助压缩机38压缩的空气由加热器40在煤灰通过输送机42进入料仓36之前被加热，在料仓处，该输送空气从出口44处释放，而煤灰46聚集在料仓中。在料仓的底部48，悬浮的石子(图中未示出)用于容纳借助于输送装置输送的空气50，以便使粉煤灰悬浮，从而使粉煤灰能容易地通过出口52。通常，这一悬浮空气同样由加热器54加热，所述料仓与静电逆流传送带型分离装置12相连接，当粉煤灰离开料仓时，其通过一个例如在料仓中的筛网56，以去除其中可能干扰分离装置操作的任何错配物料。在通过筛网以后，粉煤灰随后被送入分离装置，在那里碳颗粒摩擦带电，并从粉煤灰中被摩擦分离出来。同样使用了用于输送和以均匀的方式分布粉煤灰的装置，对该悬浮进料装置、分离装置以及用于输送和分布粉煤灰的装置，在‘032号专利中都有详细描述。
如上讨论的，输送和储存粉煤灰的常规的作法是将粉煤灰保持在尽可能的干燥状态，以便阻止各颗粒的结块以及削弱碳颗粒和粉煤灰之间的表面附着力，这可以借助例如加热传输空气来实现。在图1的实施方案中，该用于将煤灰从沉淀器装料斗32输送到料仓36的空气借助加热器40被加热；用于使煤灰在沉淀器装料斗中悬浮的空气也同样借助加热器54被加热。空气的加热导致煤灰空气系统比使用周围环境的空气时要热。粉煤灰在传输空气中的运动使空气与粉煤灰和粉煤灰与粉煤灰之间的接触迅速达到平衡状态。达到这一包括温度和相对湿度在内的平衡状态是非常迅速的。常规的工业作法在于设计这样一种传输系统以用于较坏的环境条件下，并常年以同样的方式运行。但是，例如设计成在潮湿的夏季条件下保持煤灰干燥以及自由流动的这样一种传输系统的缺点是，其设计超出了干燥冬季下的条件。
使各相之间的水分运动的驱动力是化学势。在平衡状态，所有各相都具有相同的化学势。任选的一个纯净的冷凝相被看作具有唯一的化学势，因而液态的水和水蒸汽在平衡态具有相同的化学势，所以并没有净驱动力使水从一相变运动到另一相。在含水的粉煤灰系统中，对水活性的常规测量是用相对湿度，空气的饱和态或100％的相对湿度是指液态水的平衡态；而0％的相对湿度是指空气中水份的含量为0％。相对湿度界于0％到100％之间反映了大气中在不同水的聚集条件下水的化学势。水蒸汽的压力随温度按指数率增长，因而空气温度的升高，提高了饱和温度，提高了饱和分压，也使在恒定的水含量的条件下降低了相对湿度。如在在1984年Mcgraw Hill著的Perry’sChemical Engineering Handbook，第六版中所公开的空气温度图，在这里被重新绘制，作为图2和图2A，其用图表示出了在不同的温度和相对湿度条件下的含水空气的平衡态含量，以及在不同温度下水的热函(焓，Enthalpy of Water)。在图2中用字母A代表的各曲线是每磅干燥空气的饱和热函(B.t.u)线；用字母B代表的各曲线是湿球温度和露点或饱和温度；用字母C代表的各曲线是每磅干燥空气的饱和热函(B.t.u)；用字母D代表的各曲线是每磅干燥空气中水分的粒度；用字母E代表的各曲线是相对湿度曲线；用字母F代表的各曲线是湿球温度；用字母G代表的各曲线是每磅干燥空气的立方英尺数。跟随以上之后的是对固体物料自身加热并没有改变该物料的相对湿度，加热与空气接触的物料增加了水分饱和部分的压力，并在恒定的绝对湿度下降低了其相对湿度。加热在密封容器中的物料到100℃，对其相对湿度不会产生影响。
图3是粉煤灰的水分含量作为空气相对湿度以及用烧失量(LOI％)表示的未燃烧碳的不同含量的函数曲线，这些实验数据是从一个水分吸收系统获得的，该系统由一下各部分构成带有对称的悬浮样品盘的分析天平；带有温度控制和净化气体控制的样品室；用于调节净化后气体的相对湿度，以提供最终在恒定的流量率下的室内相对湿度在0％到65％之间的系统；以及用于连续监控室内相对湿度(由Vaisala公司提供)的相对湿度探测器。收集这些数据的过程包括装配水吸收系统和天平，同时在实验室净化气体流量率下净化室内空气从而调节浮动效果；将10到15克待分析的粉煤灰置于天平盘上；在0％的相对湿度气流下，调节室内温度到222到250℃，并保持在这一温度恒定大约30分钟，以去除从暴露的大气中吸收的水分；冷却样品和样品室到需要的实验温度，同时保持0％相对湿度的净化气体；记录在0％相对湿度下的干燥样品重量；以大约2％的相对湿度增长增加相对湿度，在每个数据点最少10分钟的平衡时间之后，获得样品的重量，这些数据点的设置包括在相对湿度下的样品重量；对于每一个相对湿度的增长计算样品从其干重所增加的重量百分比；借助绘制重量百分比增量与每一次相对湿度增长后的相对湿度的关系曲线，提供了图3的等温吸附线。
从图3中可以看到，在含有较多未燃烧的碳的粉煤灰中，其水分含量随相对湿度的增加较大，水分含量与粉煤灰相对湿度的函数关系对碳含量的这种依赖性，可以用碳比煤灰成分中的无机物容易吸收更多的水分来解释。如上面所讨论过的，粉煤灰中残留的碳源于未完全燃烧的煤，煤已经被加热到较高的温度，其易挥发的成分被蒸发，而且已经发生部分氧化作用，这样使其中的碳颗粒成为多孔的并具有低容积密度。正是这种多孔性，使碳颗粒相对非多孔的玻璃质矿物具有较高的吸水性。在碳颗粒孔隙中俘获的水分不会在表面上与其他的颗粒表面特性相配合而影响分离。
众所周知，沿着一个曲面，液体的表面张力(T)施加一个力，该力沿着该曲面产生一个压差(P)，这一压差(P)等于表面张力(T)的两倍除以该表面的曲率半径(R)，即所知的开尔文毛细方程(Kelvin’s Capillary Equation)
(1)P＝2T/R当块状的液态水与其蒸汽达到平衡状态时，沿着水蒸汽界面的压差为零，其曲率半径趋于无穷大，在液体和蒸汽之间有具有一个平坦的界面，在水的分压低于饱和分压的平衡态时，系统只能在曲面上达到平衡状态，致使沿着弯曲界面的压差等于相对湿度。表面张力随曲率半径和盐含量的变化可以被忽略。
图4示出了一个对于纯水和一些饱和盐溶液的相对湿度与特征界面曲率半径比较的关系表。这些盐通过降低块状液体水相的相对湿度改变了一些量的关系。这将导致在任何给定的相对湿度条件下曲率半径的增大，但在较低的相对湿度状态下，曲率半径的增加并不大。从图4的表中可以看到，较低的相对湿度具有较低的面间曲率半径特性。当达到分子线度的数量级时，失去了水和固体物料(之间)起边界作用的前提。这发生在水的百分之十的相对湿度下。在该点，水的吸收作用与其说是纯物理接触毛细作用现象，不如说它变成一个化学吸收或化学吸附作用，在一篇征求审核的文章(作者P.F.Luckham，在Power Technology(58，1989，75-91)中，名为“The Measurementof Interparticle Forces”)中，论证说明了对弯液面粒状材料热力学的适用性，是建立在对于水的曲率半径小到大于40埃、接近20个水分子的水平上。P.F.Luckham示出了(在这里重新绘制，作为图5)一个测得的用4πRcosθ换算后的附着力作为水的相对蒸汽压(P/Ps，湿度)的函数曲线，从图5中能够看到，该附着力随相对湿度的降低而单调递减。在这些实验中，0％相对湿度的附着力被简化成在两片干燥的云母表面之间。
电解液的水溶液由于运动的载流子而具有导电性，特别是溶液中的正负离子。这些离子由于水的自然极性而形成，并以水合离子的形式存在。当水层的厚度达到水合离子那么薄时，系统的导电性开始下降，特别是表面薄膜的导电性随厚度的递减按指数率递减。因而，水的表面薄膜的电学导电性在薄膜表面太薄而不允许所溶解的离子有明显的运动时开始下降，其导电性随水的含量单调降低。当薄膜变薄时，其颗粒的导电性受块状体积的传导性支配。
在重新绘制的图6中(Smithsonian Physical Tables，第88期，Eight revised Edition，由Smithsonian Institution 1934年出版)，是一个固体介质的体积和表面电阻率的图表，该体积电阻率ρ是在一厘米正立方体的相对的两个面之间的电阻率；该表面电阻率σ是在其曲面球心的相对的两个边缘之间的电阻率。该表面电阻率通常随湿度在一个较宽的范围内具有多样性。所有材料都显示出了随相对湿度的递减其电阻率增大。
由美国矿山局(US Bureau of Mines)研究，由Foster Fraas在1962年《美国矿山局公报》(US Bureau of Mines Bulletin)，第#603期上发表的，题为“The Electrostatic Separation of GranularMinerals”(此后用“该研究”表示)的文章中，已经测定了一些湿度对分离的影响。例如，在该研究的第7章中讨论了相对湿度对颗粒表面导电性的影响同湿度对接触带电型分离装置的影响一样。在讨论湿度对摩擦分离石英和长石的影响中，该研究指出“在相对湿度达到20％高时，可以获得满意的分离效果”。在较低的相对湿度条件下，石英和长石相对铝带负电；在较高的湿度条件下，长石开始带正电，而在更高的湿度下，石英开始带正电。在非常高的相对湿度条件下，两种材料停止带电。该研究通过这两个作用作出解释；其中一个表面导电，而其他两个颗粒表面变得与所有各(颗粒)表面吸收的相同的水分薄膜的结果一样。就石英和长石来说，这一吸湿作用导致了颗粒相对于铝而言在导电符号上的变化。随着水分涂覆的增加，石英、长石和铝这三种表面都变得更相似了。
在相对湿度变化的条件下摩擦分离粉煤灰时，其产率的变化已经相当精细地被测得。在所有情况下，碳颗粒持续带正电，而玻璃状无机矿物质带负电。然而在一个最佳湿度范围内低碳原料的产率得到提高。图7示出了多种低碳产品的产率和该产品的碳含量与在处理之前的供料煤灰的相对湿度的函数关系。这些相对湿度的测量是非常精确的。其煤灰样品是这样准备的在与沸石分子筛的布袋接触的同时，在混凝土搅拌器中机械混合粉煤灰。该煤灰被干燥到或低于实验条件下的相对湿度。如果必要，可以添加水分使相对湿度达到所需要的实验水准。样品被保护起来防止与大气接触，当使用悬浮或净化气体时，气体以实验条件下的相对湿度供给，除了最低的相对湿度以外，在此都使用干燥的空气。所使用的实验用分离装置已经过特别修正，以保持样品在处理过程中的湿度。分离后的两种产品同样得到测试，以确定其相对湿度没有明显的变化。其湿度是用Vaisala公司(地址100 Commerce Way，Woburn，MA 01801，(617)933-4500)制造的、带有HMI31指示器的HMP35或36相对湿度传感器测量的。这些传感器经常地借助与在特定温度下的各种饱和盐溶液比较而校准。在低相对湿度下，该传感器可能需要10分钟达到稳定水平。
图7的图表清楚地示出了在某些相对湿度下的最大产率。另外，图7示出了低碳产品具有一个最佳湿度范围。所有工艺的最佳化都要求权衡众多相关参数和该工艺的最大经济价值。就从粉煤灰中去除碳而言，碳的去除必须达到用户所能接受的水平，而产率又要求最大。例如，如果当地的煤灰用户要求3％的碳含量，在生产含碳3％或低于3％的煤灰的同时，应使产率最大化。表1示出的数据来自图7、图8和图9。在第一栏中是在煤灰产品仅达到3％烧失量的相对湿度的明细表，下一栏示出了在相对湿度条件下其混合物达到3％烧失量时的产率明细表。
对于这一状态的解释是不清楚的。问题不在于颗粒的导电性。粉煤灰中的碳是极易导电的，具有大约0.004欧姆厘米的电阻率，如此的导电性，使水分薄膜在碳的导电性上将不具有测量效果。煤灰是大于10个数量级的低导电性。尽管如此，颗粒的导电性不是在运行摩擦电逆流传送带型分离装置时的重要因素，而在5％到25％相对湿度范围内的表面导电性的比例变化并不大。结块作用也不象是唯一的解释。低相对湿度将导致少量的结块，这将导致在分离效果上的不断提高。代替用于分离的最佳相对湿度和最佳相对湿度范围被发现。当颗粒被干燥，水分薄膜变薄时，其表面变得愈加不同于当它们变得更干燥时。颗粒带电并不希望当这些颗粒变成具有较少相似性时其带电符号改变，而导致所不希望的分离效果降低。
图7到图9是对于一定数量的不同粉煤灰样品的产品产率和产品的纯度作为相对湿度函数的曲线。另外，图9示出了低碳粉煤灰样品的产品产率在两个不同温度下的函数。如图7到图9所示，所有样品都示出了一个产品产率随相对湿度变化的一个峰值，以及一个最佳湿度范围，而在较低或较高的相对湿度下产率降低，在非常高的相对湿度下，产品的纯度下降。精确的最佳相对湿度位置和最佳相对湿度范围多少有赖于操作的温度，以及对不同的粉煤灰样品多少有些不同。对图9而言，可以看到，对这些粉煤灰其最佳相对湿度随温度有点增加，而其绝对产率还同样较高。
从材料中去除水分是众所周知的，众多技术和商用装置的零部件都是可行的。加热与空气接触的材料减少空气的相对湿度，可以将材料中的水分转移到空气中。例如，这可以通过在与煤灰接触之前加热空气的方式、或在与空气接触之前加热煤灰、或在它们接触的同时加热两者的方式来实现。最好的颗粒干燥设备是使用所有三种方式。事实上，所有粉煤灰的运载都使用了加热的空气用于传输，因而如果必要的化，增强这一加热是很容易的事。在传输煤灰之前对空气除湿有时也同样采用，但通常这种方式较昂贵。
本发明的一个目标是控制向分离装置供料的粉煤灰的相对湿度，从而保持一个特定的最佳湿度范围。通常其控制即需要增大相对湿度的装置，又需要降低相对湿度的装置。图10示出了一种借助在煤灰传输系统中从沉淀器装料斗32到分离装置12之间的各点62、64、66、68上向粉煤灰喷入水分以增大相对湿度的方法。图11示出了一些用于降低煤灰相对湿度的方法，包括用另外的加热器72加热传输空气；借助传输系统42和料斗36上的隔热装置76的热隔绝减少在传输期间的热量损失；增加穿过传输系统(38、40、42)的传输空气的流量率；以及特别有效的技术是加强在沉淀器装料斗处的沉淀器悬浮空气系统(61、63、65)，或在料斗底部增加悬浮空气系统(54、50)。无论是在压缩之前干燥空气或是在压缩之后对空气进行除湿，两者在图中均未示出。但是，用于干燥和湿润物料的各种方法是公知的，并且对于本领域的技术人员可以利用已知的工程作法设计和实施合适的系统，以调节控制湿度在最佳的湿度范围以内，从而达到最佳产率。
参照图10，如果煤灰的相对湿度太低了，可以使用向煤灰中添加水分的方法，以增加其相对湿度达到最佳湿度范围。用于传输的空气(例如借助气力输送或悬浮输送)可以在与煤灰接触之前湿润，这可以通过喷射液态水或水蒸气的方式实现。蒸汽(气体)与空气的混合可以借助一个简单的喷射口容易并快速地完成，在那里蒸汽被喷入流动的空气中并与空气混合。而液态水的喷射更困难一些，液态水必须被打散成细小的水滴，才能和空气迅速混合。该工艺在这一喷射装置中的状态在由L.Bayvel和Z.Orzechowski著，Taylor & Francis出版的名为”LiquidAtomizaion”(Library of Congress #93-8528，TP156.56157)一书中有详细的描述。特别实用的是水的气动雾化设备，因为可以以压缩气体的形式提供相对较大的能量，在高速气流下将水变成细小的水滴并能迅速混合。
湿度增加设备62、64、66、68的的特定位置通常是由电厂的规划决定的，在那里水或蒸汽都是可行的。如果传输空气被加热成蒸汽，使用蒸汽喷射将是非常方便的，同时减少了喷射太多液态水从而使作业失常的可能性。这是特别重要的，如果水是从在料斗底部的传输通道50加入到悬浮空气中，或是通过沉淀器底部的传输通道65加入的，在粉煤灰料斗底部太多的水可能导致结块甚至阻塞料斗，其所需的水量可能非常小。
参照图3，对于每小时50吨的流量率、13％烧失量的情况而言，煤灰的相对湿度从5％增加到10％，使水分含量从0.04％增加到0.06％，或者说增加了0.02％代表大约每吨0.4磅，或相对每小时50吨的流量率大约每小时增加20磅的水分。液态水的喷射同样可以增加相对湿度，但应小心确认水分的扩散遍及所有的粉煤灰。这样做的一种途径是使水通过一个气动雾化装置(来自Delevan公司的#38972-2型，地址200 Delevan Drive，Lexington，TN 38351)，它使用压缩空气产生极细小的液滴，这种液态水同样可以从煤灰传输系统中的各个位置62和64上喷出。在位于供料储存料斗下方的喷射点68或在料斗底部的悬浮点66的位置上，变换水的喷射方式是方便的，因为煤灰的相对湿度可以在料斗中水喷嘴的前方被探测到，同时使用的水量可以受到控制。同样筛网和悬浮供料装置56可以用于产生混合或使水扩散到所有煤灰中。
水同样可以被喷入压缩机38中，用于压缩传输空气。在那里由于空气被压缩后压缩能量将有一点下降，其蒸汽减温。在粉煤灰储存仓36之前添加或从粉煤灰中去除的水分，可以允许较长时间的停留，以便在各颗粒之间迁移。在这种情况下，煤灰上水的最初分布不必象在经历较少时间的水的添加和分离时那样的均匀。
参见图11，其示出了用于降低粉煤灰相对湿度到一个最佳的湿度范围内的各种实施方案。一种用于减少在通过传输通道42传输和处理粉煤灰的过程中热量损耗的装置，借助在传送通道42和料斗36上的隔热层76的热隔绝得以实现。在通常的电厂煤灰处理系统中，粉煤灰以大于150°F的温度离开静电沉淀器装料斗32，如果煤灰随后通过气动传输系统(38、40、42)经过较长的距离，由于热量散失到周围环境中，煤灰可能冷却到接近环境温度。当煤灰以及周围的空气冷却时，空气所能保持的水分减少，当煤灰和空气被分离时，在料斗36处只有少量的水随空气离开，而其它的则停留在煤灰上。减少在沉淀器装料斗和料斗之间气动传输管线的温度下降(例如将管线热隔绝)能有助于降低当粉煤灰进入分离装置12时的相对湿度。同样地，由于在沉淀器温度下水的饱和压非常高，在高温下用干燥的空气代替与煤灰接触的空气可去除更多的水分。例如，借助悬浮沉淀器装料斗32，诸如，通过空气传输系统61、63、65，伴随足够干燥的空气，在煤灰被传输到料斗之前，从煤灰中取代残留的气体，可以从煤灰-空气系统去除水分。
在介绍完本发明的这些具体实施方案之后，对于熟悉这项技术的人员可能很容易发现各种各样的修正方案和改进方案，而这些方案将倾向于成为这项发明的一部分。因而前述的描述只是借助例举的方式，而只限于在随后的权利要求书中所定义的范围及其等同物。
权利要求
1.一种从粉煤灰中分离碳颗粒的方法，包括如下步骤借助一种增加或降低粉煤灰相对湿度的手段，控制粉煤灰的相对湿度，达到最佳的相对湿度范围，以便制造经处理的粉煤灰；以及将待处理的粉煤灰送入摩擦电分离装置中，以便使碳颗粒和粉煤灰摩擦带电，从而从带电的粉煤灰中静电分离带电的碳颗粒。
2.如权利要求1的方法，其中所述最佳的相对湿度范围是从大约5％到30％。
3.如权利要求2的方法，其中所述粉煤灰的相对湿度是降低的。
4.如权利要求2的方法，其中所述粉煤灰的相对湿度是增加的。
5.如权利要求4的方法，其中所述粉煤灰的相对湿度是通过向从远距离的收集仓将粉煤灰传送到摩擦电分离装置的空气中添加水来增大粉煤灰的相对湿度。
6.如权利要求5的方法，其中所述的添加的水是液态的。
7.如权利要求5的方法，其中所述的添加的水是蒸汽态的。
8.如权利要求4的方法，其中该相对湿度的增大是借助在摩擦电分离装置进料时向粉煤灰添加水。
9.如权利要求8的方法，其中向粉煤灰添加水的步骤先于粉煤灰通过摩擦电分离装置进料口的悬浮区域段。
10.如权利要求3的方法，其中是通过如下步骤降低粉煤灰原料的相对湿度的将粉煤灰与降低了相对湿度的空气结合，在用于将煤灰传送到摩擦电分离装置的煤灰-空气传输系统中，其中该煤灰-空气传输系统的温度高于环境温度；保持该煤灰-空气传输系统的温度高于环境温度；当该煤灰-空气传输系统的温度高于环境温度时，将空气从煤灰中分离；以及收集所述煤灰，并送入摩擦电分离装置中。
11.如权利要求10的方法，其中空气的相对湿度是借助这样一种方式来降低的加热空气并使其干燥而提供减小了相对湿度的空气。
12.如权利要求3的方法，其中粉煤灰的相对湿度是借助加热悬浮在粉煤灰中的空气得以降低的。
13.一种从粉煤灰中分离碳颗粒的装置，包括粉煤灰处理装置，用于增加和降低粉煤灰的相对湿度，以达到最佳相对湿度范围，而生产经处理的粉煤灰；以及摩擦电分离装置，该装置接受经处理的粉煤灰，并使碳颗粒和粉煤灰摩擦带电，以便从带电的粉煤灰中分离带电的碳颗粒。
14.如权利要求13的装置，其中所述粉煤灰处理装置包括用于向传输空气添加水分的装置，该传输空气用来将粉煤灰从远距离的收集仓输送到摩擦电分离装置。
15.如权利要求13的装置，其中所述粉煤灰的处理装置包括在摩擦电分离装置的进料口处用于向粉煤灰添加水分的装置。
16.如权利要求13的装置，其中所述粉煤灰的处理装置包括用于向摩擦电分离装置送料的煤灰贮藏容器中的粉煤灰添加水分的装置。
17.如权利要求13的装置，其中传输空气用于将粉煤灰从远距离的收集仓输送到摩擦电分离装置，以及所述粉煤灰处理装置包括在将传输空气与粉煤灰结合之前对传输空气加热的加热器。
18.如权利要求17的装置，其中将粉煤灰从远距离的收集仓输送到摩擦电分离装置的空气传输系统是隔热的，以便减少在该空气传输系统中传输空气的热损失。
19.如权利要求18的装置，进一步包括在该空气传输系统终端的煤灰贮藏容器，该容器带有通向摩擦电分离装置的出口。
20.如权利要求13的装置，其中所述的粉煤灰处理装置包括在空气与粉煤灰结合之前使粉煤灰流动的用于加热空气的加热器。
21.如权利要求13的装置，其中所述的粉煤灰处理装置包括用于干燥传输空气的装置，该传输空气用于在将传输空气与粉煤灰结合之前将粉煤灰从远距离的收集仓输送到摩擦电分离装置。
22.一种实用的电厂系统，包括锅炉，通过燃煤以产生热量用于发电，该锅炉产生的不可燃物质以气体形式排出锅炉；与所述锅炉耦合的煤灰分离系统，接收从锅炉中排出的气体，并收集其中的煤灰；与煤灰分离系统耦合的粉煤灰传输系统，接收所收集的煤灰并将其输送到远距离的贮存容器中；粉煤灰处理装置，用于增大或降低粉煤灰的相对湿度，以达到最佳湿度范围；以及摩擦电逆流传送带型分离装置，从远距离的贮存容器中接收粉煤灰，并使在粉煤灰中的碳颗粒和粉煤灰一样摩擦带电，以便从带电的粉煤灰中静电分离带电的碳颗粒。
全文摘要
从粉煤灰中分离碳颗粒的装置及方法,包括增加或降低粉煤灰的相对湿度以达到最佳湿度范围,并将该最佳湿度的粉煤灰送入摩擦电分离装置中,以便使其中的碳颗粒和粉煤灰摩擦带电,最终将带电的碳颗粒从带电的粉煤灰中静电分离出来。
文档编号B03B9/04GK1248181SQ98802779
公开日2000年3月22日 申请日期1998年2月23日 优先权日1997年2月24日
发明者詹姆斯·D·比特尼, 托马斯·M·当恩, 小弗兰卡·J·哈瑞琪 申请人:分离技术公司