粉煤灰脱炭的平行板静电分离器及摩擦荷电静电场分选工艺

摘要

一种粉煤灰脱炭的平行板静电分离器及摩擦荷电静电场分选工艺，属于矿物分离技术领域。分选工艺由给料装置、平行板静电分离室、产品收集装置三部分构成。给料装置主要由电磁振动给料机，并配合气动传输管路，组成粉煤灰干粉物料给料装置；干粉物料经平行板静电分离室分选后，得到燃煤飞灰、残炭颗粒和中间物料三种分离产品；燃煤飞灰产品和残炭颗粒产品通过旋流器和布袋收集器所组成的产品收集装置的捕集，分别得到最终的粉煤灰产品和残炭产品。而中间产品则返回平行板静电分离室进行再选。本发明工艺为干法物理分选过程，无需矿浆准备和药剂添加，没有废水产生，也无需脱水过滤装置。因此相对于浮选分离等湿法分选工艺而言，工艺简单，运行成本低廉。

说明书

技术领域

本发明属于矿物分离技术领域，提供了一种粉煤灰脱炭的平行板静电分离器及摩擦荷电静电场分选工艺。

背景技术

本发明设计是基于矿物资源综合利用和环境污染防治的实用技术，是利用高压静电场脱除粉煤灰中未燃尽残炭的分选设备和工艺流程。粉煤灰作为煤粉燃烧产物，受原料及燃烧工况的影响，原状灰或多或少会含有未燃尽有机物，即未燃尽残炭。粉煤灰中未燃尽炭含量的超标，不仅带来相应的环境问题，而且制约着粉煤灰在许多领域的应用。

全世界年排放粉煤灰总量约5亿吨以上。而我国就超过1亿吨，居世界第二位。随我国经济建设发展，粉煤灰排放量会进一步增加，会相应带来更多环境问题。因此经济有效的粉煤灰综合利用日益成为一个重要课题。然而，在粉煤灰资源化利用过程中遇到的一个主要问题是未燃尽炭含量超标，它制约着粉煤灰在许多领域的应用。如在建筑材料和筑路填充中，粉煤灰碳含量超标会显著影响建筑及填充材料的吸水性和稳定性，给粉煤灰的有效综合利用带来显著负面影响。所以只有降低粉煤灰含炭量，才能有效提高其质量等级，从而为其综合利用开辟广阔市场。

当今世界上降低粉煤灰炭含量的方法主要有两种：一.排灰前降低炭含量，即进行锅炉改造以提高煤粉燃烧效率；二.对高炭粉煤灰采用一定工艺和方法，将其中未燃尽炭除掉一部分。主要实用技术有：燃烧法、电选法、浮选法和离心分离等(何新露.粉煤灰选炭的试验研究.粉煤灰综合利用，1999，03(5)：15～18)。其中以湿法分选的浮选法和干法分选的电选法应用最为普遍。

目前高炭粉煤灰浮选工艺从煤炭一段浮选工艺发展而成。如甘肃白银公司动力厂原灰含炭量平均为35％左右。经浮选后含炭量降到5％以下(邵靖邦，王祖讷.降低粉煤灰含炭量的途径.中国煤炭，1998，24.(10)：17-19.)。但因新鲜煤粒表面有有机油类化合物吸附，表现为强天然疏水性；而粉煤灰是在高达1500℃以上的温度下燃烧产生，其天然疏水性差。因此粉煤灰中炭粒不同于未经燃烧的煤。又因为一段浮选工艺中存在宽级别入料各因素相互干扰、在同一操作条件和药剂制度下，不能够达到优化配置。所以这种以煤用浮选工艺为基础的粉煤灰浮选工艺，有脱炭分离指标不理想、分选效率偏低的缺点。另外经湿法处理后的粉煤灰活性下降，并且还会增加产品脱水、干燥成本。而采用电选等干式分选法分选后的产品无需过滤干燥，产品活性好。随着技术进步，干法电积尘已占主导地位，电厂越来越趋向于采用干式分选法来处理粉煤灰中的炭(焦有宙，张全国，张相锋等.粉煤灰电特性与摩擦高压静电脱炭技术试验研究.河南师范大学学报(自然科学版)，2004，32(3)：36～40)。

火电厂粉煤灰的干法处理有风选法和电选法两种。其中风选法以风力分级和离心分级为基础，主要用来改善粉煤灰的细度，对于其中的炭却显得无能为力；电选法则利用灰粒和炭粒在电性质上的差异以及电选脱碳机离心场的作用，在脱炭的同时提高粉煤灰的细度(龚文勇；张华.电选粉煤灰脱炭技术的研究.粉煤灰，2005，(3)：33～36)。

此前，电选用于锅炉粉煤灰中炭、灰的分离，人们已进行了广泛的研究，也取得了一批令人满意的结果，但对于粉煤灰摩擦荷电静电场分选的研究和应用尚未见报道。

本平行板静电分离器及摩擦荷电静电场分选工艺流程对高炭粉煤灰这样的细微粒级物料分选效果尤佳，兼顾了分选精度和产率，是一种达到了国际先进水平的静电场分选设备及工艺。

发明内容

本发明目的在于提供一种粉煤灰脱炭的平行板静电分离器及摩擦荷电静电场分选工艺，解决了粉煤灰中残炭含量超标所带来的相应的环境问题和粉煤灰综合利用的问题，提出一种低成本、工艺简单、效率高的粉煤灰电选除炭的装置及工艺方法。

本发明的平行板静电分离器的结构简图如附图1所示，本平行板静电分离器由引导器2、高压静电分离室6和产品分隔室7三部分组成。引导器2为从静电分离器上端插入的无缝钢管，电弧焊接固定；高压静电分离室的截面为矩形，其前后壁面由金属板3和金属板4构成，其中，金属板3连接负高压发生器，金属板4接地，通电后在两块金属板之间产生高压匀梯度电场；产品分隔室7处于整个平行板静电分离器的最下方，通过法兰盘12与高压静电分离室6连接。产品分隔室内的纵向方向装有两个分隔隔板8，分隔隔板8的上部(法兰盘以上部分)为活动隔板，通过改变其倾斜角度，可调整隔板间隙h1和h2，从而控制各产品的产率和品位。在两块金属板之间产生高压匀梯度电场；带正负不同电荷的物料颗粒在其中高压电场的作用下会产生物料分层；物料层流会随载气进入产品分隔室中，在分隔室中被分隔隔板分离开来而形成精矿和尾矿料流。

本发明静电分选工艺由给料系统、平行板静电分离系统、产品收集系统三部分构成。核心分离装置为平行板静电分离器，并配合相应的给料及产品收集设备，组成一个完整的摩擦荷电静电场分选工艺系统，来脱除粉煤灰中的未燃尽炭粒。本分选工艺为干法物理分选过程，无需矿浆准备，没有废水产生，也无需脱水过滤装置。因此相对于浮选分离等湿法分选工艺而言，工艺简单，运行成本低廉。

给料系统主要由电磁振动给料机，并配合气动传输管路，组成粉煤灰干粉物料给料系统；干粉物料经平行板静电分离器分选后，得到燃煤飞灰、残炭颗粒和中间物料三种分离产品；燃煤飞灰产品和残炭颗粒产品通过旋流器和布袋收集器所组成的产品收集装置的捕集，分别得到最终的粉煤灰产品和残炭产品。而中间产品则返回平行板静电分离器进行再选。

粉煤灰残炭摩擦荷电静电场分选工艺流程说明：

结合附图2，对本粉煤灰残炭摩擦荷电静电场分选工艺的工作过程叙述如下：

粉煤灰原料为燃煤火力发电厂的粉煤灰，颗粒最大粒度不超过2.0mm，残炭含量在5％～40％之间。首先，粉煤灰干灰入料13给入给料斗14中，给料斗14的缓冲时间为1～5分钟；随后经电磁振动给料机15输送至气动传输器受料斗16，形成气动传输器入料17，气动传输器受料斗17的缓冲时间为1～5分钟；设置给料斗14和受料斗16的目的是保证生产的连续性和稳定性。粉煤灰物料在电磁振动给料机的输送过程中，与输送机内衬的特氟隆材料摩擦，而被荷电。其中炭质组分带正电荷，而无机组分带负电荷；气动传输器载气由鼓风机18提供，载气19输入气动传输器20后，携带接受斗入料，与中间产品底流29一并形成静电分选机入料1。静电分选机入料1的浓度(气固比)和流量由电磁振动给料机15振动频率和鼓风机18的鼓风量协同决定。静电分选机入料1的浓度范围为12～27wt.％，流量控制在1120～1860Nm³/h之间。整个分选系统的处理量为3000～5500kg/hr。

带不同电荷的静电分选机入料1被吹入静电分离器23后，带电荷的静电分选机入料1经引导器2吹入平行板静电分离室6后，带正负不同电荷的物料颗粒在其中高压电场的中受到不同方向的库仑力，其中，带正电荷的残炭颗粒吸引至负极板方向，形成富含炭质颗粒的物料层流；而带负电荷的飞灰颗粒被吸引至相反的方向，形成富含飞灰颗粒的物料层流；分层物料流会随载气进入产品分隔室7中，在分隔室中被分隔隔板8分离开来；调整两分隔隔板的间隙h1和h2，可以控制粉煤灰料流9、中间料流10和残炭料流11的产率和品位。通过其中高压静电场的分选，形成粉煤灰气固两相流、残炭气固两相流和中间产品气固两相流。

产品收集装置由旋流器25和布袋收集器26构成；由静电分离器23分选得到的残炭气固两相流11、粉煤灰气固两相流9和中间物料气固两相流10，经旋流器入料鼓风机24加压后，给入旋流器25；通过旋流器的浓缩作用，产生的底流产品(粒度为10～500μm)通过布袋收集器26进行气固分离，最后固态的粉煤灰产品27和残炭产品28；布袋收集器26为双回路设计，即一路进行气固分离，一路卸料，两工作过程交替进行，以保证整个产品收集过程的连续性；中间产品的底流29则不经过布袋收集器气固分离，直接返回至静电分选机入料1使中间物料得到再选；各旋流器溢流30则直接返回至鼓风机6入口，形成鼓风入流22，溢流粒度控制在0.0125～10μm，操作中通过调整旋流器溢流管的插入深度和旋流器入料鼓风机24的风量进行控制。

本发明的优点或积极效果：

应用平行板静电分离器和配套摩擦荷电静电场分选工艺来分离粉煤灰中未燃净残炭。分选结果表明，平行板静电分离器和摩擦荷电静电场分选工艺可有效脱除粉煤灰中残炭。本平行板静电分离器不但投资少、耗电量小，而且维修量小，运行费用低；相对于浮选分离等湿法分选工艺而言，本干法物理分选工艺流程得到明显简化，无需矿浆准备和药剂添加，没有废水产生，也无需脱水过滤装置。因此对周围环境基本上没有危害。其工艺成本均优于浮选分离等工艺流程。

附图说明

图1是本发明的平行板静电分离器。其中，静电分离室入料1、引导器2、高压负极板3、接地板4、负高压发生器5、平行板静电分离室6、产品分隔室7、分隔隔板8、粉煤灰料流9、中间料流10、残炭料流11、法兰盘12、引导器插入深度h、隔板与高压负极板的距离h1、两个分隔隔板之间的距离h2。

图2是本发明的摩擦荷电静电场分选工艺流程。其中，静电分选机综合入料1、粉煤灰原灰入料13、给料斗14、电磁振动给料机15、受料斗16、气动传输器入料17、气动传输器鼓风机18、载气19、气动传输器20、静电分选机入料21、静电分选机溢流入料22、平行板静电分离器23、旋流器入料鼓风机24、旋流器25、布袋收集器6、粉煤灰产品27、残炭产品28、中间产品29、旋流器溢流30。

给料斗和受料斗的容量为整个静电分选系统1～5分钟的处理量。电磁振动给料机上的特氟隆荷电涂层的长度为100cm。布袋收集器为双回路设计，即一路进行气固分离，一路卸料，两工作过程交替进行，其型号在应用中根据实际的处理能力和过滤压力选型。各产品旋流器溢流管的插入深度可作调整。气动传输器鼓风机和各个旋流器入料鼓风机为通用流体机械，其选型可按实际的流量和压升选择。

具体实施方式

这里通过实施例对本发明作进一步说明，选择陕西某燃煤电厂的两种粉煤灰原灰，其特点是烧失量指标偏高(8％～25％)，化学成分如表1。采用附图所示摩擦荷电静电场分选工艺进行分选。

                表1所用两种粉煤灰的化学组成及烧失量

  SiO₂  Fe₂O₃  Al₂O₃  CaO  MgO  SO₃  烧失量 粉煤灰1  48.08  4.69  39.22  2.59  1.14  0.55  9.17 粉煤灰2  46.92  5.24  39.37  2.71  0.76  0.27  16.03

操作过程及条件

所使用的平行板静电分离器引导器内径为80mm，插入深度h为125mm。首先接通2.1kV负高压发生器电源，使静电分选室产生场强为200kV/m的高压电场。并启动各产品鼓风机，使静电分选机系统进入工作状态。接着启动给料系统：先开启气动传输器的载气鼓风机，向气动传输器鼓风。等鼓风机风压稳定后，再启动电磁振动给料机，原料粉煤灰来源于燃煤电厂静电除尘器，不需经过任何处理，直接给入给料斗中。调整鼓风机风量和电磁振动给料机的振动频率，保持静电分选机入料浓度为21wt.％，流量为1510Nm³/h。整个分选系统的处理量为4630～5120kg/hr。

在静电分选机高压电场的作用下，物料产生分层流，并随载气进入分隔室，在分隔室中被分隔隔板分离，根据粉煤灰和残炭产品产率和品位要求，调整两分隔隔板的间隙，以达到指标要求。通过旋流器的浓缩作用，产生的底流产品通过布袋收集器进行气固分离，得到固态的粉煤灰产品和残炭产品。

针对陕西某燃煤电厂的两种粉煤灰原灰，本摩擦荷电静电场分选工艺的具体分选条件和操作参数如表2所示。

表2静电分选系统针对两种粉煤灰的具体分选条件和操作参数

  静电分选  机入料流  量Nm3/h  静电分选  机入料浓  度wt.％  荷电材  料  负高压  发生器  电压kV  高压电  场场强  kV/m  分隔隔  板间距  h1cm  分隔隔  板间距  h2cm  分选系统  处理量  kg/hr  粉煤  灰1  1510  21  特氟隆  2.1  200  11.7  5.6  5120  粉煤  灰2  1510  19  特氟隆  2.1  200  12.9  4.7  4630

分选结果

本摩擦荷电静电场分选工艺系统在上述操作参数条件下，对粉煤灰1和粉煤灰2进行静电分选，所得分选指标如表3和表4所示。

表3摩擦荷电静电场分选系统对粉煤灰1的分选指标(产率、灰回收率、水分、灰分和烧失量)

  原料及产品  产率  灰回收率  水分  灰分  烧失量  入料原状灰  100  100  0.94  90.83  9.17  粉煤灰产品  61.7  64.63  0.59  95.66  4.34  残炭产品  34.83  32.56  1.17  85.37  14.63

表4摩擦荷电静电场分选系统对粉煤灰2的分选指标(产率、灰回收率、水分、灰分和烧失量)

  原料及产品  产率  灰回收率  水分  灰分  烧失量  入料原状灰  100  100  0.81  83.97  16.03  粉煤灰产品  55.78  57.82  0.66  94.59  5.41  残炭产品  42.49  36.93  1.23  79.41  20.59

可见粉煤灰1和粉煤灰2的烧失量分别从9.17％和16.03％降到了4.34％和5.41％，分别达到国标GB 1596-9的I级灰和II级灰标准，也达到了美国ASTM C-6181的C级灰标准。其中分隔隔板间隙对残炭回收率的控制作用显著。分选结果表明，摩擦荷电静电场分选工艺可有效脱除粉煤灰中残炭，相对于浮选分离等湿法分选工艺而言，本工艺流程脱炭分离指标和分选效率均比较理想，无需矿浆准备和药剂添加，没有废水产生，也无需脱水过滤装置。因此不但投资少，而且运行费用低，对周围环境基本上没有危害。其工艺成本均优于浮选分离等工艺流程。