1、应用摩擦电选技术去除粉煤灰表面水分的意义Federico Cangialosi a，Michele Notarnicola a，Lorenzo Liberti a，Pompilio Caramuscio b，Giulio Belz b，Tapiwa Z.Gurupira c，John M.Stencel c，*a、Department of Environmental Engineering and Sustainable Development, Technical University of Bari, Italyb、ENEL Produzione Ricerca, Litoranea B
2、rindisi Casalabate, 72020 Tuturano (Brindisi), Italyc、Tribo Flow Separations, 1525 Bull Lea Road, Suite 10, Lexington, KY 40511, United States摘要：气体输送，应用摩擦电选选矿技术，研究对煤燃烧产生的粉煤灰中，含碳丰富和含灰丰富产品的表面水分的效果。通过暴露在美国和意大利的公用燃煤事业场所环境条件下，来增加粉煤灰的湿度，研究其对碳和灰分分离性的影响。研究显示湿度和粒子表面水分尤为重要，因为粒径下降：颗粒直径大于75流明的几乎不受影响；而颗粒小于45流明，改
3、变颗粒表面水分含量至4倍变化，其可分。虽然颗粒大小影响吸湿，但反过来又影响摩擦带电。因此需要减小碳与灰分间的粘合力，否则难选的粒群，在干燥过程中，也可能是一个影响摩擦电选选矿性能的因素。关键词：摩擦电选，粉煤灰，水分1、介绍煤燃烧产生的粉煤灰是一个丰富的矿产资源，在意大利每年产生近百万吨，在欧洲每年产生近4000万吨，在美国每年产生近1.1亿吨1,2。经常将其弃置在堆填区，增加了环境限制，且处理成本高，但它的用法和经济效益正在利用一个越来越有吸引力的方法替代处置。由于火山灰性能，粉煤灰是一种有商业价值的添加剂，可用于生产混合水泥和混凝土混合物。然而，在欧洲，混凝土制造商的标准是要求粉煤灰的烧失
4、量小于53，在美国，ASTM标准指定烧失量小于64，而工业上一般不超过3。这些值很难用实用工具实现，由于使用低NOx燃烧器，从而禁止粉煤灰在混凝土中的使用。因此，已进行深入研究，如何在全球范围内，经济的从燃煤产生的粉煤灰中移除未燃碳。摩擦电选已被研究作为一个粉煤灰选矿，符合成本效益的选矿方法，并且已经在市场上实行。在气体输送，摩擦电选过程中，颗粒获得正电和负电或通过接触电气获得电荷被管道输送。但一般都认为5,6，在摩擦电选中，碳粒子得到正电，灰粒子得到负电。同时在电场中，碳粒子和灰粒子分离。通过评估理想化的颗粒，它的工作函数可以给出摩擦电选过程中，粉煤灰选矿情况的一个定性描述。例如，未燃烧的碳
5、颗粒，可以假定为具备石墨（4.0 eV）和灰的功函数，且分别等于二氧化硅或氧化铝的功函数（二氧化硅：5 EV氧化铝：4.7 EV）7-9。这些假设通常导致，在实验室和工业加工中观察带正电的碳和带负电的灰颗粒。然而，此粒子功函数是高表面的，可以依赖化学修饰，甚至连水吸附，而水吸附又是已知的，则可以利用其表面离子迁移率。因此，可以在摩擦电选过程中，对碳和灰颗粒反向充电10,11，如果其影响表面调节是已知的且可控的，那么就可以从粉煤灰中除去不需要的碳，同时摩擦电选选矿技术的性能也得以提高 11,12。然而，目前尚不清楚表面调节是否在碳-灰选矿过程中起主导作用，因为其他很多变量也可能影响其性能，例如载
6、气中颗粒的浓度，粒度，温度，电场强度，程度动荡。此外，由于基本信息平衡和灰-水相互作用的反应动力学缺乏，导致他们的影响选矿处理情况尚未完全明白。因此，在本研究中，通过对表面水分和热处理效果的研究，可以更好地了解他们对气体输送，摩擦电选的影响。2、 材料和方法2.1 样品本研究中使用的粉煤灰源于两个公用事业，都配备了低NOx燃烧器。粉煤灰来自美国的燃煤电站，标示为CS，平均烧失量为7.0。其他三个灰渣，来自意大利公用事业燃烧相同的烟煤，标记为FA1，FA2和FA3，平均烧失量分别为8.5，21.0和30.5。意大利的灰渣，是从不同线路的一个660兆瓦的火电厂除尘器的静电料斗中收集的。 用45，7
7、5和150流明的标准筛筛分意大利粉煤灰，分成三部分，大小范围：45流明，标记为FAS（S =小粒径）；45 - 75流明，标记为FAM（M =中等粒径）；75-150流明，标记为FAL（L =大粒径）。由于组分中尺寸较小的颗粒通常有较低的烧失量，而且样品要研究各个大小尺寸与烧失量的关系，但范围较广，所以把FA1，FA2，FA3中的S部分用不同的比例混合，其中用M和L部分得出一系列特定粒径粉煤灰的烧失量值。但在灰的收集和处理过程当中，没有采取预防措施，致使样品暴露在大气中。采用蔡司DSM942型电子显微镜（SEM）测量灰渣颗粒的尺寸和形状特性。2.2样品处理收集和处理后，粉煤灰被放在密封桶中，来
8、减少水分变化。同时用三个不同的方案对灰进行处理。 方案一，将50克试样置于相对湿度为100，温度40C的手套箱中12小时，然后取出并在90C下干燥18小时。这些样品标记为TR1。方案二，为了更好地理解气体相对湿度对摩擦带电和电荷反转的作用，将50 g样品被放置在一个22C，相对湿度在40和85之间，N2吹扫的密封容器中1小时。处理后将灰渣从容器中取出，并在90C下干燥18小时。这些样品标记为TR2。方案三，由于粉煤灰可能存储在湿度不受控制的区域中，这对研究水分吸附是如何影响碳和灰粒子的分离程度尤为重要。因此，粉煤灰被安置在手套式操作箱中，干燥过夜。接着，等份这些灰渣，然后立即处理或暴露在不同时
9、期的环境条件下（55的相对湿度，22）7小时。这些样品标记为TR3。此外，粉煤灰在加热过程中，摩擦带电，运送至电场分离区。此方案的详细描述如下。2.3设备实验室规模的摩擦电选分离器示意图，如图1所示。通常，它是用来表征细颗粒（直径100流明）的分离性，并有一个最大速度10千克/小时进料能力。灰渣置于一个含密封罐的振动送料器中，当颗粒从送料机上落下，它们被气体输送速度高达20米/秒的充电管输送。且运送N2气体的流量是通过转子流量计控制的。在我们的实验中，充电管含有两个循环。通过增加充电管的长度和改变湍流类型，使颗粒与颗粒，粒子与壁面相互碰撞，从而增加了充电的机会。然后将粒子流注入到一个分离室的顶
10、部或含有两个平行板的电场中，其中在铜电极对面施加直流电压（0-20千伏）。抽气通风高压电源袋滤器扩散器质量流量调节器密封罐灰碳分流器直 流充电器管振动给料机ww吗 与以往的研究不同5,6,9,13,14，粉煤灰注入接近正极板，因为发现这样可以提高碳的分离，尤其是在高进给率情况下15。因此，碳-灰粒子之间的分离，更多是依靠导电性碳粒子的移动。在电场区的底部是一个分流器，粒子通过气体引入两个产品，这些产品由两个气旋推动引风机运输的。从旋流器中回收粉煤灰，进行质量平衡测试，并与进入系统的供给的粉煤灰量作比较。发现超过92的粒子实现质量平衡，而“丢失”的质量（8）粒子要么未与气旋接触，要么滞留在缝隙，
11、角落，运输管和旋流器的墙壁上。该系统配备气水起泡的移动设备以添加水蒸汽的载流子N2气。可以用干燥的氮气混合浸湿N2气，改变接触粉煤灰气体的相对湿度。包裹在粉煤灰充电管周围的暖气带，处在电场单元中，则阿什兰中的气体温度，可以通过热电偶监测顶部注入点的温度控制。然而，运输粉煤灰的载货气体的速度随着温度的升高而增加，由于气热膨胀，这种变化将改变量负责传到颗粒上13,15,16。为了消除任何速度因子对颗粒充电的影响，气体的流动速率控制考虑了充电管气体的热膨胀。电场强度测试的范围内是介于1和5千伏/厘米，进给速率为6 kg / h到重制后的商业进给速率17。对量化的过程的选择性，灰分产物收率和烧失量减少
12、计算如下：产量， （1）烧失量减少量， （2）式中WA，WF和LOIA分别为，LOIF的重量和低烧失量产品的烧失量值和给入灰。3结果讨论表一列出的是CS粉煤灰的结果。其中初始表现出非常低的碳分离，且粉煤灰烧失量小于6。当水分饱和，然后干燥（方案TR1），发生明显的电荷反转，因为LOI的正极性产物（LOI +）高于初始和负极性（LOI）的产物。LOI负极性的产物接近4（42减少），但其产率在24是非常低的。这些结果表明，碳报告的阳性产品初始包括至少两个成分：一个是负充电时，发生电荷反转，另一种是不带电荷的或具有低电荷，发生碳在电场迁移。为了了解是否大部分碳带负电或充电不足，电场单元极性相反（RP
13、），在这种情况下，紧接下方的喷射器的电极呈负极性。表1数据中示出，只有三分之一碳是暴露在潮湿中且向正极偏转。因此，大多数的碳不带电荷的，而不是逆转带电粒子。这个结论在以前的工作11中已经被证实，即严重的热处理或暴露在高湿度下，会导致灰粒子获得正电荷远远超过一个碳粒子获得负电荷。表1不同的实验条件下粉煤灰CS的摩擦电选结果TR1：样品处理根据方案TR1；TR2：样品处理根据方案TR2； RP：逆转电极的极性。尽管长时间曝露在外增加了湿度，促进电荷反转和少量摩擦充电，但尚不清楚这需要多长时间或暴露多少，则需要观察电荷反转。因此，TR2测试输送气体的相对湿度和电荷反转间的关系。同时发现未充电反转（所
14、有样品是相同的）。这个结果也是独立的，且测试期间相对湿度保持在40-85。众所周知，吸附在颗粒表面水的量借助于有关的相对湿度吸附等温线得出。有人提出，程度电荷反转也与吸附等温线有关。在TR1方案中，12小时的调节时间可能足以使汽相的水和水的之间的吸附达到平衡，而在TR2方案中的颗粒没有达到平衡，可能是由于吸附相对缓慢。因此，在方案TR3中，检查相关动力学和水分吸附量，对选矿性能的影响。图2表示CS粉煤灰的调节时间，烧失量和产量之间的关系。仅仅将其暴露在室内环境条件下，就造成了重要的物理化学属性的更改，且对碳灰的分离性也产生了负面影响。相比起始（表1），立即处理干燥的CS灰，即使粉煤灰量不变，减
15、少烧失量，也得到了一个三倍的增加。这增加了碳灰分离性，但暴露于环境条件下2小时，碳灰分离性的优势就消失了，且没有进一步观察更多的暴露时间后的变化。因此， 在2小时内，吸附达到平衡，其结果是符合吸湿动力学中吸湿性和适度吸湿性物质的文献报道18。图2方案TR3中样品粉煤灰CS的烧失量与产量的关系图TR3的处理结果，没有观察到电荷反转，因此，结果取决于，粉煤灰表面润湿程度或暴露在表面水饱和的环境条件11。也可以认为，是由于电荷反转，轻微得提高了分离效率；或是轻微得提高了摩擦电选，影响了表面离子的迁移率。事实上，本研究中使用的分离器的几何形状依赖于碳粒子的流动性；且他们几乎没有对起始粉煤灰充电，也就没有发生显著的电荷反转。附加实验中，将起始CS粉煤灰的存储在低相对湿度（20），60的手套箱中过夜，然后从手套箱中取出，并立即处理它。结果列于表1中（CS加热样
