Tính toán, mô phỏng điện trường nhằm nâng cao hiệu quả của thiết bị phân tách tĩnh điện

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

Trần Việt Sơn

TÍNH TOÁN, MÔ PHỎNG ĐIỆN TRƢỜNG NHẰM NÂNG
CAO HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ PHÂN TÁCH TĨNH ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÃ MINH KHÁNH

Hà Nội - 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các nghiên cứu và
kết quả được trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố
trong bất kỳ một bản luận văn nào trước đây.

Tác giả luận văn

Trần Việt Sơn


LỜI CẢM ƠN

ạn bè, đồng nghiệ
ờ

TS. Lã

Minh Khánh, người đã tận tâm hướng dẫn, hết lòng giúp đỡ, chỉ bảo, động viên tôi
trong gần hai năm qua, kể từ khi bắt đầu khóa học cho tới lúc hoàn thành luận văn
này.
Xin chân thành cảm ơn NCS. Đinh Quốc Trí, người hướng dẫn thứ hai của
tôi, đã giúp đỡ, chỉ bảo tận tình cho tôi trong những lúc tiến hành thực nghiệm tại
phòng thí nghiệm Cao áp và Vật liệu, Bộ môn Hệ thống điện.
Xin cảm ơn tập thể các thầy cô giáo Bộ môn Hệ thống điện, Đại học Bách Khoa
Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn
thành luận văn. Xin chúc các thầy, các cô và gia đình luôn mạnh khỏe, hạnh phúc,
để có thể đào tạo thêm cho đất nước nhiều tài năng khoa học mới.
Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Trần Việt Sơn


MỤC LỤC
Trang
LỜI CẢM ƠN
LỜI CAM ĐOAN
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU

1

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ

5

1.1. Tổng quan về trữ lượng và tình hình khai thác Titan tại Việt Nam

5

1.1.1. Trữ lượng Titan tại Việt Nam

5

1.1.2. Thực trạng khai thác và sản xuất

7

1.2. Tổng quan về các công nghệ phân tách trong công nghiệp tuyển
khoáng, các công nghệ ứng dụng kĩ thuật điện cao áp trong phân tách các
phần tử
1.2.1. Các công nghệ trong tuyển khoáng
1.2.2. Các công nghệ ứng dụng kĩ thuật điện cao áp trong phân tách các
phần tử

8
8
11

1.3 Phân tích đánh giá, lựa chọn công nghệ nghiên cứu

17

1.4. Giới thiệu mô hình thiết bị ứng dụng công nghệ máng nghiêng

19

1.5. Kết luận chương 1

21

CHƢƠNG 2. TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG, NGHIÊN CỨU CÁC YẾU
TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG PHÂN TÁCH CÁC HẠT SA
KHOÁNG CỦA CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ

22

2.1. Phân tích các đặc tính của sa khoáng

23

2.2. Ảnh hưởng của cấu trúc thiết bị và trọng lực đến quỹ đạo bay của
phần tử

25


2.3 Mô phỏng, đánh giá ảnh hưởng của điện trường trong thiết bị đến quỹ
đạo bay của các hạt sa khoáng

30

2.3.1. Xây dựng phương trình quỹ đạo bay của hạt Ilmenite và Zircon
dưới tác động của điện trường

30

2.3.2. Sử dụng chương trình Comsol Multiphysics mô phỏng điện
trường đối với mô hình thiết bị phân tách tĩnh điện

36

2.4. Kết luận chương 2

48

CHƢƠNG 3. PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA
THIẾT BỊ PHÂN TÁCH THỰC TẾ

50

3.1. Xây dựng quy trình phân tách

50

3.1.1. Đo khối lượng, kích thước hạt sa khoáng sẽ đưa vào phân tách

51

3.1.2 Thiết lập cấu hình cho thiết bị phân tách

54

3.2. Kết quả thực nghiệm

55

3.2.1. Điện áp đặt vào các điện cực U=± 20 kV

55

3.2.2. Điện áp đặt vào các điện cực U=± 25 kV

57

3.2.3. Điện áp đặt vào các điện cực U=± 30 kV

59

3.3 Phân tích và đánh giá

61

3.4. Kết luận chương 3

62

KẾT LUẬN

63

TÀI LIỆU THAM KHẢO

65


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1

Đánh giá ưu nhược điểm của các công nghệ áp dụng kỹ thuật
điện cao áp trong phân tách phần tử.

Bảng 2.1

Đặc tính của một số hạt khoáng chất được phân tách

Bảng 3.1

Tỷ lệ phân bố hạt của các khay khi góc nghiêng α= 550, điện áp
đặt vào điện cực ±20 kV, (%)

Bảng 3.2

Tỷ lệ phân bố hạt của các khay khi góc nghiêng α= 570, điện áp
đặt vào điện cực ±20 kV, (%)

Bảng 3.3

Tỷ lệ phân bố hạt của các khay khi góc nghiêng α= 600, điện áp
đặt vào điện cực ±20 kV, (%)

Bảng 3.4

Tỷ lệ phân bố hạt của các khay khi góc nghiêng α= 550, điện áp
đặt vào điện cực ±25 kV, (%)

Bảng 3.5

Tỷ lệ phân bố hạt của các khay khi góc nghiêng α= 570, điện áp
đặt vào điện cực ±25 kV, (%)

Bảng 3.6

Tỷ lệ phân bố hạt của các khay khi góc nghiêng α= 600, điện áp
đặt vào điện cực ±25 kV, (%)

Bảng 3.7

Tỷ lệ phân bố hạt của các khay khi góc nghiêng α= 550, điện áp
đặt vào điện cực ±30 kV, (%)

Bảng 3.8

Tỷ lệ phân bố hạt của các khay khi góc nghiêng α= 570, điện áp
đặt vào điện cực ±30 kV, (%)

Bảng 3.9

Tỷ lệ phân bố hạt của các khay khi góc nghiêng α= 600, điện áp
đặt vào điện cực ±30 kV, (%)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1

Ilmenite dạng sa khoáng sau khi đã làm giàu

Hình 1.2

Zircon dạng sa khoáng sau khi đã làm giàu

Hình 1.3

Quy trình xử lý quặng khoáng chất trong công nghiệp sử dụng
kĩ thuật điện cao áp

Hình 1.4

Mô hình, nguyên lý làm việc ứng dụng công nghệ thiết bị sử
dụng hai điện cực phẳng

Hình 1.5

Mô hình, nguyên lý làm việc ứng dụng công nghệ kiểu trục
quay hình trụ

Hình 1.6

Thiết bị phân tách sa khoáng sử dụng công nghệ máng nghiêng

Hình 1.7

Mô hình thiết bị ứng dụng công nghệ máng nghiêng
tại Bộ môn Hệ thống điện, Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Hình 2.1

Điện tích của thành phần Ilmenite trong sa khoáng khi chuyển
động trong điện trường và tính toán theo lý thuyết

Hình 2.2

Ảnh hưởng của cường độ điện trường đến khả năng tích điện
của Ilmenite và Zircon

Hình 2.3

Hệ tọa độ tính toán trong trường hợp chỉ có lực trọng trường
tác động đến chuyển động của hạt

Hình 2.4

Quỹ đạo bay của các hạt dưới tác dụng của trọng lực

Hình 2.5

Quỹ đạo bay của các hạt Ilmenite và Zircon dưới tác dụng của
trọng lực và lực điện trường.

Hình 2.6

Giao diện sử dụng chương trình Comsol Multiphysics 4.3.

Hình 2.7

Thay đổi của phân bố điện trường khi góc nghiêng α thay đổi

Hình 2.8

Thay đổi của phân bố điện trường khi điện áp thay đổi

Hình 2.9

Thay đổi của phân bố điện trường khi hình dạng điện cực âm
thay đổi

Hình 3.1

Quy trình phân tách các hạt Ilmanite và Zircon

Hình 3.2

Tỷ lệ phân bố kích thước hạt khoáng sản

Hình 3.3

Biểu đồ phân bố các hạt sa khoáng với α= 550, U= ±20 kV

Hình 3.4

Biểu đồ phân bố các hạt sa khoáng với α= 570, U= ±20 kV

Hình 3.5

Biểu đồ phân bố các hạt sa khoáng với α= 600, U= ±20 kV

Hình 3.6

Biểu đồ phân bố các hạt sa khoáng với α= 550, U= ±25 kV

Hình 3.7

Biểu đồ phân bố các hạt sa khoáng với α= 570, U= ±25kV

Hình 3.8

Biểu đồ phân bố các hạt sa khoáng với α= 600, U= ±25 kV

Hình 3.9

Biểu đồ phân bố các hạt sa khoáng với α= 550, U= ±30 kV

Hình 3.10

Biểu đồ phân bố các hạt sa khoáng với α= 570, U= ±30kV

Hình 3.11

Biểu đồ phân bố các hạt sa khoáng với α= 600, U= ±30 kV

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Ngân hàng Thế giới (WB) đã từng tuyên bố rằng: Công nghiệp khai thác
khoáng sản là phương tiện đi đến xóa đói, giảm nghèo và phát triển bền vững; như
vậy, về lý thuyết, khai thác khoáng sản góp phần làm tăng trưởng kinh tế, tạo công
ăn việc làm và cải thiện cơ sở hạ tầng; và vì vậy công nghiệp khai thác khoáng sản
có sức ảnh hưởng to lớn đến đời sống kinh tế - xã hội, ở Việt Nam, ngành khai
khoáng là ngành kinh tế mũi nhọn, chiếm tỷ trọng GDP lớn. Tỷ lệ xuất khẩu khoáng
sản ở Việt Nam tương đối cao. Tính riêng 7 tháng đầu năm 2013, xuất khẩu quặng
và khoáng sản tăng trưởng cả về lượng và trị giá so với cùng kỳ năm trước, tăng lần
lượt 100,86% và tăng 3,11% tương đương với 1,4 triệu tấn, trị giá 140,5 triệu USD.
Trong ngành công nghiệp khai khoáng tại Việt Nam, khai khoáng Titan đóng
một vai trò không hề nhỏ; trên cơ sở đánh giá chung, Việt Nam có nguồn tài nguyên
sa khoáng Titan đáng kể, với trữ lượng lớn và chất lượng tốt, chiếm 6% sản lượng
nguyên liệu Titan toàn cầu năm 2012, Việt Nam đang giữ vị trí quan trọng trong
nhóm quốc gia cung cấp nguyên liệu thô Titan cho thị trường thế giới. 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. Với vai trò quan trọng như vậy, đối với Titan
Thủ tướng Chính phủ cũng đã 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.
Trên Thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, 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.

1


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, đề tài tập trung vào việc tính toán thiết kế và chế tạo sản phẩm ứng dụng
công nghệ này trong ngành khai khoáng, đặc biệt là khai thác và làm giàu sản phẩm
từ quặng Titan.
Mục đích nghiên cứu của luận văn
Nghiên cứu, đánh giá những thông số ảnh hưởng chính tới mô hình thiết bị
phân tách tĩnh điện, đưa ra cấu hình thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả của thiết bị
phân tách sử dụng công nghệ điện cao áp tĩnh điện.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các công nghệ phân tách, tuyển quặng phổ biến trên thế giới hiện
nay, nghiên cứu, đánh giá các công nghệ phân tách các phân tử có tính điện dẫn
khác nhau bằng kỹ thuật điện cao áp tĩnh điện, lựa chọn công nghệ sẽ sử dụng phục
vụ nghiên cứu trong phạm vi luận văn.
Tính toán, mô phỏng điện trường đối với mô hình công nghệ phân tách được
lựa chọn nghiên cứu.
Ứng dụng thử nghiệm để tuyển hai loại khoáng sản chính là Ilmenite và
Zircon từ các mỏ sa khoáng của Việt Nam, sử dụng mô hình thử nghiệm tại phòng
thí nghiệm Cao áp và vật liệu, Bộ môn Hệ thống điện, Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả phân tách của mô hình nghiên
cứu dựa trên cơ sở kết quả tính toán mô phỏng và thực nghiệm.
Đề xuất cấu hình thiết kế cho thiết bị phân tách tĩnh điện sản xuất trong
tương lai tại Việt Nam.

2


Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu :
Tham khảo các kết quả nghiên cứu thông qua tài liệu, tạp chí, sách, bằng
sáng chế,… liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu. Từ đó phân tích, đánh giá, lựa chọn
công nghệ phù hợp.
Cập nhật, hệ thống hóa hiện trạng khoa học và công nghệ cũng như tổng
quan các phương pháp tuyển và làm giàu khoáng sản trong và ngoài nước. Phân tích
ưu nhược điểm của từng phương pháp.
Xác định các đặc tính của các loại sa khoáng như trọng lượng riêng, trị số
điện dẫn,… để tính toán tăng khả năng tuyển và làm giàu của công nghệ này.
Thử nghiệm và đánh giá hiệu quả công nghệ về các khía cạnh kỹ thuật, kinh
tế và môi trường.
Các nghiên cứu được thực hiện trong luận văn trên cơ sở phương pháp mô
phỏng lý thuyết cho mô hình thiết bị cụ thể nhằm đánh giá các yếu tố chủ yếu ảnh
hưởng tới kết quả vận hành thiết bị. Bên cạnh đó luận văn áp dụng các thực nghiệm
thực tế đối với các mẫu sa khoáng đã thu thập từ mỏ khoáng Titan Cẩm Hòa, Cẩm
Xuyên, Hà Tĩnh. Các kết quả được thống kê và sử dụng để xây dựng các quan hệ và
đặc tính làm việc tương ứng.
Phần tổng quan lý thuyết trong luận văn áp dụng phương pháp điều tra, hồi
cứu nhằm đề xuất mô hình thiết bị phù hợp.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài này được tiến hành từ nhu cầu thực tế trong việc sản xuất các thiết bị
phân tách tĩnh điện phù hợp với điều kiện Việt Nam và hướng tới tối ưu, nâng cao
hiệu quả phân tách, tuyển quặng của các thiết bị này. Đề tài được thực hiện sẽ là
bước đầu cho các nghiên cứu đưa ra các thông số chỉ báo, khuyến cáo đối với công
tác thiết kế, chế tạo các thiết bị phân tách tại Việt Nam trong tương lai nhằm giảm
giá thành sản xuất, cũng như nâng cao năng suất của công cụ, điều này cũng giúp
ích cho công tác bảo vệ môi trường, và khai thác một cách hợp lý nguồn tài nguyên

khoáng sản trong nước.

3


Nội dung nghiên cứu
Nhằm đạt được mục đích nghiên cứu trên, các nội dung sau đã được thực hiện
trong luận văn:
- Tổng quan công nghệ
- Tính toán, mô phỏng, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến khả
năng phân tách sa khoáng của thiết bị
- Phân tích, đánh giá hiệu quả làm việc của thiết bị phân tách thực tế
- Kết luận và kiến nghị

4


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ
1.1. Tổng quan về trữ lƣợng và tình hình khai thác Titan tại Việt Nam
1.1.1. Trữ lƣợng Titan tại Việt Nam
Titan và các hợp chất Titan được sử dụng nhiều trong nền kinh tế quốc
dân. Trên cơ sở đánh giá chung, 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.
Nếu so sánh về mặt tiềm năng tài nguyên thì trữ lượng IlmenitE-Zircon của
Việt Nam chiếm khoảng 5% trữ lượng của toàn thế giới. Hàm lượng các khoáng vật
có ích trong quặng Titan Việt Nam là: Ilmenit 20 ÷ 200 kg/m3, zircon 20 ÷ 50

kg/m3, rutil 5 ÷ 10 kg/m3 và một lượng đáng kể monazit. Thành phần khoáng vật
quặng trong sa khoáng Titan ven biển chủ yếu là Ilmenit, zircon, rutil, anataz,
lecoxen, monazit, manhetit... khoáng vật không quặng chủ yếu là cát thạch anh. Ở
phần lớn các mỏ, quặng Titan chủ yếu (trên 80%) là ở dạng hạt mịn (0,05 ‚ 0,15
mm). Tổng trữ lượng zircon đi kèm quặng Titan ước tính khoảng 0,5 triệu tấn[4].
Ở nước ta hiện nay đã phát hiện được 66 tụ khoáng và điểm quặng Titan.
Quặng giàu mới chỉ phát hiện được ở tụ khoáng Cây Châm và điểm quặng Nà Hoe.
Tụ khoáng Cây Châm nằm ở huyện Phú Lương, cách Thái Nguyên 20 km, được
phát hiện từ năm 1963. Quặng tại đây được phân thành ba loại là bậc cao, bậc trung
bình và bậc thấp theo hàm lượng Ilmenit. Quặng bậc cao có thành phần như sau:
TiO2 = 15 ÷ 30%; FeO = 23,25%; Fe2O3 = 2,89%; V2O5 = 0,12 ÷ 0,25%;
SiO2 = 16,7%; Al2O3 = 3,8%; MgO = 0,26%; CaO = 1,18%; Cr2O3 =
0,045%.
Dự đoán trữ lượng của tụ khoáng này là 4,83 triệu tấn Ilmenit. Số còn lại
đánh giá sơ bộ dự báo khoảng 15 triệu tấn Ilmenit.
5


Titan sa khoáng trong lục địa mới chỉ phát hiện được vài điểm. Ở Cổ Lãm
đánh giá được trữ lượng là 0,36 triệu tấn Ilmenit. Ở các tụ khoáng Sơn Đầu, Quảng
Đàm được đánh giá khoảng 2-3 triệu tấn.
Titan sa khoáng ven biển là nguồn cung cấp Titan chủ yếu. Các tụ khoáng có
giá trị công nghiệp tập trung chủ yếu ở Trung Bộ từ Thanh Hóa đến Bình Thuận.
Chúng tập trung ở các khu vực sau:
- Vùng duyên hải Đông bắc Bắc bộ, có tổng trữ lượng khoảng 90 ngàn tấn
(tính theo trữ lượng TiO2).
- Vùng ven biển Hải phòng - Thái Bình - Nam Định: ở vùng này khoáng vật
chủ yếu là Ilmenit, ngoài ra còn có zircon, rutil, monazit. Dự báo có khoảng 11
ngàn tấn Ilmenit, 3 ngàn tấn zircon.
- Vùng ven biển Thanh Hóa: các mỏ sa khoáng tại khu vực này đều có quy

mô nhỏ, song hàm lượng tương đối giàu.
- Vùng ven biển Nghệ An - Hà Tĩnh: đây là vùng có tiềm năng đối với quặng
sa khoáng Titan. Ở vùng này hàm lượng Ilmenit thay đổi từ 20‚147 kg/m3. Tổng
trữ lượng vùng này được đánh giá là khoảng hơn 5 triệu tấn Ilmenit và 322 ngàn tấn
zircon.
- Vùng ven biển Quảng Bình-Quảng Trị: Trữ lượng Ilmenit ở vùng này
khoảng 348,7 ngàn tấn. Tài nguyên cấp P1 tính cho Ilmenit là 46,2 ngàn tấn.
- Vùng ven biển Thừa Thiên - Huế : Trữ lượng và tài nguyên là 2.436 ngàn
tấn Ilmenit, 510 ngàn tấn zircon, trên 3 ngàn tấn monazit. Thành phần tinh quặng đã
sản xuất và tiêu thụ:
TiO2 : min. 52,5%; FeO : 28 - 29%; Fe2O3 : 12,8%;
Rutil : TiO2 80 - 90%;
Zircon : ZrO2 55 - 59%;
- Vùng ven biển Bình Định - Phú Yên - Khánh Hoà:
Tại khu vực này hàm lượng Ilmenit thông thường đạt trên 40 kg/m3, cá biệt
đến gần 200 kg/m3.

6


Tụ khoáng Đề Gi thuộc Bình Định có trữ lượng Ilmenit khoảng 1.571,18
ngàn tấn, rutil là 1,98 ngàn tấn.
Tụ khoáng Cát Khánh tỉnh Khánh Hoà có tài nguyên và trữ lượng khoảng 2
triệu tấn Ilmenit, 52 ngàn tấn zircon.
- Vùng ven biển Ninh Thuận - Bình Thuận :
Theo thông báo mới nhất của Tổng Công ty Khoáng sản Việt Nam, tổng trữ
lượng Ilmenit tại Bình Thuận là 6 triệu tấn, trong đó trữ lượng có khả năng khai
thác là 2 triệu tấn. Đặc điểm của vùng này là sa khoáng tập trung, còn tương đối
nguyên vẹn với hàm lượng zircon trong quặng cao[3].
1.1.2. Thực trạng khai thác và sản xuất

Trước đây, quặng Titan được tận thu từ các xí nghiệp sản xuất thiếc như là
một sản phẩm phụ cộng sinh, tập trung ở các xí nghiệp thiếc Tĩnh Túc (Cao Bằng),
Sơn Dương (Tuyên Quang). Những năm 1978-1984, sản lượng tinh quặng Ilmenit
đạt khoảng 500-600 tấn/năm với hàm lượng 46-48% TiO2.
Trước năm 1990, ở nước ta chưa hình thành ngành khai thác và chế biến sa
khoáng Titan. Có một số địa phương khai thác thủ công quặng giàu (khoảng 85%
khoáng vật nặng) để cung cấp cho nhu cầu sản xuất que hàn trong nước. Từ năm
1991 trở lại đây, Ilmenit cùng với các sản phẩm đi kèm khác như zircon, rutil được
khai thác từ sa khoáng với sản lượng ngày càng tăng, từ 2000 tấn (năm 1987) lên
đến 150.000 tấn (năm 2000), cùng với 10.000 tấn zircon/ năm. Tinh quặng Titan
chủ yếu được xuất khẩu .
Khu mỏ Hà Tĩnh hiện nay đang khai thác quặng Titan với công suất 100.000
tấn/năm. Vùng mỏ Bình Định khai thác với công suất 50.000 tấn/năm. Vùng Bình
Thuận khai thác với tổng sản lượng 30.000 tấn/năm. Các vùng khác như Thừa
Thiên - Huế, Phú Yên đang khai thác với quy mô công nghiệp, sản lượng khai thác
là 30.000 tấn/năm.
Từ năm 1990 Thừa Thiên-Huế, Hà Tĩnh, Bình Thuận cũng bắt đầu khai thác
chế biến để cung cấp quặng tinh cho sản xuất que hàn trong nước và xuất khẩu.

7


Tỉnh Bình Thuận hiện đang xây dựng các nhà máy để sản xuất hai loại sản
phẩm chính đi từ quặng Titan là bột màu Titan dyoxit TiO2 và bột zircon siêu mịn.
Các sản phẩm đồng hành như rutil nhân tạo, TiCl4,... có thể sẽ được sản xuất tuỳ
theo yêu cầu kinh doanh vì cùng nằm trong dây chuyền công nghệ. Dự kiến, nhà
máy sản xuất TiO2 bằng phương pháp clo hóa sẽ đạt công suất 5.000 tấn TiO2/năm
vào năm 2005 và đạt công suất thiết kế là 10.000 tấn TiO2 /năm vào năm 2010, sau
năm 2010 sẽ nâng công suất lên 20.000 tấn/năm. Đồng thời, nhà máy sản xuất bột
zircon siêu mịn sẽ đạt công suất giai đoạn đầu là 5.000 tấn/năm, đến năm 2010 có

thể nâng công suất lên 10.000 tấn/năm.
Thủ tướng Chính phủ cũng vừa 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.
1.2. Tổng quan về các công nghệ phân tách trong công nghiệp tuyển khoáng,
các công nghệ ứng dụng kĩ thuật điện cao áp trong phân tách các phần tử
1.2.1 Các công nghệ trong tuyển khoáng
Khoáng vật (mineral) nói chung hay sa khoáng (mineral sand) nói riêng là
các hợp chất tự nhiên đã được hình thành trong các quá trình địa chất. Thuật ngữ
"khoáng vật" bao hàm cả thành phần hóa học của vật liệu lẫn cấu trúc khoáng vật.
Các khoáng vật có thành phần hóa học thay đổi từ dạng các nguyên tố hóa học tinh
khiết và các muối đơn giản tới các dạng phức tạp như các silicat với hàng nghìn
dạng đã biết.
Để được phân loại như là khoáng vật "thật sự", một vật chất cần phải tồn tại
ở dạng rắn và có cấu trúc kết tinh. Nó cũng cần phải là vật chất có trong tự nhiên,
thuần nhất và có thành phần hóa học xác định trước. Các định nghĩa truyền thống
như Khoáng vật là chất khoáng vô cơ, tồn tại ở dạng rắn ở nhiệt độ thường và là
thành phần cấu tạo nên các loại đá trong lớp vỏ Trái Đất đã loại bỏ các vật liệu có
nguồn gốc hữu cơ.

8


Một khoáng vật là chất rắn kết tinh nguồn gốc tự nhiên với thành phần hóa
học xác định, trong khi cát (sand) và đá (rock) là tổ hợp của một hay nhiều khoáng
vật. Trong đá có thể có cả các phần còn lại của các chất hữu cơ cũng như các dạng á
khoáng vật. Một số loại cát hoặc đá chủ yếu bao gồm chỉ một loại khoáng vật. Ví
dụ, đá vôi là một dạng đá trầm tích bao gồm gần như toàn bộ là khoáng vật canxit.
Các loại đá khác có thể bao gồm nhiều khoáng vật và các loại khoáng vật cụ thể

trong một loại đá nào đó có thể khác nhau rất nhiều. Một số khoáng vật, như thạch
anh, mica hay fenspat là phổ biến, trong khi các khoáng vật khác có khi chỉ tìm thấy
ở một vài khu vực nhất định. Phần lớn các loại đá và cát trên lớp vỏ Trái Đất được
tạo ra từ thạch anh, fenspat, mica, clorit, cao lanh, canxit, epidot, olivin, ogit,
hocblen, manhêtit, hematit, limonit và một vài khoáng vật khác. Trên một nửa các
loại khoáng vật đã biết là hiếm đến mức chúng chỉ có thể tìm thấy ở dạng một nhúm
mẫu vật, và nhiều trong số đó chỉ được biết tới từ 1 hay 2 hạt nhỏ.
Các loại khoáng vật và đá có giá trị thương mại được gọi chung là các
khoáng sản. Các loại đá mà từ đó các khoáng vật được khai thác cho mục đích kinh
tế được coi là các loại quặng, trong khi các loại đá và khoáng vật còn lại sau khi đã
tách rời khoáng vật mong muốn riêng ra từ quặng, được gọi là đá thải và quặng
đuôi.

Hình 1.1. Ilmenite dạng sa khoáng sau khi đã làm giàu
9


Hinh 1.2. Zircon dạng sa khoáng sau khi đã làm giàu
Các công nghệ mới được nghiên cứu gần đây chủ yếu tập trung vào quá trình
phân tách vật lý như: ứng dụng của hệ thống phân tách tĩnh điện nhiều tầng, ứng
dụng trống từ phủ gốm... Một số công nghệ đem tới khả năng tận thu được tới 97%
lượng kim loại quý như đồng, vàng, bạc... trong các bảng mạch điện tử sau khi đã
được nghiền nhỏ. Trong đó kỹ thuật ứng dụng công nghệ cao áp tĩnh điện tỏ ra có
nhiều ưu điểm và nhận được nhiều quan tâm do các ưu thế vượt trội về hiệu suất
vận hành cũng như khả năng linh hoạt trong thiết kế và chế tạo thiết bị.
Nhằm mục đích làm giàu khoáng chất, các công nghệ sau được áp dụng
trong kỹ nghệ tuyển khoáng:
- Công nghệ tuyển từ (magnetic separation) đối với các loại quặng sắt có khả
năng nhiễm từ;
- Công nghệ tách sử dụng nhiệt (thermal extraction) đối với một số khoáng

chất dễ bay hơi;
- Công nghệ phân tách khoáng sử dụng kỹ thuật cao áp tĩnh điện
(electrostatic beneficiation);
- Công nghệ phân tách khoáng sử dụng kỹ thuật tuyển nổi hoặc sàng lọc
bằng rung lắc vật lý (vibration/floatation);
- Công nghệ phân tách sử dụng kỹ thuật điện phân .
10


1.2.2. Các công nghệ ứng dụng kĩ thuật điện cao áp trong phân tách các phần
tử
Trên thế giới, công nghệ tuyển khoáng ứng dụng kỹ thuật cao áp tĩnh điện
được sử dụng nhiều nhất đối với các loại quặng khoáng chất, đặc biệt là sa khoáng
[8]

. Tại các mỏ khoáng chất công nghiệp, có thể dễ dàng phân tách một loại hạt

khoáng chất thuần ra khỏi các thành phần còn lại, hoặc phân tách hai tập hợp
khoáng chất có trong sa khoáng ra khỏi nhau. Quá trình phân tách này có thể được
mô tả bởi quy trình như hình 1.3
Quặng nguyên khai
hoặc sa khoáng

Máy đập hàm

Băng tải

Máy cấp liệu rung

Máy nghiền bi

Máy phân cấp hạt

Hạt lớn

Phễu cấp liệu
Thiết bị tuyển tĩnh
điện
Tinh quặng

Bể chứa 1

Đánh giá chất lượng

Bể chứa 2

Hình 1.3. Quy trình xử lý quặng khoáng chất trong công nghiệp
sử dụng kĩ thuật điện cao áp
11


Bước đầu, vật liệu phân tách được sàng thông qua hệ thống các lưới lọc
nhằm mục đích phân loại theo kích thước hạt. Tùy theo yêu cầu hoặc lựa chọn kỹ
thuật của công nghệ, các vật liệu quặng khoáng chất ban đầu với kích thước khác
nhau có thể được đưa qua hệ thống nghiền nhỏ, sau đó lại được sàng lọc vật lý lại
để có được các hạt khoáng chất với kích cỡ đều nhau.
Bước tiếp theo là phân loại các hạt khoáng chất bởi một quá trình còn được
gọi là "thu hoạch bằng tĩnh điện (electrostatic beneficiation)". Trong đó các hạt
khoáng chất được nhiễm điện bởi điện trường tĩnh, sau đó được đưa qua môi trường
của một điện trường có thể điều chỉnh được.

Thiết bị tuyển khoáng với công nghệ cao áp tĩnh điện làm việc trên cơ sở các
loại khoáng chất khác nhau có đặc tính nhiễm điện không giống nhau, có nghĩa là
chúng sẽ mang các lượng điện tích khác nhau tùy theo mỗi thành phần cấu tạo, vì
thế sẽ chịu ảnh hưởng khác nhau của điện trường tĩnh điện được tạo ra trong môi
trường của thiết bị. Sau công đoạn nghiền nhỏ, các hạt khoáng chất chuyển động
được đưa qua máy phân tách tĩnh điện, với vài lần phân tách, chất lượng từng thành
phần đầu ra sẽ được nâng lên rõ rệt. Ở đây không có sự thay đổi về hóa học hay
kích thước vật lý của sản phẩm, thiết bị chỉ đơn thuần phân loại các khoáng chất.
Đa số thiết bị phân tách cao áp tĩnh điện sử dụng phương pháp thả rơi tự do
các hạt khoáng chất qua môi trường điện trường; tuy nhiên một số công nghệ sử
dụng phương pháp đẩy trượt hạt khoáng trên máng nghiêng nhằm lợi dụng ma sát
với máng; một số công nghệ khác đẩy hạt khoáng qua một trống quay chuyển động
tròn, khi đó những chủng loại khoáng chất nhiễm điện thích hợp sẽ dính vào bề mặt
trống quay. Như vậy một thiết bị phân tách tĩnh điện phân loại hạt khoáng trên cơ
sở của đặc tính nhiễm điện của hạt, kèm theo một số yếu tố khác như mật độ bám
dính của hạt, lực gia tốc trọng trường của hạt hay lực ly tâm tạo ra bởi thiết bị. Các
yếu tố này có thể điều chỉnh được nhằm nâng cao hiệu suất làm việc của thiết bị.
Có thể thấy đối với các dạng khoáng sản Titan, 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,
12


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:
- Có trọng lượng nhẹ hơn, ổn định về nhiệt giúp tăng hiệu suất khai thác
khoáng chất;
- 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.
Trong công nghệ cao áp tĩnh điện, các kỹ thuật áp dụng trong các thiết bị
cũng đang được phát triển theo các hướng khác nhau, do đó việc lựa chọn kỹ thuật
phù hợp với điều kiện Việt Nam, hướng tới làm chủ công nghệ, nắm được các kỹ
thuật tiên tiến hiện nay là rất cần thiết. Hiện nay, trên thế giới có một số sản phẩm
phổ biến ứng dụng kỹ thuật cao áp tĩnh điện như sau:
a. Thiết bị phân tách sử dụng các điện cực phẳng
Nguyên lý hoạt động của kiểu thiết bị này kết hợp tách các phần tử dựa vào
trọng lượng riêng của chúng khi rơi tự do trong môi trường thiết bị và khác biệt lớn
về khả năng tích điện của các phần tử. Hình 1.4 thể hiện mô hình chế tạo của thiết
bị do công ty Plas-Sep Ltd, Ontario (Canada) sản xuất.

13


1

2

2

HV (-)

3

0

Hình 1.4. Mô hình, nguyên lý làm việc ứng dụng công nghệ thiết bị sử dụng
hai điện cực phẳng.
1- Phễu cấp liệu; 2 - Điện cực; 3 - Khay thu hồi sản phẩm;
Các phần tử điện dẫn; Các phần tử điện môi
Kiểu thiết bị này sẽ phát huy hiệu quả cao nhất khi ứng dụng phân tách các
loại hạt là các phần tử tích điện có sự khác biệt lớn về trị số điện dẫn. Tuy nhiên
công nghệ này cũng đòi hỏi thiết bị có kích thước lớn, vận hành tạo tiếng ồn, tiêu
thụ nhiều điện năng và phức tạp trong các thao tác.
b. Thiết bị phân tách sử dụng công nghệ kiểu trục quay hình trụ.
Một trong các sản phẩm ứng dụng công nghệ kỹ thuật điện cao áp để phân
tách các phần tử có tính dẫn điện khác nhau cần phải kể đến là thiết bị phân tách với
điện cực kiểu trục quay hình trụ (hay còn gọi là kiểu trống quay - rotating drum
electrode) đang được chế tạo bởi công ty StarTrace Private Ltd. (Ấn Độ).
Mô tả cấu tạo của loại thiết bị này được mô tả như trên hình 1.5, trong đó các
hạt thành phần của chất thải điện tử hoặc sa khoáng cần phân tách sẽ rơi từ phễu cấp
rung (hopper) xuống một máng nghiêng (feeder) và chuyển động xuống phía dưới
nhờ tác động của hệ thống rung.

14


Hình 1.5. Mô hình, nguyên lý làm việc ứng dụng công nghệ kiểu trục quay hình trụ
Với : Supply tray: Bộ phận cấp liệu bao gồm Băng chuyền, bộ rung, phễu và khay
tiếp liệu; Electrodes: Điện cực (dạng mái che) ; Rotating drum electrodes: Điện
cực dạng dạng trống quay; Grounding: Hệ thống nối đất; Scraper: Chổi quét;

Separation and recovery container: Hệ thống các khay thu hồi sản phẩm;
Ký hiệu :

Các phần tử tích điện dương;

Các phần tử điện âm;

Khi vào đến bên trong thiết bị, các phần tử cần phân tách sẽ chuyển động
trong điện trường tạo bởi cực phía trên (Induction Electrode) nối với nguồn cấp điện
áp cao áp (10-100kV) và điện cực tĩnh điện phía dưới có hình trụ (Electrostatic
Drum - tang trống).
Trong mô hình thiết bị này, điện cực hình trụ (trống quay) được nối đất và
nối với động cơ có thể điều chỉnh tốc độ quay. Dưới tác dụng của điện trường các
phần tử cần phân tách sau các công đoạn cắt nghiền và sàng thô, qua hệ thống tiếp
liệu đi vào điện trường sẽ được tích điện tùy theo điện dẫn của chúng.
Các phần tử trong thành phần sa khoáng Titan được xếp vào loại điện dẫn
(Ilmenite, Rutile, Pirit) sẽ tích điện nhanh chóng và bay ra xa điện cực hình trụ. Các
15


thành phần còn lại thuộc loại điện môi (Zircon, Thạch anh) sẽ cuốn theo trục quay
sau đó rơi vào máng thu nhờ có điện cực có tác dụng trung hòa (Neutralizing
Electrode).
Thiết bị trên thường được sử dụng để tách các phần tử tích điện có kích
thước trung bình từ 75 μm đến 250 μm. Cụ thể, loại thiết bị này có thể được sử
dụng hiệu quả đối với việc phân tách riêng các loại phần tử tích điện trong sa
khoáng. Ngoài ra khi ứng dụng vào thực tế, để tăng hiệu quả phân tách các phần tử
kim loại và phi kim này người ta thường dùng thiết bị gồm nhiều tầng ghép nối tiếp
với nhau.
c. Thiết bị phân tách kiểu máng nghiêng

Khác với các loại thiết bị ứng dụng các công nghệ đã trình bày ở trên, thiết bị
loại này không sử dụng trục quay hoặc các điện cực phẳng trong công nghệ. Bản
thân các phần tử khi chuyển dịch trên máng nghiêng sẽ tích điện do ma sát với
máng, các hạt này sau đó chuyển dịch trong điện trường được tạo ra bởi thiết bị
phân tách.
Dưới tác động của điện trường tĩnh điện, các hạt sẽ bay theo các quỹ đạo
khác nhau tuỳ theo đặc tính nhiễm điện và phân bố theo các khay thu hồi. Ưu điểm
của loại thiết bị kiểu này là không có cấu trúc quay nên tiết kiệm năng lượng tiêu
thụ và chi phí do phải thay thế vòng bi sau thời gian vận hành. Khi thao tác, thiết bị
cho phép điều chỉnh các thông số vận hành linh hoạt nhằm phù hợp với mỗi loại
phần tử cần phân tách. Mô hình thiết bị được trình bày trên hình 1.6.

16


Hình 1.6. Thiết bị phân tách sa khoáng sử dụng công nghệ máng nghiêng.
Sử dụng công nghệ phân tách này, hiệu suất cao nhất của các thiết bị có thể
đạt đến 99,5% [11] khi tuyển các phần tử là các hạt tích điện có kích thước trung bình
từ khoảng 50 μm đến 3 cm.
Các mô hình thiết bị trên đã được nghiên cứu cải tiến liên tục nhằm tăng hiệu
suất của chúng. Nhằm tối ưu hoá hiệu suất hoạt động của các thiết bị, các nghiên
cứu yêu cầu tiến hành việc thay đổi và hiệu chỉnh kích thước, hình dạng, vị trí, cực
tính các điện cực, cũng như việc nghiên cứu các yếu tố khác đặc tính hạt phân tách,
ảnh hưởng đến tốc độ bay của các hạt, khả năng tích điện,…
1.3 Phân tích đánh giá, lựa chọn công nghệ nghiên cứu
Từ những công nghệ phân tách sử ứng dụng kỹ thuật điện cao áp nêu trên, ta
có thể đưa ra những so sánh về ưu nhược điểm của chúng như bảng 1. Từ đó lựa
chọn công nghệ phù hợp để tiến hành nghiên cứu ở các phần tiếp theo.

17