PL232047B1 - Sposób analizy i separacji materiałów dla określenia ich składu chemicznego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do analizy i separacji materiałów dla określenia ich składu chemicznego, typu, rodzaju oraz formy występowania. Separacja taka może być wykorzystana do sortowania materiałów takich jak: skały, minerały, rudy metali, metale, obiekty w procesie recyklingu, ogólnie odpady oraz inne materiały, przy których ważne jest określenie ich składu chemicznego w celu ich dalszej separacji.

Znana jest konstrukcja urządzenia do separacji materiałów z amerykańskiego patentu US2006171504A1 lub US2007086568A1. W metodzie tej, detektory promieniowania posiadają podwójną warstwę czujników analizujących ten sam fragment materiału. Promieniowanie X po przejściu przez analizowany materiał, pada na pierwsza warstwę czujników. Pierwsza warstwa analizuje bezpośrednio ilość energii promieniowania X padającą na czujnik po przejściu przez próbkę materiału. Druga warstwa znajduje się za filtrem wyhamowującym promieniowanie X i również mierzy energie tego promieniowania. W ten sposób pierwsza warstwa dokonuje pomiaru całkowitej energii fotonów Et promieniowania X, które docierają do czujnika, zarówno tych o wysokiej Eh jak i niskiej energii El. Druga warstwa czujników dokonuje pomiaru tylko fotonów o wyższych energiach Eh, ponieważ te o niższej energii zostały pochłonięte przez filtr. W ten sposób możliwe jest zmierzenie dwóch poziomów energii przechodzących przez analizowany materiał. Warstwa górna czujników mierzy całkowitą ilość energii Et, a warstwa dolna mierzy tylko energie o wysokim poziomie Eh. Poprzez odjęcie tych sygnałów od siebie, otrzymamy energie o niskim poziomie El= Et - Eh. Jednocześnie powszechnie wiadomo jest że podczas przenikania promieni X przez materię, energia tego promieniowania jest tłumiona. Stopień tłumienia tej energii zależny jest głównie od zjawisk, jakie w tym układzie powstają: zjawisko fotoelektryczne, rozpraszanie Comptona oraz tworzenie par elektron-pozyton. Podczas przenikania promieni X o energii do około 200 keV, w większości materiałów zachodzą tylko dwa pierwsze zjawiska: fotoelektryczne i rozpraszanie Comptona, i zjawiska te są zależne od ilości padającej energii promieniowania X oraz od rodzaju materiału. Przykładowo aluminium o grubości 1 mm, poddane działaniu promieniowania X o energii 100 keV daje współczynnik tłumienia 4,48%, a przy energii 50 keV 9,45%. Jednocześnie taka sama grubość miedzi daje współczynnik tłumienia 33,6% przy energii 100 keV, a przy energii 50 keV 90,3%. Porównując ilorazy tych współczynników przy E50/E100 uzyskamy wartości 2,1 dla aluminium i 2,7 dla miedzi. Głównym ograniczeniem metody dwuenergetycznej jest to, że każdy z czujników mierzący energie fotonów padających na dany czujnik, zarówno dla pierwszej jak i drugiej warstwy, dokonuje pomiaru sumarycznego określonej grupy fotonów promieniowania X. Są to czujniki oparte na scyntylatorach. Fotony promieniowania X padają na zewnętrzną warstwę czujnika, gdzie znajduje się scyntylator. Jest to z reguły kryształ materiału, który poprzez wzbudzenie promieniowaniem X powoduje efekt świecenia światłem widzialnym, które zostaje mierzone przez fotodiodę. W momencie, gdy do kryształu scyntylatora dostanie się foton promieniowania X, następuje efekt fotoelektryczny i rozpraszanie Comptona, podobnie jak w analizowanym wcześniej materiale. Jednak w przypadku scyntylatora, efekt fotoelektryczny można w efektywny sposób zamienić na fotony światła widzialnego i zmierzyć ich intensywność, która będzie proporcjonalna do energii i ilości fotonów promieniowania X padających na kryształ scyntylatora. Jednak w efekcie, gdy do czujnika dotrą w niemal tym samym czasie fotony promieniowania X o niskiej i wysokiej energii, pomiar energii tych fotonów będzie sumaryczny, czyli będzie to pomiar całkowitej energii, która dotarła do czujnika scyntylatorowego. Wspomniane ograniczenia powodują, że nie jest możliwe rozróżnienie wielu rodzajów materiałów. Zwłaszcza fakt ten staje się bardzo istotny w przypadku separacji materiałów mieszanych (jak minerały lub stopy metali), gdzie w skład materiału wchodzi wiele pierwiastków i ich związków. Wówczas pomiar dwuenergetyczny jest nieprecyzyjny, a interpretacja rodzaju materiału w oparciu o tylko dwa poziomy energetyczne jest trudna i chaotyczna.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu analizy i separacji materiałów poprzez określenie bardzo precyzyjne jego składu chemicznego, typu, rodzaju oraz formy występowania.

Sposób analizy i separacji materiałów dla określenia ich składu chemicznego przebiega na przenośniku taśmowym z wykorzystaniem źródła promieniowania rentgenowskiego X, detektora pomiaru promieniowania X składającego się z szeregu wielokrotnych czujników promieniowania charakteryzuje się tym, że ze źródła promieniowania X promienie X przenikają przez mierzony materiał na całej szerokości i głębokości taśmy przenośnika taśmowego przy czym mierzony materiał jest wprowadzany pomiędzy źródło promieniowania a detektory z kontrolowaną prędkością przenośnika taśmowego i/lub z kontrolowaną prędkością za pomocą grawitacji a źródło promieniowania rentgenowskiego X generuje

PL 232 047 B1 określoną i kontrolowaną energię fotonów na całej szerokości taśmy przenośnika taśmowego , następnie przetwarza dane z wielopasmowego detektora i komputerowego systemu obliczeniowego a także układu odrzucającego cząstki materiału znajdującego się poniżej progu kryterium separacji i urządzeń odbierających odseparowane frakcje materiału, natomiast wielopasmowy detektor pomiaru promieniowania X dokonuje pomiaru ilości i energii fotonów promieniowania X dla poszczególnych niezależnych pasm energetycznych i przedstawia je w formie impulsów elektrycznych o intensywności proporcjonalnej do energii fotonów.

Korzystnie wielopasmowy detektor pomiaru promieniowania X jest w kształcie matrycy z ustawionych w szeregu niezależnych czujników promieniowania X pokrywających całą szerokość taśmy przenośnika taśmowego.

Korzystnie sposób przetwarzania danych z wielopasmowych detektorów polega na przeliczeniu i klasyfikacji impulsów elektrycznych z czujników, i przedstawieniu ich, jako statystyczny rozkład ilości zmierzonych fotonów dla poszczególnych pasm energii promieniowania X.

Korzystnie sposób przetwarzania danych z wielopasmowych detektorów przedstawia statystyczny rozkład ilości zmierzonych fotonów dla zadanej ilości niezależnych pasm energii promieniowania X w ilości od kilku do nawet kilkuset pasm.

Korzystnie sposób komputerowego systemu obliczeniowego określającego kryteria separacji materiałów, rozpoznaje różnice w rozkładach ilości zmierzonych fotonów dla poszczególnych pasm energetycznych definiując w ten sposób różnice miedzy separowanymi materiałami i ich własnościami.

Korzystnie sposób komputerowego systemu obliczeniowego określającego kryteria separacji materiałów, poprzez zadane parametry kryteriów separacji, w sposób całkowicie niezależny wybiera poszczególne pasma energetyczne i porównuje wartości odpowiadające ilości zmierzonych w tych pasmach fotonów.

Korzystnie sposób komputerowego systemu obliczeniowego określającego kryteria separacji materiałów porównuje wartości odpowiadające ilości zmierzonych w tych pasmach fotonów, poprzez wykonanie obliczeniowych operacji matematycznych.

Korzystnie sposób komputerowego systemu obliczeniowego określającego kryteria separacji materiałów, bazuje na wcześniejszych pomiarach laboratoryjnych określających najlepsze konfiguracje liczb odpowiadających ilościom fotonów w poszczególnych pasmach energetycznych, w celu rozróżnienia separowanych materiałów.

Korzystnie sposób wykorzystuje układ odrzucający cząstki materiału znajdujące się poniżej progu kryterium separacji, określa opóźnienie i czas trwania impulsu do sterowania elementami wykonawczymi układu odrzucającego tak, że efektywnie odrzuca wybrane cząstki materiału w momencie pojawienia się ich na wylocie z taśmy niezależnie od położenia względem szerokości taśmy.

Korzystnie sposób polega na sterowaniu wieloma dyszami pneumatycznymi ustawionymi w rzędzie wzdłuż szerokości taśmy.

Korzystnie sposób polega na sterowaniu w układzie odrzucającym wieloma łopatkami mechanicznymi ustawionymi w rzędzie wzdłuż szerokości taśmy, oraz na sterowaniu elementami wykonawczymi i ustawionymi w rzędzie wzdłuż szerokości taśmy, pod trajektorią lotu materiału i odrzucaniu cząstki w górę, a także nad trajektorią lotu materiału i odrzucaniu cząstki w dół.

Korzystnie sposób według wynalazku wykorzystuje nie mniej niż dwie jednostki urządzenia odbierającego odseparowane frakcje materiału.

Urządzenia odbierające odseparowane frakcje materiału są w formie pojemników lub w formie taśm przenośnikowych odtransportowujących odseparowany materiał i/lub w formie kanałów przesypowych odtransportowujących odseparowany materiał.

Sposób według wynalazku wykorzystuje przenośnik taśmowy, nad którym znajduje się źródło promieniowania X, które emituje promieniowanie w kierunku prostopadłym do taśmy przenośnika, zaś pod przenośnikiem znajdują się detektory promieniowania X, które przekazują sygnał do układu przetwarzania danych a następnie do głównej jednostki obliczeniowej, współpracującej z układem dysz, który składa się z wielokrotnych niezależnych dysz sprężonego powietrza układu odrzucającego.

Źródło promieniowania X pokrywa w całości szerokość taśmy emitując na nią podobną energię względem szerokości. Detektory promieniowania składają się z wielokrotnych czujników promieniowania analizując w ten sposób niezależnie każdy punkt na szerokości taśmy. W momencie przesuwania się materiału razem z taśmą, powstaje obraz analizowanych cząstek materiału. W głównej jednostce obliczeniowej analizowany jest sygnał z układu przetwarzania danych i na podstawie parametrów nastawnych urządzenia separującego, podejmowana jest decyzja o odrzuceniu cząstek materiału o innych

PL 232 047 B1 własnościach. W efekcie informacja o decyzji odseparowania takich cząstek jest przekazywana do układu odrzucającego i z odpowiednim opóźnieniem czasowym uruchamiane są dysze pneumatyczne układu odrzucającego. W ten sposób odseparowywane są cząstki o odmiennych własnościach do osobnego pojemnika zgodnie z własną trajektorią, a cząstki nieodrzucone spadają swobodnie do innego pojemnika zgodnie z własną trajektorią.

Układ działa w ten sam sposób na całej szerokości taśmy niezależnie od położenia cząstek względem taśmy, ponieważ układ dysz składa się z wielokrotnych niezależnych dysz sprężonego powietrza, które są uruchamiane w odpowiednim czasie i w odpowiedniej strefie względem szerokości taśmy.

Sposób obrazuje różne współczynniki tłumienia promieniowania rentgenowskiego X przy zróżnicowanej energii tego promieniowania a źródło promieniowania rentgenowskiego X posiada możliwość generowania stabilnej energii fotonów na całej szerokości taśmy. Separowany materiał jest wprowadzany pomiędzy źródło promieniowania a detektory z kontrolowaną prędkością przenośnika taśmowego, lub mierzony materiał jest wprowadzany pomiędzy źródło promieniowania a detektory z kontrolowaną prędkością za pomocą grawitacji.

Wielopasmowy detektor pomiaru promieniowania X dokonuje pomiaru ilości i energii fotonów promieniowania X dla poszczególnych niezależnych pasm energetycznych i przedstawia je w formie impulsów elektrycznych o intensywności proporcjonalnej do energii fotonów, przy czym wielopasmowy detektor pomiaru promieniowania X jest w kształcie matrycy ustawionych w szeregu niezależnych czujników promieniowania X pokrywających całą szerokość taśmy. Sposób przetwarzania danych z detektorów dokonuje przeliczenia i klasyfikacji impulsów elektrycznych z czujników, przedstawiając je, jako rozkład ilości zmierzonych fotonów dla poszczególnych pasm energii promieniowania. Sposób przetwarzania danych z detektorów przedstawia rozkład ilości zmierzonych fotonów dla zadanej ilości niezależnych pasm energii promieniowania w ilości nawet do kilkuset pasm. W sposobie wykorzystuje się układ komputerowego systemu obliczeniowego określającego kryteria separacji materiałów, rozpoznaje różnice w rozkładach ilości zmierzonych fotonów dla poszczególnych pasm energetycznych definiując w ten sposób różnice miedzy separowanymi materiałami i ich własnościami. Sposób określa kryteria separacji materiałów, poprzez zadane parametry kryteriów separacji, w sposób całkowicie niezależny wybiera poszczególne pasma energetyczne i porównuje wartości odpowiadające ilości zmierzonych w tych pasmach fotonów, porównuje wartości odpowiadające ilości zmierzonych w tych pasmach fotonów, poprzez wykonanie obliczeniowych operacji matematycznych. Komputerowy system obliczeniowy określa kryteria separacji materiałów, bazuje na wcześniejszych pomiarach laboratoryjnych określających najlepsze konfiguracje liczb odpowiadających zawartości fotonów w poszczególnych pasmach energetycznych, w celu rozróżnienia separowanych materiałów. Układ odrzucający cząstki materiału znajdujące się poniżej progu kryterium separacji, określa opóźnienie i czas trwania impulsu do sterowania elementami wykonawczymi układu odrzucającego tak, aby efektywnie odrzucić wybrane cząstki materiału w momencie pojawienia się ich na wylocie z taśmy niezależnie od położenia względem szerokości taśmy.

Sposób wykorzystuje układ odrzucający, który steruje wieloma dyszami pneumatycznymi ustawionymi w rzędzie wzdłuż szerokości taśmy. Alternatywnie, układ odrzucający steruje wieloma łopatkami mechanicznymi ustawionymi w rzędzie wzdłuż szerokości taśmy.

W sposobie układ odrzucający steruje elementami wykonawczymi i ustawionymi w rzędzie wzdłuż szerokości taśmy, pod trajektorią lotu materiału i odrzucającymi cząstki w górę lub w dół. W sposobie układ ten ma nie mniej niż dwie jednostki urządzenia odbierającego odseparowane frakcje materiału.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku schematycznym, na którym Fig. 1 przedstawia schemat blokowy procesu w widoku z boku, Fig. 2 przedstawia schemat blokowy procesu w widoku z góry.

Na przenośniku taśmowym 5, rozprowadzony jest materiał 4 przeznaczony do sortowania, jako pojedyncza warstwa. Nad przenośnikiem znajduje się źródło promieniowania X (Roentgena) 1, które emituje promieniowanie 2 w kierunku prostopadłym do taśmy 5 przenośnika poruszającego się zgodnie z kierunkiem 14. Pod przenośnikiem znajdują się detektory promieniowania X 3, które przekazują sygnał do układu przetwarzania danych 9 a następnie do głównej jednostki obliczeniowej 8. Źródło promieniowania X 1 pokrywa w całości szerokość taśmy 5 emitując na nią podobną energię względem szerokości. Wielopasmowe detektory promieniowania 3 składają się z wielokrotnych czujników promieniowania analizując w ten sposób niezależnie każdy punkt na szerokości taśmy w zakresie niezależnych pasm

PL 232 047 B1 energetycznych. W momencie przesuwania się materiału razem z taśmą, powstaje obraz analizowanych całych cząstek materiału linia po linii. W głównej jednostce obliczeniowej 8 analizowany jest sygnał z układu przetwarzania danych 9 i na podstawie parametrów nastawnych urządzenia separującego, podejmowana jest decyzja o odrzuceniu cząstek materiału o innych własnościach. W efekcie informacja o decyzji odseparowania takich cząstek jest przekazywana do układu odrzucającego 7 i z odpowiednim opóźnieniem czasowym uruchamiane są dysze pneumatyczne 6 układu odrzucającego. W ten sposób odseparowywane są cząstki o odmiennych własnościach do pojemnika 10 zgodnie z trajektorią 12, a cząstki nieodrzucone spadają swobodnie do pojemnika 11 zgodnie z trajektorią 13. W układzie odrzucającym na całej szerokości taśmy niezależnie od położenia cząstek względem taśmy, działa układ dysz 6, który składa się z wielokrotnych niezależnych dysz sprężonego powietrza, które są uruchamiane w odpowiednim czasie i w odpowiedniej strefie względem szerokości taśmy.

Claims (14)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób analizy i separacji materiałów rozmieszczonych na przenośniku taśmowym z wykorzystaniem źródła promieniowania rentgenowskiego X, detektora pomiaru promieniowania X składającego się z szeregu wielokrotnych czujników promieniowania znamienny tym, że ze źródła promieniowania X (1) promienie X (2) przenikają przez mierzony materiał (4) na całej szerokości i głębokości taśmy przenośnika taśmowego (5) przy czym mierzony materiał (4) jest wprowadzany pomiędzy źródło promieniowania (1) a detektory (3) z kontrolowaną prędkością przenośnika taśmowego (5) i/lub z kontrolowaną prędkością za pomocą grawitacji a źródło promieniowania rentgenowskiego X (1) generuje określoną i kontrolowaną energię fotonów na całej szerokości taśmy przenośnika taśmowego (5), następnie przetwarzane są dane z wielopasmowego detektora (9) i komputerowego systemu obliczeniowego (8) a także układu odrzucającego (7), a cząstki materiału znajdującego się poniżej progu kryterium separacji kierowane są do urządzeń odbierających (10, 11) odseparowane frakcje materiału.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mierzony materiał (4) jest wprowadzany pomiędzy źródło promieniowania (1) a detektory (3) z kontrolowaną prędkością za pomocą innego znanego układu generującego stabilne przemieszczanie się materiału.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wykorzystuje wielopasmowy detektor (9) pomiaru promieniowania X (1), który dokonuje pomiaru ilości i energii fotonów promieniowania X (1) dla poszczególnych niezależnych pasm energetycznych i przedstawia je w formie impulsów elektrycznych o intensywności proporcjonalnej do energii fotonów.
4. 4. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że wielopasmowy detektor (9) pomiaru promieniowania X (1) ma kształt matrycy z ustawionych w szeregu niezależnych czujników promieniowania X pokrywających całą szerokość taśmy przenośnika taśmowego (5).
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dane z wielopasmowych detektorów (9) są przetwarzane, przeliczane i poddawane klasyfikacji impulsów elektrycznych z czujników, i przedstawiane, jako statystyczny rozkład ilości zmierzonych fotonów dla poszczególnych pasm energii promieniowania X.
6. 6. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że przetwarzanie danych z wielopasmowych detektorów (9) uwidacznia statystyczny rozkład ilości zmierzonych fotonów dla zadanej ilości niezależnych pasm energii promieniowania X w ilości od kilku do nawet kilkuset pasm.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wykorzystuje układ komputerowego systemu obliczeniowego (8), który określa kryteria separacji materiałów (4), rozpoznaje różnice w rozkładach ilości zmierzonych fotonów dla poszczególnych pasm energetycznych definiując w ten sposób różnice miedzy separowanymi materiałami i ich własnościami.
8. 8. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że wykorzystuje układ komputerowego systemu obliczeniowego (8) określającego kryteria separacji materiałów, poprzez zadane parametry kryteriów separacji, w sposób całkowicie niezależny wybiera poszczególne pasma energetyczne i porównuje wartości odpowiadające ilości zmierzonych w tych pasmach fotonów.

   PL 232 047 B1
9. 9. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że wykorzystuje układ komputerowego systemu obliczeniowego (8) określającego kryteria separacji materiałów (4), porównuje wartości odpowiadające ilości zmierzonych w tych pasmach fotonów, poprzez wykonanie obliczeniowych operacji matematycznych.
10. 10. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że wykorzystuje układ komputerowego systemu obliczeniowego (8) określającego kryteria separacji materiałów, bazuje na wcześniejszych pomiarach laboratoryjnych określających najlepsze konfiguracje liczb odpowiadających ilościom fotonów w poszczególnych pasmach energetycznych, w celu rozróżnienia separowanych materiałów.
11. 11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wykorzystuje układ odrzucający (7), który odrzuca cząstki materiału (4) znajdujące się poniżej progu kryterium separacji, określa opóźnienie i czas trwania impulsu do sterowania elementami wykonawczymi układu odrzucającego tak, że efektywnie odrzuca wybrane cząstki materiału w momencie pojawienia się ich na wylocie z taśmy niezależnie od położenia względem szerokości taśmy.
12. 12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że wykorzystuje układ odrzucający (7), który steruje wieloma dyszami pneumatycznymi (6) ustawionymi w rzędzie wzdłuż szerokości taśmy.
13. 13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że wykorzystuje układ odrzucający (7), który steruje wieloma łopatkami mechanicznymi ustawionymi w rzędzie wzdłuż szerokości taśmy.
14. 14. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że wykorzystuje układ odrzucający (7), który steruje elementami wykonawczymi i ustawionymi w rzędzie wzdłuż szerokości taśmy, pod trajektorią lotu materiału (4) i odrzucającymi cząstki w górę lub w dół.