從微粉化廢物中回收導電和非導電成分的帶式電暈-靜電分離器設計

陳艷飛，張保玉，烏仁娜，鄭陽升，王 群

（中國兵器科學研究院寧波分院，浙江 寧波 315103）

靜電分離顆粒材料，通常超過1 mm，經歷了無數的工業應用，從礦物選礦到食品工業，再到廢物回收[1-3]。在高強度電場中分離之前，電暈放電和靜電感應分別經常用作這種粒狀混合物的非導電和導電部分的充電機制[4-5]。

商業輥式電暈靜電分離器已經在很大程度上證明了它們在選擇性分選來自各種廢棄電氣和電子設備的毫米級金屬和塑料顆粒方面的效率。然而，這些分離器似乎不適合在食品工業中加工精細研磨的廢物或粉狀物料，主要是因為難以控制導電顆粒與受電暈放電影響的電極接觸的軌跡。

本文設計出能夠處理大多數微粉化材料的靜電分離器。新的分離器利用兩種不同的物理機制進行粒子充電：正極性或負極性的電暈放電和靜電感應。通過將顆粒作為單層進料到帶式電極的表面上，該分離器的設計限制了細顆粒的聚集和空氣動力對其軌跡的影響。

1 試驗裝置

由課題組設計并由法國Saint Cybardeaux的CITF公司制造的實驗室規模的多功能靜電分離器應該能夠處理導電和/或非導電材料的微粉化混合物，如圖1所示。這種精細研磨的單層材料均勻地分散在金屬帶式輸送機（不銹鋼，長700 mm，寬70 mm）的表面上，起到接地電極的作用。該輸送機由120 W三相電動機驅動，其速度由電子控制。

圖1 用于微粉化混合物的靜電分離器

待分離的顆粒材料通過具有專用控制單元的振動進料器（型號PDB 4/30，VIBRA France）傾倒在該輸送機的表面上。進料器配有定制設計的顆粒分散裝置，用作非導電顆粒充電機制的電暈放電是由線型雙電極產生的（直徑0.2 mm的鎢絲，連接到半徑為13 mm的金屬圓筒，距離為20 mm），位于金屬帶式輸送機表面上方的高度h處。

直徑為30 mm，長度為70 mm的旋轉圓柱形鋼電極連接到可逆高壓電源（型號SPL 300，100 kV；3 mA；SPELLMAN，正極或負極，具體取決于每個應用的具體需要）。該電極產生強電場區域，沉積在輸送機表面上的顆粒通過該區域。通過與接地帶接觸的靜電感應充電的導電顆粒被吸引到相反極性的輥電極。它們中的大多數都是在收集器的方框2中取回的。

不帶電的非導電粒子不受該電場的影響。它們在輸送機上完成了旅程，并被收集在盒子3里。一些導電顆粒被吸引到滾動電極上，順時針旋轉，在接觸后反彈并最終進入方框1。靜電分離器允許調整角度α和輥電極相對于傳送鼓的徑向d位置。角度α可以設定在0°的范圍內（輥電極的軸與輸送滾筒的軸線處于相同的垂直平面）到90°（輥子和滾筒的軸線在相同的范圍內）。圓柱形電極和金屬輸送器之間的距離可以在10～50 mm的范圍內變化。

2 材料和方法

待分離顆粒的混合物模擬了微粉化廢電氣和電子設備（WEEE）的組合。對于每個試驗，所用樣品含有0.5 g鋁（Al），質量密度2700 kg/m3，和0.5 g擠出的聚苯乙烯（PS），質量密度1040 kg/m3?；旌衔镱w粒的平均直徑在63～125 μm。Al顆粒足夠輕，電力可以將它們從接地電極上抬起，將它們收集在方框1和2中，在收集器的方框3中回收PS顆粒。

在該研究中考慮的因素是施加的電壓U、輥電極和帶之間的距離d以及輥電極的位置角α。該過程的響應是在方框1和2中收集的顆粒的質量，主要由鋁（mA1）組成，并且在方框3中收集的顆粒的質量主要由PS（mPS）組成。試驗數據用商業軟件MODDE 5.0處理，計算數學模型的系數，繪制等響應等值線，并確定控制變量的最佳調整以優化過程。

為了確定預計會影響性能的三個控制變量的變化范圍，首先在不使用電暈放電的情況下，用1 g Al樣品首先形成幾個“一次一個因素”的試驗。靜電分離期間，相關參數有：輥電極的角度α（°）；該電極與輸送機之間的距離d（mm）；施加到輥電極的高壓U（kV）。

3 結果和討論——控制變量的變化域（U，α，d）

僅使用Al顆粒的靜電感應充電進行的“一次一因素”試驗。當輥電極位于α=0°時，幾乎80%的鋁顆粒在方框1中被回收，大約10%在方框2中被回收。對于α=45°和α=90°，大多數鋁顆粒存在于方框3中，因為在這種情況下，重力超過庫侖力。輥電極和傳送帶之間的距離d的增加伴隨著電場強度的降低，并因此減少了盒1中回收的鋁的量，將施加的高壓U從20 kV降低到10 kV，在箱1中收集的鋁顆粒的百分比從大約80%減小到小于50%。U的增加有利于分離，但受到兩個電極之間的火花放電風險的限制。

人們能夠在各種操作條件下預測收集的Al和PS顆粒的質量。最佳值對應于施加電壓U的上限和較短的內電極間距d，其提供最高的電場值。因此，最強的電力施加在顆粒上。當電極成角度α=15°時，電力和機械力的合成有利于導電粒子從旋轉輥電極表面的早期分離，如通過制造物體的分離軌跡的數值模擬來證明，這里不做討論。在其他類似的操作條件下，在電暈-靜電試驗的情況下，在方框1和2中收集的產品的質量較低。這可以通過以下事實來解釋：帶電暈的非導電顆粒黏附到帶狀電極上并且在較小程度上污染鋁產品。然而，導電顆粒的質量決不會超過0.4 g，因為它們中的一些通過機械黏附力強烈地釘在帶的表面上或被離子風拋棄。這些導電顆粒污染非導電產品，其質量通常超過0.6 g，這意味著其純度低于80%。

4 結論

本文介紹的靜電分離器已證明其在分離從WEEE獲得的較細顆粒混合物方面的有效性。通過使用電暈-靜電分離方法，可以以高于96%的純度獲得粉末混合物中包含的幾乎70%的鋁。PS的回收率高于95%，但純度低于80%。為了獲得更好的性能，其需要第二次通過電場。電暈放電改善了靜電分離過程的結果，更具體地說是導電產品（在本例中為鋁）的純度，因為它對精細的非導電顆粒（在本例中為PS）充電，并將它們釘在接地帶式電極的表面上。當前，人們需要進一步研究，以提供新的分析方法來量化產品的純度，并驗證分離各種其他顆?；旌衔锏目尚行浴?/p>