基于顆粒塑料的摩擦式靜電分離器整體性能的廢舊電氣和電子設備改進

陳艷飛，張保玉，烏仁娜，鄭陽升，王 群，田 野，崔意娟

(中國兵器科學研究院寧波分院，浙江 寧波 315103)

1 概述

電氣和電子設備的生產是增長最快的制造活動之一。這導致需要回收的廢棄電氣和電子設備(WEEE)數量增加[1，2]。環境標準的發展使得生態標志成為優先事項，促進了廢棄產品的拆解和再利用[3～8]。由于技術的發展，優質再生材料的使用已經成為日常生活的一部分[9～13]。

作為專利[14]的對象的新型摩擦 - 靜電 - 靜電分離器(見圖1)于2014年1月由法國濱海博尼納的APR2公司投入運行。分離器由兩個分離器組成。氣室：一個用于空氣注入(150 mm×350 mm×500 mm)，另一個用于流化顆粒材料并將它們分開。后室的兩個壁由樹脂玻璃制成。另外兩個壁是兩個輸送機的不銹鋼帶(厚0.2 mm，寬40 cm)，它們也是分離器的高壓電極。

該裝置的特點是兩種操作的同時性：①流化床中顆粒的摩擦帶電；②連接到兩個高壓發生器的兩個金屬輸送帶產生的強電場中顆粒的靜電分離，正極性和負極性。一旦顆粒充分充電，它就會被相反極性的電極吸引。該裝置經過多次改進，最終證明了其分離尺寸小于或等于2 mm的絕緣顆粒的有效性[15]；然而，對于較大的顆粒(2～5 mm)，其性能并不令人滿意[16]。兩個原因似乎是這些結果的起源，即顆粒的電荷不足和電場強度不足。

本研究的目的是對過程進行建模并分析影響其性能的所有參數，以便找到改善摩擦-靜電-靜電分離的解決方案。這些指南應允許處理各種WEEE。對3種不同配置的電極進行了測試，其中丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)和高抗沖聚苯乙烯(HIPS)的混合物來自WEEE的回收。通過篩子獲得的典型顆粒尺寸在2～5 mm的范圍內。

圖1 用于絕緣材料顆粒混合物摩擦-空氣靜電分離器的“標準”配置

2 物理模型

物理建模考慮了作用在帶電顆粒上并使它們粘附在電極上的各種力。該模型可以指導優化的摩擦-靜電-靜電分離器[17]的設計。

2.1 力的分析

絕緣顆粒的物理模型得以建立，假設顆粒是半徑r和密度ρ的完美球形，帶有均勻分布在其表面上的電荷Q。這意味著Q可以被認為集中在球體的中心。傳送帶電極以恒定速度v移動，帶電粒子被吸引到電極并與電極接觸(見圖2)。假設碰撞完全是可塑的，在撞擊后沒有任何反彈。因此，為了使顆粒保持固定在皮帶上，機械和電力必須滿足以下條件：

G·cos(α)≤[G·sin(α) +Fi+Fe]·μmax

(1)

其中：

G=(4πr3/3)·ρ·g

(2)

式(2)中，G為引力；Fi：電鏡像力。

Fi=Q2/[4πε(2r)2]

(3)

Fe：電場(庫侖)力

Fe=Q·E

(4)

g=9.81 ms-2，ε=1.5/(4π9×109)，μmax是顆粒與電極之間的最大靜摩擦系數。

上述條件式(1)可以改寫為：

(4πr3/3)·ρ·g·cos(α)≤[ (4πr3/3)·ρ·g·sin(α)+Q2/[4π(2r)]2+Q·E]·μmax

(5)

可以得出：

(4πr3/3)·ρ·g·[cos(α)/μmax-sin(α)]

≤[Q2/4π(2r)2]+Q·E

(6)

對于固定電極的傾斜角α，半徑r和密度ρ的粒子，以及傳送帶材料的摩擦系數μmax，不等式(6)的左側可以被認為是常數。這意味著保持這種不等式需要兩個條件，即增加電荷Q和電場E。實際上，絕緣顆粒的電荷與它們在流化床中的停留時間有關[15]這次可能是通過將流化床降低20 cm來增加，使顆粒更難以上升到電極；它們必須在流化床中花費更長的時間并獲得足夠的電荷以使電場的力移動它們。該電荷高于原始位置的流化床的情況，使顆粒能夠保持附著在輸送機上并在產品收集器中抽空。為了增加電場強度E，通過在高壓帶狀電極之間的氣隙中引入V形接地電極[13]采用了第一種解決方案。在本文中研究的第二種解決方案包括修改高壓電極的傾斜角。

圖2 用于顆粒狀絕緣材料混合物的摩擦-靜電-靜電分離器的軸向示意

2.2 斜電極電場的計算

分離器的電極提供相反極性±U的高電壓，并以角度α傾斜；每個場線可以用長度為d0的段和兩個長度為d1的弧來近似，如圖3所示。對于電極上的任何點M(x，y)(見圖3)，電場可以是近似為：

E(x，y)=2U/(d0+2d1)

(7)

其中：

d1=r·sin(α)

(8)

0≤α≤90°and0≤r≤L

(9)

E(x，y)=2U/(d0+2r·sin(α))

(10)

在這個電場方程中可以考慮兩個特定點如下：

對于α=0或r=0，Emax=2U/d0

(11)

對于r=L，E(x，y)=2U/(d0+2L·sin(α))

(12)

等式(11)表明由兩個電極(α=0)的垂直排列產生的電場在整個長度上是恒定的。在傾斜電極的情況下，對于位于距流化床水平底部距離L的點，電場的最小值與兩個電極的傾斜角α成反比。對于U=15 kV，d0=15 cm，對于(10)中的傾斜角α的五個值，沿著每個電極的電場的變化示于圖4中。這些曲線表明兩個電極的垂直排列提供了恒定的電場最大值，隨著角度α的增加，該值顯著減小。

圖3 兩個傾斜電極之間的電場

圖4 對于5個角度α值，電場E的分布作為傾斜電極上的距離L的函數

3 實驗程序

3.1 材料和方法

對來自WEEE再循環的2000 g 50%丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯(ABS)和50%高抗沖聚苯乙烯(HIPS)的顆粒混合物的樣品進行了若干實驗。顆粒的典型尺寸范圍為2～5 mm。該材料由法國Bonnières-sur-Seine的TheAPR2公司提供(見圖5)。在大顆粒(2～5 mm)和4種解決方案(見表1)的情況下，提高設備的效率測試如下：I“標準”配置(見圖1)；Ⅱ將流化床的底部水平降低20厘米以增加顆粒的裝料量(見圖6)；Ⅲ降低流化床底部水平并加入接地電極以增強電場(見圖7)；Ⅳ垂直放置兩個電極并降低流化床的底部水平，以同時增加電場和電荷(圖8)。

表1 不同配置的描述

圖5 ABS和HIPS顆粒的形狀和尺寸

圖6 配置Ⅱ，將流化床的底部水平降低20 cm

圖7 配置Ⅲ，將流化床的底部水平降低20 cm加上額外的接地電極以強制施加電場

3.2 實驗程序

對于配置Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ(傾斜電極)，在初步試驗中發現，在粒狀混合物的摩擦帶電4 min后開始分離。所有實驗包括以下操作。

圖8 配置Ⅳ，垂直電極配置并將流化床底部水平降低20 cm

(1)以鼓風機電動機的全速(3600 r/min)對粒狀混合物充電t=4 min，并且不向電極施加高壓。

(2)在兩個電極上施加高壓U=±30 kV，并啟動金屬傳送帶(速度：16 cm/s)，以便同時恢復產品。

(3)在t=4，10和15 min后測量回收的產物量(超過15 min，在電極處不再收集顆粒)。

對于配置Ⅳ(垂直排列的電極)，遵循相同的方法1，2和3 min，但不需要對顆粒進行再充電。

4 結果和討論

第一組結果涉及傾斜電極的3種配置。采用溫度T=18±1 ℃，相對濕度RH=46±2%的2000 g顆粒混合物樣品進行實驗。

4.1 傾斜電極配置

除了設備的原始結構(Ⅰ)之外，還測試了另外兩種配置。所有結果分組在表2和圖9中。從構型Ⅰ到構型Ⅱ的通道使得顆粒在流化床中的停留時間增加，因此有利于它們的摩擦充電。這種隔膜結構的改進伴隨著在給定時間內回收的ABS量(多20%)和HIPS(超過12%)的顯著增加。該解決方案對ABS更有利。相反，從配置Ⅰ到Ⅲ的通道，其目的在于增加電荷Q和電場E，導致HIPS的質量增益更大(超過33%)，但對ABS的影響較小(僅23%，與前一案例相似的值)。

另一方面可以對從配置Ⅱ到Ⅲ的通道進行分析(增加E)；其效果是HIPS增加21.54%，ABS僅增加2.89%。電場對HIPS的回收量具有優勢。

表2 配置Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ的質量回收(傾斜的電極) %

4.2 垂直電極配置

垂直電極的結果如表3和圖10所示。回收的HIPS量幾乎是ABS的兩倍；這證實了對電場對HIPS回收的主要影響的觀察。

圖9 對于配置Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ(傾斜電極)的ABS和HIPS的質量回收表3 配置Ⅳ的質量回收(垂直的電極)

%

圖10 配置Ⅳ的ABS和HIPS的(垂直電極)

4.3 配置Ⅳ和Ⅱ之間的比較

用兩種電極配置獲得的結果示于表4和圖11中。比較清楚地顯示了電場強度和均勻性的增加對靜電性能的積極影響。電極配置的改變對HIPS顆粒具有更顯著的影響；它導致回收的HIPS增加了7倍以上，而ABS只增加了2倍。

表4 配置Ⅱ和Ⅳ的質量回收 (%/min)

5 結論

在試驗工廠分離器上進行的測試證實了物理模擬的結論，關于在該系統的設計中關鍵的兩個因素，即電荷和電場。通過將流化床的底部水平降低20 cm可以獲得電荷的增加，使顆粒更難以上升到電極。顆粒應該以足夠高的水平充電，以使電力移動它們并將它們釘在電極上。第一次修改對ABS非常有益。通過引入附加電極引起的電場增加提高了HIPS的回收率。電極的垂直布置和流化床底部水平的降低是對裝置設計的雙重作用，對于粗混合物-增塑塑料(尺寸為2～5 mm)，其顯著地改善了其在摩擦-空氣-靜電分離中的性能。

圖11 配置Ⅱ和Ⅳ(傾斜和垂直電極)之間的比較