陳艷飛，張保玉，烏仁娜，鄭陽升，王 群

（中國兵器科學(xué)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(jīng)歷了無數(shù)的工業(yè)應(yīng)用，從礦物選礦到食品工業(yè)，再到廢物回收[1-3]。在高強(qiáng)度電場中分離之前，電暈放電和靜電感應(yīng)分別經(jīng)常用作這種粒狀混合物的非導(dǎo)電和導(dǎo)電部分的充電機(jī)制[4-5]。

商業(yè)輥式電暈靜電分離器已經(jīng)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(shè)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(yè)中加工精細(xì)研磨的廢物或粉狀物料，主要是因?yàn)殡y以控制導(dǎo)電顆粒與受電暈放電影響的電極接觸的軌跡。

本文設(shè)計(jì)出能夠處理大多數(shù)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(jī)制進(jìn)行粒子充電：正極性或負(fù)極性的電暈放電和靜電感應(yīng)。通過將顆粒作為單層進(jìn)料到帶式電極的表面上，該分離器的設(shè)計(jì)限制了細(xì)顆粒的聚集和空氣動(dòng)力對其軌跡的影響。

1 試驗(yàn)裝置

由課題組設(shè)計(jì)并由法國Saint Cybardeaux的CITF公司制造的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的多功能靜電分離器應(yīng)該能夠處理導(dǎo)電和/或非導(dǎo)電材料的微粉化混合物，如圖1所示。這種精細(xì)研磨的單層材料均勻地分散在金屬帶式輸送機(jī)（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(jī)由120 W三相電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)進(jìn)料器（型號PDB 4/30，VIBRA France）傾倒在該輸送機(jī)的表面上。進(jìn)料器配有定制設(shè)計(jì)的顆粒分散裝置，用作非導(dǎo)電顆粒充電機(jī)制的電暈放電是由線型雙電極產(chǎn)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(jī)表面上方的高度h處。

直徑為30 mm，長度為70 mm的旋轉(zhuǎn)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(fù)極，具體取決于每個(gè)應(yīng)用的具體需要）。該電極產(chǎn)生強(qiáng)電場區(qū)域，沉積在輸送機(jī)表面上的顆粒通過該區(qū)域。通過與接地帶接觸的靜電感應(yīng)充電的導(dǎo)電顆粒被吸引到相反極性的輥電極。它們中的大多數(shù)都是在收集器的方框2中取回的。

不帶電的非導(dǎo)電粒子不受該電場的影響。它們在輸送機(jī)上完成了旅程，并被收集在盒子3里。一些導(dǎo)電顆粒被吸引到滾動(dòng)電極上，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在接觸后反彈并最終進(jìn)入方框1。靜電分離器允許調(diào)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(shè)定在0°的范圍內(nèi)（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?zhàn)雍蜐L筒的軸線在相同的范圍內(nèi)）。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(nèi)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(shè)備（WEEE）的組合。對于每個(gè)試驗(yàn)，所用樣品含有0.5 g鋁（Al），質(zhì)量密度2700 kg/m3，和0.5 g擠出的聚苯乙烯（PS），質(zhì)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(yīng)是在方框1和2中收集的顆粒的質(zhì)量，主要由鋁（mA1）組成，并且在方框3中收集的顆粒的質(zhì)量主要由PS（mPS）組成。試驗(yàn)數(shù)據(jù)用商業(yè)軟件MODDE 5.0處理，計(jì)算數(shù)學(xué)模型的系數(shù)，繪制等響應(yīng)等值線，并確定控制變量的最佳調(diào)整以優(yōu)化過程。

為了確定預(yù)計(jì)會(huì)影響性能的三個(gè)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(gè)“一次一個(gè)因素”的試驗(yàn)。靜電分離期間，相關(guān)參數(shù)有：輥電極的角度α（°）；該電極與輸送機(jī)之間的距離d（mm）；施加到輥電極的高壓U（kV）。

3 結(jié)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(yīng)充電進(jìn)行的“一次一因素”試驗(yàn)。當(dāng)輥電極位于α=0°時(shí)，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(shù)鋁顆粒存在于方框3中，因?yàn)樵谶@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(qiáng)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(gè)電極之間的火花放電風(fēng)險(xiǎn)的限制。

人們能夠在各種操作條件下預(yù)測收集的Al和PS顆粒的質(zhì)量。最佳值對應(yīng)于施加電壓U的上限和較短的內(nèi)電極間距d，其提供最高的電場值。因此，最強(qiáng)的電力施加在顆粒上。當(dāng)電極成角度α=15°時(shí)，電力和機(jī)械力的合成有利于導(dǎo)電粒子從旋轉(zhuǎn)輥電極表面的早期分離，如通過制造物體的分離軌跡的數(shù)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(yàn)的情況下，在方框1和2中收集的產(chǎn)品的質(zhì)量較低。這可以通過以下事實(shí)來解釋：帶電暈的非導(dǎo)電顆粒黏附到帶狀電極上并且在較小程度上污染鋁產(chǎn)品。然而，導(dǎo)電顆粒的質(zhì)量決不會(huì)超過0.4 g，因?yàn)樗鼈冎械囊恍┩ㄟ^機(jī)械黏附力強(qiáng)烈地釘在帶的表面上或被離子風(fēng)拋棄。這些導(dǎo)電顆粒污染非導(dǎo)電產(chǎn)品，其質(zhì)量通常超過0.6 g，這意味著其純度低于80%。

4 結(jié)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(xì)顆?；旌衔锓矫娴挠行?。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(jié)果，更具體地說是導(dǎo)電產(chǎn)品（在本例中為鋁）的純度，因?yàn)樗鼘?xì)的非導(dǎo)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(dāng)前，人們需要進(jìn)一步研究，以提供新的分析方法來量化產(chǎn)品的純度，并驗(yàn)證分離各種其他顆?；旌衔锏目尚行浴?/p>