用于静电分离粒状材料的方法和装置与流程

本发明总体上涉及一种使用电场力、气动力和重力分选具有不同电气特征(若干不导电、或若干导电和不导电、或甚至若干导电)的粒状材料的混合物的方法。本发明还涉及一种用于实现这种方法的装置。

根据本发明的方法特别适用于在资源回收、采矿、制药和农业食品工业中分离毫米级和亚毫米级尺寸的粒状材料(通常具有50μm至2mm之间的范围内的等效直径的颗粒)。

背景技术：

在过去的二十年中，静电分离具有大于1mm的平均尺寸的粒状材料的混合物的技术已经历重大发展并且被广泛用在工业中。

然而，目前证明更难以实现更精细颗粒的分离，这是由于由气动力引起的扰乱，其对(小于500μm的)微粉化颗粒的影响超过电力引起的影响。

鼓式静电分离器是选择用于处理毫米级尺寸的导电和非导电粒状材料的混合物的方案。它们还可以用于基于组成元素^[2]之间的质量密度差来分离之前通过摩擦电效应^[1]带电的若干非导电材料或与若干导电材料的毫米级尺寸的粒状混合物。这些分离器还用于分离亚毫米级混合物，特别是用于处理矿物。然而，待处理的材料的流速低，其中，颗粒必须分散以便在鼓的表面上形成单层。

此外，本领域技术人员已知的是使用自由下落的摩擦静电分离器用于分选非导电粒状材料的更大(通常从1mm至8mm)的混合物。这些分离器包括一种装置，该装置在允许粒状材料落下穿过在两个竖直电极之间产生的强电场区之前使用摩擦电效应使粒状材料带电，这两个竖直电极中的一个连接至高压发生器并且这两个竖直电极中的另一个连接至相反极性的高压发生器或接地。这些分离器不能处理亚毫米级尺寸的颗粒，因为气动力和/或对电极的附着力会太高并且将明显限制电场的作用。

在本领域技术人员已知的其他工业摩擦静电分离器中，通过摩擦电效应或通过电晕放电而带电的颗粒作为单层沉积在接地的金属带输送机的表面上。这些颗粒在这个金属带与圆柱形电极之间产生的电场中被分选，该圆柱形电极连接至高压电源并且位于输送机上方。这种类型的分离器还用于分选亚毫米级尺寸(通常从0.25mm至1mm)的粒状混合物，但是这仅在实验室条件下，因为这种类型的分离器的分选生产率受到将颗粒作为单层沉积在条状电极的表面上的要求的限制。

最后，最近已经开发了用于处理亚毫米级尺寸的非导电材料的某些粒状混合物的特定方案。

因此，在可用于农业食品工业^[3]、[4]的摩擦静电分离器中，颗粒在压缩空气作用下在行进通过金属管时通过摩擦带电，在行进之后仍在严格控制的气流中进入在两个相反极性的竖直电极之间产生的电场中。将在两个电极上收集的颗粒吸入旋风式收集器中。这种分离器需要定期清洁电极，这意味着在工业背景下它不能在连续操作状态下使用。

在定义为“摩擦气动静电”^[5]、[6]分离器的其他分离器模型中，在两个电极-旋转盘^[7]、[8]之间、在两个旋转圆柱形电极^[9]之间或在两个电极-金属板^[10]之间产生的电场的存在下，非导电颗粒在流化床中带电，从而在竖直方向上执行来回移动，同时连接至两个相反极性的电源。颗粒附着至相反极性的电极，这使它们朝向收集器放电。这些设施已经在实验室条件下以间歇状态使用，这是由回收在流化床中保持未分离的颗粒的要求所规定的。这些设施的工业使用的观点还受到为流化室提供密封的难度的限制。

技术实现要素：

为了克服上述缺陷和缺点，本申请人已经开发了一种用于静电分离的方法和装置，该方法和装置同时使用施加于在由几千伏特(通常大于5kv并且小于120kv)的直流电压生成的强电场中带电的颗粒上的电场、气动力和重力，该直流电压被施加到两个固定的或旋转的同轴竖直的圆柱体。由来源于若干非导电材料或来源于若干导电和非导电材料或甚至来源于若干导电材料的颗粒组成的待分离的粒状混合物必须在充电装置中被预先充电(通过电晕放电、通过静电感应或通过摩擦电效应)。带电颗粒随后通过受控流速的下降的气流并且通过在两个同轴圆柱形电极之间产生的电场中的重力被连续传送。当被相反极性的电极吸引时，颗粒附着至其表面。在圆柱体旋转的情况下是固定的、否则是可动的机械清洁系统(刷子或擦拭器)将颗粒从电极的表面分开并且有助于将颗粒吸入旋风收集器中。因此，借助于根据本发明的用于静电分离的装置和方法，在密封设施中，可以连续清洁电极并且可以连续生产产品，从而允许处理毫米级或亚毫米级尺寸的粒状混合物。更具体地，本发明的目的是用于静电分离粒状材料的方法，该粒状材料包括具有在50μm至2mm之间范围内的等效直径的颗粒(其可以是具有不同性质的材料)，所述方法包括以下步骤：

a.将所述粒状材料以恒定的流速引入充电装置中，从而允许根据颗粒的性质对所述颗粒充电，然后使所述颗粒带电；

b.在布置于分离室中的具有竖直轴线oz的两个同轴圆柱形电极之间生成电场e，e的强度在1kv/cm至10kv/cm之间变化；

-两个圆柱形电极被分成具有外径die的内圆柱形电极和具有内径dei的外圆柱形电极；

-所述圆柱形电极连接至具有正极性或负极性的高直流电压发生器(即，通常大于5kv且小于120kv)，一个所述电极连接至所述发生器的正极端子，并且另一个所述电极连接至其负极端子或接地；

-以便产生具有厚度e(通常约为40mm至160mm的量级)的圆柱形层的形式的电场区，该厚度e符合公式(1)：

(1)e＝(dei-die)/2；

c.在所述电场区中通过吸力生成优选地具有受控流速并且垂直于电场e的方向的下降的竖直气流，并且对于竖直气流的效应与重力效应结合允许已经带电的所述颗粒连续地传送通过所述电场区；

d.当带电颗粒位于所述电场区中时，使所述带电颗粒移动到相反极性的电极以便附着到其上；

e.使用用于清洁电极的表面的机械设备(例如，刷子或柔性擦拭器)连续分开附着到电极的表面的所述颗粒，所述机械清洁设备围绕电极的竖直中心轴线oz自由旋转并且所述电极是固定的，或反之亦然(换言之，电极围绕其轴线oz自由旋转，而机械清洁设备是固定的)；

f.在重力和所述竖直气流的联合作用下，使所述分开的颗粒连续放电；然后

g.回收所述颗粒。

可替代地，在生成电场e的步骤b中，圆柱形电极可连接至具有正极性和负极性的高直流电压发生器(即，通常大于5kv且小于120kv)，其中，一个电极连接至所述发生器的一个极性，而另一个电极连接至另一极性或接地。

根据本发明的方法的第一实施例(图1中示出的)，待分离的粒状材料仅可包括非导电颗粒。在这种情况下，颗粒可以通过在经由锥形分配器与分离室连通的摩擦充电器中的摩擦电效果而被充电。

根据本发明的方法的第二实施例(图2中示出的)，待分离的颗粒状材料可包括非导电颗粒与导电颗粒的混合物。在这种情况下，颗粒可以在位于所述电极上游的电晕效应充电器中被充电。一旦被称为电极的表面上的电场e变得足够大(大约30kv/cm)，使得空气在光电晕周围电离和形成，电晕效应就发生在具有低曲率半径的电极(点)附近，经受由电压发生器生成的高直流电压。

根据本发明的方法的第三实施例(图3中示出的)，待分离的粒状材料可包括导电颗粒的混合物。在这种情况下，颗粒可通过由圆柱形电极之间生成的电场e产生的静电感应而被充电。材料的表面电阻之间的差异导致颗粒的不同电荷，这些颗粒或多或少地被圆柱形电极吸引，因此导致它们分离。颗粒的轨迹还受到不同质量密度的影响。

有利地，待分离的颗粒可以具有在0.125mm至2mm之间的范围内的直径。

有利地，强电场e的强度可以在4kv/cm至5kv/cm之间的范围内。

有利地，一旦在完成根据本发明的方法的步骤a时颗粒带电，则根据形成待处理的混合物的颗粒的尺寸，它们被引入具有在1mm至5mm之间的范围内的厚度的圆柱形层的形式的电场区中。

有利地，可以在收集系统中执行回收待分离的颗粒的步骤f)，其中，所述颗粒被回收在收集系统的中间隔室中，所述中间隔室是圆柱形的、与电极同轴的并且均连接至旋风真空器。

有利地，根据本发明的方法还可包括将待分离的颗粒通过旋风真空器从中间隔室传送至收集系统的终端隔室的步骤。

本发明的另一目的是一种用于静电分离的装置，其允许实现根据本发明的方法。更具体地，本发明的目的是一种用于静电分离粒状材料的装置，该粒状材料包括具有在50μm至2mm之间，并且优选地在0.125mm至2mm之间的范围内的直径的颗粒，该装置包括：

·用于对待分离的颗粒充电的装置；

·分离室，包括具有竖直轴线oz的两个同轴圆柱形电极，这两个同轴圆柱形电极被分成：

-具有外径die的内圆柱形电极和具有内径dei的外圆柱形电极；

-圆柱形电极连接至高直流电压发生器，一个电极连接至所述发生器的正极端子，另一个电极连接至其负极端子，从而能够生成电场e；

·用于在该分离室中通过吸力产生垂直于电场e的方向的下降的竖直气流的设备；

·用于清洁电极的表面的机械设备，该机械清洁设备围绕竖直轴线oz自由旋转并且电极是固定的，或反之亦然(即，换言之，电极围绕竖直轴线oz自由旋转，而机械清洁设备是固定的)；

·用于回收颗粒的装置。

可替代地，分离室的圆柱形电极可连接至具有正极性和负极性的高直流电压发生器，其中，一个电极连接至所述发生器的一个极性，并且另一个电极连接至另一个极性或接地，以便能够生成电场e。

以上定义了旨在在根据本发明的装置中分离的粒状材料。

根据本发明的静电分离装置的第一实施例，该充电装置有利地可以是经由锥形分配器与分离室连通的摩擦充电器。

根据本发明的静电分离装置的第二实施例，该充电装置可以有利地是位于分离室中的在电极上游的电晕效应和静电感应充电器，其中，经由锥形分配器供应用于所述充电装置的材料。

根据本发明的静电分离装置的第三实施例，该充电装置可以有利地是位于分离室中的在电极上游的静电感应充电器，其中，经由锥形分配器供应用于所述充电装置的材料。

通过用于清洁电极的表面的机械设备，可以在根据本发明的静电分离装置中使用刷子或擦拭器。有利地，用于产生下降的竖直气流的设备可以是旋风真空器，优选地具有受控的流速，从而还允许在收集系统中回收所述颗粒。

有利地，用于回收颗粒的装置可以是产品收集系统，其包括：

-两个圆柱形中间隔室，与电极系统同轴并且连接至旋风真空器；

-两个终端隔室，颗粒通过所述旋风真空器从中间隔室传送至终端隔室。

有利地，根据本发明的静电分离装置还可包括在充电装置的上游的能够控制流速的用于粒状材料的计量单元。

有利地，根据本发明的静电分离装置在充电装置的上游还可包括能够控制流速的用于粒状材料的计量单元。

通过以非限制性实例并参考附图给出的详以描述，本发明的其他优点和特征将变得显而易见：

图1a示出了根据第一实施例(具有摩擦充电器)的根据本发明的静电分离装置的纵向截面示意图；图1b是沿着图1a中示出的装置的轴线a-a的示意性截面图；

图2a示出了根据第二实施例(具有电晕效应充电器)的根据本发明的静电分离装置的纵向截面示意图；图2b是沿着图2a中示出的装置的轴线a-a的示意性截面图；

图3a示出了根据第三实施例(具有静电感应充电)的根据本发明的静电分离装置的纵向截面示意图；图3b是沿图3a中示出的装置的轴线a-a的示意性截面图，

图4示出了用于控制充电装置中的粒状材料的流速的螺杆计量单元的示意性截面图；

图5示出了包括旋风真空器和用于收集颗粒的隔室的旋风收集装置的示意性截面图；

图6是示出了根据本发明的分离器的基本原型的照片(没有用于清洁电极的系统或抽吸系统，具有固定的电极)，该分离器已经在实例1中实现以用于测试在根据本发明的方法中实现的静电分离的原理；

图7包括示出了包含50％的abs(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)颗粒和50％的pc(聚碳酸酯)颗粒的颗粒混合物的静电分离的结果的三张照片，其中，此分离是用图6的原型进行的：图7b示出了初始abs和pp颗粒(在混合之前，然后分离)；图7a示出了在外电极222上回收的颗粒；以及图7c示出了内电极221上的回收颗粒(参见实例1)；

图8也包括示出了具有125μm直径的包含50％的pp(聚丙烯)颗粒和50％的pc(聚碳酸酯)颗粒的颗粒混合物的静电分离的结果的三张照片，其中，此分离是用图6的原型进行的：图8a示出了初始pp和pc颗粒(在混合之前，然后分离)；图8b示出了在外电极222上回收的颗粒；以及图8c示出了在内电极221上回收的颗粒(参见实例2)；

图9包括示出了现有技术中已知的摩擦气动静电电极盘分离器3(左手照片)和包含50％的pp颗粒和50％的pc颗粒的颗粒混合物的分离结果(右手照片)的照片(参见比较例1)；

图10包括示出了现有技术中已知的自由下落分离器4和包含50％的abs颗粒和50％的pc颗粒的颗粒混合物的分离结果的照片(参见比较例2)；

图11、图12和图13示出了由1.4g的每种材料组成的50μm直径的铜和铝颗粒的混合物的分离的照片；

图11是示出了在图2a和图2b中示出的装置(具有电晕充电器)的内圆柱形电极上收集的灰色铝颗粒的照片(参见实例3)；

图12是示出了包含约0.25g的铝和约0.95g的铜的铜精矿(即，具有大于80％的铜含量)的照片，其中，该精矿被收集在位于图2a和图2b中示出的装置(具有电晕充电器)的电极的系统的下端处的罐中(参见实例3)；

图13是示出了包含约25％的铝和75％的铜的混合产品(即，具有小于80％的铜含量)的照片，所述混合产品被收集在图2a和图2b中示出的装置(具有电晕充电器)的外电极上(参见实例3)。

相对于根据本发明的分离装置的实施例进一步详细描述图1至图5，这些实施例示出了本发明，而并不限制范围。在这些附图中，相同的元件使用相同的参考标号示出。

参考实现图6、图9和图10中示出的分离器的以下实例进一步详细描述图6至图13。

参考图1、图2和图3，根据本发明的用于静电分离粒状材料1的装置1包括：

·装置21，其用于对颗粒11和12充电以与粒状材料1分离；

·分离室22，其包括具有竖直轴线oz的两个同轴圆柱形电极221、222；

·旋风式吸入设备2250(其细节仅在图4中示出)，其在分离室22中产生下降的竖直气流225；

·机械设备226(例如，刷子或擦拭器)，其用于清洁电极221、222的表面，所述机械清洁设备226围绕轴线oz自由旋转并且电极221、222是固定的，或反之亦然；

·收集系统23，其包括两个中间隔室231和232以及两个最终隔室233和234，该中间隔室为圆柱形且与圆柱形电极221、222同轴，该最终隔室用于分别回收待分离的颗粒11和12。

在图1、图2和图3示出的三个实施例中，旋风真空器2250还允许在中间隔室231和232中收集的颗粒11和12传送至最终隔室233和234。

具有竖直轴线oz的同轴圆柱形电极221、222的系统被如下划分：

-具有外径die的内圆柱形电极221；以及

-具有内径dei的外圆柱形电极222。

圆柱形电极221、222连接至具有正极性和负极性的高直流电压发生器，其中，一个圆柱形电极连接至所述发生器的一个极性，而另一个圆柱形电极连接至另一个极性或接地，以便能够生成电场e，该电场垂直于由旋风真空器2250生成的下降的竖直气流225。

图1更具体地示出了根据本发明的静电分离装置的第一实施例，其中，充电装置21是经由锥形分配器212与分离室22连通的(例如，振动、流化床或旋转圆柱式的)摩擦充电器21。图1的分离装置在摩擦充电器21的上游还包括用于控制粒状材料1在充电器21中的流速的螺杆计量单元210。

使用图1的分离装置如下使粒状材料1分离，该分离装置被配置成使不同性质的非导电颗粒11a和11b的粒状混合物分离：

·两个同轴金属圆柱体221、222(电极)，其由电动机(图1至图4中未示出)以几十转每分钟的中等速度在相同方向上固定或驱动；

·两个圆柱体221、222连接至相反极性的高电压发生器(或者其中，一个电极接地)，因此产生强电场e区；

·待分离的粒状混合物1首先通过螺杆计量单元210进给到摩擦充电器21中；

·带电颗粒11a和11b随后在这两个同轴圆柱形电极之间产生的电场中通过气流和重力被连续地传送。由于它们被相反极性的电极吸引，所以分别带正电和带负电的颗粒11a和11b附着在其表面上；

·锥形分配器212连接至摩擦充电器21的输出部并用于将带电颗粒11a和11b连续引入两个圆柱形电极221、222之间的空间，其中，电场占主导。通过由旋风真空器2250生成的下降的气流和重力来促进这种传送；

·由于它们被相反极性的电极221、222吸引，所以颗粒11a和11b附着在其表面上；

·固定的清洁设备226随后允许它们与电极221、222分开并且被回收在产品收集系统23的两个隔室231和232中。如果电极221、222是旋转电极，则在这种情况下清洁设备是固定的。

因此，电极221、222的清洁以及分离之后的颗粒11a和11b的收集是在密封设施中连续进行的，从而允许处理毫米级和亚毫米级尺寸的粒状混合物1。

图2更具体地示出了根据本发明的静电分离装置的第二实施例，其中，充电装置21是位于分离室22中的在电极221、222上游的电晕效应充电器。图2的分离装置在分离室22的上游还包括螺杆计量单元210和与电晕效应充电器21连通的锥形分配器211，其中，螺杆计量单元210允许控制充电器21中的粒状材料1的流速。

使用图2的分离装置如下分离粒状材料1，该分离装置被配置成使非导电颗粒11和导电颗粒12的粒状混合物分离：

·两个同轴金属圆柱体221、222(电极)，其由电动机(图1至图4中未示出)以几十转每分钟的中等速度在相同方向上固定或驱动；

·两个圆柱体221、222连接至相反极性的高电压发生器(或者其中，一个电极接地)，因此产生强电场e区；

·待分离的粒状混合物1首先通过螺杆计量单元210、然后经由锥形分配器212在升高到高电压的一系列金属点与接地的外圆柱形电极222之间产生的电晕放电电场区中进给到分离室22中；

·通过由电晕放电生成的“离子轰击”而带电的非导电颗粒11被外圆柱形电极222吸引、接地，并且保持附着至此；

·导电颗粒12最初以相同的方式充电，但与接地的电极22接触，以相反极性立即放电和充电(通过静电感应)。它们随后被内圆柱形电极221吸引。这覆盖有非导电层2211，该非导电层防止颗粒12与电极之间的接触、以及所述颗粒的放电以及甚至所述颗粒的极性的改变；

·对于图1的装置，与旋风真空器2250相关联的清洁设备226中的一个允许分离地收集附接至两个电极221、222的颗粒。

图3a和图3b更具体地示出了根据本发明的静电分离装置的第三实施例，其中，充电装置21是位于分离室22中的在电极221、222上游的静电感应充电器。图3的分离装置在分离室22的上游还包括螺杆计量单元210和与静电感应充电器21连通的锥形分配器211，其中，螺杆计量单元210允许控制充电器21中的粒状材料1的流动。

使用图3的分离装置如下分离粒状材料1，该分离装置被配置成使导电颗粒12的粒状混合物分离：

·两个同轴金属圆柱体221、222(电极)，其由电动机(图1至图4中未示出)以几十转每分钟的中等速度在相同方向上固定或驱动；

·两个圆柱体221、222连接至相反极性的高电压发生器(或者其中，一个电极接地)，由此产生强电场e区；

·待分离的粒状混合物1首先由螺杆计量单元210、然后经由锥形分配器212在由内圆柱形电极221与外圆柱形电极222之间的电场e产生的静电感应区中进给到分离室22中；

·导电颗粒12a和12b在电场e中带电，其与静电感应充电器21的外电极接触。导电颗粒12a、12b的表面电阻的差异导致或多或少被圆柱形电极吸引的颗粒的带电水平不同，由此导致其分离；

·对于图1的装置，与旋风真空器2250相关联的清洁设备226中的一个允许分离地收集附接至两个电极221、222的颗粒。

实例

设备

-图6中示出的根据本发明的分离器的原型；它由允许4g/s的流速的50mm宽的振荡喷口进给。在通过具有500mm圆周的分配锥体提供材料供应的情况下，流速将是40g/s＝2400g/min＝144kg/h。对于从0.125mm至0.25mm的范围内的颗粒，流速将降低至小于38kg/h。这些流速显然需要对应于圆柱形电极的尺寸；

-图9中示出的摩擦气动静电电极盘分离器3；

-图10中示出的自由下落分离器4。

产品

-包含50％的abs(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)颗粒和50％的pc(聚碳酸酯)颗粒的颗粒混合物(参见实例1)；

-包含50％的pp(聚丙烯)颗粒和50％的125μm直径pc(聚碳酸酯)颗粒的颗粒混合物(参见实例2)；

-包含50％的铜颗粒和50％的铝颗粒的颗粒混合物，其中，颗粒直径为大约50μm的量级(参见实例3)。

实例1

图7示出了由50％的abs和50％的pc颗粒组成的混合物的分离结果。混合物在振动系统中带电并随后通过振荡喷口引入分离器中。该分离的纯度接近100％。在40％的abs和60％的pc混合物的情况下，abs产品被pc颗粒污染，并且纯度下降到约95％。

实例2

图8中示出了由50％的pp和50％的125μm的pc颗粒组成的混合物的分离结果。该混合物的带电和引入与在实例1中描述的那些相同。所得产品的纯度接近100％。

实例3

用根据本发明的静电分离装置进行导电/导电混合物的组成元素的静电分离的可行性测试，其中，充电装置21是电晕效应充电器(在图2a中示出)。测试样品是由1.4g的铜颗粒和1.4g的铝颗粒组成的样品，其中，颗粒的直径约为50μm的量级。

电极以17kv的电压和0.006ma的电流供电。

超过70％的较轻的铝颗粒被收集在内圆柱形电极上，纯度接近100％(如图11所示)。较重的铜颗粒被回收在位于该电极的系统的下端处的罐中，回收为一种重1.2g并且还含有高达20％的铝的产品(如图12所示)。这两种金属的颗粒的剩余部分(大约0.5g)“附着”到该外圆柱形电极的表面上(如图13所示)。

比较例1

50％的pp和50％的pc的混合物(浅灰色和深灰色的混合物)也在现有技术的已知分离器3中分离：它是摩擦气动静电电极盘321、322分离器3。在分离器3的分离室32中进行带电和分离。颗粒混合物在流化床中带电，并且带电颗粒被电极盘321、322吸引，该电极盘在它们的旋转运动中使带电颗粒放电。该分离器允许以仅具有10g/s的流速的连续速率进行分离，而且在电极321和322的输出部处还具有主要对于细颗粒的密封和回收问题。图9中示出了这种分离的结果以及密封和回收问题5。

比较例2

图10示出了现有技术的已知分离器4中的50％的abs和50％的pc混合物的分离结果：它是具有两个板电极421、422的自由下落静电分离器4。混合物在振动系统中带电并随后通过振荡喷口引入分离器4中。自由下落分离器4不能以连续速率工作，并且一旦电极421、422被颗粒覆盖，该分离就劣化。

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