静电分离由不同材料构成的颗粒混合物的方法以及实施该方法的装置

摘要

本发明提供了静电分离多价颗粒状绝缘材料的方法和装置，该方法和装置具有良好的特性和能源效率，并且易于适应环境大气条件与待分离颗粒的理化特性。本发明涉及一种方法，包括以下步骤：a)在由壁限定并具有进气口与排气口的分离室中的两个电极之间注入空气流；b)将由不同材料构成的颗粒混合物放入空气流中；c)控制空气流，使得颗粒以湍流模式飘浮于空气流中并通过它们之间的接触和/或与分离室的壁的接触而变得带电；d)在两个电极之间生成与空气流的方向基本垂直的电场，从而如果在步骤c)中充电的颗粒带正电荷，则使它们在电场的方向上移动，如果在步骤c)中充电的颗粒带负电荷，则使它们在与电场方向相反的方向上移动；e)使充电颗粒附着至电极表面；以及f)放电和收集附着至每个电极的颗粒。

说明书

技术领域

本发明涉及一种静电分离颗粒状材料的方法和用于实施该方法的装 置。

背景技术

静电分离方法已经用于分类例如由工业废弃物研磨而产生的混合颗 粒状材料。优选地，这些材料是绝缘材料。

因此，电器和/或电子废弃物的回收利用需要在所获得的材料能够被 再利用之前，对不同成分进行分离。此分离必须尽可能地有效，以得到 所获得材料的基本恒定的质量。因此创建和升级下游生产线以再利用这 些材料是值得考虑的。例如，从电器和/或电子废弃物中提取到的塑料材 料，可以用在平台轮廓板的制造中。为了升级此活动，这些板需要具有 基本恒定的质量和颜色。

还需要能够有效地和自动地分离和重新获得不同类型的塑料材料。

已经提出许多种方法，诸如光学方法或基于飘浮的方法。但是，这 些方法不够精确并且产生过多的杂质。

另一种方案是将绝缘材料进行研磨，从而将它们转化为颗粒，并且 在第一步中，在振动或旋转装置中通过摩擦起电效应对这些颗粒进行充 电。在第二步中，将充电后的颗粒传送到静电分类设备中，并在静电分 类设备中通过电场将这些颗粒进行分离。

为此，将颗粒从分类设备的顶部注入，在分类设备中颗粒在两个平 行且垂直的电极之间通过重力下落。

在本申请的下文中，术语“垂直的”应当理解为表示与地心引力基 本平行的方向。类似地，术语“水平的”应当理解为表示与地心引力基 本垂直的方向。

阳极(负电极)吸引带正电荷的颗粒，反之阴极(正电极)吸引带 负电荷的颗粒。

将下落过程中因此而偏离的颗粒进行分离并且使它们落入设置在装 置底部且与电极成直线的两个不同的收集器中。

没有被电极吸引的颗粒落入回收它们的第三中心收集器中。然后可 以使它们重新循环到分类设备中。

在传送于摩擦电充电装置和分类设备之间的过程中，这些颗粒可能 已经丢失它们的电荷。它们也可能获得太弱的电荷，以致不能被电极所 吸引。

实际上，在上述装置中颗粒所获得的电荷是不一样的。一些颗粒设 法被适当充电，因此可以在相当强的电场中分离这些颗粒，但是其它的 颗粒带着不足以使它们分离的充电电平离开摩擦电充电装置。结果是必 须重新获得大量未被分离的颗粒，然后使它们回到摩擦电充电装置。因 为使颗粒返回到摩擦电充电装置中，限制了新颗粒的充电，所以这种方 法的产率很低。

通过增加摩擦电充电过程的持续时间，可以改善颗粒的充电状态。 但是，因为颗粒将在摩擦电充电装置中保留更长的时间，这样耗费了时 间和能量，所以这种方法的产率将不会改善。

此外，对于固定的充电持续期间，颗粒实际所获得的电荷量可能随 着颗粒的表面状况，更具体地说随着颗粒的尺寸显著变化。碰巧，当两 个具有不同尺寸的颗粒碰撞时，它们获得具有相同值的两个相反的电荷。 然而，虽然这个值足以使最小颗粒被一个电极所吸引，但是这个值不足 以使最大颗粒被另一个电极所吸引。随后最大颗粒被移除并重新引导至 充电设备中。

为了改善颗粒的摩擦电充电的质量，因此已知设备优选地具有用于 按颗粒尺寸进行筛选的装置，该筛选装置设置在摩擦电充电装置的上游。 接着，将每种类型的颗粒进行充电，然后进行电分离。

颗粒实际获得的电荷量还可能随环境温度和湿度显著变化。

为了解决大气条件的问题，期望使用控制环境大气和颗粒的湿度和 温度的装置。

但是，这些附加的设施使整个设备的管理非常复杂并且显著增加了 该方法的成本。

用于分离颗粒状绝缘材料的已知设备的产率非常低，并且所获得的 产品质量并不总是能满足客户的要求。目前的方法易受环境条件和待分 离颗粒的理化特性中的随机变化的影响。

发明内容

本发明旨在克服上述缺陷，并且提出了静电分离颗粒状绝缘材料的 方法和实施该方法的装置，该方法和装置在静电充电、分类质量和产率 方面是有效的。该方法和装置还在能量方面是多用途的和经济的，并且 能够轻易地适应环境大气条件和待分离颗粒的理化特性。

为此，本发明提出了一种方法和装置，在同一个围场(enclosure)中 同时对颗粒进行充电和静电分离。

因此，本发明的主题涉及一种静电分离具有不同材料的颗粒混合物 的方法，包括以下步骤：

a)在由壁限定并具有进气口和排气口的分离室中的两个电极之间 注入流化空气流；

b)将具有不同材料的所述颗粒混合物引入所述流化空气流中；

c)控制所述流化空气流，使得所述颗粒以湍流模式飘浮于所述空 气流中，并且通过所述颗粒之间的接触和/或与所述分离室的壁 的接触而变得带电；

d)在所述两个电极之间生成与所述空气流的方向基本垂直的电 场，从而如果在步骤c)中充电的所述颗粒带正电荷，则使它们 在所述电场的方向上移动，或者如果在步骤c)中充电的所述颗 粒带负电荷，则使它们在与所述电场的方向相反的方向上移动；

e)使充电的所述颗粒附着至所述电极的表面；

f)移除比收集附着至每个电极的所述颗粒。

根据其它实施方式：

●在步骤a)中，可以基本垂直向上地注入流化空气流，在步骤b) 中，可以通过自由下落并以相对于流化空气流的反向流的方式 引入颗粒混合物；

●在步骤a)中注入到分离室中的流化空气流，可在垂直向上的方 向中呈现出负的压力梯度；

●步骤b)中的颗粒混合物的引入按以下速率实现，根据每单位时 间引入颗粒的重量来表示，该速率被调整为基本等于每单位时 间步骤f)中所收集到的颗粒的重量的值；

●空气流可以在进入分离室之前被预先加热；

●空气流可以在进入分离室时被均质化；

●可以通过由导电材料制成的传送带型电极来实施步骤f)，通过 移动传送带来执行颗粒的移除，并且通过刮除削来实现颗粒的 收集；和/或

●本方法还可包括在步骤f)之后的用于清理电极的步骤g)。

此外，本发明的主题涉及一种用于静电分离具有不同材料的颗粒混 合物的装置，其中，该装置包括：

-由壁所限定并具有进气口和排气口的分离室；

-在进气口和排气口之间延伸至分离室内的两个电极；

-用于在两个电极之间以确定方向注入流化空气流的装置；

-将颗粒混合物引入流化空气流中的装置；

-用于控制流化空气流，使得在使用中颗粒以湍流模式飘浮于空 气流中并且通过颗粒之间的接触和/或与分离室的壁的接触而变 得带电的装置；

-用于在两个电极之间生成与空气流的方向基本垂直的电场的装 置；

-用于移除和收集附着至每个电极的颗粒的装置。

根据其它的实施方式：

●进气口可以被设置为使空气流在使用中基本垂直向上；

●用于引入颗粒混合物的装置可以被设置为通过自由下落并以相 对于流化空气流的反向流的方式将颗粒引入分离室中；

●电极可以被设置为从进气口向排气口发散；

●分离装置可以包括设置在分离室的进气口的上游的用于加热空 气流的装置；

●分离装置可以包括空气室，空气室设置在分离室的进气口的下 游并包括用于使空气流均质化的装置；

●用于使空气流均质化的装置可以是玻璃球；

●分离装置可以包括用于控制颗粒的引入速率的装置；

●分离装置可以包括连接至用于控制速率的装置的用于测量所收 集颗粒的重量的装置，控制速率的装置适于根据测量装置所测 量到的重量来控制颗粒的引入速率；

●用于收集颗粒的装置可以是刮器；

●分离装置可以包括用于清理电极的装置；

●电极可以是传送带型；和/或

●用于生成电场的装置可以是可调节的。

根据本发明的方法和装置能够通过在电场中同时实现颗粒依靠摩擦 起电效应的充电以及颗粒的分离来弥补上述缺陷。因此，颗粒在被充电 的时刻和受到电场影响的时刻之间不会丢失它们的电荷。

此外，空气流按尺寸分离颗粒，从而摩擦电充电是最优的，因为摩 擦电充电在基本具有相同尺寸的颗粒上完成。

进一步，每个颗粒在空气流中仅保持其获得足以使其被电极中的一 个吸引的摩擦电荷所需的最小时间。不带电的颗粒不能留在空气流中， 这确保所收集颗粒的纯度。因此，根据本发明的方法和装置优化了分类 效率并自然地适应每个颗粒。

最后，因为充电和分离是同时进行且发生在同一个围场中，所以可 以容易地和经济地控制环境大气条件。

因此，与具有相同有效规模的现有技术的装置相比，根据本发明的 装置提供了显著增强的分类效率和质量。

附图说明

在以下参照附图给出的详细描述中将说明本发明的其它特征，附图 分别表示为：

图1是根据本发明的静电分离装置的第一实施方式的纵向截面的示 意图；以及

图2是根据本发明的静电分离装置的第二实施方式的纵向截面的示 意图。

参照图1，根据本发明的静电分离装置包括分离室100，分离室100通 过侧壁101(在此仅示出两个)限定并设有分别允许压缩空气进入和排出 的进气口102和排气口103。

优选地，进气口102设有空气扩散器102a，排气口103设有过滤器103a。

两个电极105-106延伸至分离室内并位于进气口和排气口的两侧。因 此，在进气口和排气口之间循环的空气流位于电极105-106之间。这些电 极连接至优选可调节的高直流电压发生器107：电极105连接至发生器107 的负端，电极106连接至发生器107的正端。当电流流动时，此设置在两 个电极105-106之间产生电场。

优选地，如图1和图2所示，电极被设置为从进气口向排气口发散。

该装置还包括装置108，装置108用于在两个电极105-106之间以箭头 F1表示的确定方向注入空气流。因此空气流穿过进气口102和排气口103 之间的分离室100。此空气流形成了流化床(fluidized bed)。进气口102 被有利地设置，使得空气流在使用中基本垂直向上。

装置109被设置为允许将颗粒混合物M引入流化空气流中。

优选地，用于引入颗粒混合物M的装置109设置为通过自由下落并以 相对于流化空气流的反向流的形式将颗粒引入分离室100中。

优选地，装置109是由速率控制装置(未示出)控制的可变速率装置。

混合物M包括至少两种不同的材料M1-M2，材料M1-M2在图中以白 色圆盘M1和黑色圆盘M2示出。这些颗粒可以具有不同的尺寸。在图中， 示出了两种尺寸(小尺寸：M1p和M2p；大尺寸：M1g和M2g)，但是实 际上，根据本发明的方法和装置可以有效地分离许多种尺寸的颗粒。

用于注入流化空气流的装置108连接至用于控制流化空气流的装置， 使得在使用中，颗粒以湍流模式飘浮于空气流中，并且通过颗粒之间的 接触和/或与分离室100的壁101的接触而带电。

根据本发明的装置可以实施根据本发明的用于静电分离具有不同材 料的颗粒混合物的方法。该方法包括以下步骤。

在步骤a)中，在两个电极之间注入流化空气流。此空气流从进气口 102进入并通过排气口103排出。在图1和图2所示的有利配置中，流化空 气流大致垂直向上地注入。与此向上气流相结合，电极的发散结构在垂 直向上的方向中产生负的压力梯度。换句话说，气压在空气流的方向上 减小。因此，在室100的顶部的排气口103处的空气压力低于在室100底部 的进气口102处的空气压力。

在步骤b)中，将具有不同材料的颗粒混合物M引入到流化空气流中。 在上述有利的配置中，通过自由下落并且以相对于流化空气流的反向流 的形式引入颗粒混合物。

同时，在步骤c)中，控制流化空气流，以使颗粒以湍流模式飘浮于 空气流中，并通过颗粒之间的接触和/或与分离室的壁的接触而带电。

负的压力梯度可以将颗粒分布在与颗粒尺寸有关的不同高度处：较 大的或较重的颗粒留在底部，而较小或较轻的颗粒更多地上升到流化床 中。流化床的上限通过最小或最轻的颗粒确定，但空气流被控制，以使 该上限优选不超过分离室100高度的三分之二。

因此根据本发明的方法和装置允许根据实际位于室内的颗粒的重量 使颗粒自然分布。因此，在混合物进入分离室100之前不需要根据混合物 M尺寸的任何筛选。有利地，混合物M的颗粒的典型直径可以是0.5-5毫米。

因此根据本发明的方法和装置可以得到彼此接触的颗粒的尺寸一致 性。这确保最好的摩擦带电条件，因为大致具有相同重量但具有不同材 料的两个颗粒获得具有相同值的相反电荷。这使得每个颗粒都能够被电 极吸引。

当颗粒M1p-M2p、M1g-M2g飘浮于流化空气流中且通过摩擦起电进 行充电时，在步骤d)中，在两个电极之间产生电场E，电场E大致与空气 流的方向F1垂直并从阴极指向阳极。

实施本发明所需要的电场优选大于1kV/cm。通常为4-5kV/cm。

因此，如果在步骤c)中充电的颗粒带正电荷，则使它们在电场的方 向上移动，如果在步骤c)中充电的颗粒带负电荷，则使它们在电场的反 方向上移动。在图1和图2中，颗粒M1p和M1g带负电荷并且在与电场E相 反的方向上向阴极106移动。颗粒M2p和M2g带正电荷并且在与电场E相同 的方向上向阳极105移动。

当受到电像力(electrical image force)的作用时，带正电荷的颗粒 M2p和M2g在步骤e)中附着至阳极105。类似地，带负电荷的颗粒M1p和 M1g在步骤e)中附着至阴极106。

根据本发明的方法包括步骤f)，该步骤用于移除并收集附着至每个 电极的颗粒。

根据优选实施方式，此步骤f)使用有利地由诸如金属的导电材料制 成的传送带型电极实施。优选地，传送带由具有光滑表面的不锈钢制成。 还可以想到使用由具有金属嵌入物的塑料材料制成的传送带。

根据图1和图2示出的实施方式，具有传送带类型的电极105和106被 移动，从而在由箭头F2概略地代表的方向上移除沉积在电极表面的颗粒， 该方向与空气流的方向大致相同。还可以在相反的方向上驱动传送带， 就是说，大致在相对于空气流的反向流中。但是，附着在传送带表面的 颗粒具有被空气流分离的危险。

传送带移除位于电极相对于空气流的另一侧的颗粒。然后，使用刮 器110将传送带上所收集的颗粒刮下来。这些刮器使颗粒从传送带上分 离，并将它们引导至收集器111-112中。

传送带的速度与来自用于引入颗粒混合物M的装置109的颗粒的速 率、待分离的颗粒状混合物的原始成分和传送带的宽度有关。

必须使被电极所吸引的颗粒足以仅在传送带的表面上形成单层。否 则，电像力不能足够大以使颗粒附着于传送带。

此外，通过使用很低的速度，颗粒将与电极传送带保持接触足够长 的时间，以使它们进行放电。这也具有减小使颗粒附着到传送带表面的 电像力的效果。那么颗粒具有在能够通过收集器111-112回收之前从传送 带上分离并落回电极底部的风险。如果空气流与每个电极底部的间距一 样宽，那么落回的颗粒就可以回到空气流中的循环中。否则，颗粒落入 室100的底部，并且必须回收颗粒，然后经装置109将颗粒重新引入室内。

举例来说，对于源自电脑废弃物的塑料材料，约300公斤/小时的速率、 宽度为1米的传送带和约5米/分钟的速度可能是足够的。

根据本发明的方法还可包括步骤g)，该步骤用于在步骤f)之后清理 电极。为此，根据本发明的分离装置包括用于清理电极的装置，在图1和 图2中通过刷113概略地代表。刷113用于使未被刮器110分离的颗粒分离。 刷113尤其是用于清理具有灰尘P的传送带，灰尘P是实施该方法而不可避 免地生成的。实际上，在摩擦带电期间，颗粒的彼此撞击导致了成灰尘 形式的这些颗粒的某种磨损。这聚集在传送带上，并且可减小颗粒通过 电像力的附着。刷113用于清理具有这种灰尘的传送带，并且在装置的整 个运行期间保持吸引力和附着力。

优选地，如图1所示，收集器111-112与相应传送带106-105紧密接触， 以收集灰尘并将灰尘从室100中移除。可替代地，如图2所示，可以通过 专用的收集器114来移除灰尘P。

如果其它装置能够移除或收集附着于每个电极的颗粒，那么可以使 用其它装置。例如，可以使用与设置在电极相对于流化空气流的另一侧 的刮器相结合的旋转电极。还可以使用能够相对于固定电极移动的移除 和收集装置。

通过根据本发明的方法和装置，充电实际上在分离室内完成，使得 颗粒在受电场影响之前不会有丢失其电荷的危险。

此外，一旦颗粒被充电，它就被具有反向极性的电极所吸引。因此 每个颗粒在摩擦带电的空气流中仅保持获得足以使其被电极吸引的电荷 的时间。通过为其它颗粒留下空间和通过仅使用获取摩擦电荷严格所需 的空气流的机械能量，提供了最佳效率。

最后，因为颗粒没有时间丢失它们的电荷，所以颗粒一旦附着于电 极上被立即移除的事实也优化了效率，并且也为将要附着至电极的其它 颗粒留下了空间。

优选地，装置包括控制颗粒的进入速率的装置，其连接至用于测量 收集器111-112所收集的颗粒重量的装置(未示出)。

因此，步骤b)中的颗粒混合物的引入按以下速率实现，根据每单位 时间引入颗粒的重量来表示，该速率被调整为基本等于每单位时间步骤f) 中所收集到的颗粒的重量的值。换句话说，用于控制速率的装置适于根 据测量装置所测量到的重量来控制颗粒的引入。

根据图2所示的实施方式，空气流在进入分离室之前被预先加热。为 此，根据本发明的静电分离装置包括用于加热空气流的装置120，装置120 设置在分离室100的进气口102的上游。此加热装置120可用于将流化空气 的温度调节到最佳温度，以降低颗粒的表面湿度并改善根据摩擦起电效 应的起电条件。例如，对于尺寸为1.5-3毫米的ABS(丙烯腈丁二烯苯乙 烯)和HIPS(高抗冲聚苯乙烯)材料的颗粒混合物，最佳温度为35℃-45℃。

根据本发明的静电分离装置还可以包括空气室130，空气室130设置 在分离室100的进气口102的下游并且包括用于使进入分离室100的空气 流均质化的装置。优选地，空气室130设置在空气扩散器102a的上游并且 连接到压缩机131上。

用于使空气流均质化的装置例如是玻璃球132。它们在空气室130中 的分布可以使压缩空气流分开，使得当空气流进入室100时，空气流在其 整个宽度上是均匀的，该分布还确保了分离室100中的均匀的水平压力。

根据其它的实施方式，可以通过来自分离室底部的随着空气流(以 及可能的互补空气流)的喷射来实现颗粒的引入，使得向上喷射的颗粒 以湍流模式飘浮于空气流中，并且通过彼此接触和/或与分离室的壁接触 而带电。