基于颗粒塑料的摩擦式静电分离器整体性能的废旧电气和电子设备改进

陈艳飞，张保玉，乌仁娜，郑阳升，王 群，田 野，崔意娟

(中国兵器科学研究院宁波分院，浙江 宁波 315103)

1 概述

电气和电子设备的生产是增长最快的制造活动之一。这导致需要回收的废弃电气和电子设备(WEEE)数量增加[1，2]。环境标准的发展使得生态标志成为优先事项，促进了废弃产品的拆解和再利用[3～8]。由于技术的发展，优质再生材料的使用已经成为日常生活的一部分[9～13]。

作为专利[14]的对象的新型摩擦 - 静电 - 静电分离器(见图1)于2014年1月由法国滨海博尼纳的APR2公司投入运行。分离器由两个分离器组成。气室：一个用于空气注入(150 mm×350 mm×500 mm)，另一个用于流化颗粒材料并将它们分开。后室的两个壁由树脂玻璃制成。另外两个壁是两个输送机的不锈钢带(厚0.2 mm，宽40 cm)，它们也是分离器的高压电极。

该装置的特点是两种操作的同时性：①流化床中颗粒的摩擦带电；②连接到两个高压发生器的两个金属输送带产生的强电场中颗粒的静电分离，正极性和负极性。一旦颗粒充分充电，它就会被相反极性的电极吸引。该装置经过多次改进，最终证明了其分离尺寸小于或等于2 mm的绝缘颗粒的有效性[15]；然而，对于较大的颗粒(2～5 mm)，其性能并不令人满意[16]。两个原因似乎是这些结果的起源，即颗粒的电荷不足和电场强度不足。

本研究的目的是对过程进行建模并分析影响其性能的所有参数，以便找到改善摩擦-静电-静电分离的解决方案。这些指南应允许处理各种WEEE。对3种不同配置的电极进行了测试，其中丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)和高抗冲聚苯乙烯(HIPS)的混合物来自WEEE的回收。通过筛子获得的典型颗粒尺寸在2～5 mm的范围内。

图1 用于绝缘材料颗粒混合物摩擦-空气静电分离器的“标准”配置

2 物理模型

物理建模考虑了作用在带电颗粒上并使它们粘附在电极上的各种力。该模型可以指导优化的摩擦-静电-静电分离器[17]的设计。

2.1 力的分析

绝缘颗粒的物理模型得以建立，假设颗粒是半径r和密度ρ的完美球形，带有均匀分布在其表面上的电荷Q。这意味着Q可以被认为集中在球体的中心。传送带电极以恒定速度v移动，带电粒子被吸引到电极并与电极接触(见图2)。假设碰撞完全是可塑的，在撞击后没有任何反弹。因此，为了使颗粒保持固定在皮带上，机械和电力必须满足以下条件：

G·cos(α)≤[G·sin(α) +Fi+Fe]·μmax

(1)

其中：

G=(4πr3/3)·ρ·g

(2)

式(2)中，G为引力；Fi：电镜像力。

Fi=Q2/[4πε(2r)2]

(3)

Fe：电场(库仑)力

Fe=Q·E

(4)

g=9.81 ms-2，ε=1.5/(4π9×109)，μmax是颗粒与电极之间的最大静摩擦系数。

上述条件式(1)可以改写为：

(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)

对于固定电极的倾斜角α，半径r和密度ρ的粒子，以及传送带材料的摩擦系数μmax，不等式(6)的左侧可以被认为是常数。这意味着保持这种不等式需要两个条件，即增加电荷Q和电场E。实际上，绝缘颗粒的电荷与它们在流化床中的停留时间有关[15]这次可能是通过将流化床降低20 cm来增加，使颗粒更难以上升到电极；它们必须在流化床中花费更长的时间并获得足够的电荷以使电场的力移动它们。该电荷高于原始位置的流化床的情况，使颗粒能够保持附着在输送机上并在产品收集器中抽空。为了增加电场强度E，通过在高压带状电极之间的气隙中引入V形接地电极[13]采用了第一种解决方案。在本文中研究的第二种解决方案包括修改高压电极的倾斜角。

图2 用于颗粒状绝缘材料混合物的摩擦-静电-静电分离器的轴向示意

2.2 斜电极电场的计算

分离器的电极提供相反极性±U的高电压，并以角度α倾斜；每个场线可以用长度为d0的段和两个长度为d1的弧来近似，如图3所示。对于电极上的任何点M(x，y)(见图3)，电场可以是近似为：

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)

在这个电场方程中可以考虑两个特定点如下：

对于α=0或r=0，Emax=2U/d0

(11)

对于r=L，E(x，y)=2U/(d0+2L·sin(α))

(12)

等式(11)表明由两个电极(α=0)的垂直排列产生的电场在整个长度上是恒定的。在倾斜电极的情况下，对于位于距流化床水平底部距离L的点，电场的最小值与两个电极的倾斜角α成反比。对于U=15 kV，d0=15 cm，对于(10)中的倾斜角α的五个值，沿着每个电极的电场的变化示于图4中。这些曲线表明两个电极的垂直排列提供了恒定的电场最大值，随着角度α的增加，该值显着减小。

图3 两个倾斜电极之间的电场

图4 对于5个角度α值，电场E的分布作为倾斜电极上的距离L的函数

3 实验程序

3.1 材料和方法

对来自WEEE再循环的2000 g 50%丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯(ABS)和50%高抗冲聚苯乙烯(HIPS)的颗粒混合物的样品进行了若干实验。颗粒的典型尺寸范围为2～5 mm。该材料由法国Bonnières-sur-Seine的TheAPR2公司提供(见图5)。在大颗粒(2～5 mm)和4种解决方案(见表1)的情况下，提高设备的效率测试如下：I“标准”配置(见图1)；Ⅱ将流化床的底部水平降低20厘米以增加颗粒的装料量(见图6)；Ⅲ降低流化床底部水平并加入接地电极以增强电场(见图7)；Ⅳ垂直放置两个电极并降低流化床的底部水平，以同时增加电场和电荷(图8)。

表1 不同配置的描述

图5 ABS和HIPS颗粒的形状和尺寸

图6 配置Ⅱ，将流化床的底部水平降低20 cm

图7 配置Ⅲ，将流化床的底部水平降低20 cm加上额外的接地电极以强制施加电场

3.2 实验程序

对于配置Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ(倾斜电极)，在初步试验中发现，在粒状混合物的摩擦带电4 min后开始分离。所有实验包括以下操作。

图8 配置Ⅳ，垂直电极配置并将流化床底部水平降低20 cm

(1)以鼓风机电动机的全速(3600 r/min)对粒状混合物充电t=4 min，并且不向电极施加高压。

(2)在两个电极上施加高压U=±30 kV，并启动金属传送带(速度：16 cm/s)，以便同时恢复产品。

(3)在t=4，10和15 min后测量回收的产物量(超过15 min，在电极处不再收集颗粒)。

对于配置Ⅳ(垂直排列的电极)，遵循相同的方法1，2和3 min，但不需要对颗粒进行再充电。

4 结果和讨论

第一组结果涉及倾斜电极的3种配置。采用温度T=18±1 ℃，相对湿度RH=46±2%的2000 g颗粒混合物样品进行实验。

4.1 倾斜电极配置

除了设备的原始结构(Ⅰ)之外，还测试了另外两种配置。所有结果分组在表2和图9中。从构型Ⅰ到构型Ⅱ的通道使得颗粒在流化床中的停留时间增加，因此有利于它们的摩擦充电。这种隔膜结构的改进伴随着在给定时间内回收的ABS量(多20%)和HIPS(超过12%)的显着增加。该解决方案对ABS更有利。相反，从配置Ⅰ到Ⅲ的通道，其目的在于增加电荷Q和电场E，导致HIPS的质量增益更大(超过33%)，但对ABS的影响较小(仅23%，与前一案例相似的值)。

另一方面可以对从配置Ⅱ到Ⅲ的通道进行分析(增加E)；其效果是HIPS增加21.54%，ABS仅增加2.89%。电场对HIPS的回收量具有优势。

表2 配置Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ的质量回收(倾斜的电极) %

4.2 垂直电极配置

垂直电极的结果如表3和图10所示。回收的HIPS量几乎是ABS的两倍；这证实了对电场对HIPS回收的主要影响的观察。

图9 对于配置Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ(倾斜电极)的ABS和HIPS的质量回收表3 配置Ⅳ的质量回收(垂直的电极)

%

图10 配置Ⅳ的ABS和HIPS的(垂直电极)

4.3 配置Ⅳ和Ⅱ之间的比较

用两种电极配置获得的结果示于表4和图11中。比较清楚地显示了电场强度和均匀性的增加对静电性能的积极影响。电极配置的改变对HIPS颗粒具有更显着的影响；它导致回收的HIPS增加了7倍以上，而ABS只增加了2倍。

表4 配置Ⅱ和Ⅳ的质量回收 (%/min)

5 结论

在试验工厂分离器上进行的测试证实了物理模拟的结论，关于在该系统的设计中关键的两个因素，即电荷和电场。通过将流化床的底部水平降低20 cm可以获得电荷的增加，使颗粒更难以上升到电极。颗粒应该以足够高的水平充电，以使电力移动它们并将它们钉在电极上。第一次修改对ABS非常有益。通过引入附加电极引起的电场增加提高了HIPS的回收率。电极的垂直布置和流化床底部水平的降低是对装置设计的双重作用，对于粗混合物-增塑塑料(尺寸为2～5 mm)，其显著地改善了其在摩擦-空气-静电分离中的性能。

图11 配置Ⅱ和Ⅳ(倾斜和垂直电极)之间的比较