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(shè)備改進(jìn)

陳艷飛，張保玉，烏仁娜，鄭陽(yáng)升，王 群，田 野，崔意娟

(中國(guó)兵器科學(xué)研究院寧波分院，浙江 寧波 315103)

1 概述

電氣和電子設(shè)備的生產(chǎn)是增長(zhǎng)最快的制造活動(dòng)之一。這導(dǎo)致需要回收的廢棄電氣和電子設(shè)備(WEEE)數(shù)量增加[1，2]。環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展使得生態(tài)標(biāo)志成為優(yōu)先事項(xiàng)，促進(jìn)了廢棄產(chǎn)品的拆解和再利用[3～8]。由于技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)質(zhì)再生材料的使用已經(jīng)成為日常生活的一部分[9～13]。

作為專利[14]的對(duì)象的新型摩擦 - 靜電 - 靜電分離器(見圖1)于2014年1月由法國(guó)濱海博尼納的APR2公司投入運(yùn)行。分離器由兩個(gè)分離器組成。氣室：一個(gè)用于空氣注入(150 mm×350 mm×500 mm)，另一個(gè)用于流化顆粒材料并將它們分開。后室的兩個(gè)壁由樹脂玻璃制成。另外兩個(gè)壁是兩個(gè)輸送機(jī)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(diǎn)是兩種操作的同時(shí)性：①流化床中顆粒的摩擦帶電；②連接到兩個(gè)高壓發(fā)生器的兩個(gè)金屬輸送帶產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)中顆粒的靜電分離，正極性和負(fù)極性。一旦顆粒充分充電，它就會(huì)被相反極性的電極吸引。該裝置經(jīng)過多次改進(jìn)，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(duì)于較大的顆粒(2～5 mm)，其性能并不令人滿意[16]。兩個(gè)原因似乎是這些結(jié)果的起源，即顆粒的電荷不足和電場(chǎng)強(qiáng)度不足。

本研究的目的是對(duì)過程進(jìn)行建模并分析影響其性能的所有參數(shù)，以便找到改善摩擦-靜電-靜電分離的解決方案。這些指南應(yīng)允許處理各種WEEE。對(duì)3種不同配置的電極進(jìn)行了測(cè)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(nèi)。

圖1 用于絕緣材料顆粒混合物摩擦-空氣靜電分離器的“標(biāo)準(zhǔn)”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(dǎo)優(yōu)化的摩擦-靜電-靜電分離器[17]的設(shè)計(jì)。

2.1 力的分析

絕緣顆粒的物理模型得以建立，假設(shè)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(rèn)為集中在球體的中心。傳送帶電極以恒定速度v移動(dòng)，帶電粒子被吸引到電極并與電極接觸(見圖2)。假設(shè)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(jī)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(chǎng)(庫(kù)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(shù)。

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(duì)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(shù)μmax，不等式(6)的左側(cè)可以被認(rèn)為是常數(shù)。這意味著保持這種不等式需要兩個(gè)條件，即增加電荷Q和電場(chǎng)E。實(shí)際上，絕緣顆粒的電荷與它們?cè)诹骰仓械耐Ａ魰r(shí)間有關(guān)[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(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間并獲得足夠的電荷以使電場(chǎng)的力移動(dòng)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(jī)上并在產(chǎn)品收集器中抽空。為了增加電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)的計(jì)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(gè)場(chǎng)線可以用長(zhǎng)度為d0的段和兩個(gè)長(zhǎng)度為d1的弧來近似，如圖3所示。對(duì)于電極上的任何點(diǎn)M(x，y)(見圖3)，電場(chǎng)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(gè)電場(chǎng)方程中可以考慮兩個(gè)特定點(diǎn)如下：

對(duì)于α=0或r=0，Emax=2U/d0

(11)

對(duì)于r=L，E(x，y)=2U/(d0+2L·sin(α))

(12)

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

圖3 兩個(gè)傾斜電極之間的電場(chǎng)

圖4 對(duì)于5個(gè)角度α值，電場(chǎng)E的分布作為傾斜電極上的距離L的函數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)程序

3.1 材料和方法

對(duì)來自WEEE再循環(huán)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(jìn)行了若干實(shí)驗(yàn)。顆粒的典型尺寸范圍為2～5 mm。該材料由法國(guó)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(shè)備的效率測(cè)試如下：I“標(biāo)準(zhǔn)”配置(見圖1)；Ⅱ?qū)⒘骰驳牡撞克浇档?0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(qiáng)電場(chǎng)(見圖7)；Ⅳ垂直放置兩個(gè)電極并降低流化床的底部水平，以同時(shí)增加電場(chǎng)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(qiáng)制施加電場(chǎng)

3.2 實(shí)驗(yàn)程序

對(duì)于配置Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ(傾斜電極)，在初步試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在粒狀混合物的摩擦帶電4 min后開始分離。所有實(shí)驗(yàn)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(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的全速(3600 r/min)對(duì)粒狀混合物充電t=4 min，并且不向電極施加高壓。

(2)在兩個(gè)電極上施加高壓U=±30 kV，并啟動(dòng)金屬傳送帶(速度：16 cm/s)，以便同時(shí)恢復(fù)產(chǎn)品。

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

對(duì)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(duì)顆粒進(jìn)行再充電。

4 結(jié)果和討論

第一組結(jié)果涉及傾斜電極的3種配置。采用溫度T=18±1 ℃，相對(duì)濕度RH=46±2%的2000 g顆粒混合物樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.1 傾斜電極配置

除了設(shè)備的原始結(jié)構(gòu)(Ⅰ)之外，還測(cè)試了另外兩種配置。所有結(jié)果分組在表2和圖9中。從構(gòu)型Ⅰ到構(gòu)型Ⅱ的通道使得顆粒在流化床中的停留時(shí)間增加，因此有利于它們的摩擦充電。這種隔膜結(jié)構(gòu)的改進(jìn)伴隨著在給定時(shí)間內(nèi)回收的ABS量(多20%)和HIPS(超過12%)的顯著增加。該解決方案對(duì)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(chǎng)E，導(dǎo)致HIPS的質(zhì)量增益更大(超過33%)，但對(duì)ABS的影響較小(僅23%，與前一案例相似的值)。

另一方面可以對(duì)從配置Ⅱ到Ⅲ的通道進(jìn)行分析(增加E)；其效果是HIPS增加21.54%，ABS僅增加2.89%。電場(chǎng)對(duì)HIPS的回收量具有優(yōu)勢(shì)。

表2 配置Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ的質(zhì)量回收(傾斜的電極) %

4.2 垂直電極配置

垂直電極的結(jié)果如表3和圖10所示。回收的HIPS量幾乎是ABS的兩倍；這證實(shí)了對(duì)電場(chǎng)對(duì)HIPS回收的主要影響的觀察。

圖9 對(duì)于配置Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ(傾斜電極)的ABS和HIPS的質(zhì)量回收表3 配置Ⅳ的質(zhì)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(jié)果示于表4和圖11中。比較清楚地顯示了電場(chǎng)強(qiáng)度和均勻性的增加對(duì)靜電性能的積極影響。電極配置的改變對(duì)HIPS顆粒具有更顯著的影響；它導(dǎo)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(zhì)量回收 (%/min)

5 結(jié)論

在試驗(yàn)工廠分離器上進(jìn)行的測(cè)試證實(shí)了物理模擬的結(jié)論，關(guān)于在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的兩個(gè)因素，即電荷和電場(chǎng)。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(yīng)該以足夠高的水平充電，以使電力移動(dòng)它們并將它們釘在電極上。第一次修改對(duì)ABS非常有益。通過引入附加電極引起的電場(chǎng)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(duì)裝置設(shè)計(jì)的雙重作用，對(duì)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