專利名稱：靜電分離的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對逆流帶式靜電分離工藝和裝置的改進。具體地說，本發(fā)明涉及用于靜電分離器的電壓梯度組合件。
本發(fā)明的背景技術(shù)由煤燃燒產(chǎn)生的飛塵往往包含未燃燒的碳殘留物，該殘留物來自在通過鍋爐燃燒區(qū)期間未燃燒的煤顆粒。最近，為了減少NOx的排放，對鍋爐運行進行改造，因此大大增加了未燃燒的碳殘留物。這種飛塵的潛在用途之一是作為混凝土中的凝硬添加劑。水泥中的飛塵與純石灰反應(yīng)，形成水泥產(chǎn)品，該產(chǎn)品在硬化的混凝土中產(chǎn)生附加強度。另一些對混凝土性能的改進包括降低水含量、減少硬化熱、降低成本、提高流動性、以及降低滲透性。但是，對于飛塵在這種混凝土應(yīng)用中重新利用而言，煤燃燒產(chǎn)生的飛塵中未燃燒的碳殘留物是不符合要求的。飛塵中未燃燒的碳大大限制了飛塵在混凝土中的有效益的應(yīng)用。
雖然煤是相當(dāng)好的絕緣體，但煤經(jīng)過高溫裂解產(chǎn)生的碳卻是良導(dǎo)體，其電阻率低至1ohm/cm。飛塵中的碳顆粒來源于經(jīng)過高溫裂解且部分燃燒的煤顆粒。在高溫裂解和部分燃燒期間，揮發(fā)成份已從煤當(dāng)中脫出，以致殘留的碳顆粒毛體積比重非常低并且非常疏松。飛塵中典型的碳含量在7至12％之間，許多情況高達15％。對飛塵作為硬化劑在混凝土中應(yīng)用，技術(shù)規(guī)范(ASTM C-618)要求燒失量(LOI)低于6％。這個技術(shù)規(guī)范是碳含量的度量，因為這部分碳在750℃點火燃燒期間將被燒掉許多工程設(shè)計對飛塵甚至有比ASTM規(guī)范更嚴格的規(guī)定，例如，在美國波士頓正在進行的大型土木工程設(shè)計中，Boston Harbor Central Artery Project要求LOI低于3％。
此外，未燃燒的碳具有燃料價值，可以在鍋爐(產(chǎn)生飛塵的第一現(xiàn)場)中用作生產(chǎn)性的燃燒。有效的利用這種碳作為燃料要求盡可能地將它們濃縮，以避免靜電過濾器過載和腐蝕對流管。
飛塵中的碳是在非導(dǎo)電物質(zhì)之中的導(dǎo)電顆粒物質(zhì)的一個實例。這種復(fù)合體的電導(dǎo)率取決于傳導(dǎo)相位的連通性。參照

圖1，根據(jù)滲透理論，復(fù)合體系的電阻率(電導(dǎo)率的倒數(shù))隨著導(dǎo)電顆粒彼此間配位排列而下降，并且，當(dāng)配位排列超過某個值時，復(fù)合體的電阻率隨著導(dǎo)電物質(zhì)中小體積的增加而直線下降。這種現(xiàn)象發(fā)生在導(dǎo)電物質(zhì)的體積占體積百分比37％的條件下。低于這個值，顆粒間沒有充足的銜接，不足以從一個顆粒表面到另一個顆粒表面形成連接橋。高于上述值，則存在充足的毗鄰顆粒，足以形成從一個顆粒表面到另一個顆粒表面的連接橋。這個適合電阻率的滲透門限值有許多文獻證明，并且由J.Girland在Transactions of the Metallurgicalsociety of AIME(Vo1.236，pp642-646，1966)中作了闡述。對于許多體系而言，導(dǎo)電物質(zhì)的滲透門限值為體積百分比的37％是有代表性的，這個值是在這些體系中根據(jù)純幾何研究推演出來的。
在來源于煤的飛塵中，碳的比重比礦質(zhì)粉塵的比重要小得多。該降低的毛體積密度變成較高的比容，因此，飛塵中占體積37％的碳相當(dāng)于在飛塵中有占10％重量百分比的碳。碳的這個滲透門限值(占體積10％)給從飛塵中分離碳帶來實實在在的困難。盡管以前對帶式靜電分離器的敘述已經(jīng)闡述了分離導(dǎo)電顆粒的潛力，但是沒有明確地確定具體的導(dǎo)電材料。美國專利U.S.4,839,032和U.S.4,874,507揭示了一種分離器，該分離器能夠應(yīng)用于摩擦帶電/靜電分離的多種顆粒混合物。原則上，這種類型的分離器基本上能夠分離所有的物質(zhì)，只要該物質(zhì)有摩擦電接觸帶電的性質(zhì)，包括導(dǎo)體。已經(jīng)在理論上論證過這種類型的帶式逆流靜電分離器分離各異的顆?；旌衔锏哪芰Α?br> 本發(fā)明概要盡管在原理上能夠分離導(dǎo)電顆粒，而且在實驗室已經(jīng)證明能分離導(dǎo)電顆粒，但是，對于包含導(dǎo)電顆粒的混合物，象美國專利U.S.4,839,032和U.S.4,874,507所揭示的那種帶式逆流分離器在工業(yè)上長期使用還是成問題的，這是由于在分離器內(nèi)不同的電位區(qū)域之間會有導(dǎo)電的沉積物積累。
圖2說明一種帶式逆流分離器100，正如在美國專利U.S.4,839,032和U.S.4,874,507中所敘述的那種，它利用強電場將摩擦帶電顆粒從正在移動的顆粒流中移動到毗鄰的以反方向正在移動的顆粒流中。在傳送帶的8A和8B段以及顆粒流在并行電極9和10之間移動時，這兩個并行電極9和10形成電場。為了包容顆粒和支撐電極，必須在兩個電極之間提供機械連接，該連接沿著電極的長邊并且與電極9和10以及傳送帶的段8A和8B垂直。在這個區(qū)域中，導(dǎo)電的碳顆?？赡苁占驮陔姌O之間造成導(dǎo)電性質(zhì)的橋接，并因此造成電極短路。這種電極9、10的短路引起電場強度下降，并造成份離器10和分離工藝的性能全面下降。
原則上，可以簡單地使用更大功率的高壓電源，以更高的電流容量補償由于這種局部短路效應(yīng)引起的電場強度下降。但是，對于某些應(yīng)用這是行不通的。例如，橫截面積為1平方毫米的碳層每厘米大約具有100歐姆的電阻，即100ohm/cm。在電極9和10之間有1厘米間隙并施加10千伏電壓時，1平方毫米的碳層將傳導(dǎo)100安培電流并且耗散1兆瓦功率。這是不能允許的。
一種緩和上述問題的途徑是將電極9和10截斷并用數(shù)段能用傳送帶清理的絕緣材料代替。這種方式將增加路徑長度(在該路徑長度上必須形成導(dǎo)電路徑)和降低導(dǎo)電路徑形成的或然率。但是，在電極用介電材料代替的區(qū)域中，沒有用于分離的電場，所以分離器的效率下降。此外，這種方式的問題是沿著分離器的邊緣沒有分離電場，從而導(dǎo)致傳送帶輸送未分離的物料。這種未分離的物料將污染兩種已分離的產(chǎn)物并降低分離器的效率。還有，即使路徑長度(在該路徑長度上必須形成導(dǎo)電路徑)比較長，導(dǎo)電顆粒的污染仍將導(dǎo)致導(dǎo)電層的累積并且最終將擊穿間隙，隨著時間推移將在介電表面形成放電路徑并留下放電痕跡。
參照圖2，按照分離器100的實施方案，當(dāng)分離器100工作時，移動的傳送帶段8A和8B以流態(tài)化的狀態(tài)輸送顆粒物料。顆粒物料象任何流體那樣移動并且填充任何空穴。沿著分離器的邊緣(例如，電極9和10的縱向側(cè)壁，進料口3，和出料口4和7)是不移動的表面。依據(jù)運行中的流體力學(xué)狀態(tài)，有某個厚度的滯留邊界層存在。當(dāng)導(dǎo)電顆粒在這個邊界層中積聚時，表面導(dǎo)通和火花放電是導(dǎo)電顆粒運行的不可避免的后果。
借助在運行中減少物料通過量，某些作用得到局部緩和。這等于承認物料實際上是三相系統(tǒng)，其中兩相是固態(tài)相(其中之一是導(dǎo)電的)，第三相是空氣，它是極好的絕緣體。因此，增加空氣的濃度，即降低在分離器中的固態(tài)物料的體積分數(shù)，將減少導(dǎo)體的體積。不幸的是，這樣做的結(jié)果并沒有消除導(dǎo)電顆粒的問題，反而降低了分離器的容量。而且，顆粒仍將堆積在任何不移動的表面，直至導(dǎo)電層形成為止。當(dāng)被濃縮的物質(zhì)之一本身是導(dǎo)體時，就象從飛塵中的碳一樣，這種運行情況最明顯。
美國專利U.S.4,839,032和U.S.4,874,507揭示了在傳送帶移動段8A和8B之間的介電壁壘6的用途。這個壁壘沿著分離器的邊緣分布，以便增加形成通電通路的路徑長度，以便短路電極9和10。但是，由于阻斷了電場和顆粒從一種顆粒流向反向顆粒流的移動，這個壁壘防礙了分離。此外，這種壁壘片的長期穩(wěn)定性很難得到保證。
此外，實際用作壁壘6的材料應(yīng)當(dāng)是柔韌的，以便在不破碎的條件下承受傳送帶8A和8B的抖動和移動。這個柔韌性要求排斥使用剛性的陶瓷材料，要求使用模量較低的介電材料，如聚合物材料。但是，采用聚合物材料的問題是這些材料本質(zhì)上是柔韌的，而且柔韌到導(dǎo)電顆粒可能鑲嵌上去的程度，從而可能變成導(dǎo)電的(材料)。此外，當(dāng)火花放電發(fā)生時，聚合物材料只能經(jīng)受較低的溫度，因此不能象陶瓷材料那樣承受住火花放電的腐蝕。正如U.S.4,839,032和U.S.4,874,507中所述，當(dāng)壁壘橫穿分離器安放時，在對置的電極9和10之間有電荷移動，并且直至在介電材料兩端的電場建立起來為止。因此，當(dāng)介電材料擊穿時，在介電材料對置的兩側(cè)上的電荷以及電荷中儲存的能量在放電時被耗散，導(dǎo)致聚合物材料燒蝕和形成放電路徑。
圖2所示分離器100還有一個問題，這就是增加的路徑并沒有阻止由于直流電場引起的放電擊穿，即使電場的平均電壓遠遠低于擊穿電壓，也是如此。在發(fā)生電火花時，放電通道是高度電離的并且極易導(dǎo)電。作為沿著導(dǎo)電性極好的材料，電火花變成等電位面。如果火花放電在一個電極上開始，并向外傳播，那么在火花放電期間，放電通道處在與該電極相等的電位上。于是，在電火花尖端處的電場就是電極和直接位于電火花前端之外的局部區(qū)域之間形成的電位梯度。在電火花尖端的強電場和電場梯度可能對準某些顆粒并導(dǎo)致進一步放電并形成放電路徑。在發(fā)生火花放電時，通常在局部區(qū)域產(chǎn)生高能等離子體，該等離子體能夠燒蝕聚合物材料并且使聚合物分解，導(dǎo)致碳的形成，并且形成放電路徑。這種碳導(dǎo)電性十分好并且可能導(dǎo)致進一步擊穿。
因此，帶式分離器對導(dǎo)電顆粒作業(yè)是成問題的，并且用于允許分離導(dǎo)電物料的方法也受到限制，在工業(yè)生產(chǎn)方法的長期運行方面也還不完全令人滿意。
所以，本發(fā)明的第一個目的是提供一種帶式逆流分離器，該分離器適合對導(dǎo)電顆粒進行高效率的分離。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種惰性系統(tǒng)，該系統(tǒng)將是長壽命的而且?guī)缀醪恍枰S護。
本發(fā)明的第三個目的是提供一種方法和裝置，它們允許分離高濃度的導(dǎo)電物料。
本發(fā)明的第四個目的是提供一種方法和裝置，它們允許分離滲透門限值以上的導(dǎo)電物料。
此外，本發(fā)明的第五個目的是提供一種方法和裝置，它們允許以高容量分離導(dǎo)電物料，且不因顆粒的電導(dǎo)率而降低容量。
按照本發(fā)明，適合在分離艙中對包括導(dǎo)電顆粒的顆?；旌衔镏械牟煌煞葸M行靜電分離的方法包括提供一個分離艙，該分離艙有由電極組成的相對的表面，該電極與電壓梯度組合件貼合，該電壓梯度組合件包括交替(排列)的導(dǎo)電單元和介電單元，利用導(dǎo)電單元與降壓電路中相應(yīng)的節(jié)點連接限制任何兩個毗鄰導(dǎo)電單元之間最大的電位差。此外，該方法還包括將物料導(dǎo)入分離艙、在相對的表面之間施加電場、按照電荷極性分離電場中的不同成份、用彼此接近且與電場橫交的兩條不同類的凈電荷顆粒流機械地移動同類凈電荷的成份。此外，該方法還包括將分離后的顆?；旌衔锍煞葸\出分離艙。
采用這種安排，固導(dǎo)電顆粒在分離器的滯留區(qū)中積聚引起的表面?zhèn)鲗?dǎo)作用和形成放電路徑的作用得到緩解，因此帶式逆流分離器能夠以較高的物料通過能力高效率地運行，并且能夠從混合物中分離出高濃度的導(dǎo)電物料。
按照本發(fā)明，用于靜電分離包含導(dǎo)電顆粒的顆粒混合物成份的裝置包括一個分離艙，該分離艙至少有一對電極；至少有一條傳送帶，它安放在一對支撐之間，以便在那對電極之間至少以兩條顆粒流同時擾動和傳輸顆?；旌衔锍煞?；以及至少沿著分離器的縱向邊緣安放的電壓梯度組合件，該電壓梯度組合件包括交替排列的導(dǎo)電單元和不導(dǎo)電單元。電壓梯度組合件的導(dǎo)電單元與降壓電路中相應(yīng)的節(jié)點連接，該電路限制任何兩個毗鄰導(dǎo)電單元之間最大的電位差。
采用這種安排，因?qū)щ婎w粒在分離器的滯留區(qū)中積聚引起的表面?zhèn)鲗?dǎo)作用和形成放電路徑作用得到緩解，因此帶式逆流分離器能夠以較高的物料通過能力高效率地運行，并且能夠用于從混合物中分離出高濃度的導(dǎo)電物料。
在本發(fā)明的實施方案中，電壓梯度組合件用擠壓的塑料復(fù)合材料制作，它包含塑料的導(dǎo)電區(qū)和不導(dǎo)電區(qū)并且還包含不導(dǎo)電的介電單元。這個擠壓的復(fù)合物至少與一塊印刷電路板連接，在印刷電路板上有分壓電路。
采用這種安排，帶式逆流分離器幾乎不需要維護，并且能夠承受傳送帶的磨蝕，這種磨蝕是由恒定不變的相互作用引起的。
附圖簡要說明本發(fā)明的上述目標和其他目標以其優(yōu)點參照下面的詳細說明和附圖將變得明朗起來。附圖包括下述內(nèi)容圖1是電阻率與顆粒物料組成的體積百分比之間的關(guān)系，該關(guān)系在相關(guān)技術(shù)中是已知的；圖2是根據(jù)相關(guān)技術(shù)的顆粒分離裝置的示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的電壓梯度組合件的橫截面示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的降壓電路實施方案的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個降壓電路實施方案的示意圖；圖6是在圖5所示分壓實施方案中使用非線性變阻器時，該電阻的電流-電壓曲線；圖7A和7B說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的共擠的電壓梯度組合件。圖7A是頂視圖，圖7B是端部視圖；以及圖8是印刷電路板的剖視圖，該電路板包括圖4和5之一的降壓電路并且有與圖7A和7B中的共擠電壓梯度組合件的背面連接的連接體。
本發(fā)明的詳細描述高壓直流設(shè)備在大氣中運行時，有兩個形成火花放電的判據(jù)。就這個意義而言，火花放電定義為電子雪崩，其中電場給電子提供充足的能量以促進分子碰撞電離，并且導(dǎo)致電流呈指數(shù)增長、釋放熱量、加熱以至最終導(dǎo)致熱點離、并且有典型的可見可聞的火花放電通道。
第一判據(jù)是電場(或電壓梯度)必須足以為自由電子提供能量，且提供能量的速度要高于電子向氣體散失能量的速度，以致電子能夠積累能量，直至它們能引起進一步的電離。第二判據(jù)是高電位與低電位的電位差必須超出某個臨界值。這個臨界值是氣體組成的函數(shù)，并且在某種程度上是電極的函數(shù)；具體地說，是指電極的二次電子發(fā)射性質(zhì)、功函數(shù)、以及場發(fā)射性質(zhì)。液體和固體的擊穿性質(zhì)通常比適合氣體擊穿的電場高得多。這主要是因為在液體和固體中電子的平均自由程要短得多。所以在固體和液體中電場必須以更高的速度給固態(tài)和液態(tài)中的電子提供能量，這樣才能達到進一步電離所需要的能量。
參照圖2中的分離器100，當(dāng)電極9和10之間的間隙5比較大時，擊穿的限制性判據(jù)是電場強度必須高于某個極限值。這導(dǎo)致空氣擊穿的電場強度值為30kv/cm。當(dāng)電極9和10之間的間隙5非常小時，擊穿的限制性判據(jù)是電位差必須高于空氣的火花放電電位。這個火花放電電位的最小值是由Paschen發(fā)現(xiàn)的，并且服從Paschen定律。對于空氣，這個火花放電電位的最小值是327伏，并且發(fā)生在間隙大約是7.5μm以及氣壓為1個大氣壓的條件下。這代表電場強度值為440kv/cm。
借助下述方法可以降低帶式分離器中電極(如圖1中的電極9和10)的火花放電和短路的趨勢，這就是控制沿著分離器內(nèi)側(cè)固體表面存在的最大的電位差和最大的電場強度，尤其是在導(dǎo)電顆粒可能堆積并形成導(dǎo)電路徑的地方。按照本發(fā)明，在電極9和10之間提供交替地安放在不導(dǎo)電單元之間的導(dǎo)電單元和參考電位，并且實現(xiàn)導(dǎo)電單元與分壓電路之間的電連接，從而控制毗鄰導(dǎo)電單元之間的最大的電位差，借此控制不同區(qū)域間的電位差以及電場強度。
參照圖3，這是一張電壓梯度組合件圖，該組合件根據(jù)本發(fā)明的實施方案用于在分離器100的電極9和10之間提供受控的最大電位差。應(yīng)當(dāng)理解，圖示的設(shè)備只不過是示范性說明。在導(dǎo)體和介電單元的數(shù)量、排列方式、支撐方式等方面以及可能采取的數(shù)量上的改進，都屬于本發(fā)明的范圍。
電壓梯度組合件300有一個正面302，該面是由介電單元20-28和導(dǎo)體單元11-18形成的。這個正面302位于面對移動的傳送帶8A和8B的位置并且被安放在高電位表面91和低電位表面90之間，后者在一個實施方案中接地。
導(dǎo)電單元90、11-18、以及91分別通過連接線30-39與分壓電路連接。介電單元20-28由多個絕緣機械支撐物40和聚合物灌封膠支撐，灌封膠將組合件用機械方法粘接在一起，并且實現(xiàn)電壓梯度組合件300后表面304的絕緣密封，使之不與其它的支撐物(未示出)接觸。導(dǎo)體單元11-18通過連接線30-39與分壓電路(如圖4和5所示電路)連接。具體地說，連接線30與圖4或圖5中的節(jié)點130連接，連接線31與圖4或圖5中的節(jié)點131連接，連接線32與圖4或圖5中的節(jié)點132連接，連接線33與圖4或圖5中的節(jié)點133連接，依此類推。
現(xiàn)在參照圖4，這是一張分壓電路實施方案的示意圖，該電路400包括多個電阻50-58。這些電阻50-58在高電位表面91和參考電位表面90之間串聯(lián)起來，高電位表面連接在節(jié)點139上，參考電位表面連接在節(jié)點130上。電阻單元50-58的電壓從表面91到表面90按順序下降。在分壓電路400的較好的實施方案中，電阻50-58的數(shù)值是相等的，以致表面91上的高電位被均等地分配到每個電阻(50-58)上。在節(jié)點131-138上的按順序的電壓降被分別連接到電壓梯度組合件300的導(dǎo)電單元31-38上，使電壓從表面91至表面90逐級變化，從而降低了在任何導(dǎo)電單元之間火花放電的趨勢。
這種類型的受控電壓降已經(jīng)在其他的高壓應(yīng)用中使用，例如在Van de Graaf發(fā)電機中，用于限制最大的電場和減少不同高壓元件之間的火花放電。這種電壓梯度設(shè)備通常使用電阻提供受控的電壓降和將高壓分成許多較小的電壓降。此外，在交流高壓輸電系統(tǒng)中，往往使用陶瓷絕緣子。這些絕緣子通常具有波紋狀的表面，并且通常借助電容分壓原理從高壓到接地電壓逐級分配電壓。但是，電容分壓原理對直流電壓無效。因此，直流分壓較好的設(shè)備在正常的運行條件下是高阻抗分壓器，在高于正常運行條件下是低阻抗分壓器。這種非線性的電壓-電流特性曲線能夠利用非線性元件得以實現(xiàn)，例如使用變阻器或穩(wěn)壓二極管。
圖5是電壓降電路500的示意圖，該電路根據(jù)本發(fā)明的另一個實施方案使用多個變阻器。變阻器71-79和171-179都具有非線性的電壓-電流曲線，其中在高于“導(dǎo)通”特征電壓條件下電流呈指數(shù)形式增長。在圖5中，變阻器元件71-79的第一主鏈分別交替地安排了一系列的電阻元件61-69。此外，變阻器元件171-179的第二主鏈分別交替地安排了一系列的電阻元件161-169。這些電阻61-69和161-169保證變阻器分配電路中在節(jié)點130和139之間流動的任何電流。
由于變阻器元件具有指數(shù)型的電壓-電流關(guān)系，所以，在變阻器中的電流對變阻器兩端的電壓是敏感的。此外，實際上每個變阻器元件略有不同。因此，當(dāng)變阻器的溫度上升時，在給定的電壓下電流也上升。所以，分壓電路500這個實施方案的可能的故障模式是某個變阻器將承載比其它變阻器多的電流，直至該變阻器溫度上升以至承載更多電流，最終變阻器出現(xiàn)熱失控以及設(shè)備出現(xiàn)故障。因此，為了防止變阻器71-79和171-179中任何一個出現(xiàn)熱失控，電阻61-69和161-169被用于將變阻器-電阻組合件的工作點調(diào)整到相似的工作區(qū)。
在根據(jù)本發(fā)明的分壓電路的一個實施方案中，將變阻器SK20680用作元件71-79和171-179，該元件由Siemens公司制造。這些變阻器的功耗是1瓦特，相應(yīng)的電壓是1000伏，電流是1毫安。因此，如果電阻61-69選用100,000歐姆的電阻，在1毫安電流時每個電阻上有100伏的電壓降。每個電阻的附加阻抗使電路500的工作點穩(wěn)定，以致多條變阻器元件的主鏈可以并聯(lián)，以增加電路500的總的電流負載容量，并保持穩(wěn)定的工作。
采用圖5的降壓電路，電壓在變阻器的工作點上受變阻器71-79和171-179的鉗制。變阻器型的電壓鉗位電路優(yōu)于穩(wěn)壓二極管系統(tǒng)，因為這種變阻器是雙向的，而穩(wěn)壓二極管恰恰相反，它是單向的。因此，變阻器71-79和171-179將在任意一個極化方向限制任何兩個導(dǎo)體11-18(圖3)之間的電位差。此外，變阻器通常比較便宜，而且在高功率操作時不易出問題，并且具有便于在分壓電路中使用的額定電壓。
使用非線性無源元件提供了一些額外的好處。例如，當(dāng)變阻器兩端的電壓降低于鉗位電壓時。電流非常小。圖6說明S20K680金屬氧化物變阻器在有效電壓為交流額定電壓680伏條件下的V-I特性曲線。圖5的分壓電路的一個好處是降壓元件的數(shù)量可以相當(dāng)大，沒有在降壓主鏈內(nèi)部形成高電位的危險。因此，整條鏈兩端的電壓被限制在電源電壓，而且任何一對導(dǎo)電單元11-18(圖3)兩端的電壓被限制在變阻器的鉗位電壓。在任何一對毗鄰的導(dǎo)體11-18之間的實際電壓是一個動態(tài)值。該值取決于在串聯(lián)路徑中任何其它單元的的導(dǎo)電性。因此，如果橫跨一對毗鄰的導(dǎo)體，有局部的導(dǎo)電層，允許幾個微安的電流通過，在那對導(dǎo)體之間的電壓將下降，直至通過導(dǎo)電層的電流等于被串聯(lián)的其它變阻器限制的電流為止。
按照本發(fā)明，用電壓梯度組合件限制毗鄰的導(dǎo)電單元之間的最大電位差提供了一些好處。例如，限制在分離器導(dǎo)電路徑端部(如分離器縱向的兩端)的電場梯度，將減少顆粒上的介電電泳力，該力是電場梯度施加給顆粒的。這種力傾向于使顆粒結(jié)團和形成珠鏈。當(dāng)顆粒是導(dǎo)電的并且吸引力將顆粒積聚在一起形成導(dǎo)電鏈時，就會形成珠鏈。為了變成導(dǎo)電的，鏈中的每個間隙都必須有電位降，該電位降至少是空氣的火花放電電位，即對于7.5μm間隙，至少是327伏。因此，強電場能夠使顆粒移動并且能夠引起這種間隙橋接。類似地，強電場還能夠增加毗鄰顆粒之間的接觸面積和減少接觸電阻。
例如，在本發(fā)明的一個實施方案中，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，就從飛塵中分離碳而言，將電壓梯度組合件的導(dǎo)電單元之間的最大電壓限制在大約700伏，足以遏制電極間電場的短路效應(yīng)。當(dāng)間隙為7.5μm時，觸發(fā)火花放電所需的最小電壓是327伏。因此，將最大電壓限制在700伏，兩個這樣的間隙就能消除在兩個導(dǎo)體之間導(dǎo)通的可能性。
因此，圖4和圖5所示的降壓電路與電壓梯度組合件300結(jié)合被用于限制電位差，并且因此限制空氣間隙中電場和電場梯度，該間隙是在靜電分離器100(圖2)的正面9和10之間。在分離器100的縱向邊緣區(qū)，電場與邊緣表面相切。為了進一步限制空氣間隙中的電場和降低珠鏈效應(yīng)，使用高介電常數(shù)的材料是符合要求的，這使得在空氣間隙內(nèi)的電場進一步的減少。因此，應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)具有某個介電常數(shù)的絕緣體包圍著導(dǎo)體時，處于某個電位的導(dǎo)體的排列會導(dǎo)致一種導(dǎo)體和絕緣體的分布，該分布可能對周圍的電場有本質(zhì)的影響。
還應(yīng)當(dāng)理解，導(dǎo)體和絕緣體的配置是重要的。分離器的平行板幾何形狀要求高電壓電極和固定的機械支撐結(jié)構(gòu)之間的所有的銜接位置都受保護以防止火花放電和擊穿。例如在電極9和10的縱向邊緣處，在電極9和10各個末端處，包括出料口4、7，進料口3(進料在此處通過電極上的狹縫導(dǎo)入)的末端處，以及在電極9、12中的任何分隔的加載和卸載口處，這個要求都是必要的(參照圖2)。
還應(yīng)當(dāng)理解，在電極表面不同的邊緣處擊穿的趨勢是不同的，并且這個趨勢取決于正在分離的物料以及在分離器中正在發(fā)展著的濃縮程度。對于分離飛塵，在低碳端的碳通常不足3％，因此火花放電和短路的趨勢比較小。在高碳端，碳含量超過50％，所以短路的趨勢非常高。沿著分離器100的邊緣，從低值到高值存在著連續(xù)變化。因此，應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)給定的應(yīng)用所需要的運行條件，在分離器中不同的邊緣可能有不同的配置，以便在不需要非常高水平防護的區(qū)域簡化分離器的結(jié)構(gòu)。
在分離許多包含導(dǎo)電顆粒的混合物時本發(fā)明是有用的。例如，這種混合物包括包含導(dǎo)電顆粒碳的飛塵；來自金屬拋光作業(yè)的磨削屑，它包含金屬顆粒；金屬粉，它包含來自高溫冶金作業(yè)的爐渣和鐵屑；石墨礦砂；金屬硫化物礦砂；硅粉，其中包含渣屑；煤粉，它包含木碳和金屬硫化物的顆粒；無煙煤，它可能本身就是導(dǎo)電的碳，它包含礦砂、尾料以及碳化硅。
還應(yīng)當(dāng)理解，選擇結(jié)構(gòu)材料是重要的。絕緣材料應(yīng)當(dāng)具有高介電常數(shù)、良好的耐劃傷性、耐磨蝕性，并且在分離器中要有良好的尺寸穩(wěn)定性。一種正常工作的材料實例是高純度高密度的燒結(jié)多晶氧化鋁。這種材料非常硬，非常耐磨蝕，直至高溫都有良好的絕緣性，并且容易獲得。但是，其他的陶瓷材料也能使用，例如，富鋁紅柱石、尖晶石、石英、青玉、瓷器、玻璃。其他的高介電常數(shù)的材料也能使用，如鈦酸鋇。在某些應(yīng)用中可以使用聚合物材料，這種場合火花放電已經(jīng)得到遏制并且沒有電火花腐蝕。此外，當(dāng)磨蝕不是如此嚴重時，耐磨的聚合物材料也能使用，例如超高分子量的聚乙烯、聚氨酯、或PTFE(聚四氟乙烯)。
進一步應(yīng)當(dāng)理解，導(dǎo)體的選擇范圍要寬廣得多。載流量要求非常低，以致不需要材料是良導(dǎo)體。此外，當(dāng)導(dǎo)電材料被絕緣材料(例如堅硬的氧化鋁)包圍時，它在腐蝕方面問題較少。導(dǎo)體可以選擇金屬和導(dǎo)電的塑料。兩種類型的系統(tǒng)都已經(jīng)在使用，并且運行都很好。
參照圖7A和圖7B，按照本發(fā)明，電壓梯度組合件276的實施方案包括導(dǎo)電的塑料材料272和絕緣的塑料材料274，這兩者通過共擠壓得到復(fù)合片276。復(fù)合片276能夠以低成本擠壓成形，并且(舉例說)絕緣的氧化鋁片278可以被粘合在毗鄰的導(dǎo)電塑料片272之間的空間中，借此提供一個堅固耐用的前表面290，以阻止電火花刻蝕(electric tracking)。
現(xiàn)在參照圖8，這張圖說明內(nèi)藏分壓電路的印刷電路板80，該分壓電路有多個連接體82。分壓電路板可以用連接體82裝配到擠壓片76的背面92，然后灌注適當(dāng)?shù)慕^緣密封膠將完整的組合件包裹起來，以保護元件避免接觸分離器內(nèi)部的骯臟環(huán)境。
電壓梯度組合件已通過試驗證明，在全尺寸帶式分離器從飛塵中分離碳的運行中已證明在防止火花放電、形成放電路徑、電壓擊穿方面是非常有效的。將這些元件與分離器合并已通過實驗驗證，證明在生產(chǎn)高碳顆粒流(碳含量高于重量比50％)時可以長期運行。這代表體積分數(shù)非常高的導(dǎo)電物料，如果沒有這些電壓梯度組合件片76，分離器在這個濃度下將非常迅速地短路。
至此，已經(jīng)敘述了幾種本發(fā)明的具體的實施方案，對于熟悉這項技術(shù)的人，各種替代方案、修改方案和改進方案將很容易產(chǎn)生。但是，這些替代方案、修改方案和改進方案都可能成為本發(fā)明的一部分，并且可能包含在本發(fā)明的精髓和范圍之中。因此，前面的敘述僅僅是作為實例，并且本發(fā)明只受權(quán)利要求書及其等價條款的制約。
權(quán)利要求
1.一種在分離艙中分離包括導(dǎo)電顆粒的顆粒混合物中不同成份的方法，該方法的特征在于包括下述步驟將混合物納入分離艙，該分離艙有由電極組成的相對的表面，其中，至少有一個電極貼合著至少一個電壓梯度組合件，該電壓梯度組合件包括交替排列的導(dǎo)電單元和介電單元，其中，各個導(dǎo)電單元分別與降壓電路中相應(yīng)的節(jié)點連接，以便限制在任何兩個導(dǎo)電單元之間的最大的電位差；在所述分離艙的相對的表面之間施加電場；在所述電場方向上按照電荷極性分離所述的不同成份；在至少兩條顆粒流中用機械方法運送同極性凈電荷的成份，兩條不同極性的凈電荷顆粒流彼此靠近且橫穿所述電場，而且至少有兩條顆粒流正在進行平行于電場的交換，以便在所述顆粒流橫越所述電場行進時，借助所述電場的連續(xù)作用，將至少一種所述成份的一部分轉(zhuǎn)移到另一條相應(yīng)的所述顆粒流中；以及將分離后的成份從分離艙中運出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，降壓電路包括多個變阻器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，降壓電路包括多個電阻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，降壓電路包括多個電壓-電流非線性元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，待分離的混合物成份是從含碳的飛塵和煤粉的一覽表中選出的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，介電單元包括氧化鋁。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，每個電壓梯度組合件都包括擠壓的塑料復(fù)合片，在該復(fù)合片中包含塑料的導(dǎo)電區(qū)和不導(dǎo)電區(qū)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，每個電壓梯度組合件進一步包括多個絕緣片，該絕緣片包括氧化鋁并且被安排在導(dǎo)電區(qū)之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，每個電壓梯度組合件進一步包括至少一個內(nèi)藏降壓電路的電路板。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在任何兩個導(dǎo)電單元之間的最大的電位差被限制在大約1000伏以下。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中分離艙進一步包括篩網(wǎng)傳送帶，該傳送帶由位于分離艙的末端的輥子支撐，并且分離艙的縱向側(cè)壁和篩網(wǎng)傳送帶被多個電壓梯度組合件貼合。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，分離艙的末端也被多個電壓梯度組合件貼合。
13.一種分離艙，它用于對含有導(dǎo)電顆粒的顆?；旌衔镞M行摩擦帶電靜電分離，該分離艙包括多個電極；至少一條傳送帶，被支撐在至少兩個支撐物之間，以便在多個電極之間邊抖動邊以至少兩條不同類的凈電荷顆粒流傳送顆?；旌衔?；以及電壓梯度組合件，該組合件包括交替排列的導(dǎo)電單元和介電單元，借此實現(xiàn)各個導(dǎo)電單元與分壓電路諸節(jié)點的電連接，其中，分壓電路用于限制任何兩個導(dǎo)電單元之間電位差；
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，分壓組合件包括塑料擠壓復(fù)合物和不導(dǎo)電的介電單元，該擠壓復(fù)合物由塑料的導(dǎo)電區(qū)和不導(dǎo)電區(qū)組成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中，分壓組合件進一步包括至少一個內(nèi)藏分壓電路的電路板。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中，不導(dǎo)電的介電單元是從氧化鋁、蘭寶石、cordeurite、富鋁紅柱石、瓷料、玻璃、超高分子量聚乙烯、PTFE(聚四氟乙烯)、聚酯中選擇的。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，降壓電路包括多個變阻器。
18根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，降壓電路包括多個電阻。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，降壓電路包括多個電壓-電流非線性元件。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，待分離的混合物成份是從含碳的飛塵和煤粉的一覽表中選出的。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，在任何兩個導(dǎo)電單元之間的最大的電位差被限制在低于大約1000伏。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中，分離艙進一步包括一個篩網(wǎng)傳送帶，該傳送帶由位于分離艙的末端的輥子支撐，并且分離艙的縱向側(cè)壁和篩網(wǎng)傳送帶被許多電壓梯度組合件貼合。
23.根據(jù)權(quán)利要求13所述裝置，其中，分離艙的末端也被許多電壓梯度組合件貼合。
全文摘要
一種用于分離包括導(dǎo)電顆粒的顆?；旌衔锏膸侥媪鞣蛛x器,該分離器包括一個電壓梯度組件,該組件有多個交叉排列的導(dǎo)電單元和介電單元。多個導(dǎo)電單元分別與分壓電路中各自的節(jié)點耦合,該分壓電路用于在靜電分離器高電位電極和參考電位之間分壓。多個導(dǎo)電單元和介電單元與分壓電路結(jié)合將任何毗鄰單元之間的電位差限制在某個最大電位差之內(nèi),以便防止由于分離器中存在有導(dǎo)電顆粒時造成火花放電。在一個分離器的實施方案中,電壓梯度組件是一種塑料擠壓材料和一些氧化鋁片,其中塑料擠壓材料具有導(dǎo)電的和不導(dǎo)電的兩種單元,而那些氧化鋁片安排在導(dǎo)電單元之間以便提供永久的電壓梯度表面。
文檔編號B03C7/00GK1183060SQ96193555
公開日1998年5月27日 申請日期1996年4月25日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月28日
發(fā)明者大衛(wèi)·R·懷特洛克 申請人:分離技術(shù)公司