CN1120055C - 静电分离的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于分离包括导电颗粒的颗粒混合物的带式逆流分离器，该分离器包括一个电压梯度组件，该组件有多个交叉排列的导电单元和介电单元。多个导电单元分别与分压电路中各自的的节点耦合，该分压电路用于在静电分离器高电位电极和参考电位之间分压。多个导电单元和介电单元与分压电路结合将任何毗邻单元之间的电位差限制在某个最大电位差之内，以便防止由于分离器中存在有导电颗粒时造成火花放电。在一个分离器的实施方案中，电压梯度组件是一种塑料挤压材料和一些氧化铝片，其中塑料挤压材料具有导电的和不导电的两种单元，而那些氧化铝片安排在导电单元之间以便提供永久的电压梯度表面。

Description

静电分离的方法和装置

本发明所属技术领域

本发明涉及对逆流带式静电分离工艺和装置的改进。具体地说，本发明涉及用于静电分离器的电压梯度组合件。

本发明的背景技术

由煤燃烧产生的飞尘往往包含未燃烧的碳残留物，该残留物来自在通过锅炉燃烧区期间未燃烧的煤颗粒。最近，为了减少NOx的排放，对锅炉运行进行改造，因此大大增加了未燃烧的碳残留物。这种飞尘的潜在用途之一是作为混凝土中的凝硬添加剂。水泥中的飞尘与纯石灰反应，形成水泥产品，该产品在硬化的混凝土中产生附加强度。另一些对混凝土性能的改进包括降低水含量、减少硬化热、降低成本、提高流动性、以及降低渗透性。但是，对于飞尘在这种混凝土应用中重新利用而言，煤燃烧产生的飞尘中未燃烧的碳残留物是不符合要求的。飞尘中未燃烧的碳大大限制了飞尘在混凝土中的有效益的应用。

虽然煤是相当好的绝缘体，但煤经过高温裂解产生的碳却是良导体，其电阻率低至1ohm/cm。飞尘中的碳颗粒来源于经过高温裂解且部分燃烧的煤颗粒。在高温裂解和部分燃烧期间，挥发成份已从煤当中脱出，以致残留的碳颗粒毛体积比重非常低并且非常疏松。飞尘中典型的碳含量在7至12％之间，许多情况高达15％。对飞尘作为硬化剂在混凝土中应用，技术规范(ASTMC-618)要求烧失量(LOI)低于6％。这个技术规范是碳含量的度量，因为这部分碳在750℃点火燃烧期间将被烧掉。许多工程设计对飞尘甚至有比ASTM规范更严格的部分碳在750℃点火燃烧期间将被烧掉。许多工程设计对飞尘甚至有比ASTM规范更严格的规定，例如，在美国波士顿正在进行的大型土木工程设计中，Boston Harbor Central Artery Project要求LOI低于3％。

此外，未燃烧的碳具有燃料价值，可以在锅炉(产生飞尘的第一现场)中用作生产性的燃烧。有效的利用这种碳作为燃料要求尽可能地将它们浓缩，以避免静电过滤器过载和腐蚀对流管。

飞尘中的碳是在非导电物质之中的导电颗粒物质的一个实例。这种复合体的电导率取决于传导相位的连通性。参照图1，根据渗透理论，复合体系的电阻率(电导率的倒数)随着导电颗粒彼此间配位排列而下降，并且，当配位排列超过某个值时，复合体的电阻率随着导电物质中小体积的增加而直线下降。这种现象发生在导电物质的体积占体积百分比37％的条件下。低于这个值，颗粒间没有充足的衔接，不足以从一个颗粒表面到另一个颗粒表面形成连接桥。高于上述值，则存在充足的毗邻颗粒，足以形成从一个颗粒表面到另一个颗粒表面的连接桥。这个适合电阻率的渗透门限值有许多文献证明，并且由J.Girland在Transactions of the Metallurgicalsociety of AIME(Vol.236，pp642-646，1966)中作了阐述。对于许多体系而言，导电物质的渗透门限值为体积百分比的37％是有代表性的，这个值是在这些体系中根据纯几何研究推演出来的。

在来源于煤的飞尘中，碳的比重比矿质粉尘的比重要小得多。该降低的毛体积密度变成较高的比容，因此，飞尘中占体积37％的碳相当于在飞尘中有占10％重量百分比的碳。碳的这个渗透门限值(占体积10％)给从飞尘中分离碳带来实实在在的困难。尽管以前对带式静电分离器的叙述已经阐述了分离导电颗粒的潜力，但是没有明确地确定具体的导电材料。美国专利U.S.4,839,032和U.S.4,874,507揭示了一种分离器，该分离器能够应用于摩擦带电/静电分离的多种颗粒混合物。原则上，这种类型的分离器基本上能够分离所有的物质，只要该物质有摩擦电接触带电的性质，包括导体。已经在理论上论证过这种类型的带式逆流静电分离器分离各异的颗粒混合物的能力。

本发明概要

尽管在原理上能够分离导电颗粒，而且在实验室已经证明能分离导电颗粒，但是，对于包含导电颗粒的混合物，象美国专利U.S.4,839,032和U.S.4,874,507所揭示的那种带式逆流分离器在工业上长期使用还是成问题的，这是由于在分离器内不同的电位区域之间会有导电的沉积物积累。

图2说明一种带式逆流分离器100，正如在美国专利U.S.4,839,032和U.S.4,874,507中所叙述的那种，它利用强电场将摩擦带电颗粒从正在移动的颗粒流中移动到毗邻的以反方向正在移动的颗粒流中。在传送带的8A和8B段以及颗粒流在并行电极9和10之间移动时，这两个并行电极9和10形成电场。为了包容颗粒和支撑电极，必须在两个电极之间提供机械连接，该连接沿着电极的长边并且与电极9和10以及传送带的段8A和8B垂直。在这个区域中，导电的碳颗粒可能收集和在电极之间造成导电性质的桥接，并因此造成电极短路。这种电极9、10的短路引起电场强度下降，并造成份离器10和分离工艺的性能全面下降。

原则上，可以简单地使用更大功率的高压电源，以更高的电流容量补偿由于这种局部短路效应引起的电场强度下降。但是，对于某些应用这是行不通的。例如，横截面积为1平方毫米的碳层每厘米大约具有100欧姆的电阻，即100ohm/cm。在电极9和10之间有1厘米间隙并施加10千伏电压时，1平方毫米的碳层将传导100安培电流并且耗散1兆瓦功率。这是不能允许的。

一种缓和上述问题的途径是将电极9和10截断并用数段能用传送带清理的绝缘材料代替。这种方式将增加路径长度(在该路径长度上必须形成导电路径)和降低导电路径形成的或然率。但是，在电极用介电材料代替的区域中，没有用于分离的电场，所以分离器的效率下降。此外，这种方式的问题是沿着分离器的边缘没有分离电场，从而导致传送带输送未分离的物料。这种未分离的物料将污染两种已分离的产物并降低分离器的效率。还有，即使路径长度(在该路径长度上必须形成导电路径)比较长，导电颗粒的污染仍将导致导电层的累积并且最终将击穿间隙，随着时间推移将在介电表面形成放电路径并留下放电痕迹。

参照图2，按照分离器100的实施方案，当分离器100工作时，移动的传送带段8A和8B以流态化的状态输送颗粒物料。颗粒物料象任何流体那样移动并且填充任何空穴。沿着分离器的边缘(例如，电极9和10的纵向侧壁，进料口3，和出料口4和7)是不移动的表面。依据运行中的流体力学状态，有某个厚度的滞留边界层存在。当导电颗粒在这个边界层中积聚时，表面导通和火花放电是导电颗粒运行的不可避免的后果。

借助在运行中减少物料通过量，某些作用得到局部缓和。这等于承认物料实际上是三相系统，其中两相是固态相(其中之一是导电的)，第三相是空气，它是极好的绝缘体。因此，增加空气的浓度，即降低在分离器中的固态物料的体积分数，将减少导体的体积。不幸的是，这样做的结果并没有消除导电颗粒的问题，反而降低了分离器的容量。而且，颗粒仍将堆积在任何不移动的表面，直至导电层形成为止。当被浓缩的物质之一本身是导体时，就象从飞尘中的碳一样，这种运行情况最明显。

美国专利U.S.4,839,032和U.S.4,874,507揭示了在传送带移动段8A和8B之间的介电壁垒6的用途。这个壁垒沿着分离器的边缘分布，以便增加形成通电通路的路径长度，以便短路电极9和10。但是，由于阻断了电场和颗粒从一种颗粒流向反向颗粒流的移动，这个壁垒防碍了分离。此外，这种壁垒片的长期稳定性很难得到保证。

此外，实际用作壁垒6的材料应当是柔韧的，以便在不破碎的条件下承受传送带8A和8B的抖动和移动。这个柔韧性要求排斥使用刚性的陶瓷材料，要求使用模量较低的介电材料，如聚合物材料。但是，采用聚合物材料的问题是这些材料本质上是柔韧的，而且柔韧到导电颗粒可能镶嵌上去的程度，从而可能变成导电的(材料)。此外，当火花放电发生时，聚合物材料只能经受较低的温度，因此不能象陶瓷材料那样承受住火花放电的腐蚀。正如U.S.4,839,032和U.S.4,874,507中所述，当壁垒横穿分离器安放时，在对置的电极9和10之间有电荷移动，并且直至在介电材料两端的电场建立起来为止。因此，当介电材料击穿时，在介电材料对置的两侧上的电荷以及电荷中储存的能量在放电时被耗散，导致聚合物材料烧蚀和形成放电路径。

图2所示分离器100还有一个问题，这就是增加的路径并没有阻止由于直流电场引起的放电击穿，即使电场的平均电压远远低于击穿电压，也是如此。在发生电火花时，放电通道是高度电离的并且极易导电。作为沿着导电性极好的材料，电火花变成等电位面。如果火花放电在一个电极上开始，并向外传播，那么在火花放电期间，放电通道处在与该电极相等的电位上。于是，在电火花尖端处的电场就是电极和直接位于电火花前端之外的局部区域之间形成的电位梯度。在电火花尖端的强电场和电场梯度可能对准某些颗粒并导致进一步放电并形成放电路径。在发生火花放电时，通常在局部区域产生高能等离子体，该等离子体能够烧蚀聚合物材料并且使聚合物分解，导致碳的形成，并且形成放电路径。这种碳导电性十分好并且可能导致进一步击穿。

因此，带式分离器对导电颗粒作业是成问题的，并且用于允许分离导电物料的方法也受到限制，在工业生产方法的长期运行方面也还不完全令人满意。

所以，本发明的第一个目的是提供一种带式逆流分离器，该分离器适合对导电颗粒进行高效率的分离。

本发明的第二个目的是提供一种惰性系统，该系统将是长寿命的而且几乎不需要维护。

本发明的第三个目的是提供一种方法和装置，它们允许分离高浓度的导电物料。

本发明的第四个目的是提供一种方法和装置，它们允许分离渗透门限值以上的导电物料。

此外，本发明的第五个目的是提供一种方法和装置，它们允许以高容量分离导电物料，且不因颗粒的电导率而降低容量。

本发明的一个方面提供了一种在分离舱中静电分离颗粒混合物中的不同成份的方法，该颗粒混合物包括第一和第二成份，该方法的特征在于包括下述步骤：

将混合物纳入分离舱，该分离舱包括具有相对表面的电极；

由至少一个电压梯度组合件控制电极之间的电压差，该电压梯度组合件与所述电极贴合，该至少一个电压梯度组合件包括交替排列的导电单元和介电单元，其中，各个导电单元分别与降压电路中相应的节点连接，以便限制在任何两个导电单元之间的最大的电位差；

在所述电极的相对的表面之间施加电场；

根据所述第一和第二成份的电荷极性分别分离所述第一和第二成份；以及

在至少两条颗粒流中用机械方法运送同极性净电荷的成份，两条不同极性的净电荷颗粒流彼此靠近且横穿所述电场，而且至少有两条颗粒流正在进行平行于电场的交换，以便在所述颗粒流横越所述电场行进时，借助所述电场的连续作用，将至少一种所述成份的一部分从一条颗粒流转移到另一条所述相应的颗粒流中。

在上述的实施方案中，降压电路包括多个变阻器，或者，降压电路包括多个电阻，或者，包括多个电压-电流非线性元件。

在所述的实施方案中，待分离成份的混合物选自含碳的飞尘和煤粉的组。

在所述的实施方案中，介电单元包括氧化铝。

在所述的实施方案中，每个电压梯度组合件都包括挤压的塑料复合片，在该复合片中包含塑料的导电区和不导电区。

在上述的实施方案中，每个电压梯度组合件进一步包括多个绝缘片，该绝缘片包括氧化铝并且被安排在导电区之间。

在上述的实施方案中，每个电压梯度组合件进一步包括至少一个内藏降压电路的电路板。

在所述的实施方案中，在任何两个导电单元之间的最大的电位差被限制在大约1000伏以下。

在所述的实施方案中，所述的分离舱还包括其末端由辊子支撑的筛网传送带，而且所述分离舱的纵向边和筛网传送带被至少一个电压梯度组合件贴合。

在上述的实施方案中，所述至少一个电压梯度组合件包括多个电压梯度组合件，每个电压梯度组合件与所述分离舱的纵向边和筛网传送带贴合。

在所述的实施方案中，所述的进一步包括从所述分离舱移出被分离的成份，其中，所述分离舱还包括其末端由辊子支撑的筛网传送带，而且所述分离舱的纵向边和筛网传送带被多个电压梯度组合件贴合。

在上述的实施方案中，分离舱的末端也被多个电压梯度组合件贴合。

本发明的另一方面是提供一种分离颗粒的装置，该装置的特征在于包括：

具有纵向端和末端的第一电极；

具有纵向端和末端的第二电极；

位于装置第一端的第一辊子；

位于装置第二端的第二辊子；

位于第一和第二电极之间的一条筛网传送带，该筛网传送带被支撑在第一和第二辊子之间；以及

包括交替排列的导电单元和介电单元的电压梯度组合件，该电压梯度组合件至少部分位于所述第一或第二电极之一的纵向边。

在所述的实施方案中，所述导电单元与分压电路诸节点连接。

在上述的实施方案中，所述电压梯度组合件位于所述第一电极的纵向边和末端。

在上述的实施方案中，所述电压梯度组合件位于所述第二电极的纵向边和末端。

在所述的实施方案中，所述电压梯度组合件位于所述第一电极的纵向边和末端。

在上述的实施方案中，所述电压梯度组合件位于所述第二电极的纵向边和末端。

在所述的实施方案中，电压梯度组合件包括塑料挤压复合物和不导电的介电单元，该挤压复合物由塑料的导电区和不导电区组成。

在上述的实施方案中，电压梯度组合件进一步包括至少一个内藏分压电路的电路板。

在上述的实施方案中，不导电的介电单元是从氧化铝、兰宝石、cordeurite、富铝红柱石、瓷料、玻璃、超高分子量聚乙烯、PTFE、聚酯中选择的。

在所述的实施方案中，降压电路包括多个变阻器，或者，降压电路包括多个电阻，或者，降压电路包括多个电压-电流非线性元件。

在所述的实施方案中，待分离的混合物成份选自含碳的飞尘和煤粉的组。

在所述的实施方案中，在任何两个导电单元之间的最大的电位差被限制在低于大约1000伏。

在所述的实施方案中，分离舱的纵向边和筛网传送带被该电压梯度组合件贴合。

在所述的实施方案中，所述分离舱的末端也被许多电压梯度组合件贴合。

按照本发明，适合在分离舱中对包括导电颗粒的颗粒混合物中的不同成份进行静电分离的方法包括提供一个分离舱，该分离舱有由电极组成的相对的表面，该电极与电压梯度组合件贴合，该电压梯度组合件包括交替(排列)的导电单元和介电单元，利用导电单元与降压电路中相应的节点连接限制任何两个毗邻导电单元之间最大的电位差。此外，该方法还包括将物料导入分离舱、在相对的表面之间施加电场、按照电荷极性分离电场中的不同成份、用彼此接近且与电场横交的两条不同类的净电荷颗粒流机械地移动同类净电荷的成份。此外，该方法还包括将分离后的颗粒混合物成份运出分离舱。

采用这种安排，因导电颗粒在分离器的滞留区中积聚引起的表面传导作用和形成放电路径的作用得到缓解，因此带式逆流分离器能够以较高的物料通过能力高效率地运行，并且能够从混合物中分离出高浓度的导电物料。

按照本发明，用于静电分离包含导电颗粒的颗粒混合物成份的装置包括一个分离舱，该分离舱至少有一对电极；至少有一条传送带，它安放在一对支撑之间，以便在那对电极之间至少以两条颗粒流同时扰动和传输颗粒混合物成份；以及至少沿着分离器的纵向边缘安放的电压梯度组合件，该电压梯度组合件包括交替排列的导电单元和不导电单元。电压梯度组合件的导电单元与降压电路中相应的节点连接，该电路限制任何两个毗邻导电单元之间最大的电位差。

采用这种安排，因导电颗粒在分离器的滞留区中积聚引起的表面传导作用和形成放电路径作用得到缓解，因此带式逆流分离器能够以较高的物料通过能力高效率地运行，并且能够用于从混合物中分离出高浓度的导电物料。

在本发明的实施方案中，电压梯度组合件用挤压的塑料复合材料制作，它包含塑料的导电区和不导电区并且还包含不导电的介电单元。这个挤压的复合物至少与一块印刷电路板连接，在印刷电路板上有分压电路。

采用这种安排，带式逆流分离器几乎不需要维护，并且能够承受传送带的磨蚀，这种磨蚀是由恒定不变的相互作用引起的。

附图简要说明

本发明的上述目标和其他目标以其优点参照下面的详细说明和附图将变得明朗起来。附图包括下述内容：

图1是电阻率与颗粒物料组成的体积百分比之间的关系，该关系在相关技术中是已知的；

图2是根据相关技术的颗粒分离装置的示意图；

图3是根据本发明的电压梯度组合件的横截面示意图；

图4是根据本发明的降压电路实施方案的示意图；

图5是根据本发明的另一个降压电路实施方案的示意图；

图6是在图5所示分压实施方案中使用非线性变阻器时，该电阻的电流-电压曲线；

图7A和7B说明根据本发明的一个实施方案的共挤的电压梯度组合件。图7A是顶视图，图7B是端部视图；以及

图8是印刷电路板的剖视图，该电路板包括图4和5之一的降压电路并且有与图7A和7B中的共挤电压梯度组合件的背面连接的连接体。

本发明的详细描述

高压直流设备在大气中运行时，有两个形成火花放电的判据。就这个意义而言，火花放电定义为电子雪崩，其中电场给电子提供充足的能量以促进分子碰撞电离，并且导致电流呈指数增长、释放热量、加热以至最终导致热电离、并且有典型的可见可闻的火花放电通道。

第一判据是电场(或电压梯度)必须足以为自由电子提供能量，且提供能量的速度要高于电子向气体散失能量的速度，以致电子能够积累能量，直至它们能引起进一步的电离。第二判据是高电位与低电位的电位差必须超出某个临界值。这个临界值是气体组成的函数，并且在某种程度上是电极的函数；具体地说，是指电极的二次电子发射性质、功函数、以及场发射性质。液体和固体的击穿性质通常比适合气体击穿的电场高得多，这主要是因为在液体和固体中电子的平均自由程要短得多，所以在固体和液体中电场必须以更高的速度给固态和液态中的电子提供能量，这样才能达到进一步电离所需要的能量。

参照图2中的分离器100，当电极9和10之间的间隙5比较大时，击穿的限制性判据是电场强度必须高于某个极限值。这导致空气击穿的电场强度值为30kv/cm。当电极9和10之间的间隙5非常小时，击穿的限制性判据是电位差必须高于空气的火花放电电位。这个火花放电电位的最小值是由Paschen发现的，并且服从Paschen定律。对于空气，这个火花放电电位的最小值是327伏，并且发生在间隙大约是7.5μm以及气压为1个大气压的条件下。这代表电场强度值为440kv/cm。

借助下述方法可以降低带式分离器中电极(如图1中的电极9和10)的火花放电和短路的趋势，这就是控制沿着分离器内侧固体表面存在的最大的电位差和最大的电场强度，尤其是在导电颗粒可能堆积并形成导电路径的地方。按照本发明，在电极9和10之间提供交替地安放在不导电单元之间的导电单元和参考电位，并且实现导电单元与分压电路之间的电连接，从而控制毗邻导电单元之间的最大的电位差，借此控制不同区域间的电位差以及电场强度。

参照图3，这是一张电压梯度组合件图，该组合件根据本发明的实施方案用于在分离器100的电极9和10之间提供受控的最大电位差。应当理解，图示的设备只不过是示范性说明。在导体和介电单元的数量、排列方式、支撑方式等方面以及可能采取的数量上的改进，都属于本发明的范围。

电压梯度组合件300有一个正面302，该面是由介电单元20-28和导体单元11-18形成的。这个正面302位于面对移动的传送带8A和8B的位置并且被安放在高电位表面91和低电位表面90之间，后者在一个实施方案中接地。

表面90(也为导电单元)、导电单元11-18、以及表面91(也为导电单元)分别通过连接线30-39与分压电路连接。介电单元20-28由多个绝缘机械支撑物40和聚合物灌封胶支撑，灌封胶将组合件用机械方法粘接在一起，并且实现电压梯度组合件300后表面304的绝缘密封，使之不与其它的支撑物(未示出)接触。导体单元11-18通过连接线30-39与分压电路(如图4和5所示电路)连接。具体地说，连接线30与图4或图5中的节点130连接，连接线31与图4或图5中的节点131连接，连接线32与图4或图5中的节点132连接，连接线33与图4或图5中的节点133连接，依此类推。

现在参照图4，这是一张分压电路实施方案的示意图，该电路400包括多个电阻50-58。这些电阻50-58在高电位表面91和参考电位表面90之间串联起来，高电位表面连接在节点139上，参考电位表面连接在节点130上。电阻单元50-58的电压从表面91到表面90按顺序下降。在分压电路400的较好的实施方案中，电阻50-58的数值是相等的，以致表面91上的高电位被均等地分配到每个电阻(50-58)上。在节点131-138上的按顺序的电压降被分别连接到电压梯度组合件300的导电单元31-38上，使电压从表面91至表面90逐级变化，从而降低了在任何导电单元之间火花放电的趋势。

这种类型的受控电压降已经在其他的高压应用中使用，例如在Van de Graaf发电机中，用于限制最大的电场和减少不同高压元件之间的火花放电。这种电压梯度设备通常使用电阻提供受控的电压降和将高压分成许多较小的电压降。此外，在交流高压输电系统中，往往使用陶瓷绝缘子。这些绝缘子通常具有波纹状的表面，并且通常借助电容分压原理从高压到接地电压逐级分配电压。但是，电容分压原理对直流电压无效。因此，直流分压较好的设备在正常的运行条件下是高阻抗分压器，在高于正常运行条件下是低阻抗分压器。这种非线性的电压-电流特性曲线能够利用非线性元件得以实现，例如使用变阻器或稳压二极管。

图5是电压降电路500的示意图，该电路根据本发明的另一个实施方案使用多个变阻器。变阻器71-79和171-179都具有非线性的电压-电流曲线，其中在高于“导通”特征电压条件下电流呈指数形式增长。在图5中，变阻器元件71-79的第一主链分别交替地安排了一系列的电阻元件61-69。此外，变阻器元件171-179的第二主链分别交替地安排了一系列的电阻元件161-169。这些电阻61-69和161-169保证变阻器分配电路中在节点130和139之间流动的任何电流。

由于变阻器元件具有指数型的电压-电流关系，所以，在变阻器中的电流对变阻器两端的电压是敏感的。此外，实际上每个变阻器元件略有不同。因此，当变阻器的温度上升时，在给定的电压下电流也上升。所以，分压电路500这个实施方案的可能的故障模式是某个变阻器将承载比其它变阻器多的电流，直至该变阻器温度上升以至承载更多电流，最终变阻器出现热失控以及设备出现故障。因此，为了防止变阻器71-79和171-179中任何一个出现热失控，电阻61-69和161-169被用于将变阻器-电阻组合件的工作点调整到相似的工作区。

在根据本发明的分压电路的一个实施方案中，将变阻器SK20680用作元件71-79和171-179，该元件由Siemens公司制造。这些变阻器的功耗是1瓦特，相应的电压是1000伏，电流是1毫安。因此，如果电阻61-69选用100,000欧姆的电阻，在1毫安电流时每个电阻上有100伏的电压降。每个电阻的附加阻抗使电路500的工作点稳定，以致多条变阻器元件的主链可以并联，以增加电路500的总的电流负载容量，并保持稳定的工作。

采用图5的降压电路，电压在变阻器的工作点上受变阻器71-79和171-179的钳制。变阻器型的电压钳位电路优于稳压二极管系统，因为这种变阻器是双向的，而稳压二极管恰恰相反，它是单向的。因此，变阻器71-79和171-179将在任意一个极化方向限制任何两个导体11-18(图3)之间的电位差。此外，变阻器通常比较便宜，而且在高功率操作时不易出问题，并且具有便于在分压电路中使用的额定电压。

使用非线性无源元件提供了一些额外的好处。例如，当变阻器两端的电压降低于钳位电压时，电流非常小。图6说明S20K680金属氧化物变阻器在有效电压为交流额定电压680伏条件下的V-I特性曲线。图5的分压电路的一个好处是降压元件的数量可以相当大，没有在降压主链内部形成高电位的危险。因此，整条链两端的电压被限制在电源电压，而且任何一对导电单元11-18(图3)两端的电压被限制在变阻器的钳位电压。在任何一对毗邻的导体11-18之间的实际电压是一个动态值，该值取决于在串联路径中任何其它单元的的导电性。因此，如果横跨一对毗邻的导体，有局部的导电层，允许几个微安的电流通过，在那对导体之间的电压将下降，直至通过导电层的电流等于被串联的其它变阻器限制的电流为止。

按照本发明，用电压梯度组合件限制毗邻的导电单元之间的最大电位差提供了一些好处。例如，限制在分离器导电路径端部(如分离器纵向的两端)的电场梯度，将减少颗粒上的介电电泳力，该力是电场梯度施加给颗粒的。这种力倾向于使颗粒结团和形成珠链。当颗粒是导电的并且吸引力将颗粒积聚在一起形成导电链时，就会形成珠链。为了变成导电的，链中的每个间隙都必须有电位降，该电位降至少是空气的火花放电电位，即对于7.5μm间隙，至少是327伏。因此，强电场能够使颗粒移动并且能够引起这种间隙桥接。类似地，强电场还能够增加毗邻颗粒之间的接触面积和减少接触电阻。

例如，在本发明的一个实施方案中，业已发现，就从飞尘中分离碳而言，将电压梯度组合件的导电单元之间的最大电压限制在大约700伏，足以遏制电极间电场的短路效应。当间隙为7.5μm时，触发火花放电所需的最小电压是327伏。因此，将最大电压限制在700伏，两个这样的间隙就能消除在两个导体之间导通的可能性。

因此，图4和图5所示的降压电路与电压梯度组合件300结合被用于限制电位差，并且因此限制空气间隙中电场和电场梯度，该间隙是在静电分离器100(图2)的正面9和10之间。在分离器100的纵向边缘区，电场与边缘表面相切。为了进一步限制空气间隙中的电场和降低珠链效应，使用高介电常数的材料是符合要求的，这使得在空气间隙内的电场进一步的减少。因此，应当理解，当具有某个介电常数的绝缘体包围着导体时，处于某个电位的导体的排列会导致一种导体和绝缘体的分布，该分布可能对周围的电场有本质的影响。

还应当理解，导体和绝缘体的配置是重要的。分离器的平行板几何形状要求高电压电极和固定的机械支撑结构之间的所有的衔接位置都受保护以防止火花放电和击穿。例如在电极9和10的纵向边缘处，在电极9和10各个末端处，包括出料口4、7，进料口3(进料在此处通过电极上的狭缝导入)的末端处，以及在电极9、12中的任何分隔的加载和卸载口处，这个要求都是必要的(参照图2)。

还应当理解，在电极表面不同的边缘处击穿的趋势是不同的，并且这个趋势取决于正在分离的物料以及在分离器中正在发展着的浓缩程度。对于分离飞尘，在低碳端的碳通常不足3％，因此火花放电和短路的趋势比较小。在高碳端，碳含量超过50％，所以短路的趋势非常高。沿着分离器100的边缘，从低值到高值存在着连续变化。因此，应当理解，根据给定的应用所需要的运行条件，在分离器中不同的边缘可能有不同的配置，以便在不需要非常高水平防护的区域简化分离器的结构。

在分离许多包含导电颗粒的混合物时本发明是有用的。例如，这种混合物包括包含导电颗粒碳的飞尘；来自金属抛光作业的磨削屑，它包含金属颗粒；金属粉，它包含来自高温冶金作业的炉渣和铁屑；石墨矿砂；金属硫化物矿砂；硅粉，其中包含渣屑；煤粉，它包含木碳和金属硫化物的颗粒；无烟煤，它可能本身就是导电的碳，它包含矿砂、尾料以及碳化硅。

还应当理解，选择结构材料是重要的。绝缘材料应当具有高介电常数、良好的耐划伤性、耐磨蚀性，并且在分离器中要有良好的尺寸稳定性。一种正常工作的材料实例是高纯度高密度的烧结多晶氧化铝。这种材料非常硬，非常耐磨蚀，直至高温都有良好的绝缘性，并且容易获得。但是，其他的陶瓷材料也能使用，例如，富铝红柱石、尖晶石、石英、青玉、瓷器、玻璃。其他的高介电常数的材料也能使用，如钛酸钡。在某些应用中可以使用聚合物材料，这种场合火花放电已经得到遏制并且没有电火花腐蚀。此外，当磨蚀不是如此严重时，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)。

进一步应当理解，导体的选择范围要宽广得多。载流量要求非常低，以致不需要材料是良导体。此外，当导电材料被绝缘材料(例如坚硬的氧化铝)包围时，它在腐蚀方面问题较少。导体可以选择金属和导电的塑料。两种类型的系统都已经在使用，并且运行都很好。

参照图7A和图7B，按照本发明，电压梯度组合件276的实施方案包括导电的塑料片272和绝缘的塑料材料274，这两者通过共挤压得到复合片形式的电压梯度组合件276。复合片形式的电压梯度组合件276能够以低成本挤压成形，并且(举例说)绝缘的氧化铝片278可以被粘合在毗邻的导电塑料片272之间的空间中，借此提供一个坚固耐用的前表面290，以阻止电火花刻蚀(electrictracking)。

现在参照图8，这张图说明内藏分压电路的印刷电路板80，该分压电路有多个连接体82。分压电路板可以用连接体82装配到挤压片形式的电压梯度组合件276的背面292，然后灌注适当的绝缘密封胶将完整的组合件包裹起来，以保护元件避免接触分离器内部的肮脏环境。

电压梯度组合件已通过试验证明，在全尺寸带式分离器从飞尘中分离碳的运行中已证明在防止火花放电、形成放电路径、电压击穿方面是非常有效的。将这些元件与分离器合并已通过实验验证，证明在生产高碳颗粒流(碳含量高于重量比50％)时可以长期运行。这代表体积分数非常高的导电物料，如果没有这些电压梯度组合件片276，分离器在这个浓度下将非常迅速地短路。

至此，已经叙述了几种本发明的具体的实施方案，对于熟悉这项技术的人，各种替代方案、修改方案和改进方案将很容易产生。但是，这些替代方案、修改方案和改进方案都可能成为本发明的一部分，并且可能包含在本发明的精髓和范围之中。因此，前面的叙述仅仅是作为实例，并且本发明只受权利要求书及其等价条款的制约。

Claims (30)

1.一种在分离舱中静电分离颗粒混合物中的不同成份的方法，该颗粒混合物包括第一和第二成份，该方法的特征在于包括下述步骤：

将混合物纳入分离舱，该分离舱包括具有相对表面的电极；

由至少一个电压梯度组合件控制电极之间的电压差，该电压梯度组合件与所述电极贴合，该至少一个电压梯度组合件包括交替排列的导电单元和介电单元，其中，各个导电单元分别与降压电路中相应的节点连接，以便限制在任何两个导电单元之间的最大的电位差；

在所述电极的相对的表面之间施加电场；

根据所述第一和第二成份的电荷极性分别分离所述第一和第二成份；以及

在至少两条颗粒流中用机械方法运送同极性净电荷的成份，两条不同极性的净电荷颗粒流彼此靠近且横穿所述电场，而且至少有两条颗粒流正在进行平行于电场的交换，以便在所述颗粒流横越所述电场行进时，借助所述电场的连续作用，将至少一种所述成份的一部分从一条颗粒流转移到另一条所述相应的颗粒流中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，降压电路包括多个变阻器。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，降压电路包括多个电阻。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，降压电路包括多个电压-电流非线性元件。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，待分离成份的混合物选自含碳的飞尘和煤粉的组。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，介电单元包括氧化铝。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，每个电压梯度组合件都包括挤压的塑料复合片，在该复合片中包含塑料的导电区和不导电区。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，每个电压梯度组合件进一步包括多个绝缘片，该绝缘片包括氧化铝并且被安排在导电区之间。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，每个电压梯度组合件进一步包括至少一个内藏降压电路的电路板。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，在任何两个导电单元之间的最大的电位差被限制在大约1000伏以下。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的分离舱还包括其末端由辊子支撑的筛网传送带，而且所述分离舱的纵向边和筛网传送带被至少一个电压梯度组合件贴合。

12.根据权利要求11所述方法，其中，所述至少一个电压梯度组合件包括多个电压梯度组合件，每个电压梯度组合件与所述分离舱的纵向边和筛网传送带贴合。

13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括从所述分离舱移出被分离的成份，其中，所述分离舱还包括其末端由辊子支撑的筛网传送带，而且所述分离舱的纵向边和筛网传送带被多个电压梯度组合件贴合。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，分离舱的末端也被多个电压梯度组合件贴合。

15.一种分离颗粒的装置，该装置的特征在于包括：

具有纵向端和末端的第一电极；

具有纵向端和末端的第二电极；

位于装置第一端的第一辊子；

位于装置第二端的第二辊子；

位于第一和第二电极之间的一条筛网传送带，该筛网传送带被支撑在第一和第二辊子之间；以及

包括交替排列的导电单元和介电单元的电压梯度组合件，该电压梯度组合件至少部分位于所述第一或第二电极之一的纵向边。

16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述导电单元与分压电路诸节点连接。

17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述电压梯度组合件位于所述第一电极的纵向边和末端。

18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述电压梯度组合件位于所述第二电极的纵向边和末端。

19.根据权利要求15所述的装置，其中，所述电压梯度组合件位于所述第一电极的纵向边和末端。

20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述电压梯度组合件位于所述第二电极的纵向边和末端。

21.根据权利要求15所述的装置，其中，电压梯度组合件包括塑料挤压复合物和不导电的介电单元，该挤压复合物由塑料的导电区和不导电区组成。

22.根据权利要求21所述的装置，其中，电压梯度组合件进一步包括至少一个内藏分压电路的电路板。

23.根据权利要求21所述的装置，其中，不导电的介电单元是从氧化铝、兰宝石、cordeurite、富铝红柱石、瓷料、玻璃、超高分子量聚乙烯、PTFE、聚酯中选择的。

24.根据权利要求16所述的装置，其中，降压电路包括多个变阻器。

25.根据权利要求16所述的装置，其中，降压电路包括多个电阻。

26.根据权利要求16所述的装置，其中，降压电路包括多个电压-电流非线性元件。

27.根据权利要求15所述的装置，其中，待分离的混合物成份选自含碳的飞尘和煤粉的组。

28.根据权利要求15所述的装置，其中，在任何两个导电单元之间的最大的电位差被限制在低于大约1000伏。

29.根据权利要求15所述的装置，其中，分离舱的纵向边和筛网传送带被该电压梯度组合件贴合。

30.根据权利要求29所述装置，其中，所述分离舱的末端也被许多电压梯度组合件贴合。

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