高压静电分选电场研究

1引言静电技术主要有静电分选技术、静电清砂技术、静电净油技术、静电收尘技术、静电抑制开发性尘源技术、静电辐照种子技术以及静电杀菌技术等。其中高压静电分选技术是近期利用和研究的最多的，并且静电技术具有高效、节能等许多优点，并且在近期的研究中取得了显著的效益，例如，经济方面的效益，社会方面的效益，环境方面的效益等1。高压静电分选技术的应用范围十分广泛，例如金属或非金属物质的分离、粉尘粒径的研究等。惠晓威、李新春、田秀华对模糊控制系统在静电除尘中的应用以及如何提高除尘效率等的一全套系统的组成装置、控制方式、工作原理进行了研究与分析并进行了仿真实验，取得了不错的成果2。路洪洲等从静电学的角度结合力学，研究了接地转辊的转速与分离金属与非金属颗粒的关系，实验结果找到了最佳转速，不仅能提高分选效率而且能节约时间与能源，对物质的分离做出了巨大的贡献3。DASCALESCU等使用电场力在磨制过程中对麸皮组织细颗粒分离的可能性进行评估时，电晕充电和表面电位衰减的实验是在细磨后的麦麸和糊粉层组织样品上进行的。精细研磨的糊粉层和麦麸有不同的摩擦带电特性。通过设计一个合适的摩擦带电装置，利用电场力作用于带相反电荷的粒子时，可以分离这两种组织。且麸皮组织的两种类型的电荷衰减时间不同，糊粉层具有更高的水分含量从而更快的失去通过电晕放电赋予的电荷4。AMARTILMATINE等对一些主要类别的塑料提出了一些新的摩擦静电分离装置，其中伴随着一个螺旋桨式摩擦充电装置的一个带型静电分离器是从WEEE颗粒中恢复和回收塑料的一个有效的解决方案,并且对螺旋桨式的摩擦带电装置的带式静电分离器进行了研究5。对于原始状态的塑料颗粒的三种不同比例的合成混合物进行了不同的实验75的聚酰胺（PA）25的聚碳酸酯（PC），50PA50PC，25PA75PC。其中含有等量的两种成分的混合物得到了最好的结果。因此带式静电分离器对等量的两种成分的混合物分离具有很好的结果。FATIMAZAHRARAHOU等介绍了一个简单的数学模型，用于模拟一个最近二元混合物颗粒状原料的静电分离过程专利的结果，他们认为任何新的静电工艺的研究和开发中数值模拟是一个功能强大的工具6。该工艺的特点是颗粒是在电场的存在下充电的，在流化床装置中产生的7。数学模型假定颗粒被分离的概率可以表示为与属于其他材料类颗粒数量的影响函数。当这个概率服从正态分布规律时，从在实验室摩擦型静电分离器中对聚酰胺和聚碳酸酯颗粒混合颗粒的一项实验中得到的模拟结果有显著的差异。为了提高模拟的预测能力，由实验数据回归多项式函数用于表达相同的概率。由于高压静电分选具有很多优点，使用方便，具有很大的研究价值，又因为高压静电分选的核心是其电场，所以本课题研究的主要核心是对高压静电分选的电场的研究。本课题一方面主要分析研究不同高压强度，不同的高度，不同的角度以及不同的铜丝电晕线的条数对电场的影响。另一方面则研究35针的齐针电晕线和35针的长短针电晕线在不同高压，不同高度，不同角度以及不同电晕线条数的条件下对电场的影响。2实验装置及原理21实验装置本文实验装置是在导师指导下学生自己动手研制的小型静电分选机。实验装置包括高压绝缘柱，升压变压器，单相调压变压器，高压静电电压表，硅整流器，高压电压表，低压电流表，微安电流计，开关阵列，铜丝电晕线，35针的齐针电晕线，35针的长短针电晕线，滚筒长500MM直径250MM。实验装置图如图21所示，实验过程中各装置的作用如下高压绝缘柱主要起固定支撑、连接及绝缘的作用；升压变压器用来把低数值的交变电压变换为同频率的另一较高数值交变电压的变压器；单相调压变压器调节输出的低压电压；高压静电电压表测量升压后的高压电压值；硅整流器，以智能数字控制电路为核心的电源功率控制电器；低压电压表测量升压前的低压电压；低压电流表测量升压前的低压电流；微安电流计测量滚筒上的分电流；电晕线连接高压电，使其高压放电；滚筒其为绝缘体，在滚筒的四分之一的弧面上贴有二十六根均匀的铜条，这些铜条分别与二十六根连有各自单刀双掷开关的不同的导线连接，因此方便记录每根铜条上的电流值，其电流的大小即可反应此处电场的强弱；本文所研究的是高压静电分选装置各参数如下高压源最高不超过60KV，电晕线长度500MM，针长30MM，针直径15MM；电晕线滚筒弧面间距5MM9MM；滚筒直径250MM；滚筒长度500MM。为了更全面的研究电晕线的放电与滚筒上电场的关系，电晕线的选择为单根铜条电晕线的不同高度，角度的研究；为了更细致的了解，我们还加做了单根35针的齐针和长短针的电晕线的不同高度、角度的研究。针弧面式放电实验线路图图21滚筒表面电荷分布实验图1调压变压器；2低压电压表；3低压电流表；4升压变压器；5硅整流器；6电感器；7静电电压计；8微安表1；9微安表2；10放电线；11圆筒22实验原理静电分选就是在高压静电场中基于待选颗粒之间不同的电性进行的分选。各种分选设备基本上都是由带电机构和粒子轨道调节装置两个基本部分组成的。其中带电机构是使待分选的固体材料的电荷分布可以满足一是两种不同类别的颗粒进入分选区时带上相反电性的电荷，从而借助不同方向的电场力使这两种颗粒分开；二是两种不同类别的颗粒进入分选区时两者带上电性相同的电荷，但是它们所带的电量有很大差别，或者是只有一种颗粒显著的带电，因此借助差别大的电场力使其分开；三是不同类别的颗粒进入分选区时会被极化从而产生了不同的偶极矩使这两种颗粒分开。粒子可以通过接触起电、摩擦起电、感应起电、电子或离子碰撞起电等方式带电。粒子的轨道调节装置是用来调节对粒子的作用时间和作用力的，使不同种类的颗粒在预定的时间里可以具有不同的轨道。在装置中，可以利用电场力、离心力、重力、摩擦力。通过人为调节调压变压器，使其改变输出低压电压的大小，然而通过升压变压器把低压电压转变为实验条件所要求的高压电压。把电晕线与经过升压变压器转变的高压电压源相连接，由于电晕线的高度，角度等条件不同，所以其放电产生的电场也随之变化。电晕线下面的滚筒是绝缘体，为了保证安全，必须接地，电晕线接高压电放电，产生不均匀的电场，使周围的空气电离，从而产生的的大量的的离子向相反的电极之间运动，因此产生部分电流，研究其不同铜线上电流的大小即反应此处电场的强弱。3实验结果与分析31单排35针齐针电晕线分析311等距单排35针高压电压与放电总电流的关系实验条件为针长30MM,针数35，针间距12MM,温度14，湿度29表3135针齐针电晕线相同角度不同高度由表31的实验数据可以得出结论针的长度为30MM，针的总数为35针，针间距为12MM,温度14，湿度为29的情况下，即针尖角度相同针尖与滚筒弧面高度也相同，针尖用于调压的高压电压缓慢增加，升压后放电的总电流也随之增加9。针尖角度相同，针尖与滚筒弧面的距离不同时，针尖与滚筒弧面的距离越大，放电的总电流随高压电压的变化的幅度越小，也就是说，要想达到相同的放电总电流，针尖与滚筒弧面距离越大，需要把高压电压调的越大。312单排35针的等距单排针放电后分电流的分析因为电晕线接高压电放电，产生不均匀的电场，使周围的空气电离，从而产生的的大量的的离子向相反的电极之间运动，因此产生部分电流，研究其不同铜线上电流的大小即反应此处电场的强弱。偏角为45，异极距为70MM，电压为22KV偏角为45，异极距为100MM，电压为29KV针长30MM,针数35，针间距12MM,针长30MM,针数35，针间距12MM,温度14，湿度29温度14，湿度29偏角为45，异极距为120MM，电压为35KV针长30MM,针数35，针间距12MM,温度14，湿度29图31单排35针滚筒上电流的分布情况因此在针的长度为30MM，针的总数为35针，针间距为12MM,温度14，湿度为29的情况下，由测得的分电流数据分析可得偏角为45，异极距为70MM，电压为22KV时，电晕放电所激发的电场产生的分电流，在等距单排35针电晕线正下方的滚筒的铜条上（即滚筒弧面的正中央）的分电流为最高峰最大电流值达到678A，在其两边呈对称的逐渐减小，滚筒弧面最边上的电流强度几乎为0，整个电流的分布趋势呈正态分布。角为45，异极距为100MM，电压为29KV时，电晕放电所激发的电场产生的分电流，在等距单排35针电晕线正下方的滚筒的铜条上（即滚筒弧面的正中央）的分电流为最高峰最大电流值达到530A，在其两边呈对称的逐渐减小，滚筒弧面最边上的电流强度几乎为0，整个电流的分布趋势呈正态分布。偏角为45，异极距为120MM，电压为35KV时，电晕放电所激发的电场产生的分电流，在等距单排35针电晕线正下方的滚筒的铜条上（即滚筒弧面的正中央）的分电流为最高峰最大电流值达到334A，在其两边呈对称的逐渐减小，滚筒弧面最边上的电流强度几乎为0，整个电流的分布趋势呈正态分布。由图可知在角度同为45，针尖与滚筒的距离增大，分电流峰值减小，其整个趋势呈正态分布的趋势逐渐减小，但分布形式一直为正态分布不变。32单排35针长短针电晕线分析321单排35针的等距单排针高压电压与放电总电流的关系实验条件为长针30MM,短针15MM，针数35，长针间距12MM,温度14，湿度29长针距离滚筒距离80MM长针距离滚筒距离100MM长针距离滚筒距离120MM图3235针长短针相同角度不同高度高压电压与高压电流的关系由图32的实验数据可以得出结论在长针长度为30MM,短针长度为15MM，针的总数为35针，针间距为12MM,温度14，湿度为29，针尖角度相同针尖与滚筒弧面高度也相同的情况下，用于调压的高压电压缓慢增加时，升压后放电的总电流也随之增加10。针尖角度相同，针尖与滚筒弧面的距离不同时，针尖与滚筒弧面的距离增大，放电的总电流随高压电压的变化的幅度越小，也就是说，要想达到相同的放电总电流，针尖与滚筒弧面距离越大，需要把高压电压调的越大。并且在相同的高压电压条件下，对35针的等距单排针比35针的长短单排针的升压后的总电流要大，所以35针的等距单排针比35针的长短单排针的击穿电压要高。322单排35针的长短针放电后滚筒上分电流的分析在长针长度为30MM,短针长度为15MM，针的总数为35针，针间距为12MM,温度14，湿度为29，针尖角度相同的情况下偏角为45，异极距为80MM，电压为25KV偏角为45，异极距为100MM，电压为30KV长针30MM,短针15MM，针间距12MM,长针30MM,短针15MM，针间距12MM,温度14，湿度29温度14，湿度29偏角为45，为120MM，电压为33KV长针30MM,短针15MM，针间距12MM,温度14，湿度29图33单排35针长短针滚筒上电流的分布情况由测得的分电流数据分析可得偏角为45，异极距为80MM，电压为25KV时，电晕放电所激发的电场产生的分电流，在单排35针长短针电晕线正下方的滚筒的铜条上（即滚筒弧面的正中央）的分电流为最高峰最大电流值达到586A，在其两边呈对称的逐渐减小，滚筒弧面最边上的电流强度几乎为0，整个电流的分布趋势呈正态分布。偏角为45，异极距为100MM，电压为30KV时，电晕放电所激发的电场产生的分电流，在单排35针长短针电晕线正下方的滚筒的铜条上（即滚筒弧面的正中央）的分电流为最高峰最大电流值达到674A，在其两边呈对称的逐渐减小，滚筒弧面最边上的电流强度几乎为0，整个电流的分布趋势呈正态分布。偏角为45，异极距为120MM，电压为33KV时，电晕放电所激发的电场产生的分电流，在单排35针长短针电晕线正下方的滚筒的铜条上（即滚筒弧面的正中央）的分电流为最高峰最大电流值达到449A，在其两边呈对称的逐渐减小，滚筒弧面最边上的电流强度几乎为0，整个电流的分布趋势呈正态分布。由图可知在角度同为45，针尖与滚筒的距离增大，分电流峰值减小，其整个趋势呈正态分布的趋势逐渐减小，但分布形式一直为正态分布不变。并且，单排35针长短针电晕线比35针的等距单排针电晕线放电产生的电流要小，即单排35针长短针电晕线比35针的等距单排针电晕线放电产生的电场偏弱。33单根铜丝电晕线分析331单根铜丝电晕线高压电压与放电总电流的关系对单根铜丝电晕线进行实验，实验条件为铜线的长度为500MM，铜线的直径为15MM,温度14，湿度29偏角为45间距50MM偏角为45间距70MM偏角为45间距90MM图34单根铜丝电晕线相同角度不同高度高压电压与高压电流的关系由图34的实验数据可以得出结论在铜线的长度为500MM，铜线的直径为15MM，温度14，湿度为29的情况下，即铜线角度相同，铜线与滚筒弧面高度也相同，当铜线用于调压的高压电压缓慢增加，升压后放电的总电流也随之增加。铜线角度相同，铜线与滚筒弧面的距离不同时，铜线与滚筒弧面的距离越大，放电的总电流随高压电压的变化的幅度越小，也就是说，要想达到相同的放电总电流，针尖与滚筒弧面距离越大，需要把高压电压调的越大。332单根铜丝电晕线分电流的分析在偏角为45，铜线的长度为500MM，铜线的直径为15MM，温度14，湿度为29的情况下偏角为45，铜线与滚筒间距为50MM，偏角为45，铜线与滚筒间距为70MM，电压为26KV，温度14，湿度29电压为38KV，温度14，湿度29偏角为45，铜线与滚筒间距为120MM，电压为45KV，温度14，湿度29图35单根铜丝电晕线滚筒上电流的分布情况由测得的分电流数据分析可得铜线电晕线与滚筒弧面的距离为50MM，电压为26KV时，电晕线放电所激发的电场产生的分电流，在单排铜线电晕线正下方的滚筒的铜条上（即滚筒弧面的正中央）的分电流为最高峰最大电流值达到1149A，在其两边呈对称的逐渐减小，滚筒弧面最边上的电流强度几乎为0，整个电流的分布趋势呈正态分布。铜线电晕线与滚筒弧面的距离为70MM，电压为38KV时，电晕线放电所激发的电场产生的分电流，在单排电晕线正下方的滚筒的铜条上（即滚筒弧面的正中央）的分电流为最高峰最大电流值达到632A，在其两边呈对称的逐渐减小，滚筒弧面最边上的电流强度几乎为0，整个电流的分布趋势呈正态分布。铜线电晕线与滚筒弧面的距离为120MM，电压为45KV时，电晕线放电所激发的电场产生的分电流，在单排电晕线正下方的滚筒的铜条上（即滚筒弧面的正中央）的分电流为最高峰最大电流值达到535A，在其两边呈对称的逐渐减小，滚筒弧面最边上的电流强度几乎为0，整个电流的分布趋势呈正态分布。由图可知在角度同为45，铜丝电晕线与滚筒的距离增大，分电流峰值减小，其整个趋势呈正态分布的趋势逐渐减小，但分布形式一直为正态分布不变。3435针单排电晕线与单排铜线的放电电场的比较偏角为45，异极距为70MM，电压为22K偏角为45，异极距为70MM，电压为25KV针长30MM,针数35，针间距12MM,长针30MM,短针15MM，针间距12MM,温度14，湿度29温度14，湿度29偏角为45，铜线与滚筒间距为70MM，电压为38KV，温度14，湿度29图3635针单排齐针电晕线与35针单排长短针电晕线与单排铜线滚筒上的分电流分布情况在偏角为45，异极距为70MM，距分析35针单排齐针电晕线与35针单排长短针电晕线和单排铜丝电晕线放电由电场产生的分电流知电晕线放电所激发的电场产生的分电流三者都在电晕线正下方的滚筒的铜条上（即滚筒弧面的正中央）的分电流为最高峰，在其两边呈对称的逐渐减小，滚筒弧面最边上的电流强度几乎为0，整个电流的分布趋势呈正态分布；并且三者的分电流的最大值、电流上升下降的总趋势趋势相近，长短针的电晕线放电产生的电流比齐针与铜线的弱小，由于针的数量比较多，为35针，对于齐针的电晕线来说，其放电的点差不多为35个左右，对于长短针的电晕线来说，一般情况下，只有长针放电，其放电的点在18个左右，所以其放电的情况与单根铜线放电的情况差不多。3535针单排电晕线与单排铜线高压电压的与放电总电流的关系偏角为45，异极距为70MM，偏角为45，异极距为70MM，针长30MM,针数35，针间距12MM,长针30MM,短针15MM，针间距12MM,温度14，湿度29温度14，湿度29偏角为45，铜线与滚筒间距为70MM，温度14，湿度29图3735针单排齐针电晕线与35针单排长短针电晕线与单排铜线伏安特性由图37可以得出结论在偏角为45,电晕线与滚筒的距离为70MM,温度14，湿度为29的情况下，针尖用于调压的高压电压缓慢增加，升压后放电的总电流也随之增加，其增加的曲线的趋势呈线性关系。35针的电晕线针式电晕线比铜线电晕线的放电电压低，即针式电晕线相对于铜线电晕线更容易放电。且35针的齐针电晕线电流增加的速度要比35针长短针的电晕线快。铜线电晕线，一但到达放电电压，电流升高的速度最快11。由三个曲线图比较可知在相同高度相同角度的情况下，35针的齐针电晕线的放电所产生的放电总电流比35针长短针的电晕线和铜丝电晕线的的放电的总电流都要大。因为35针的齐针电晕线在加的高压所超过它本身的放电电压后放电的点为35个左右，而35针的长短针电晕线加高压放电时放电的点为18个左右，因为齐针电晕线比长短针电晕线放电的点多，所以它放电所产生的总电流偏大，即其放电所产生的电场也偏大。铜丝电晕线比35针的针式电晕线放电的电压值要高，所以在针式电晕线的电压很高的同时，它的电场还很弱，但一但达到它的放电电压，其放电所产生的电流上升速度也很快，也呈线性趋势上升。3635针齐针电晕线角度的变化对电场的影响36135针齐针电晕线角度的变化对升压后总电流的影响偏角为45偏角为30偏角为60图3835针齐针电晕线高度相同角度不同高压电压与高压电流关系图由图38的曲线图可以得出结论在针长为30MM，针数为35，针间距为12MM，温度为14，湿度为29，针尖距离滚筒弧面的距离为100MM的情况下，偏角从30度以15度为增加单位增加到60度，电流随电压的增大呈线性增加。其伏安特性曲线为其中B线为偏角为30度的曲线，C线为偏角为45度的曲线,D线为偏角为60度的曲线图3935针齐针电晕线高度相同角度不同的伏安特性曲线由其伏安特性曲线得偏角为45度的曲线在中间，偏角为30度的曲线在最下边，偏角为60度的曲线在最上边，也就是说，角度为60度的曲线的斜率最大，角度为30度的曲线的斜率最小，即角度为30度的曲线的增长速度最慢，当高压电压升高，升压后放电产生的放电电流为60度的时候增长的最快。36235针齐针电晕线角度的变化时分电流的分析由图310分析得其中B线为偏角为30度的曲线，C线为偏角为45度的曲线,D线为偏角为60度的曲线。图31035针齐针电晕线角度的变化时分电流针长为30MM，针数为35，针间距为12MM，温度为14，湿度为29，针尖距离滚筒弧面的距离为100MM,高压电压为30KV的情况下，电晕线的角度为45度时，电晕线正对着滚筒的中间部分，电晕线放电所激发的电场产生的分电流，在电晕线正下方的滚筒的铜条上（即滚筒弧面的正中央）的分电流达到最大值，在其两边呈对称的逐渐减小，滚筒弧面最边上的电流强度几乎为0，整个电流的分布趋势呈正态分布；针长为30MM，针数为35，针间距为12MM，温度为14，湿度为29，针尖距离滚筒弧面的距离为100MM,高压电压为30KV的情况下，电晕线的角度为30度时，电晕线不再在滚筒的正中央，峰值也不再在正中央出现，峰值后偏，前几根的电晕线的分电流全部为0，然后再升高，达到电晕线的正下方时，电晕线放电产生的分电流达到最大值，然后再慢慢减小。针长为30MM，针数为35，针间距为12MM，温度为14，湿度为29，针尖距离滚筒弧面的距离为100MM,高压电压为30KV的情况下，电晕线的角度为60度时，电晕线不再在滚筒的正中央，峰值也不再在正中央出现，峰值靠前，前边铜线上的放电电流值逐渐升高，到达峰值后，逐渐下降，后几根铜线上的电流为0，总体呈正态分布。4结论1）对于单排35针齐针电晕线、35针长短针电晕线、铜线电晕线，在温度、湿度相同，偏角相同的情况下，高压电压不变，电晕线离滚筒的距离越远，产生的总电流越弱，分电流趋势呈正态分布不变，只是相应减弱，即电晕线离滚筒弧面距离越远，产生的总电场越弱，电场的分布呈正态分布的趋势不变，只是相应减弱。2）对于单排35针齐针电晕线、35针长短针电晕线、铜线电晕线，在温度、湿度相同，偏角相同的情况下，电晕线离滚筒弧面的距离不变，高压电压升高，升压后放电产生的电场产生的总电流增大，相应的分电流呈正态分布趋势不变，只是相应增大，即高压电压升高，相应的放电电场增大，反之亦然。3）对于单排35针齐针电晕线、35针长短针电晕线、铜线电晕线，在温度、湿度相同，电晕线离滚筒弧面的距离不变，高压电压相同的情况下，改变偏角，偏角越大，升压后放电产生的总电流增大的越快，偏角大的高压电压与高压电流的伏安特性曲线的斜率越大，即相同情况下，偏角越大，高压放电产生的电场的变化速度越大，反之亦然。4）对于单排35针齐针电晕线、35针长短针电晕线、铜线电晕线，在温度、湿度相同，电晕线离滚筒弧面的距离不变，高压电压相同的情况下，其分电流，偏角大于45度时，电晕线不再在滚筒的正中央，峰值也不再在正中央出现，峰值靠前，前边铜线上的放电电流值逐渐升高，到达峰值后，逐渐下降，后几根铜线上的电流为0，总体呈正态分布；偏角小于45度时，电晕线不再在滚筒的正中央，峰值也不再在正中央出现，峰值后偏，前几根的电晕线的分电流全部为0，然后再升高，达到电晕线的正下方时，电晕线放电产生的分电流达到最大值，然后再慢慢减小。5）在相同高度相同角度的情况下，35针的齐针电晕线的放电所产生的放电总电流比35针长短针的电晕线和铜丝电晕线的的放电的总电流都要大。因为35针的齐针电晕线在加的高压所超过它本身的放电电压后放电的点为35个左右，而35针的长短针电晕线加高压放电时放电的点为18个左右，因为齐针电晕线比长短针电晕线放电的点多，所以它放电所产生的总电流偏大，即其放电所产生的电场也偏大。铜丝电晕线比35针的针式电晕线放电的电压值要高，所以在针式电晕线的电压很高的同时，它的电场还很弱，但一但达到它的放电电压，其放电所产生的电流上升速度也很快，也呈线性趋势上升。参考文献1郝宪孝，崔保欣静电技术的开发和应用J聊城师院学报,1989,2250582惠晓威，李新春，田秀华高压静电收尘器模糊控制系统J辽宁工程技术大学学报，2001,2056526533路洪洲，许振明，李佳等高压静电分离金属与非金属颗粒临界转速模型的建立及其分析J中国科技论文在线，上海交通大学环境科学与工程学院，1990,20525284LDASCALESCU,CDRAGAN,MBILICI,ETALPREMISESFORTHEELECTROSTATICSEPARATIONOFWHEATBRANTISSUESJIEEETRANSINDAPPL,2008,20223285MOHAMEDMILOUDI,KARIMMEDLES,AMARTILMATINE,ETALOPTIMISATIONOFBELTTYPEELECTROSTATICSEPARATIONOFTRIBOAERODYNAMICALLYCHARGEDGRANULARPLASTICMIXTURESJIEEETRANSINDAPPL,2013,2250586FATIMAZAHRARAHOU,AMARTILMATINE,MIHAIBILICI,ETALNUMERICALSIMULATIONOFTRIBOAEROELECTROSTATICSEPARATIONOFMIXEDGRANULARSOLIDSJIEEETRANSINDAPPL,2012,4828168227MBLAJAN,RBELECA,AIUGA,ETALTRIBOELECTRIFI