专利名称：颗粒分离装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种颗粒分离装置和方法。特别地，本发明涉及一种 颗粒分离装置和方法，其涉及分析颗粒以检测特定特征是否存在，基 于该分析在选定颗粒沿自由飞行轨迹运动时向选定颗粒施加电荷，以 及使带电颗粒偏离自由飞行轨迹。
背景技术：
已知用于将以岩石碎片为例的材料颗粒分离的设备。在许多情况 下，待分离的颗粒被抛入到自由飞行轨迹中，并且选定的颗粒被电控 鼓风阀的操作引起的流体的冲击，通常为气流冲击，所偏转。通过位 于鼓风区下游的固定分离板，被偏转的颗粒从未被偏转的颗粒中分离。 颗粒通常被抛入到相邻的流的窄带中，每一窄带将颗粒依次输送到检 测器和流体冲击区中。
当需要以一对一的方式处理大量的具有小颗粒尺寸的颗粒时，现 存的设备具有严重的局限性。在一些工厂中，通过每单位时间向多台 设备中的每一台输送低载重量、为每种需要的颗粒冲击掉相对大量的 不合要求的颗粒、以及通过传送所接受的材料将该过程重复足够的次 数，从而最终制造出可接受的产品等级以提升待分离的材料的品质。
为了利用传统设备来提高工厂的产量，可能需要并行处理相同的 送料的几组设备，但是如果每台设备都包括昂贵的送料和检测设备， 那么使用于给定任务的数量最小就十分重要。
已经提出电子分离颗粒材料的方案。根据这一方案，穿过电荷场 的所有颗粒根据其表面导电率被充电。这种分离方法的成功取决于待 分离的颗粒材料具有足够的表面导电率差异。因此，对于导电性强的 材料，施加到穿过电场的颗粒上的电荷更易流动，因此能够更充分的 放电到与颗粒表面的一部分相接触的反向电极上。但是，这种不同的 表面效果非常容易被诸如潮湿或其他表面污染所掩盖，而且通常的情况是相当比例的废物具有与待分离的颗粒材料类似的导电特性。因此， 在一些情况下，利用这种方法的分离可能不会成功。
当颗粒的尺寸变小且每单位时间内这种颗粒的数量增多时，从不 合要求的颗粒中分离出所需颗粒，同时使所接受的产品具有尽可能少 的不合要求的种类，同时注意不留下任何需要的未收集的颗粒，变为 越来越困难的任务。
本发明的目的是提供一种可选的颗粒分离装置和方法，其解决和/ 或减轻这些问题中的至少一部分。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种用于分离沿自由飞行轨迹运动 的颗粒的颗粒分离装置，包括
检测器，用于检测颗粒进入自由飞行轨迹之前和之后的所述颗粒 的特性；
电离源，其发出离子流，以对沿所述自由飞行轨迹运动的颗粒选 择性地施加电荷；
静电场，用于偏转己经被所述电离源充电的颗粒；以及
用于在第一方位与第二方位之间偏转从所述电离源发出的离子流 的装置，其中在所述第一方位，所述离子流不与所述自由飞行轨迹相 交，在所述第二方位，根据沿所述自由飞行轨迹运动的颗粒是否被检 测到具有所述特性，所述离子流与所述自由飞行轨迹相交。
例如电晕束的用于偏转离子流的装置可以采取任何适当的形式。 但是在优选实施例中，用于偏转离子流的装置包括至少两个静态电极。 还可以包括可选的聚焦电极。优选地，响应来自于检测器的信号，施 加到静态电极上的电压可以快速变化。更具体地说，优选的，向第一 静态电极施加高电压而向第二静态电极施加低电压使离子流指向对应 于离子流的第一方位的接地的旁路电极，向第一静态电极施加低电压 而向第二静态电极施加高电压导致离子流偏离该接地的旁路电极并进
入对应于离子流的第二方位的自由飞行轨迹中。
如前一段落中所述，其中用于偏转离子流的装置包括至少两个静 态电极，该静态电极优选地位于远离所述自由飞行轨迹的位置，以避免颗粒接触。
检测器所检测的特性，以及由此确定的装置中所包括的检测器的 类型，没有特别的限制。其可以检测被分离颗粒的任何需要或不需要 的特性。在一些实施例中，检测器检测以下项目中的一项或多项电 磁辐射的选择性发射或反射，减弱电磁辐射通过的能力，不同的导电 率，不同的磁化率，以及颗粒尺寸。
电离源也可以采取任何适当的形式。优选的，电离源包括工作在
高电压下的细线(fine wire)或编线(braided wire)电晕源。
为了便于来自于自由飞行轨迹的带电颗粒的最优偏转，优选地， 静电场横向于自由飞行轨迹定位。应理解，如果需要，电场可以相对 于自由飞行轨迹以任何角度定位，其均不背离本发明的精神。
静电场通常设置在两个电极之间。位于离子流的平面以下且位于 颗粒轨迹的电离源一侧上的垂直电极优选地被供给与例如电晕极性相 同的恒定高电压。与一般应用相同，如在静电除尘器中，该电极可以 设置有绝缘盖。
倾斜电极优选地设置为形成静电场的第二电极，其在电离源的相 对侧面上倾斜于所述自由飞行轨迹。对于简单的分离或者微小的颗粒， 该电极可以接地，或者对于复杂的分离，该电极可以被供给与电离源 的极性相反的恒定高电压。在后一种情况下，该电极还可以设置有绝 缘盖。
此外，静电场可以延伸任何需要的距离。这在很大程度上取决于 被分离的颗粒的尺寸。优选地，静电场延伸的距离在0.1m至3m之间。 例如，对于尺寸小于lmm的一些颗粒，通常大约儿百毫米的电场就足 够了。对于较大的颗粒，例如达到30mm的数量级的颗粒，延伸距离 在2m至3m之间的电场通常足以使颗粒产生足够的位移。
在一些情况下，将需要把颗粒分为不同的等级，例如不同的矿石 等级。因此，根据一个实施例，检测器提供颗粒成分和颗粒尺寸的测 量，且可操作用于偏转电晕束的装置来为颗粒提供预选数量的电荷， 从而获得对应于颗粒等级的预定义的荷质比。通常，可操作用于偏转 电晕束的装置来保证在预定时间段内将电荷施加到任何给定的颗粒 上，从而使得特定的电荷被施加到每个颗粒上。在这种情况下，具有不同的荷质比的颗粒可被静电场偏转不同的程度，从而利于通过适当 放置的分离器来收集分散等级的颗粒。
如果颗粒易于接触充电，该颗粒分离装置可以包括交变极性的低 强度电晕或接地的导电板，以在颗粒进入自由飞行轨迹之前中和颗粒 上的电荷。但是在一些情况下，选择性的接触充电可能是有益的，则 不再需要这些措施。
与前述的现有技术中的情况一样，在一些情况下，可能要求一次 输入多个颗粒流到装置中，以提高产量。因此，在一些实施例中，颗 粒分离装置包括传送颗粒且对应于分离的自由飞行轨迹的多个通道， 每个通道包括一对静态电极，该静态电极限定用于偏转与各个通道相 关的各个离子流的装置。在这种情况下，装置优选的也包括安装在每 个通道相对一侧的间隔的电荷绝缘电极。
在选择性实施例中，可能需要分离穿过自由飞行轨迹的作为颗粒
屏(a curtain of particles)的一串或一层较小的颗粒，而不是在离散的 通道中。在这种情况下，装置被调节为以层的形式(as a bed)向自由 飞行轨迹传送颗粒，从而在自由飞行中形成颗粒屏。根据该实施例， 优选地，第一列静态电极和第二列静态电极被设置为限定多对静态电 极。优选地，第一列和第二列中的每个静态电极与靠近其相对侧面的 分离电极相关。第一列和第二列中的每个所包含的彼此相邻的分离电 极通常被绝缘体分开。 ■
根据该实施例，前面描述的间隔的、电荷绝缘的电极被由绝缘体 分开的分离电极代替。提高位于相关静态电极的一侧上的分离电极的 电压，同时降低位于静态电极的相对侧上的另一个分离电极的电压， 可以有利地使离子束朝一对电极中的低电压分离电极摆动。
在一些实施例中，例如在分离具有极低导电率的大颗粒时，电荷 不能通过传导在颗粒间适当地分布。在这种情况下，需要在自由飞行 轨迹的相对侧面上包括上述结构的复制件。这可以有利的获得所需的 颗粒荷质比。因此，根据本发明的另一个实施例，该装置包括发出离 子流的第二电离源，用于对沿自由飞行轨迹运动的颗粒选择性的施加 电荷，以及用于在第一方位和第二方位之间偏转从第二电离源发出的 离子流的装置，在所述第一方位，离子流不与自由飞行轨迹相交，在所述第二方位，根据沿所述自由飞行轨迹运动的颗粒是否被检测到具 有所述特性，离子流与所述自由飞行轨迹相交。
根据本发明的另一方面，提供了一种基于颗粒的特性来分离沿自 由飞行轨迹运动的颗粒的方法，包括
分析颗粒，以检测所述特性是否存在；
根据所述特性是否存在，选择性地对颗粒施加电荷；以及 使颗粒通过静电场，从而使已经被施加电荷的颗粒偏离自由飞行 轨迹；
其中通过在第一方位和第二方位之间偏转从电离源发出的离子流 对颗粒选择性地施加电荷，在所述第一方位，离子流不与颗粒的自由 飞行轨迹相交，在所述第二方位，离子流与颗粒的自由飞行轨迹相交。
通过对本发明的装置的上述描述，可以获得本发明的方法的优选 实施例。但是，与方法相关的评论如下所述。
同样，可以再一次分析颗粒以检测需要的或不需要的特性是否存 在。例如，可以分析颗粒来检测以下项目中的一项或多项电磁辐射 的选择性发射或反射，减弱电磁辐射通过的能力，不同的导电率，不 同的磁化率，以及颗粒尺寸。
可以通过任何适当的装置来获得离子流的偏转。优选地，通过对 相对于离子流定位的至少两个静态电极施加预定的电压来偏转离子 源。同样，离子流可以包括电暈束。
在一些实施例中，对颗粒的分析提供颗粒成分和颗粒尺寸的测量， 且对颗粒选择性地施加电荷来为颗粒提供预选数量的电荷，从而获得 对应于颗粒等级的预定义的荷质比。
在一些实施例中，可能需要在颗粒进入自由飞行轨迹之前或同时 中和颗粒上的电荷。
具体实施例方式
下面将参考附图更详细地描述本发明。应理解，本发明的详细描 述只是出于示意性的目的，其不应被理解为以任何方式限制本发明。 参考附图
图1显示了根据本发明的实施例的分离装置的简化示意图；以及图2A和2B分别显示了根据本发明的可选实施例的分离装置的简 化局部示意图及该装置的侧视图。
参考图1，分离装置10包括颗粒12所经过的自由飞行轨迹11。 电晕线(corona wire) 13作为电离源并产生电晕束14。通过添加静态 电极21可以使电晕束更集中地聚焦，通常该静态电极的供给电压与电 晕源的供给电压相同。电晕束可以工作在第一方位14'和第二方位14" 之间。在第一方位14'中，向第一静态电极E1施加高电压，向第二静 态电极E2施加低电压。这导致电晕束14指向接地的旁路电源15。在 第二方位14"中，向第一静态电极E1施加低电压，向第二静态电极E2 施加高电压。这使电晕束14偏转到第二方位14"，在该方位，电晕束 与颗粒12的自由飞行轨迹11相交。对于选定的颗粒，电晕束可以不 停地跟踪颗粒的运动，从而使颗粒上的电荷最大。
因此，根据特定特征是否被检测器(未显示)检测到，可以在两 个静态电极El和E2之间快速地改变电压，从而将电晕束14从第一方 位14'移动到第二方位14"，反之亦然。这导致在颗粒12沿着自由飞 行轨迹11运动时被选择性地充电。
在电极17和20之间产生静电场16，静电场16位于颗粒12的自 由飞行轨迹11中。当己经被选择性充电的颗粒穿过电场16时，它们 偏离电极17。通常，不带电的颗粒将直接向下移动，而荷质比越高的 颗粒偏离电极17的程度将越大。因此，不带电的颗粒和带电的颗粒被 分离到分离器18的任意一侧上。
通常，利用向静态电极E1和E2以及向电极17供电的计算机控制 的高压电源19来控制该装置。这有利地促进该装置的快速和准确的响 应以及装置的控制。
要施加的电压将取决于电极结构、间距和待分离颗粒的表面质量 比。但是，下述段落提供了一些示例性的值。应理解，本发明不一定 限于这些值。
当从电晕或电离电极13 (有效电极直径为0.2mm)到旁路电极15 的间距为50mm时，电晕电压有利地在15至25kV的范围内。
对于具有高表面质量比的微小颗粒来说，大约15kV的电压和大约0.2mA/m的电离电流将是适当的。具有低得多的表面质量比的较大颗 粒则要求击穿发生之前的最高可能电离电流。最大电流优选的在大约 1.5至2mA/m的范围内，在目标颗粒极快速充电的情况下，在束的中 心则可能达到40mA/m2。
静态电极El和E2将优选的工作在比旁路模式中的电离电极低大 约5kV的状态下。.为使束摆动，斥极(repelling electrode) E2将被快 速向电离电压提高，电极El将被降低到5kV。为了使摆动速度最大， 与电晕极性相同的电压可能被暂时施加到旁路电极上。根据组合电极 的几何外形，在有效电极的间距增大时，在短暂的周期内选择性地增 大电离电压是有利的。这种方案对于具有分离通道的分离器是适当的。
参考图2A和2B，设置了第一列静态电极El和第二列静态电极 E2。同样地，设置电晕线13，如前所述，其作为可以被偏转的电晕束 的源。在此实施例中，分离电极E3和E4设置在第一列El和第二列 E2的静态电极E2 (1)、 E2 (2)等的每个的任意一侧上。绝缘体22 位于相邻的分离电极E3和E4之间。
增大分离电极E3和E4之一上的电压，同时降低分离电极E3和 E4中另一个上的电压，这将使电晕束朝由一对静态电极El和E2所限 定的各通道的降低的电压边缘摆动。
如果需要，可以在电晕线13的相对侧面上进一步设置静态电极 21。装置的其余部分如前所述。
可以想像，本发明的实施例特别适用于当需要去除小部分进给材 料的情况，例如当进给材料通过穿过自由飞行轨迹的颗粒屏(a curtain ofparticles)来供给时。利用该实施例，较小颗粒也可以被更恰当地处 理。
为了利于离子束的横向控制，可以对每对电极E3和E4应用与用 于控制电极El和E2的方案类似的方案。
应理解，前面的描述是以本发明的示意性实例的方式给出的，对 其所作的对本领域技术人员显而易见的所有改变和变化都落入在此阐 述的本发明的范围和范畴内。
权利要求
1、一种用于分离沿自由飞行轨迹运动的颗粒的颗粒分离装置，包括检测器，用于检测所述颗粒进入所述自由飞行轨迹之前和之后的所述颗粒的特性；电离源，其发出离子流，以对沿所述自由飞行轨迹运动的颗粒选择性地施加电荷；静电场，用于偏转已经被所述电离源充电的颗粒；以及用于在第一方位与第二方位之间偏转从所述电离源发出的离子流的装置，其中在所述第一方位，所述离子流不与所述自由飞行轨迹相交，在所述第二方位，根据沿所述自由飞行轨迹运动的颗粒是否被检测到具有所述特性，所述离子流与所述自由飞行轨迹相交。
2、 如权利要求1所述的颗粒分离装置，其中所述用于偏转离子流 的装置包括至少两个静态电极。
3、 如权利要求2所述的颗粒分离装置，其中响应来自于所述检测 器的信号，施加到所述静态电极上的电压可以快速变化。
4、 如权利要求3所述的颗粒分离装置，其中向第一静态电极施加 高电压而向第二静态电极施加低电压使所述离子流指向对应于所述离 子流的第一方位的接地的旁路电极，向第一静态电极施加低电压而向 第二静态电极施加高电压导致所述离子流偏离该接地的旁路电极并进 入对应于所述离子流的第二方位的所述自由飞行轨迹中。
5、 如权利要求2所述的颗粒分离装置，其中所述静态电极远离所 述自由飞行轨迹定位，以避免颗粒接触。
6、 如权利要求1所述的颗粒分离装置，其中所述检测器检测以下 项目中的一项或多项电磁辐射的选择性发射或反射，减弱电磁辐射通过的能力，不同的导电率，不同的磁化率，以及颗粒尺寸。
7、 如权利要求1所述的颗粒分离装置，其中所述电离源包括工作 在高电压下的细线或编线电晕源。
8、 如权利要求1所述的颗粒分离装置，其中所述静电场横向于所 述自由飞行轨迹定位。
9、 如权利要求8所述的颗粒分离装置，其中所述静电场延伸的距 离在0.1m至3m之间。
10、 如权利要求1所述的颗粒分离装置，其中所述检测器提供颗 粒成分和颗粒尺寸的测量，且操作用于偏转电晕束的装置来为颗粒提 供预选数量的电荷，从而获得对应于颗粒等级的预定义的荷质比。
11、 如权利要求1所述的颗粒分离装置，包括位于所述自由飞行 轨迹的与所述电离源相同的一侧上的垂直电极，该垂直电极被供给与 电离源的极性相同的高电压。
12、 如权利要求ll所述的颗粒分离装置，其中所述垂直电极设置 有绝缘盖。
13、 如权利要求ll所述的颗粒分离装置，包括位于所述自由飞行 轨迹的与所述电离源相对的一侧上的倾斜电极，该倾斜电极接地或者 与所述电离源具有相反的极性。
14、 如权利要求13所述的颗粒分离装置，其中所述倾斜电极设置 有绝缘盖。
15、 如权利要求1所述的颗粒分离装置，包括交变极性的低强度 电晕或接地的导电板，以在颗粒进入所述自由飞行轨迹之前中和颗粒 上的电荷。
16、 如权利要求2所述的颗粒分离装置，包括传送颗粒且对应于 分离的自由飞行轨迹的多个通道，每个通道包括一对静态电极，该静 态电极限定用于偏转与各个通道相关的各个离子流的装置。
17、 如权利要求16所述的颗粒分离装置，包括安装在每一通道的 相对侧面上的间隔的电荷绝缘的电极。
18、 如权利要求2所述的颗粒分离装置，该装置被调节为以层的 形式向所述自由飞行轨迹传送颗粒，以在自由飞行中形成颗粒屏。
19、 如权利要求18所述的颗粒分离装置，其中第一列静态电极和 第二列静态电极设置为限定多对静态电极。
20、 如权利要求19所述的颗粒分离装置，其中所述第一列和第二 列中的每个静态电极与靠近其相对侧面的分离电极相关。
21、 如权利要求20所述的颗粒分离装置，其中相邻的分离电极被 绝缘体分开。
22、 如权利要求1所述的颗粒分离装置，包括发出离子流的第二 电离源，用于对沿所述自由飞行轨迹运动的颗粒选择性施加电荷，以 及用于在第一方位和第二方位之间偏转从所述第二电离源发出的离子 流的装置，在所述第一方位，离子流不与所述自由飞行轨迹相交，在 所述第二方位，根据沿所述自由飞行轨迹运动的颗粒是否被检测到具 有所述特性，所述离子流与所述自由飞行轨迹相交。
23、 一种基于颗粒的特性来分离沿自由飞行轨迹运动的颗粒的方 法，包括分析颗粒，以检测所述特性是否存在； 根据所述特性是否存在，选择性地对颗粒施加电荷；以及 使颗粒通过静电场，从而使已经被施加电荷的颗粒偏离所述自由飞行轨迹；其中通过在第一方位和第二方位之间偏转从电离源发出的离子流 对颗粒选择性地施加电荷，在所述第一方位，所述离子流不与颗粒的 自由飞行轨迹相交，在所述第二方位，所述离子流与颗粒的自由飞行 轨迹相交。
24、如权利要求23所述的方法， 的一项或多项电磁辐射的选择性发 能力，不同的导电率，不同的磁化率，其中分析颗粒来检测以下项目中 :射或反射，减弱电磁辐射通过的 ，以及颗粒尺寸。
25、 如权利要求23所述的方法，其中通过对相对于所述离子流定位的至少两个静态电极施加预定的电压来偏转所述离子流。
26、 如权利要求23所述的方法，其中对颗粒的分析提供颗粒成分 和颗粒尺寸的测量，且对颗粒选择性地施加电荷从而为颗粒提供预选 数量的电荷，从而获得对应于颗粒等级的预定义的荷质比。
27、 如权利要求23所述的方法，包括在颗粒进入所述自由飞行轨 迹之前或进入所述自由飞行轨迹中时中和颗粒上的电荷。
全文摘要
一种用于分离沿自由飞行轨迹运动的颗粒的颗粒分离装置，包括检测器，用于检测颗粒进入所述自由飞行轨迹之前和之后的该颗粒的特性；电离源，其发出离子流，以对沿所述自由飞行轨迹运动的颗粒选择性地施加电荷；静电场，用于使已经被电离源充电的颗粒偏转；以及用于在第一方位与第二方位之间偏转从电离源发出的离子流的装置，其中在所述第一方位，所述离子流不与所述自由飞行轨迹相交，在所述第二方位，根据沿所述自由飞行轨迹运动的颗粒是否被检测到具有所述特性，所述离子流与所述自由飞行轨迹相交。
文档编号B07C5/344GK101687227SQ200780044718
公开日2010年3月31日 申请日期2007年11月30日 优先权日2006年12月4日
发明者R·D·莫里森 申请人:昆士兰大学