用于使用电力和磁力分类颗粒的方法和设备 本发明是基于国家科学基金给予的PMI-9760706资助，在政府的支持下进行的。政府对本发明具有一定的权利。
【发明领域】
本发明涉及用于分类颗粒的方法和设备。更具体的，本发明涉及用于使用电力和磁力将颗粒分类的方法和设备，这里所述的颗粒通过摩擦和电容的接触而带电。
【发明背景】
本发明旨在分离磁性相近而表面电特性不同的的颗粒。一个商业重要性的例子是将未燃碳从化石—燃料燃烧而得的飞尘中分离出来。摩擦电沉淀剂收集平均颗粒尺寸在大约10-30um的干燥的粉碎煤飞尘，以防止其排放到大气中。该飞尘主要由铝、硅和氧化铁的煤胞构成，其具有大约为100-10,000-6cm3/g的明显的顺磁磁化率，倾向具有强磁性。该煤胞为火山灰，在建筑应用上作为普通水泥的添加物，具有重要地价值。然而，当由重量上占少许百分比的未燃碳稀释时，它们就会变得毫无价值且必须加以处理。在火发电厂，由于使用新的火炉技术，被称作燃失量(LOI)的未燃碳在增加，该新的火炉技术目的是用于降低氧化氮(NOx)的排放。燃烧后仍存在的碳杂质(carbon chards)会结合大量的煤胞，从而在飞尘中包含有具有不同级别磁性的碳/煤胞的混合物。因此，由于碳成分中磁性的分布，使用磁分离技术将未燃碳从粉碎的煤灰尘中分离出来的方法所取得的效果是有限的。
本发明的另一目的在于分离具有类似的表面电特性但具有不同磁属性的颗粒。一个例子是在煤中所发现的顺磁性和反磁性的矿物质。这些矿物质都是不希望出现的，因为它们稀释煤的热含量并导致在煤燃烧的过程中产生矿渣和发出恶臭。尽管这些矿物质具有明显不同的磁性，但它们通常都具有同样为负的摩擦电荷。另一个例子是分离由碳等离子弧沉积方法制备的尺寸极小的磁性颗粒，如磁铁矿。在该弧方法中，所形成的一些颗粒的尺寸小于用于形成磁畴的临界尺寸。当颗粒直径小于磁铁矿的临界磁畴尺寸，通常为500×10-8厘米时，它们就不会显出磁铁物质的典型属性。亚畴尺寸的磁铁矿颗粒是超顺磁性的。它们的特点是具有磁化率且在磁矩中不显示出锁定或滞后现象。
铁磁磁铁矿颗粒用作信息存储的磁性介质。细小的颗粒尺寸具有用于更高存储密度的潜力。超顺磁颗粒还为信息存储提供目前尚未用于该工业中的新方法。然而，目前，将亚畴尺寸的颗粒从碳弧产品中分离出来还受到所采用的静电尺寸分类方法的限制。静电技术不能适应商业产出的规模，其限制将尺寸极小的颗粒用到实验室的潜在可能性。
【发明内容】
本发明关于一种用于类颗粒的设备。该设备包括一磁铁机构，用于使用磁力分离颗粒。该设备包括一紧邻该磁铁机构放置的电机构，用于使用电力来分离颗粒。该设备还包括用于向该磁铁机构和电机构提供颗粒的机构。该提供机构与磁铁机构和电机构衔接。
本发明关于一种用于分类颗粒的方法。该方法包括将这些颗粒提供给一磁铁机构和紧邻该磁铁机构放置的电机构的步骤。接下来的步骤是使用来自磁铁结构的磁力将和来自电机构的电力分离这些颗粒。
在附图中，将示出本发明的较佳实施例和实现本发明的较佳方法。
【附图说明】
图1所示为本发明的设备的示意图。
图2所示为一分裂机结构的示意图。
图3示出在分流器和磁铁表面之间的空间内的等电位线。
图4所示为永久磁铁分离器中的磁通线。
图5所示为永久磁铁分离器表面附近的磁能梯度。
图6所示为本发明的采用电磁或永久磁铁的另一实施例的示意图。
图7所示为在本发明的另一实施例的磁极间的空间内的等电位线。
【具体实施方式】
现在参考附图，其中在整个附图中，相同的参考编号指代类似或相同的部分，更具体的，对其中的图1来说，其中示出了用于分类颗粒的设备10。该设备10包括用于使用磁力分离颗粒的磁铁机构12。该设备10还包括位于邻近该磁铁机构12、用于使用电力分离颗粒的电机构14。该设备10包括用于将颗粒提供给该磁铁机构12和电机构14的机构。该提供机构16与磁铁机构12和电机构14相衔接。
该提供机构16最好是包括用于将电荷传递给这些颗粒的机构。磁铁机构12绕水平轴20旋转。电机构14最好包括电极22。电极22最好紧邻磁铁机构12放置，以便直流电压源60在电极22和磁铁机构12之间施加一电压差。具有磁性的颗粒受到磁铁机构的吸引力，而当该颗粒的带电与该磁铁相同时，其受到该电机构的惯性力和电力的排斥，每个颗粒上各种力的平衡指示该磁性机构旋转时该颗粒去向何方。
传递机构18最好包括一振动托架24，所述颗粒在该托架上振动，并通过该颗粒与振动托架24及其自身之间的接触而在这些颗粒中产生摩擦电荷。传递机构18最好还包括一给料皮带26，其从所述振动托架24接收颗粒并将其带到磁铁机构12，且通过该颗粒与给料皮带26及其自身之间的接触而在这些颗粒中产生摩擦电荷。
提供机构16最好包括一给料漏斗28，所述颗粒通过该漏斗被送到振动托架24。提供机构16最好还包括一在振动给料托架24的出口附近悬于皮带16上的永久磁铁35，用于从进入永久磁铁分离器的给料中除去杂铁。
颗粒最好在围绕旋转轴20的不同的角度位置处脱离开磁铁机构，所述离开时的角度位置依赖于旋转的角速度，磁铁机构12的半径，施加到该磁铁机构12的电压，由该磁铁机构12产生的磁吸引力，皮带26的电性特性，颗粒的尺寸、重量、磁性，以及气动阻力。
该设备10最好包括与该磁铁机构12对准的机械分裂机32，其将离开该磁铁机构的颗粒分成具有不同磁性、电性、机械和化学特性的流。所述磁铁最好包括由钢垫片34分离的永久磁铁37的圆柱形结构的交互部分，这里该永久磁铁与该圆柱体平行地被磁化，其被设置为使得紧邻的面沿相反的方向磁化，该磁铁的磁通放射性地伸出钢垫片34的表面，如图4所示。
所施加的电场强度达到气体的击穿电压。电压最好能达到20,000伏。电极22与磁铁的距离最好近达7mm，且可远至50mm。所述电极22的放置方位最好为关于水平轴20从0度到90度。颗粒的直径最好在0.05um和2.4mm之间。
最好是，具有低功函的颗粒放弃电子，变为带正电荷，而具有高功函的颗粒获取电子，变为带负电荷。所述颗粒最好具有弱磁性，如反磁性或顺磁性，或具有强磁性，如铁磁性或反铁磁性，或为两者的混合。磁铁最好以可变速度旋转以增强对该颗粒的电磁分离。
本发明涉及用于分离颗粒的方法。该方法包括将所述颗粒提供给一磁铁机构12和电机构14的步骤，所述电机构邻近该磁铁机构放置；接着是使用来自磁铁机构12的磁力和来自电机构14的电力来分离所述颗粒。
提供分离的步骤最好包括将电荷传递给颗粒的步骤。在该分离步骤前，最好还具有在该磁铁机构12和电机构14之间施加一电压差的步骤。所述分离步骤最好包括围绕水平轴20旋转该磁性磁铁12的步骤，该步骤使带有磁性的颗粒被该磁铁机构12吸引，但如果其带电与该磁铁的相同，则受到电机构14的惯性力和电力的排斥，每个颗粒上包括气动阻力的各种力的平衡指示该磁性机构旋转时该颗粒去向何方。
在较佳实施例的操作中，可通过引入摩擦力来大大地扩展干燥磁性分离技术的应用范围。摩擦充电可根据颗粒的表面特征来植入正电荷或负电荷。在飞尘的情况下，即使其综合容量磁性(volumnmagnetism)可能类似，无机煤胞和碳杂质也可能具有明显不同的表面。对于尺寸极小的磁铁矿颗粒，尽管容量磁性主要依赖于颗粒尺寸，但表面电特性可以类似。通过增加一适合的电场，可使用摩擦充电来产生用于分离的电力，其或者作为磁力的增加量，或者作为磁力的减小量。在这种方式中，磁性类似于煤胞的磁性的碳颗粒可被组合的力场所分离。此外，当颗粒尺寸降至大约30-40um时，用于摩擦充电的颗粒的每单位质量的电荷，e/m，也随之增加，于是摩擦电的加速随着微粒尺寸的下降而增加。由于磁性加速不依赖于颗粒尺寸，在小颗粒上的磁力受到磁能量梯度BB的限制，且通常随着颗粒尺寸的降低而降低。摩擦力场和磁力场相互补充。改进干燥磁性分离技术以包括摩擦充电将该应用既扩展到具有强磁特性的小颗粒，又扩展到具有弱磁特性的小颗粒。这一点在多种工业制造中均很重要，如制药、包括煤的矿物、磁记录媒体和环境保护等。
附加摩擦力提供了一个有趣的机会。电子传递或摩擦充电由不同表面的接触电位的差别而引起。具有低功函的材料会将电子给予具有较高功函的材料。在功函为5.5eV的二氧化硅与功函为4.0eV的铜表面的摩擦接触中，和在功函为4.0eV的碳颗粒与该铜表面的摩擦接触中，SiO2将变成带负电，而碳将变为获得正电荷。该机构自然产生必要的电荷差以分离这两种材料。
通过调节所施加的电压差的极性，该电力和磁力可分别作为颗粒电荷e和磁矩μ的增量或减小量。对于表I所示的颗粒和场参数，其为净化碳应用的特征，分别为(e/m)V/d和3xgμo*BB的电加速和磁加速是可以比较的。力的增加和较小会对分离具有重要的影响。
表I
飞尘应用颗粒和力场特征 特性 值 单位 电荷质量比 10-5 Coulombs每kg 磁化率xg 20 10-9m3/kg 电位差 5000 Volts 电极间距 0.01 meters 磁能梯变 100 tesla2/meter 自由空间的渗透性 4π×10-7 henry/m
设备10，也被称为电磁分离器，与现有技术中的磁性分离器的显著不同在于使用了增加的新的摩擦力场。本发明不同于采用导电磁极的现有技术中的磁性分离器。在当前的技术中，没有采用克服无意的摩擦充电所带来的效果的装置。该充电会导致在磁性部分中材料的错位，尤其是直径小于10-100um的小颗粒。这限制了该技术的应用。本发明中附加电场可克服与来自镜象电荷的电引力相关的磁性分离的限制。这一点可通过调节磁性分离器的磁极表面上的电位来实现。事实上，由于可同时使用电力和磁力来分离颗粒，所以可使用本发明获得范围更多状态的产品。而且，用于组合方法中的电位差可明显地小于纯摩擦电方法中的电位差，所述纯摩擦电方法在US 4,839,032“分离颗粒混合物的成分”(David R.Whitlock，1989年6月13日)中进行了描述，且组合方法可采用的颗粒尺寸的范围更大。
图1所示为该系统的机械设计。该单元具有一电极22和位于皮带给料器26的磁铁端的分流器。电极22可移动且可置于距该磁铁表面的任意距离处，其距水平面的角度范围可在0-90度。一振动托架24和一传送皮带26将颗粒送到分离器，并通过与振动、接触充电和滑动相关的摩擦将摩擦电荷传递给这些颗粒。除杂铁的磁铁35用于在给料流到达磁性分离器12之前，将强磁性颗粒从该给料流中分离出来。对于所示的结构，磁铁表面电性接地。施加到该电极的电压关于该磁铁的表面为负。它可以是正极性或负极性的。
将包含不同电性表面充电和磁性特征的颗粒的混合物从漏斗28的底部送到振动托架24的表面。该送料器表面可以是绝缘的或金属的，且其所具有的特性使其将电子从混合物中的一种类型的颗粒转移到另一种类型的颗粒。如果这些颗粒是由含碳物质和无机矿物质组成的混合物，如混合原煤，则最好为铜表面。给料器通过与该表面的摩擦接触和通过颗粒-颗粒间的接触将摩擦电荷传递给这些颗粒。它还控制将颗粒送到移动皮带26表面的速率，该移动皮带26位于传送皮带26的惰轮端36。皮带26的速度由电动机61来控制，电动机61改变磁轮、绕水平轴20的旋转速率RPM，轴20与图1中圆柱形磁铁的长度方向平行。
图2为沿该圆柱形磁铁的中间位置所截得的垂直截面图。Φ是带有正电荷和弱磁性的颗粒离开图1所示的旋转磁铁的表面的方向相对于垂直面的角度。注意，分隔器之间的开口的宽度可以被调节，以便控制距该磁铁的前缘，且可通过在铰合处顺时针或逆时针旋转该分隔器的上部部分来调节该分隔器开口，以便满足不同的开口宽度。
在图1所示的结构中，磁铁表面接地且电极22关于该磁铁表面为负，对于该结构来说，到达皮带给料器26的磁铁端的带有负电荷的磁铁颗粒由电力和铁磁吸引力吸引到该磁铁的表面。如果颗粒的磁性和磁铁表面电性吸引力足够大，能够克服倾向于将该颗粒抛离皮带26的惯性力，则这些颗粒将随皮带26行进，并根据该吸引力的大小被收集在图2所示的接收器4、5或6中，力最小的落入接收器4中，最强的落入接收器6中。对于磁铁表面吸引力的合力不足以克服电的排斥作用的颗粒，则重力和惯性力会根据所有涉及的合力，以相对于垂直面小于180度的角度Φ从皮带26被释放。离开皮带26的表面之后，其中在出发点处，动量方向与磁铁表面相切，颗粒在重力、电力和气动阻力的影响下运动，从而落入适当的接收器。与该皮带接触的颗粒可拾取电荷。这一点在该皮带为绝缘体时非常重要，因为在操作过程中摩擦电荷会进行积累。在该皮带上对颗粒放电的时间通常在10秒钟以下的范围内。在低电位时，通常低于1000-5000伏以下时，电容充电将不重要，且颗粒充电时间相比于在皮带上的驻留时间来说比较长。
图1所示的皮带刮具37被用于除去附于该皮带表面的颗粒。当气动阻力的影响可被避免时，整个设备10可置于一真空室内。
在图2中，所示的4号分隔器具有一窄的开口。对于该结构，如果电力、磁力和惯性力平衡，则4号接收器收集从磁铁表面分离的与该垂直面成90度的颗粒。磁化率的值被称做“分离磁化率”。通常，落入图2的接收器1、2、3中的颗粒为反磁性至弱顺磁性的颗粒，当落入接收器4、5、6中的颗粒具有强磁性时，可带有正电荷；而当该磁铁的表面带正电荷时，其带有负电荷。
参考图2，在接收器6中收集的材料通常代表所收集的最具磁性的颗粒。对这些颗粒来说，在分离器的底部的混合电磁力大于这些颗粒的重量，因此惯性力和气动阻力将他们载到接收器6中。在送到该分离器的磁性颗粒中的最小颗粒将集中于该材料中。
图3为穿过磁铁和分隔器的中间平面所得的垂直截面。它示出电极22和磁铁及分隔器表面之间的等位线。该接收器可由导电材料或非导电材料制成。在该图中，磁铁和分隔器的表面是导电的。在图2中所示的长度为2.7英寸长的永久磁铁的尺寸代表在以下例子中所用的分离器。在每个分离器中都将对该分离器结构进行描述。
图4中示出用于产生磁性吸引力的磁铁结构。在该图中示出穿过沿磁铁的长度方向的中心的垂直截面。该磁铁由经圆柱形碳钢垫片34分离的永久磁铁37的圆柱形结构的各交互部分构成。圆柱形磁铁与圆柱体的轴平行地被磁化，且其排列使得最邻近的面在相反的方向上被磁化。在该结构中，磁通量在碳钢垫片34的外侧表面放射性地伸出和返回。这些表面为对应于高的磁能量梯度Meg值的高磁力区域。可使用任意一种永久磁铁。最好使用由钕、铁和硼的混合物制成的永久性磁铁以便产生巨大的力。可对永久磁铁37和垫片34的厚度进行调节以在该磁铁的表面产生最大的力。
图5所示为在0.1mm厚的皮带的表面上，磁铁能量梯度的方向向内的分量的计算值，Meg＝(BB)与沿永久磁铁neyomium2-iron14-boron1的长度方向的距离X的坐标关系。在该例中，该磁铁的直径为2英寸，长度为2.7英寸。其具有10个每个厚度为1.2英寸的永久磁铁晶片，和11个每个厚度为1/16英寸的碳钢晶片。该结构由直径为3/8英寸的杆连接在一起，该杆由非磁性材料制成，其穿过每个永久磁铁和碳钢垫片中心的孔洞。Meg的峰值位于碳钢垫片34的边沿处。在图5中，示出了距该表面的不同距离处的Meg的平均值，用以示出力的强度随距该磁铁表面的垂直距离的变化。
图6中示出了第二实施例。在该结构中，电极置于各磁极之间且作为磁极分离器的磁极结构的一部分，该磁极分离器由一电磁铁或一永久磁铁构成。施加到该电极上的电压由高电压直流电源51和52供应。
图6示出该磁性分离器的磁极的俯视平面图。该磁性分离器的mmf可由传统的电磁铁或超导磁铁来提供。也可由永久磁铁来提供。在图6所示的结构中，待分离的颗粒被引入上述的分离器中。通过磁性分离器的单独的作用，顺磁颗粒在下落穿过该分离器时会偏向极尖，它们会在该极尖下方或附近离开该分离器。反磁性颗粒会被推出，进入远离该磁尖的低的场强区域。位于磁极下方的一系列的刃状物会将离开该磁性分离器的颗粒流分为顺磁部分和反磁部分，其中，该刃状物在US5,017,283 R.R.Oder“磁分离方法及其装置“(1991，5，21)中进行了说明。
在本发明中，引入电极以便颗粒上的电力将加大磁性分离的力。电力利用在这些颗粒间的摩擦电荷差。以煤作为例子，矿物质颗粒带负电，而净煤部分带正电。
图6示出四个不同的电极。就煤而言，电极38和39关于地为负。电极50为两个均接地的磁极。电极40可置为相对于地的正电压。在该模式中，通过电力和磁力这两个力，带正电荷的反磁性颗粒被吸引到电极38和39处，而带负电的矿物质颗粒被吸引到电极40处。以上如图7所示。图7示出了在电极38、39对地为-1,000伏、磁极接地、电极40对地为+1,000伏的情况下，在磁极间的空间内的等电位线。电场在电极38、39和40附近较强，其吸引带负电的颗粒进入磁尖附近的区域，同时使带正电的颗粒偏离进入电极38、39处的低电场强度的区域。
已知当颗粒尺寸减小到一般为直径低于30-40um时，每单位质量的摩擦电荷会随之增加。于是，该磁力将主要用于粗糙颗粒，且在此情况下加入该磁力的电力将主要用于馈送进该分离器的颗粒流中的细小颗粒。由于该互补的作用，该分离力的强度被增加，且可被分离的颗粒尺寸的范围大于仅通过摩擦力或磁力获得的颗粒尺寸的范围。
上述讨论示出了在煤颗粒下落经过一干燥磁性分离器的情况下，将电场增加到磁场的效果。可仅通过改进到高压电源的连接来可改变所施加的电压，以提供带负电的颗粒和带正电的颗粒的分离。图6所示的圆柱形电极可由为使收集的反磁性颗粒最多而形成和放置的电极来替代。此外，上述的分离器并不限于自由落入穿过分离区的颗粒。也可使用气力传输。几个例子：
本发明对一系列的材料进行了分离，表明即使没有向磁铁施加电压，由金属或金属合金制成的所有的干燥磁铁分离器也会受到通过摩擦的或接触作用而自然植入颗粒的电荷影响。该例子通过展示将电场加入到磁性分离器的优点，进一步将本发明同现用技术的分离器的状态区别开来。
在下面的例子中，使用永久磁铁的分离器如上所述。皮带26的厚度为0.1mm。它由涂有特氟隆的纤维玻璃制成。该分离器表面由金属制成且与磁铁表面一道接地。电极22的尺寸和电场的分布通常如图2所示。采用高达15,000伏的电位差，且电极22的间距从7-50mm。使用高达20lbm/hr的给料速度，且采用的磁铁转速在120和240RPM之间。
使用改进的戈尤天平来对磁化率进行测量。(以下所用磁化率的单位均为10-6cm3/g，该单位乘以4π×10-3即可转换为国际标准单位m3/kg。)通过使用马弗炉的灰化测量未燃碳和燃失量(LOI)。使用Leco S32硫确定器来确定硫的含量。ASTM工序D-3174-82和D-4239-83分别被用于灰分和硫的测量。根据标准工序2520进行LOI的测量。使用分辨率为1/10毫克的分析天平来确定重量。例1：电荷的效果
使用额定直径为0.3-0.6mm的煤颗粒来示出摩擦力、摩擦电荷和电容电荷、电场强度、磁力和角速度对电磁分离器的磁性分离的效果。单个的颗粒可以是顺磁性的或反磁性的，且可根据该颗粒的表面和电荷的电容拾取(capacitive pickup)而显示为正电荷或负电荷。本实验的目的是将给料中的反磁性的颗粒和顺磁性的颗粒分开。
摩擦电荷
使用皮带分离器来展示摩擦电荷的存在并表明其能够影响磁性分离。由该皮带传送的颗粒的混合物通过与传送设备的摩擦或通过形成该混合物的不同颗粒间的接触而带电。进行了三种实验。在第一种实验中，使用图1和2中所示类型的传统的磁性分离器，只是磁铁表面和电极间的电压差为0。该磁铁导电。在第二种实验中，由同样尺寸的非磁性铝柱体替代永久磁铁结构。其它所有的实验设备都是一样的。该铝柱体和电极间的电压差仍为0。在第三种实验中，铝圆柱体由同样尺寸的非导电塑料柱体替代。如上所述，该实验设备的其余部分与用于上两步的设备相同。
煤颗粒以2.1lbm/hr的速率被送到该皮带。分离接收器1和2的1号分裂机在该皮带前6.74cm处。所有分裂机的顶部的抬升均低于该皮带的底部。分离接收器2和3的2号分裂机在该皮带前4.2cm处。分离接收器3和4的3号分裂机在该皮带前0.5cm处。分离接收器4和5的4号分裂机位于该皮带处。分离接收器5和6的固定分裂机位于该皮带后3.42cm处。
表IIA
重量和磁化率的直接测量结果 直接测量结果 磁性分离器 铝滚轮 塑料滚轮 接收器 收回 Wt.％ 磁化率 10-6cm3/g 收回 Wt.％ 磁化率 10-6cm3/g 收回 Wt.％ 磁化率 10-6cm3/g 0 1 2产物 3 64.49 -0.06 53.12 0.45 93.44 0.54废料 4 5.11 0.44 4.58 0.25 1.56 0.56废料 5 12.81 0.95 11.82 0.09 2.21 0.69废料 6 17.59 4.37 30.48 1.20 2.78 0.44给料 混合 100.00 0.87 100.00 0.63 100.00 0.54
表IIB
重量和磁化率的综合测量结果 综合测量结果 磁性分离器 铝滚轮 塑料滚轮接收器 收回 Wt.％ 磁化率 10-6cm3/g 收回 Wt.％ 磁化率 10-6cm3/g 收回 Wt.％ 磁化率 10-6cm3/g给料3，4，5，6 100.00 0.87 100.00 0.63 100.00 0.54产物3 64.49 -0.06 53.12 0.45 93.44 0.54废料4，5，6 35.51 2.57 46.88 0.83 6.56 0.55
表IIA和IIB示出了在前皮带滚轮为磁性分离器、为一非磁性但导电的铝柱体，及为非磁性和非导电的塑料柱体的情况下，在不同接收器中收集的材料的重量和磁化率。在表IIA中示出对每个接收器的内容的直接测量结果，表IIB中给出了接收器的综合特征。接收器3、4、5和6的内容的综合代表到分离器的给料。产品由接收器3中的材料组成。丢弃或废料部分在接收器4、5和6中。
磁性分离器分离送入3号接收器中的反磁性部分的重量的64.49％。这是其中反磁性颗粒被分离的仅有的测试。废料磁化率2.57明显地高于综合颗粒的废料磁化率0.87。该分离通过磁性装置或其它装置完成。
铝滚轮分离送入3号接收器的来了的53.12％。其具有弱的顺磁性。占给料46.88％的废料部分反磁性略高于该给料的反磁性。该分离是通过非磁性装置来完成的。在产品和废料部分中的材料的物理和化学特性是不同的，这一点可由其不同的磁化率来证明。需要一个力来分离该废料部分，否则所有的颗粒都将向外被掷向接收器3。该力是该铝滚轮导电表面对带有摩擦电的颗粒的电引力。
塑料滚轮不能完成分离。93.44％的给料被掷入3号接收器。该综合废料所具有的磁化率并非显著异于该废料的磁化率。其中不涉及电力。
具有邻近颗粒流的导电极面的干燥磁性分离器受这些颗粒上的摩擦电荷的影响。本发明不同于现有技术的分离器之处在于其利用附加的电位以克服或改进摩擦电荷对电磁分离的效果。
摩擦电荷和电容电荷
上述实验示出当分离不同颗粒时，存在摩擦电荷，以下所进行的实验示出当使用适当的电位作为磁性分离的一部分时，可获得的一些附加的益处。
在所进行的实验中，以1和20Lbm/Hr之间的速率将颗粒送到电磁分离器的皮带，同时，磁铁以120RPM-240RPM的转速旋转。该电极以与垂直面成90度的角度置于距该永久磁铁表面5cm的位置。分离接收器1和2的1号分裂机位于该皮带前6.74cm处。分离接收器2和3的2号分裂机在该皮带前的4.2cm处。所有分裂机顶端的抬升均低于该皮带的底部。分离接收器3和4的3号分裂机在该皮带前的0.5cm处。分离接收器4和5的4号分裂机位于该皮带处。位于该皮带后3.42cm处的固定分裂机分离接收器5和6。该永久磁铁的结构如图1，尺寸在图2中给出。在图5中示出由该磁性分离器产生的Meg。表III中给出了在一次通过分离中，在磁铁电压位-15,000伏至+15,000伏的电压范围内，以120和240RPM的转速在每个接收器中收集的颗粒的重量和磁化率。接收器0中的材料在进入分离区前被推离开该进给皮带。以下分析将包括这一点。振动进给率保持在17Lbm/Hr。
表III
以120和240RPM的转速收集的颗粒的重量和磁化率 120RPM 电压 接收器0 接收器1 接收器2 接收器3 接收器4 接收器5 接收器6 收回的 重量 磁化 率 收回的 重量 磁化 率 收回的 重量 磁化率 收回的 重量 磁化 率 收回的 重量 磁化 率 收回的 重量 磁化 率 收回的 重量 磁化率 15.000 1.76 2.43 1.46 0.12 21.53 -0.06 39.76 0.06 3.22 0.61 22.23 0.77 10.04 8.06 10.000 0.27 2.72 0.00 0.00 6.75 -0.01 62.00 0.18 4.36 0.94 15.82 1.07 10.81 6.97 5.000 79.02 0.21 4.41 1.70 10.80 2.03 5.78 9.99 0 85.26 0.23 2.71 2.20 6.95 3.54 5.09 8.81 -5.000 81.42 0.30 3.70 1.90 8.82 2.62 6.06 8.94 -10.000 80.15 0.18 3.89 1.12 9.79 1.85 6.17 11.24 -15.000 0.23 1.69 2.34 -0.04 61.92 0.11 5.32 0.59 17.90 0.64 12.29 6.59 240RPM 接收器0 接收器1 接收器2 接收器3 接收器4 接收器5 接收器6 电压 收回的 磁压 重量 率 收回的 磁压 重量 率 0.59 -0.12 收回的 重量磁压率 收回的 重量 磁压 率 收回的 重量 磁压 率 收回的 重量 磁压 率 收回的 重量 磁压率 15.000 41.310.11 40.88 0.88 1.45 1.23 6.23 2.36 9.55 4.60 10.000 30.62-0.01 53.06 0.98 1.69 1.32 6.37 1.87 8.26 6.09 5.000 30.01-0.06 55.21 0.63 1.53 1.50 5.54 2.27 7.71 8.98 0 52.81-0.09 39.14 1.42 0.64 3.24 2.67 3.94 4.73 9.63 -5.000 61.610.01 30.70 1.55 0.75 2.82 2.83 4.04 4.11 9.87 -10.000 55.600.13 36.10 1.05 0.88 2.65 3.04 3.95 4.38 9.11 -15.000 0.61 0.09 60.360.29 31.01 1.40 0.80 2.21 2.94 3.21 4.27 9.79
参考表III，可通过比较在零电压(仅有磁铁)处的测量值和在所施加电压高达+15,000伏的测量值，看到电场的效果。磁铁单独可分离的量占进入接收器3中的材料重量的85.26％。该材料的顺磁化率为0.23。反磁性的材料没有被分离。在接收器4、5、和6中的综合材料占样本重量的14.74％，磁化率为5.1，为接收器3中的22倍。该分离产生强顺磁性的废料部分，但没有反磁性颗粒被分离。
通过根据表IVA和IVB中所示的内容的磁化率来分组这些接收器，可最清楚地看到磁场强度和RPM的效果。具有顺磁化率小于0的反磁性颗粒的接收器将被归为“产品”组。具有磁化率大于0但小于1的颗粒的接收器被归为“中间”组。可对这些颗粒进行第二次分离以收集更多的“产品”。具有顺磁化率大于1的颗粒的接收器将被归为“废料”组。
在表IVA，对于120RPM的转速，很明显应用正电压具有降低待被再处理的中间物质的量的有益效果，同时可将占样品重量21.53％的材料分离到顺磁部分，占重量11.8％的材料分离到强磁性废料部分。这与用于煤中矿物质的负电荷一致，其中一些是顺磁性的。应用负电压不会增加该废料部分的重量和磁化率，但仅产生少量产品，使得所留下的待再处理的中间物质的量与仅由磁分离所制备的相同。
表IVA
以120RPM的转速制备的产品、中间物质和废料部分 120RPM x＜0 0＜x＜1 x＞1 产物 中间物质 废料 电压 收回率 磁化率 收回率 磁化率 收回率 磁化率 15,000 21.53 -0.06 66.67 0.33 11.80 7.22 10,000 6.75 -0.01 66.36 0.23 26.90 3.46 5,000 79.02 0.21 20.98 3.67 0 85.26 0.23 14.74 5.11 -5,000 81.42 0.30 18.58 4.54 -10,000 80.15 0.18 19.85 4.62 -15,000 2.34 -0.04 85.14 0.25 12.52 6.50
表IVB
以240RPM的转速制备的产品、中间物质和废料部分240RPM x＜0 0＜x＜1 x＞1 产物 中间物质 废料 电压 收回率 磁化率 收回率 磁化率 收回率 磁化率 15,000 0.59 -0.12 82.19 0.49 17.23 3.51 10,000 30.62 -0.01 53.06 0.98 16.32 3.95 5,000 30.01 -0.06 55.21 0.63 14.78 5.69 0 52.81 -0.09 47.19 2.41 -5,000 61.61 0.01 38.39 2.65 -10,000 55.60 0.13 44.40 2.07 -15,000 60.98 0.29 39.02 2.47
在240RPM时，如表III所示，磁铁单独可分离占进入接收器2中的材料重量的52.8％的材料。其为反磁性的。在0伏时，6号接收器中的材料的重量低于120RPM时的重量，但磁化率却高于120RPM时的磁化率。从转速为240RPM的表IVB可以很明显地看到，在0电压处不会由磁铁单独产生出中间物质部分。过量的材料，占给料的47.19％，被丢弃在废料部分中。施加用5000伏的电压将产品从占重量的52.81％减小到30.01％，且将废料部分从占重量的47.19降低到14.78％，同时将磁化率从2.41提高到5.69。由此产生占样品重量55.21％的中间部分用于再处理。当施加到磁铁表面的电压关于该电极为负时，不分离反磁性产品。
很明显，除磁力外附加应用电场可改进磁性分离器的性能。极性由待被在磁铁表面处收集的颗粒的摩擦电荷来确定。例2：净化煤。
用作测试煤的是来自PA clearfield县的低kittaning煤，含有26.06％的灰分，7.08％的硫，磁化率为133，且含有占重量0.58％的水分。颗粒尺寸的范围从直径为0.074-1.19mm。以每小时116.3磅的速率将该煤送进实验用的电磁分离器，且在磁铁上施加0和±5000伏电压的情况下被处理，其中，磁铁以100RPM的转速旋转。分离接收器1和2的1号分裂机在该皮带前的6.74cm处。分离接收器2和3的2号分裂机在该皮带前的1.66cm处。分离接收器3和4的3号分裂机在该皮带前的1.16cm处。分离接收器4和5的4号分裂机位于该皮带下方且在该皮带后方的0.88cm处。分离接收器5和6的固定分裂机位于该皮带后的3.42cm处。产品包含在接收器1、2和3中。废料部分在接收器4、5和6中。在表V中对该结果进行了对比，表V对三种电压和不同的Btu收回率情况下的灰分和硫含量降低的百分比进行了比较。
表V
在0Kv、-5kV和+5kV时灰分和硫
相对于不同Btu收回率的降低百分比 -5kV 0kV +5kV Btu 收回率 灰分 硫 Btu 收回率 灰分 硫 Btu 收回率 灰分 硫 ％ 降低％ ％ 降低％ ％ 降低％ 83 32.9 46.1 86 39.0 49.8 88 36.7 49.8 93 15.1 30.0 94 14.9 29.2 95 18.5 33.0 97 7.0 18.6 98 6.1 17.4 97 8.6 21.7 98 4.2 12.5 98 3.8 11.7 98 5.4 15.1 100 0 0 100 0 0 100 0 0
当与施加的电压差为0处的操作进行比较时，施加使磁铁表面关于外部电极22为正的磁场导致在Btu收回率不变的情况下，灰分和硫的降低率更高。当磁铁表面关于外部电极22为负时，灰分和硫的降低率较低。当富含矿物质的成分带负的摩擦电荷时，该测试煤的含碳成分具有正的摩擦电荷。向磁性分离器表面施加正的电压差会改进对含有矿物质的不期望的灰分和硫的去除，且对精煤成分的收回率不会有负面的影响。例3：活性碳-飞尘的混合物。
活性碳从fisher scientific而得。用传统的永久磁铁筛去直径在74um-297um的碳颗粒，以除去磁性杂质和产生反磁性的给料。该材料的磁化率为-0.36，灰分的重量占3.66％，燃失量占重量的96.34％。个别地，对来自粉碎煤火电厂的飞尘样本进行燃烧以除去所有的未燃碳和挥发物。结果所得到的材料为100％的灰分，磁化率为500。没有LOI。该材料100％小于248um且颗粒的平均直径为37.4um。制备由重量占10.09％的活性碳和重量占89.91％的经处理的灰分组成的混合物。该混合物的磁化率为449.6，灰分的重量占90.28％，LOI的重量占9.72％。
以0伏和±5000伏的电压差在实验用的电磁分离器中对该混合物进行一次经过处理。分离接收器1和2的1号分裂机在该皮带前6.74cm处。分离接收器2和3的2号分裂机在该皮带前4.2cm处。分离接收器3和4的3号分裂机在该皮带前1.66cm处。分离接收器4和5的4号分裂机位于该皮带下方且在该皮带后方0.88cm处。分离接收器5和6的固定分裂机位于该皮带后3.42cm处。在表VI中对该结果进行了比较。表VI给出了LOI相对于重量收回率的降低率。此目的是使该产品中LOI的降低率和用于强磁性废料部分的重量收回率为最大。
表VI
处理活性炭和飞尘的混合物的结果(表见下页) 混合物1 -5kVDC 0kVDC +5kVDC Wt.％ LOI ％Red. Wt.％ LOI ％Red. Wt.％ LOI ％Red. 90.1 1.9 81.6 87.4 0.3 96.9 91.1 2.2 78.2 86.7 0.5 94.8 89.4 0.5 95.4 91.8 2.9 72.2 91.5 1.4 84.6 91.1 2.0 79.7 93.6 4.4 57.1 94.1 3.9 58.1 95.9 6.5 34.4 100.0 10.3 0.0 100.0 9.2 0.0 100.0 9.9 0.0
理想的分离覆盖占总重量的89.9％，同时除去100％的活性碳。在磁铁电压为+5000伏的情况下，通过将该结果内插到89.9％的普通重量收回率，实验用分离器将LOI降低91％。在0电压差的磁铁单独将LOI降低89％。在-5000伏的压差的情况下，分离器将LOI降低82％。应用正电压既可提高该应用的重量收回率，又可提高LOI的降低率。
不使用辅助电场(0电压)的磁性分离器所产生的LOI和重量收回率的降低代表以100RPM的转速操作时，磁铁的性能限度。该磁性分离器不能从混合物中分离比这些限定更多的碳，然而将电压施加于该磁铁分离器允许分离带有不能由该磁铁操作单独分离的颗粒的附加碳。例4：飞尘。
飞尘样本从由低NOx火炉改进的烧煤火电厂获得。表VII示出该飞尘的筛选部分(screen fraction)特征。该筛选部分以网格筛选尺寸给出(见化学工程师手册，第5版，Robert H.Perry和Cecil H.Chilton，McGraw-Hill图书公司，纽约，1973)。该LOI在磁化率为最小的最粗糙的筛选尺寸为最大。
表VII
飞尘样本的筛选部分 尺寸 (网孔) Wt.％ 水分 (Wt.％) LOI (Wt.％) 磁化率 (10-6cm3/g) +100网孔 2.61 0.31 24.34 243.6 100×200网孔 13.89 0.29 15.18 325.0 -200网孔 83.51 0.37 6.52 451.2 混合 100.00 0.36 8.19 428.25
使用图1、2所示的皮带磁性分离器26对飞尘按来样进行处理，该磁性分离器上所施加的电压差为0。该飞尘被以9.24Lbm/Hr的速度送给皮带26，该磁铁以100RPM的转速旋转。分离接收器1和2的1号分裂机在该皮带前的6.74cm处。分离接收器2和3的2号分裂机在该皮带前的4.2cm处。分离接收器3和4的3号分裂机在该皮带前的0.5cm处。分离接收器4和5的4号分裂机位于该皮带前方0cm处。分离接收器5和6的固定分裂机位于该皮带后3.42cm处。在表VIII的左手部分示出该分离的结果。仅使用该磁铁，可在收回重量占17.07％的材料，且LOI为5.63％。LOI的降低率为30.4％。
表VIII
在V＝0和V＝20,000伏时产品的分布，一次通过分离 V＝单独磁铁 V＝20,000电磁分离器 接收器 Wt.％ LOI (Wt.％) 磁化率 (10-6cm3/g) Wt.％ LOI (Wt.％) 磁化率 (10-6cm3/g) 0 1 2 0.34 10.10 86.6 3 0.72 9.53 265.8 4 0.28 9.14 549.2 0.53 8.32 529.9 5 82.59 8.59 427.9 77.79 8.51 388.4 6 17.07 5.63 513.2 20.63 5.81 619.1 组合 99.94 8.09 442.8 100.01 7.96 434.8
飞尘典型样本的来源与上述的相同，且使用施加到电极22上的-20,000伏的电压用皮带分离器26对该飞尘样本进行处理，其中，该电极位于接地的磁铁前方5cm处。该飞尘被以9.22Lbm/Hr的速度送给该皮带26，且该磁铁以100RPM的转速旋转。分离器的结构如上所述。表VIII的右手部分示出在该条件下，从飞尘材料分离的隔离物的特征。施加高电压来从接收器5中分离带负电、强顺磁性的颗粒。它们沉积于接收器6中，这里，重量收回率和磁化率都有所增加。富含碳的颗粒被从接收器5和6中移位至接收器2、3和4中。它们的LOI值的范围高达10.10，磁化率的范围低至86.6。它们是顺磁性的，而且其所带的负电比运动到磁铁表面的颗粒的少。带负电且具有强顺磁性的颗粒会运动到磁极部分。
具有最高未燃碳含量和最低磁化率的材料被置换为最远进入接收器2的材料。磁铁的单独作用不会使该材料进入该接收器。该“一次通过”分离的结果是在接收器6中的颗粒的重量收回率和磁化率升高21％，而LOI仅升高3％。电磁场共同作用，以分离磁性分离器单独作用所不能分离的富含碳的颗粒。
尽管在上述的实施例中对本发明进行了详细的说明，但应当理解其仅用于示例的目的。对本专业技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行不同的修改。本发明的精神和范围由权力要求来加以限定。