中國(guó)石油安全環(huán)保技術(shù)研究院 劉安琪 中國(guó)石油大學(xué) 趙東風(fēng) 酒江波｜文

粉塵靜電爆炸危險(xiǎn)環(huán)境分為兩種：一是生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位在生產(chǎn)、加工、處理、轉(zhuǎn)運(yùn)或貯存、使用危險(xiǎn)化學(xué)品過(guò)程中出現(xiàn)易燃?xì)怏w、易燃液體或薄霧等易燃物質(zhì),與空氣混合形成爆炸性氣體混合物的環(huán)境；二是生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位在生產(chǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的爆炸性粉塵、可燃性導(dǎo)電粉塵、可燃纖維等,于空氣形成的爆炸性粉塵混合物環(huán)境。近年來(lái)，由于靜電著火、粉塵爆炸事故顯著增多，需引起足夠重視，因此，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外粉塵爆炸事故進(jìn)行分析，運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+粉體消靜電”技術(shù)，提出了粉體消靜電的系統(tǒng)性、智能型、綜合性整體解決方案，即粉體靜電消除、過(guò)程檢測(cè)監(jiān)控及故障自診斷系統(tǒng)。

粉塵爆炸事故研究

國(guó)外研究結(jié)論

20世紀(jì)70年代,是國(guó)外石油化工粉塵靜電爆炸的高峰期，同時(shí)也推動(dòng)了一系列工業(yè)實(shí)驗(yàn)和研究，并得出以下結(jié)論：一是料倉(cāng)內(nèi)主要放電形式包括錐形放電、火花放電、傳播型刷形放電等；二是粗粒料(1～10 mm)比細(xì)粒料（＜1 mm)燃爆危險(xiǎn)更大；三是料倉(cāng)的線性尺寸對(duì)粉體放電有十分重要的影響，料倉(cāng)直徑越大越容易產(chǎn)生靜電放電；四是錐形放電電荷轉(zhuǎn)移量與放電能量有一定的統(tǒng)計(jì)關(guān)系；五是料倉(cāng)中可燃?xì)怏w濃度對(duì)粉塵最小點(diǎn)火能量有至關(guān)重要的影響，混合物最小點(diǎn)火能隨氣體濃度的增加呈指數(shù)率下降；六是粉體起電重復(fù)性差，放電頻率高，處理方式和表面狀態(tài)是影響粉體起電主要因素，如濕度、管線附著層厚度等。另外，塑料粉體自身的靜電是絕大多數(shù)粉塵爆炸的引火源，當(dāng)處理一種產(chǎn)品產(chǎn)生高電位的同時(shí)，又處于爆炸性氣氛中，這種致命的結(jié)合會(huì)使爆炸概率達(dá)到最大。

國(guó)內(nèi)研究結(jié)論

20世紀(jì)80年代至90年代，是國(guó)內(nèi)聚烯烴粉塵靜電爆炸的高峰期。如國(guó)內(nèi)某廠高密度聚乙烯(High Density Polyethylene，HDPE)8個(gè)粉料倉(cāng)先后被炸毀4座；某單位HDPE 4座摻混倉(cāng)在一次事故中就炸毀3座。聚烯烴粉塵爆炸事故的發(fā)生是因?yàn)榉垠w料倉(cāng)中存在空氣，此時(shí)粉塵、氣體、靜電共同作用，達(dá)到一定條件造成的，同時(shí)設(shè)計(jì)缺欠、設(shè)備故障、操作失誤等也是誘發(fā)事故的主要原因。GB 50813—2012《石油化工粉體料倉(cāng)防靜電燃爆設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)定集中應(yīng)用了國(guó)內(nèi)外粉塵靜電爆炸的研究成果和粉塵爆炸的調(diào)查結(jié)論，明確了防止粉塵靜電爆炸的應(yīng)對(duì)策略。

料倉(cāng)粉塵靜電爆炸危險(xiǎn)分析

料倉(cāng)粉塵爆炸是時(shí)間與位置的函數(shù)，是粉體靜電與管理失誤交叉的產(chǎn)物，生產(chǎn)過(guò)程控制一旦出現(xiàn)意外或改變生產(chǎn)條件的平衡，料倉(cāng)粉塵靜電爆炸概率就會(huì)明顯增加。概率的改變往往與人的反射有關(guān)，人為失誤主要表現(xiàn)為以下10點(diǎn)：一是裝置擴(kuò)能改造，忽視了氣體處理設(shè)備同步改造；如某廠一PE裝置擴(kuò)能改造、產(chǎn)能提高30%，但因通風(fēng)設(shè)備未做調(diào)整而連續(xù)出現(xiàn)10余起料倉(cāng)靜電爆炸事故。二是物料脫揮設(shè)計(jì)能力不足、含揮量高；如某廠PP裝置擴(kuò)能改造后干燥器脫揮能力由1 000×10-6增加到2000×10-6，摻混倉(cāng)相繼發(fā)生多起靜電爆炸。三是反應(yīng)不良或生產(chǎn)含揮量高的特殊產(chǎn)品應(yīng)急措施不力；如某廠HDPE裝置一次切換牌號(hào)中反應(yīng)不良，在處理過(guò)渡料中摻混倉(cāng)發(fā)生靜電爆炸。四是料倉(cāng)通風(fēng)設(shè)備出故障，應(yīng)急處理不力；如某廠HDPE摻混倉(cāng)風(fēng)機(jī)臨時(shí)出故障，因未有凈化風(fēng)而發(fā)生靜電爆炸。五是料倉(cāng)通風(fēng)不足，無(wú)監(jiān)控和設(shè)備維護(hù)；如某廠新增乙烯—醋酸乙烯共聚物（ethylenevinyl acetate copolymer，EVA）產(chǎn)品時(shí)物料脫揮困難，凈化風(fēng)不足，料倉(cāng)氣體由20%LEL增加到60%LEL，曾發(fā)生多次靜電閃爆。六是料倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺欠，有產(chǎn)生高能放電的金屬突出物；如某廠低密度聚乙烯（Low Density Polyethylene，LDPE）料倉(cāng)凈化風(fēng)進(jìn)風(fēng)管設(shè)在錐體上部風(fēng)帶、伸進(jìn)倉(cāng)內(nèi)200～300 mm處時(shí)，投產(chǎn)后在該處曾發(fā)生3次靜電燃爆。七是料倉(cāng)斷裂摻混管，或脫落“焊料”放電；如某廠HDPE摻混倉(cāng)摻混管斷裂，未及時(shí)修復(fù)，進(jìn)料中發(fā)生靜電爆炸。八是造粒斷刀和模板嚴(yán)重磨損，粉塵意外增加；如某廠PP裝置切粒機(jī)斷刀，出現(xiàn)由于切割不完全而粘連拖帶的小部分余料，2.5 h后料倉(cāng)發(fā)生靜電燃爆。九是風(fēng)送物料分配閥故障，錯(cuò)投和誤操作；如某廠LDPE裝置一次切倉(cāng)作業(yè)中，錯(cuò)將來(lái)料直接投向包裝倉(cāng)，沒(méi)有凈化風(fēng)進(jìn)料，2 h后發(fā)生靜電爆炸。十是料倉(cāng)進(jìn)出料操作不規(guī)范或誤操作，通風(fēng)失效；如某廠HDPE粉料倉(cāng)因料倉(cāng)不足、采取邊進(jìn)料邊出料操作，曾出現(xiàn)2次靜電閃爆。

粉體靜電消除、過(guò)程檢測(cè)監(jiān)控及故障自診斷系統(tǒng)解決方案

研究表明，在0.7～6.9 t/h負(fù)荷下，料倉(cāng)堆面放電周期為71～26 s。另外，風(fēng)送粉體靜電呈雙極性現(xiàn)象：相對(duì)濕度小于50% RH時(shí)粗粒料多為正極性，細(xì)粒料多為負(fù)極性，整體呈正極性（＋2.6 μA）；相對(duì)濕度增加時(shí)（60%～70% RH），粗細(xì)粒子均以負(fù)極性為主（－7 μA）；濕度大于80% RH時(shí)，靜電開(kāi)始減?。ǎ? μA）。為了消除粉體風(fēng)送過(guò)程靜電，非對(duì)稱雙極性離子風(fēng)消電技術(shù)逐漸受到推崇，理由是原主流產(chǎn)品交流離子風(fēng)靜電消除器（AC式）消電效率低，實(shí)驗(yàn)室消電效率為60%，現(xiàn)場(chǎng)裝置只能達(dá)到30%～50%；而直流式離子風(fēng)靜電消除器（DC式）可能出現(xiàn)可怕的“逆帶電”現(xiàn)象而很少使用。另?yè)?jù)國(guó)內(nèi)研究表明，系統(tǒng)帶電－1.52 μC/kg時(shí)，采用普通雙極性消電方案時(shí)消電效率不超過(guò)90%，剩余電荷量絕對(duì)值大于0.15 μC/kg；用非對(duì)稱雙極性消電方案時(shí)，消電效率為93%～98%，剩余電荷量絕對(duì)值在 0.03～ 0.10 μC/kg，達(dá)到粉體大料倉(cāng)苛刻的消電要求。

根據(jù)這一研究結(jié)果，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)了DQJ－1A離子風(fēng)粉體靜電消除/監(jiān)測(cè)器，用非對(duì)稱雙極性離子風(fēng)消電技術(shù)，取得較好效果，產(chǎn)品樣品經(jīng)中石油安環(huán)院大連分院檢測(cè)確認(rèn)，消電效率大于90%（見(jiàn)圖1、圖 2）。

表1 瑞士粉塵爆炸研究中心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 某企業(yè)兩套PE裝置料倉(cāng)消電器使用數(shù)據(jù)

圖2 某企業(yè)HDPE裝置料倉(cāng)消電器使用數(shù)據(jù)

圖3 粉體靜電消除、過(guò)程監(jiān)控與故障自診斷系統(tǒng)（原理框圖）

并且，用“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)場(chǎng)智能化”技術(shù)對(duì)原產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)改造，開(kāi)發(fā)了粉體靜電消除、過(guò)程檢測(cè)監(jiān)控及故障自診斷系統(tǒng)，顯著提升了設(shè)備運(yùn)行的可靠性和與現(xiàn)代大型企業(yè)操控系統(tǒng)對(duì)接的靈活性，是粉體靜電隱患整治的系統(tǒng)性、智能型、綜合性整體解決方案（見(jiàn)圖3），包括消靜電單元、過(guò)程檢測(cè)監(jiān)控單元、工作站顯示單元、故障自診斷單元等，該系統(tǒng)有6大特點(diǎn)：

一是消靜電設(shè)備技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。國(guó)內(nèi)研發(fā)的粉體靜電消除設(shè)備，使料倉(cāng)非平衡雙極性離子風(fēng)靜電消除技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)，并于2017年升級(jí)為全自動(dòng)型靜電消除技術(shù)，彌補(bǔ)了應(yīng)急情況下，設(shè)備的快速響應(yīng)和安全可靠需求。

二是用“安全界限”和“危險(xiǎn)界限”的概念界定設(shè)備是否“達(dá)標(biāo)”。用經(jīng)過(guò)權(quán)威機(jī)構(gòu)鑒定通過(guò)的“料倉(cāng)電場(chǎng)計(jì)算軟件”作依據(jù)，提供不同料倉(cāng)設(shè)備“達(dá)標(biāo)”情況。其中，“安全界限”是料倉(cāng)不產(chǎn)生放電的界限，適用于通風(fēng)不正?；蚍磻?yīng)不良的控制界限；“危險(xiǎn)界限”是堆面產(chǎn)生高能放電的界限，適用于通風(fēng)和反應(yīng)正常的控制界限。

三是用閉環(huán)監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了粉體消靜電、過(guò)程檢測(cè)監(jiān)控。物料經(jīng)非對(duì)稱雙極性離子風(fēng)消電器后，剩余電荷信號(hào)（μC/kg）由靜電監(jiān)測(cè)器變送至控制器、顯示器。如果顯示值不達(dá)標(biāo)，可以適時(shí)調(diào)整PLC控制器的+/-電壓調(diào)節(jié)器，改變+/-高壓發(fā)生器離子流的比例，直至消電效率達(dá)到安全要求為止。另外，監(jiān)測(cè)器采樣時(shí)間和檢測(cè)周期，可以選擇手動(dòng)或自動(dòng)方式。

四是過(guò)程檢測(cè)監(jiān)控的參數(shù)及結(jié)果可在工作站顯示器上顯示。調(diào)節(jié)過(guò)程和調(diào)節(jié)最終值由工作站的通訊系統(tǒng)和PLC存貯系統(tǒng)記錄顯示，可以將參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值與實(shí)際值進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)柱形圖和趨勢(shì)圖等畫(huà)面顯示，以獲得消靜電的效果信息，為操作者提供調(diào)試指導(dǎo)。

五是用故障自動(dòng)診斷技術(shù)提升設(shè)備的可靠性。設(shè)備運(yùn)行中的供電系統(tǒng)、電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)、靜電采樣測(cè)量系統(tǒng)、消電器正壓通風(fēng)系統(tǒng)、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間與經(jīng)歷等相關(guān)數(shù)據(jù)，均由故障自動(dòng)診斷系統(tǒng)適時(shí)記錄，并適時(shí)給出“報(bào)警”信號(hào)，提示適時(shí)檢查和維護(hù)。

六是用互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全監(jiān)管和咨詢服務(wù)。料倉(cāng)粉體靜電消除/監(jiān)測(cè)設(shè)備專業(yè)性較強(qiáng)，設(shè)備運(yùn)行、調(diào)節(jié)、維護(hù)等需要企業(yè)安監(jiān)系統(tǒng)和供應(yīng)商靜電專家系統(tǒng)適時(shí)指導(dǎo)和咨詢。設(shè)備的過(guò)程監(jiān)控和故障診斷等，可以通過(guò)遠(yuǎn)程通訊提供技術(shù)服務(wù)，并借助靜電專家系統(tǒng)保障設(shè)備安全、合理的運(yùn)行。另外，企業(yè)安全監(jiān)察部門(mén)也可以通過(guò)手機(jī)監(jiān)察設(shè)備的運(yùn)行狀況。