孟曉鋒

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司純梁采油廠，山東 濱州 256504)

現(xiàn)代的化工行業(yè)生產中，粉體材料的應用越來越普遍。粉塵在生產、運輸和加工過程中，由于粒子之間及粉塵與管道、設備之間存在摩擦、接觸和碰撞，會產生靜電電荷的積累。當靜電電荷積累到一定量時，會發(fā)生靜電放電，瞬間放出巨大能量，這種靜電能量會引起絕緣擊穿及電擊甚至火災爆炸[1-2]。2002年，遼陽某石化公司聚乙烯裝置中的粉塵產生靜電火花造成爆炸，導致8人死亡、19人受傷，直接經(jīng)濟損失452.78萬元。2012年，廣東某五金制品公司在抽排過程中管道內的鋁粉塵濃度達到爆炸下限，遇靜電火花引發(fā)爆燃，導致7人嚴重燒傷。因此，加強對典型粉塵靜電特性的研究，對預防由粉塵靜電放電引起的火災和爆炸事故具有重要指導意義[3-4]。

現(xiàn)階段使用的的粉塵爆炸實驗裝置普遍較為簡陋，實驗成功率低，教學效果差，實在不適合作為化學工程本科實驗教學裝備[5]。為了更好地實現(xiàn)粉塵靜電教學要求，本文根據(jù)系統(tǒng)功能和實驗條件，研發(fā)設計了一套可在模擬實際工況管道氣力輸送粉塵產生靜電電荷積累的實驗裝置，并選取不同粉塵進行實驗。該實驗專業(yè)性與創(chuàng)新性相結合，可以鞏固化工專業(yè)學生粉塵靜電累積的概念，并運用此裝置測量某一物質的靜電電荷積累量。

1 實驗原理

1.1 粉塵管道氣力輸送靜電起電原理

粉塵在生產過程中一般采用管道內空氣輸送的方式，如果粉塵是可燃性粉塵，且濃度在爆炸極限之間，就會形成粉塵與空氣的爆炸性混合物。若不做好靜電消除措施，便會產生靜電積累，一旦電場強度超過了空氣擊穿場強，就會發(fā)生不同形式的靜電放電現(xiàn)象[6]。當靜電能量大于粉塵最小點火能時，極易導致粉塵燃燒爆炸事故。

本實驗基于雙電層理論以及"接觸─分離"起電機理。不同的粉塵在管道內通過負壓風機輸送，輸送過程中顆粒之間以及顆粒與管道之間摩擦會產生并積累電荷，通過濾筒除塵器和卸料器把粉塵卸到法拉第筒內，通過法拉第筒和電荷測試儀測量粉塵經(jīng)過管道后因摩擦所帶的電荷量。

1.2 法拉第筒原理

法拉第筒是利用靜電感應原理設計的，可以測量粉塵等絕緣性帶電體的電荷量[7]。法拉第筒裝置如圖1所示，由內外兩個圓筒組成，且兩筒之間有一定的間隙，測量之前要用絕緣橡膠或泡沫將間隙堵住，以防被測物料掉落間隙和空氣導電而使測量結果產生誤差。內筒與外筒底部用海綿絕緣，外筒接地。當被測物料掉落至法拉第筒內筒時，內筒內表面由于靜電感應會感應出與物料所帶電荷相反的等量異種電荷，內筒外表面感應出與物料所帶電荷相同的等量同種電荷。通過電荷測量儀可測出內外筒的電位差，通過公式(1)間接測量出物料所帶電荷量。

Q=C·U

(1)

Q-電荷量；C-電容；U-電位差

圖1 法拉第筒測量裝置圖

2 實驗設計

2.1 實驗總體設計

之前的粉體靜電實驗大多采用工業(yè)實際生產使用的機械振動篩等設備[8-10]。對于實驗室研究而言，工業(yè)實際生產設備占地面積大、工藝復雜。通過借鑒其他相關實驗系統(tǒng)特別是粉體靜電測量實驗系統(tǒng)的設計經(jīng)驗[11-13]，從方便和安全的角度出發(fā)，設計了一套管道氣力輸送粉塵裝置，可以研究管道長度、材質、直徑、粉塵種類、粒徑、質量、加料速度、風速等因素對粉塵靜電特性影響。設計時充分考慮了實驗對象、裝置結構以及固定約束方式的良好適用性。

2.2 實驗裝置設計

基于實驗設計方案，構建了如圖2所示全套實驗裝置，包括管道氣力輸送粉塵產生靜電電荷系統(tǒng)以及粉塵靜電電荷測量系統(tǒng)，其中管道氣力輸送粉塵產生靜電電荷系統(tǒng)主要包括噴吹灰系統(tǒng)、MLT-4型濾筒除塵器、灰斗、進出口裝置、管道以及卸料器等，粉塵靜電電荷測量系統(tǒng)包括法拉第筒和電荷測量儀，電荷測量儀能夠測試±2nC-±2μC范圍內的電荷量，精確度能夠達到±1%。

除此之外，實驗過程中還使用了風速測量儀和溫度計，用來測量管道內的風速以及環(huán)境溫度。

1.灰斗；2.箱體；3.花板；4.脈沖清灰裝置；5.進口裝置；6.出口裝置；7.塵氣室；8.凈氣室；9.卸料器；10.設備支架；11.濾筒除塵器；12.法拉第筒；13.電荷測量儀

圖2 實驗裝置示意圖

2.3 實驗步驟設計

實驗前需測量所選物料粉塵的平均粒徑，并在50℃下干燥24小時。將法拉第筒外筒可靠接地，法拉第筒上部內間隙用泡沫塞緊，管道、卸料器、降噪裝置及濾筒箱體的連接處用密封墊處理，管道底部與地面接觸的地方和設備支架都用絕緣墊與地面絕緣，確保卸料器、風機、噴吹灰系統(tǒng)與控制柜的導線連接正確。當選取某一特定粉塵時，可設定不同的風速與加料速度，然后測量靜電電荷積累量并記錄。具體實驗步驟如下：

(1)打開風機和卸料器，使裝置正常運行并吹出管道及裝置內的雜物；

(2)調節(jié)控制柜的頻率按鈕，控制風速并在出風口處讀出風速儀的風速；

(3)將法拉第筒放到卸料器的下方并連接到電荷測量儀，開電源，預熱15min；

(4)進料后完成一次試驗，讀出電荷測量儀的數(shù)值并記錄，關閉風機和卸料器；

(5)將法拉第筒中的物料倒出放在干凈袋子中，將物料清洗、干燥，以便物料循環(huán)利用；

(6)重新步驟(1)～(5)，完成不同風速、不同加料速度的測量實驗。

3 實驗效果分析

3.1 實驗結果及要求

學生在進行實驗時，可測量某一物料在不同加料速度和不同風速下的粉塵靜電電荷積累量。每組學生在完成所需的全部實驗后，根據(jù)電荷測量儀測出的電荷量作為實驗結果，該結果主要包括物料在不同加料速度和風速下與靜電電荷積累量的關系。學生需要對結果進行分析：針對某一實驗物料在特定加料速度下，靜電電荷積累量根據(jù)風速變化趨勢；針對某一物料在特定風速下，靜電電荷積累量隨加料速度變化趨勢；在相同風速、加料速度條件下不同顆粒料靜電電荷積累量結果對比，分析并比較不同顆粒料靜電起電量差異性原因。

3.2 實驗結果及分析

為了測試此套實驗裝置的實用性與效果，分別研究了聚乙烯、聚丙烯、ABS樹脂顆粒料在不同加料速度和風速時的靜電積累量。以粒徑3mmABS樹脂顆粒為例，圖3為風速一定時，隨加料速度的增加，ABS樹脂靜電電荷積累量逐漸增加；圖4為加料速度一定時，ABS樹脂靜電電荷量隨風速的增加而增加。

圖3 加料速度與靜電電荷量積累關系圖4風速與靜電電荷量積累關系

根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)可做出風速、加料速度與電荷積累量的曲線圖，并可從顆粒的大小和形狀、逸出功大小、得失電子能力、轉移膜、溫度、濕度幾個角度去解釋差異的原因。實驗結果證明了此套實驗裝置的可用性，有利于幫助化工專業(yè)學生學習粉塵靜電累積概念并比較不同物料在不同情況下的靜電電荷積累量。在粉塵實際工業(yè)生產中，可根據(jù)實驗結果從減少靜電產生和靜電消散兩個方面提出防靜電對策措施。

4 結語

研制成功的靜電電荷測量實驗裝置結構簡單，操作安全方便，可用于測量各種可燃性粉塵在管道氣力輸送過程中靜電電荷積累量。實驗設計過程中充分考慮了粉塵種類、粒徑、質量、加料速度、風速等多個因素的影響。教學實踐表明，此套實驗裝置不僅能幫助學生更深刻地了解粉塵靜電累積的概念和管道氣力輸送粉塵裝置的原理，還可以測量某一物質的靜電積累量和靜電起電特性，并根據(jù)實驗結果提出相應的防護措施。