高 鑫，李亮亮，陶 彬，劉全楨

(中國(guó)石化青島安全工程研究院，山東青島 266104)

0 前言

食品、化學(xué)及制藥工業(yè)中通常采用氣力輸送系統(tǒng)完成粉料、顆粒料等在不同生產(chǎn)裝置間的輸送作業(yè)。絕緣介質(zhì)會(huì)因顆粒-管道摩擦碰撞或顆粒-顆粒間摩擦而高度帶電，帶電可燃物料可能誘導(dǎo)料倉(cāng)內(nèi)發(fā)生引燃性靜電放電(如火花放電、沿面放電等)，甚至誘導(dǎo)粉塵爆炸。

研究粉粒料摩擦起電機(jī)理、靜電帶電影響因素及其靜電放電引起的工業(yè)事故是國(guó)內(nèi)外粉體靜電研究熱點(diǎn)。在顆粒靜電帶電研究方面，Paresh Vasandani等理論研究表明不同粒徑顆粒因分子量、表面粗糙度等不同會(huì)對(duì)顆粒的功函數(shù)和帶電行為產(chǎn)生影響；Holger Grosshans等發(fā)現(xiàn)顆粒摩擦帶電量與粒子在接觸時(shí)所攜帶電荷量以及顆粒表面電荷局域分布有關(guān)。在石化生產(chǎn)過(guò)程中，如聚乙烯、聚丙烯在氣力輸送過(guò)程中因拉絲、摩擦、破損不可避免會(huì)產(chǎn)生細(xì)粉。細(xì)粉顆粒粒徑越小，可燃粉塵甚至雜混粉塵受靜電放電引燃風(fēng)險(xiǎn)越高。氣力輸送管道內(nèi)物料靜電與物料特性、管徑、風(fēng)速等有關(guān)，受實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)裝置規(guī)模限制，國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)工業(yè)規(guī)模大尺寸氣力輸送顆粒靜電帶電規(guī)律進(jìn)行研究，缺少實(shí)驗(yàn)研究相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為此，利用全尺寸料倉(cāng)粉體靜電試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)研究氣力輸送粉體過(guò)程中質(zhì)量流量、風(fēng)速等消電能力的影響規(guī)律，分析典型可燃物料在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程基于生產(chǎn)工藝優(yōu)化防控靜電危害措施，以期為提高料倉(cāng)裝置粉體靜電控制及粉體靜電危害治理技術(shù)、強(qiáng)化企業(yè)靜電安全管理措施提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 材料

采用聚丙烯粒料(PP，PPH-Y24)作為靜電測(cè)試物料，其典型粒徑3～4 mm，實(shí)測(cè)PP粒料的堆積密度為562 kg/m。

1.2 料倉(cāng)粉體靜電試驗(yàn)系統(tǒng)

料倉(cāng)粉體靜電試驗(yàn)系統(tǒng)為一套全尺寸粉體氣力輸送實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)，主要包括圓柱形試驗(yàn)料倉(cāng)A和試驗(yàn)料倉(cāng)B(不銹鋼，直徑3 m，容積約27.9 m)、粉體輸送管道(不銹鋼，DN100，總長(zhǎng)度32～36 m；亞克力，DN100，長(zhǎng)度約25 m)、氣源系統(tǒng)(羅茨風(fēng)機(jī)最大流量約26.5 m/min，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)冷卻器、水分離器等進(jìn)行冷卻和干燥處理，其中氣源氣量通過(guò)排空閥控制)和變頻旋轉(zhuǎn)閥(轉(zhuǎn)速可調(diào)，聚丙烯粒料輸送能力3～10 t/h)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，先通過(guò)加料料斗向料倉(cāng)B內(nèi)加入1 t料，待料添加完畢后，關(guān)閉加料料斗，開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)閥B。旋轉(zhuǎn)閥B將料倉(cāng)B內(nèi)的試驗(yàn)物料加入氣力輸送管道中，氣體帶動(dòng)管道內(nèi)物料高速運(yùn)動(dòng)，物料從料倉(cāng)頂部進(jìn)料口管道進(jìn)入試驗(yàn)料倉(cāng)A或料倉(cāng)B中。

圖1 氣力輸送試驗(yàn)系統(tǒng)流程

1.3 靜電荷質(zhì)比測(cè)試

利用基于法拉第筒原理加工的檢測(cè)器測(cè)試物料靜電帶電量，其中法拉第筒外徑小于輸送管道內(nèi)徑。在物料靜電測(cè)試時(shí)，定容法拉第筒通過(guò)氣缸推送到管道中取料測(cè)量筒內(nèi)物料電荷量，待電荷量測(cè)量最大值

Q

時(shí)，定容法拉第筒內(nèi)物料質(zhì)量為

m

，則物料荷質(zhì)比

q

計(jì)算公式為：

q

=

Q

/

m

(1)

靜電測(cè)試過(guò)程中：①所有試驗(yàn)物料儲(chǔ)存在料倉(cāng)B中，固定旋轉(zhuǎn)閥B控制頻率50 Hz和排空閥開(kāi)度30%，將料倉(cāng)B內(nèi)物料輸送到料倉(cāng)A中；②利用料倉(cāng)A進(jìn)料管道上安裝的檢測(cè)器A，測(cè)試進(jìn)料口管道內(nèi)物料荷質(zhì)比；③靜電測(cè)試時(shí)每隔15～20 s采集一個(gè)樣品數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)不低于10組；④料倉(cāng)B中物料輸送完畢，記錄輸送時(shí)間

t

，計(jì)算物料質(zhì)量流量為

m

/

t

；⑤將料倉(cāng)A中物料重新輸送到料倉(cāng)B中，待物料靜置1 h后，降低旋轉(zhuǎn)閥B的控制頻率分別為40，30，20 Hz，重復(fù)步驟①～③；⑥固定旋轉(zhuǎn)閥B控制頻率50 Hz，調(diào)節(jié)排空閥開(kāi)度分別為60%，50%，40%，重復(fù)步驟①～③，記錄管道內(nèi)輸送風(fēng)量及測(cè)試的物料荷質(zhì)比數(shù)據(jù)。

1.4 離子風(fēng)靜電消除器應(yīng)用對(duì)比試驗(yàn)

在試驗(yàn)料倉(cāng)A進(jìn)料口管道上安裝雙極性離子風(fēng)靜電消電器。消電器位于檢測(cè)器上方，通徑與輸送管道一致。調(diào)節(jié)正、負(fù)放電針輸出高壓值，測(cè)試離子風(fēng)靜電消電器開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)PP粒料的靜電帶電量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量流量對(duì)PP靜電帶電量影響

固定排空閥開(kāi)度為30%，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)閥B的控制頻率分別為50，40，30，20 Hz時(shí)，將PP粒料從料倉(cāng)B輸送到料倉(cāng)A，隨著旋轉(zhuǎn)閥控制頻率降低，旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速減小，從43.9 r/min(50 Hz)降低到10.8 r/min(20 Hz)。圖2是旋轉(zhuǎn)閥控制頻率20～50 Hz時(shí)進(jìn)入料倉(cāng)A內(nèi)PP粒料荷質(zhì)比變化圖(環(huán)境溫濕度分別為16.8～18.6 ℃，39%～45%RH)?？梢钥闯鲭S著旋轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速降低，PP粒料靜電帶電量升高。測(cè)試旋轉(zhuǎn)閥B的控制頻率為50，40，30，20 Hz時(shí)分別對(duì)應(yīng)PP質(zhì)量流量分別為3.5，3.3，2.7，1.9 kg/s。不同質(zhì)量流量下PP粒料的荷質(zhì)比變化曲線如圖3所示。結(jié)合圖2和圖3可以看出，隨旋轉(zhuǎn)閥控制頻率的降低，PP的質(zhì)量流量減小，但PP的荷質(zhì)比數(shù)值增大，可超過(guò)-6 μC/kg。在氣力輸送管道中，絕緣PP顆粒與金屬管壁碰撞、摩擦帶電。隨著PP質(zhì)量流量減小，PP顆粒與管壁碰撞概率(次數(shù))增加可能導(dǎo)致了PP靜電量的增加。

圖2 不同旋轉(zhuǎn)閥控制頻率下PP靜電荷質(zhì)比數(shù)據(jù)

圖3 不同質(zhì)量流量下PP荷質(zhì)比數(shù)據(jù)

2.2 輸送風(fēng)氣流量對(duì)PP靜電帶電量影響

固定旋轉(zhuǎn)閥B的控制頻率，調(diào)節(jié)排空閥開(kāi)度分別為60%，50%，40%，30%，將PP粒料從料倉(cāng)B輸送到料倉(cāng)A(環(huán)境溫濕度分別為16.8～18.6 ℃，39%～45%RH)。隨著排空閥開(kāi)度減小，試驗(yàn)管道內(nèi)輸送風(fēng)氣流量增大。利用孔板流量計(jì)記錄PP在管道輸送過(guò)程中氣流量，獲得不同輸送風(fēng)流量下，PP粒料的荷質(zhì)比變化曲線，如圖4所示。在旋轉(zhuǎn)閥B的控制頻率為20 Hz、調(diào)節(jié)排空閥開(kāi)度為60%，50%，40%，30%時(shí)，對(duì)應(yīng)管道氣流量分別為933，1 005，1 058，1 150 m/h。可以看出PP荷質(zhì)比大小隨著系統(tǒng)中輸送風(fēng)流量增加而增大，這源于輸送風(fēng)流量的增大，管道中顆粒與管壁之間的摩擦、碰撞劇烈程度增加，導(dǎo)致物料荷質(zhì)比數(shù)值增大。

圖4 調(diào)節(jié)輸送風(fēng)流量對(duì)物料荷質(zhì)比影響關(guān)系

2.3 離子風(fēng)靜電消電器對(duì)PP顆粒靜電帶電量影響

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，料倉(cāng)內(nèi)若在料堆表面發(fā)生錐形放電(典型放電能量10 mJ)，就可引燃可燃?xì)?、粉塵的混合物。假定填滿(mǎn)帶電物料的料倉(cāng)為無(wú)限長(zhǎng)帶電圓柱體筒，筒內(nèi)空間電場(chǎng)：

E

=

ρr

/2

ε

ε

(1)

式中：

E

——電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；

r

——筒半徑，m；

ε

——真空介電常數(shù)，取8.854×10F/m；

ε

——帶電物料相對(duì)介電常數(shù)(聚丙烯相對(duì)介電常數(shù)為2.25)；

ρ

——空間電荷密度，C/m。本試驗(yàn)中，PP的堆積密度

M

=562 kg/m，則：

ρ

=

q

×

M

(2)

根據(jù)公式(1)和(2)，對(duì)于半徑為

r

料倉(cāng)(筒)，當(dāng)筒內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度

E

=3×10V/m時(shí)可能發(fā)生靜電放電現(xiàn)象，此時(shí)靜電荷質(zhì)比

q

：

q

=(0.21/

r

) μC/kg

(3)

根據(jù)公式(3)，理論上料倉(cāng)內(nèi)物料荷質(zhì)比越大，發(fā)生錐形放電的可能性越大。為此，應(yīng)采取必要措施，降低進(jìn)入料倉(cāng)內(nèi)物料靜電量。

離子風(fēng)靜電消電器通過(guò)送風(fēng)系統(tǒng)將高壓放電針激發(fā)空氣分子電離產(chǎn)生的正負(fù)離子吹送到管道中，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉體靜電荷的中和消除，其中控制料倉(cāng)內(nèi)物料荷質(zhì)比在±0.3 μC/kg是可接受的風(fēng)險(xiǎn)。如圖1所示，在兩個(gè)試驗(yàn)料倉(cāng)進(jìn)料口管道上分別安裝雙極性離子風(fēng)靜電消電器A和消電器B(DN100)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)旋轉(zhuǎn)閥A/B控制頻率為30 Hz，排空閥開(kāi)度為50%，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫濕度分別為23.3 ℃和43.8%RH。圖5是雙極性離子風(fēng)消電器使用前后管道內(nèi)PP料靜電荷質(zhì)比變化，可以看出采用雙極性離子風(fēng)靜電消電器時(shí)，物料靜電量明顯降低，可控制在±0.3 μC/kg以?xún)?nèi)。

圖5 雙極性離子風(fēng)靜電消除器對(duì)PP靜電量的影響關(guān)系

3 結(jié)論

利用自建全尺寸料倉(cāng)粉體靜電試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)聚丙烯物料帶電量進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明：化工粉體在氣力輸送中，隨粉體質(zhì)量流量增加，粉體顆粒間碰撞幾率增大，但顆粒-管壁碰撞幾率減小；隨輸送氣體流量增加，管道中顆粒與管壁間的摩擦、碰撞劇烈程度增加，顆粒帶電量增大；采用雙極性離子風(fēng)靜電消電器可有效降低管道內(nèi)物料靜電量在±0.3 μC/kg以?xún)?nèi)。為此，化工粉體物料在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，在不影響氣力輸送系統(tǒng)工作的前提下，可通過(guò)降低輸送風(fēng)量、提高質(zhì)量流量或者采用離子風(fēng)靜電消除器以降低粉體帶電量，提高粉體料倉(cāng)裝置安全水平。