（中石化上海工程有限公司，上海 200010）

靜電消除系統(tǒng)是用正負(fù)離子對(duì)物料面攜帶的靜電荷進(jìn)行中和以達(dá)到靜電消除的目的。在用空氣作為輸送介質(zhì)的固體粉粒料氣力輸送系統(tǒng)中，靜電最需要注重的危害就是易引起燃爆事故，常設(shè)置靜電消除系統(tǒng)來(lái)消除靜電，依不同物料特性而定。

氣力輸送系統(tǒng)中靜電的產(chǎn)生與生活中產(chǎn)生的靜電的原理一樣，都是不同材質(zhì)的物體互相接觸后，電子受到各種外力的影響發(fā)生轉(zhuǎn)移，分別形成正負(fù)離子后產(chǎn)生的靜電。固體物料在管道內(nèi)輸送的過(guò)程中，不可避免地會(huì)發(fā)生物料與管道之間的撞擊、摩擦，從而產(chǎn)生靜電。固體粉粒料在氣力輸送過(guò)程中會(huì)因?yàn)榕c管道、與粉粒料本身之間的摩擦易產(chǎn)生一定量的拉絲和粉塵，形成可燃物進(jìn)入料倉(cāng)。如果氣力輸送系統(tǒng)中未設(shè)置靜電消除措施，在輸送過(guò)程中產(chǎn)生的靜電荷會(huì)隨著粉粒料一起進(jìn)入料倉(cāng)，并聚集在料倉(cāng)中。當(dāng)這些聚集在料倉(cāng)中的靜電發(fā)生放電，在某些條件下就會(huì)引起燃爆事故。除了容易引發(fā)爆炸，靜電產(chǎn)生的吸附性還會(huì)引起料倉(cāng)中物料的結(jié)塊現(xiàn)象，從而導(dǎo)致下料不暢，輸送能力降低。如果系統(tǒng)中設(shè)有旋轉(zhuǎn)閥或振動(dòng)篩，會(huì)造成旋轉(zhuǎn)閥內(nèi)部堵死而下料不暢或是需要停車清理，也會(huì)造成振動(dòng)篩篩分效果下降，導(dǎo)致廢品率增高。

以聚乙烯（即PE）、聚丙烯（即PP）為代表的聚烯烴物料生產(chǎn)過(guò)程中，氣力輸送環(huán)節(jié)可使聚烯烴粒料常常帶有約1 ～ 5μC/kg 的靜電。當(dāng)料倉(cāng)積聚的靜電大于0.3μC/kg，就可能會(huì)產(chǎn)生錐面放電。由于料倉(cāng)中帶電物料的作用，在料倉(cāng)內(nèi)壁會(huì)產(chǎn)生一個(gè)靜電場(chǎng)，細(xì)小的帶靜電的聚烯烴物粉料會(huì)吸附到料倉(cāng)壁上，形成黏壁料。當(dāng)黏壁料從料倉(cāng)上脫落時(shí)也會(huì)產(chǎn)生靜電放 電。

1 存在的問(wèn)題和分析

靜電消除系統(tǒng)主要由控制柜、分控箱、監(jiān)測(cè)器及消電器四部分組成，系統(tǒng)組成圖見圖1。目前國(guó)內(nèi)固體粉粒體氣力輸送系統(tǒng)項(xiàng)目中使用的多為間歇式采樣靜電消除系統(tǒng)，此類型的靜電消除系統(tǒng)監(jiān)測(cè)器結(jié)構(gòu)和采樣方式導(dǎo)致其在固體粉粒料氣力輸送系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)有電荷檢測(cè)滯后、不精準(zhǔn)、檢測(cè)存在無(wú)數(shù)據(jù)區(qū)間、氣缸結(jié)構(gòu)密封不佳等問(wèn)題；以及沒(méi)有可隨機(jī)調(diào)節(jié)的消電器，從而導(dǎo)致消電效果不理想。

圖1 靜電消除系統(tǒng)組成圖Fig.1 Composition diagram of electrostatic elimination system

間歇式靜電消除系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)器采用法拉第桶原理，由一個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)的可伸縮采樣杯完成取樣，監(jiān)測(cè)器結(jié)構(gòu)圖見圖2。這種采樣杯的檢測(cè)方式存在以下問(wèn)題：① 兩次采樣之間必然存在時(shí)間間隔，留有了無(wú)數(shù)據(jù)更新區(qū)間。大多數(shù)的間歇式靜電消除系統(tǒng)的采樣間隔時(shí)間是以小時(shí)甚至天為單位的。但其實(shí)有許多因素會(huì)造成靜電電荷量的改變，例如天氣條件、輸送物料的物性等。當(dāng)采樣間隔中靜電電荷量有所變化，間歇式靜電消除系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)調(diào)整消電器進(jìn)行消電，會(huì)造成靜電在料倉(cāng)中的積聚。② 采樣杯型式的檢測(cè)靜電荷，因氣缸運(yùn)動(dòng)需要時(shí)間，檢測(cè)數(shù)據(jù)存在滯后性。③ 監(jiān)測(cè)器采樣時(shí)，高速輸送中的物料會(huì)與采樣杯撞擊摩擦，靜電荷增加，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況有一定差別。④ 由于采樣方式的限制，間歇式靜電消除系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)器必須要安裝在輸送方向向下的垂直管道上。⑤ 為保證采樣成功，必須在氣力輸送系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行后方可采樣。⑥ 氣缸結(jié)構(gòu)不能完全密封，細(xì)小粉料容易進(jìn)入腔體，一定時(shí)間后需要維修或更換。

大多項(xiàng)目中靜電消除系統(tǒng)常用的操作模式是半自動(dòng)模式，無(wú)法做到隨機(jī)調(diào)節(jié)。需要操作人員手動(dòng)點(diǎn)擊操作屏幕進(jìn)行采樣和修改消電器電荷量，這樣的模式既浪費(fèi)了人力同時(shí)也多了一個(gè)可能失誤的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

圖2 間歇式靜電消除系統(tǒng)監(jiān)測(cè)器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of monitor in intermittent electrostatic elimination system

2 解決問(wèn)題的探討

通過(guò)上述討論可以看出，首先需要改進(jìn)之處就是監(jiān)測(cè)器的采樣方式。在選擇固體粉粒料氣力輸送中靜電消除系統(tǒng)時(shí)，選擇帶有非氣缸直通型監(jiān)測(cè)器可以規(guī)避氣缸型采樣的缺點(diǎn)。非氣缸直通型直接檢測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)器同樣采用法拉第桶原理，但它的監(jiān)測(cè)器是通過(guò)內(nèi)外壁的電位差檢測(cè)出粉粒料攜帶靜電的極性與電量，并將信號(hào)連續(xù)不間斷地輸出到控制單元中。此方式無(wú)需物料采樣，可以實(shí)現(xiàn)粉粒料靜電的連續(xù)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)檢測(cè)間隔可以縮小到毫秒級(jí)。監(jiān)測(cè)器分為內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)，中間是聚四氟乙烯絕緣層，結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖見圖 3。

圖3 非氣缸直通型監(jiān)測(cè)器結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物圖Fig.3 Structural diagram and practicality picture of electrostatic detector of continuous electrostatic elimination system

其次是靜電消除系統(tǒng)的控制方式，應(yīng)選擇可以全自動(dòng)操作的控制單元來(lái)配合監(jiān)測(cè)器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。消電器可以自動(dòng)接受控制單元傳來(lái)的指令調(diào)整正、負(fù)壓數(shù)值，實(shí)時(shí)產(chǎn)生電荷相等極性相反的離子，該離子通過(guò)電極電場(chǎng)力以及儀表風(fēng)的作用進(jìn)入管道中與物料表面的電荷進(jìn)行中和，從而實(shí)現(xiàn)消電器的在線隨機(jī)調(diào)節(jié)，同時(shí)也滿足了GB 50813—2012《石油化工粉體料倉(cāng)防靜電燃爆設(shè)計(jì)規(guī)范》的條目3.0.7 的建議。

除此之外，監(jiān)測(cè)器和操作方式改進(jìn)后的靜電消除系統(tǒng)還有其他優(yōu)勢(shì)：沒(méi)有氣缸，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，壽命較長(zhǎng)；內(nèi)部無(wú)突出式采樣杯，無(wú)阻擋，不會(huì)造成物料額外破碎，產(chǎn)生碎料和粉塵；無(wú)安裝位置限制，水平、垂直管道上均可安裝；總結(jié)對(duì)比如表1 所示。

表1 改進(jìn)前后靜電消除系統(tǒng)的對(duì)比Tab.1 Comparison of electrostatic elimination systems before and after improvement

3 連續(xù)式在線監(jiān)測(cè)靜電消除系統(tǒng)在石油化工項(xiàng)目中的應(yīng)用成果

3.1 工藝流程簡(jiǎn)介

某石化聚乙烯裝置的粒料由擠出機(jī)生產(chǎn)出料后，經(jīng)氣力輸送系統(tǒng)輸送至裝置內(nèi)的5 臺(tái)摻混料倉(cāng)，摻混料倉(cāng)設(shè)有外循環(huán)線。氣力輸送方式為稀相，輸送介質(zhì)為空氣。輸送介質(zhì)為空氣的氣力輸送系統(tǒng)，需要滿足規(guī)范GB 50813—2012《石油化工粉體料倉(cāng)防靜電燃爆設(shè)計(jì)規(guī)范》。是否需要設(shè)置靜電消除系統(tǒng)需要進(jìn)一步從物料的最小點(diǎn)火能（MIE）以及可燃?xì)怏w體積濃度來(lái)判斷：① 最小點(diǎn)火能≤10 mJ。 ②可燃?xì)怏w體積濃度（LEL）≥20%。滿足其中任意一個(gè)情況就應(yīng)該設(shè)置靜電消除系統(tǒng)。

針對(duì)本項(xiàng)目的物料聚乙烯，查詢物料參數(shù)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到最小點(diǎn)火能及可燃?xì)怏w濃度：

表2 PE 粉體產(chǎn)品燃爆參數(shù)Tab.2 Explosion character data of PE powder products

圖4 PE 裝置聚乙烯料倉(cāng)內(nèi)可燃?xì)怏w分析曲線 [2]Fig.4 Analysis curve of combustible gas in polyethylene silo of PE plant

由上述圖表可知，聚乙烯物料的可燃?xì)怏w濃度可能大于20%。因此，聚乙烯裝置中的氣力輸送系統(tǒng)應(yīng)在料倉(cāng)進(jìn)料口設(shè)置靜電消除系統(tǒng)。最終項(xiàng)目采用帶連續(xù)監(jiān)測(cè)和隨機(jī)調(diào)節(jié)功能的全自動(dòng)在線式監(jiān)測(cè)靜電消除系統(tǒng)，工藝流程圖見圖5。

每個(gè)摻混料倉(cāng)有兩個(gè)進(jìn)料口， 5 臺(tái)摻混料倉(cāng)共設(shè)置10 套靜電消除系統(tǒng)。其主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）消電器指標(biāo)：

正負(fù)離子流調(diào)節(jié)范圍：0 ～ ±200 μA；

消電效率90%以上（或消電后物料荷質(zhì)比≤0.3μC/kg）；

圖5 聚乙烯裝置料倉(cāng)部分工藝流程圖Fig.5 PFD of silo part in polyethylene plant

（2）監(jiān)測(cè)器指標(biāo)：

測(cè)量范圍：-12 ～ +12 μC/kg；

測(cè)量誤差≤10%。

安裝實(shí)物圖見圖6。

3.2 靜電消除效果

在裝置順利投產(chǎn)后，為了能更直觀地了解靜電消除系統(tǒng)的消電效果。在氣力輸送系統(tǒng)正常工作時(shí)短暫關(guān)閉了一次靜電消除系統(tǒng)的消電器，觀察并獲取監(jiān)測(cè)器檢測(cè)到的物料荷質(zhì)比數(shù)據(jù)，制成的圖如圖7所示。

圖6 靜電消除系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)物圖Fig.6 Installed practicality picture of electrostatic elimination system

圖7 PE 聚乙烯裝置摻混料倉(cāng)靜電消除系統(tǒng)消電器開啟前后荷質(zhì)比監(jiān)測(cè)圖Fig.7 monitoring chart of charge mass ratio before and after opening of electrostatic eliminator in blending silo of PE plant

圖7 中的25 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的總時(shí)間為1 min，是靜電消除系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)算法基本均勻的選取偏差較大的時(shí)間點(diǎn)荷質(zhì)比數(shù)值，由圖7 中可以看到：在靜電消除系統(tǒng)開啟前，監(jiān)測(cè)器檢測(cè)到的荷質(zhì)比一直在-3μC/ kg 左右；在第五個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)開啟靜電消除系統(tǒng)后，荷質(zhì)比絕對(duì)值迅速下降并在絕對(duì)值小于0.2μC/kg 的區(qū)間浮動(dòng)，達(dá)到了預(yù)期的消電效果（≤0.3μC/kg）。

4 結(jié)束語(yǔ)

總體來(lái)看，改進(jìn)升級(jí)后的全自動(dòng)連續(xù)式在線監(jiān)測(cè)靜電消除系統(tǒng)的各方面均優(yōu)于間歇式采樣靜電消除系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用中的使用效果也很理想，可以使靜電荷質(zhì)比一直保持在安全數(shù)值下。在固體粉粒料氣力輸送系統(tǒng)中選用靜電消除設(shè)備時(shí)，宜優(yōu)先考慮選用連續(xù)式在線監(jiān)測(cè)靜電消除系統(tǒng)，進(jìn)一步提高固體粉粒料氣力輸送系統(tǒng)安全性、降低粉塵燃爆的危險(xiǎn)性。