高 鑫，李亮亮，陶 彬，劉全楨

(中國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)事故是國內(nèi)外粉體靜電研究熱點。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對顆粒的功函數(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)過程中，如聚乙烯、聚丙烯在氣力輸送過程中因拉絲、摩擦、破損不可避免會產(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)，受實驗室試驗裝置規(guī)模限制，國內(nèi)外主要通過數(shù)值模擬對工業(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，缺少實驗研究相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為此，利用全尺寸料倉粉體靜電試驗裝置，試驗研究氣力輸送粉體過程中質(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際生產(chǎn)過程基于生產(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 實驗材料和方法

1.1 材料

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

1.2 料倉粉體靜電試驗系統(tǒng)

料倉粉體靜電試驗系統(tǒng)為一套全尺寸粉體氣力輸送實驗系統(tǒng)(圖1)，主要包括圓柱形試驗料倉A和試驗料倉B(不銹鋼，直徑3 m，容積約27.9 m)、粉體輸送管道(不銹鋼，DN100，總長度32～36 m；亞克力，DN100，長度約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)運行時，先通過加料料斗向料倉B內(nèi)加入1 t料，待料添加完畢后，關(guān)閉加料料斗，開啟旋轉(zhuǎn)閥B。旋轉(zhuǎn)閥B將料倉B內(nèi)的試驗物料加入氣力輸送管道中，氣體帶動管道內(nèi)物料高速運動，物料從料倉頂部進(jìn)料口管道進(jìn)入試驗料倉A或料倉B中。

圖1 氣力輸送試驗系統(tǒng)流程

1.3 靜電荷質(zhì)比測試

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

Q

時，定容法拉第筒內(nèi)物料質(zhì)量為

m

，則物料荷質(zhì)比

q

計算公式為：

q

=

Q

/

m

(1)

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

t

，計算物料質(zhì)量流量為

m

/

t

；⑤將料倉A中物料重新輸送到料倉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)用對比試驗

在試驗料倉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，測試離子風(fēng)靜電消電器開啟與關(guān)閉時PP粒料的靜電帶電量。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)量流量對PP靜電帶電量影響

固定排空閥開度為30%，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)閥B的控制頻率分別為50，40，30，20 Hz時，將PP粒料從料倉B輸送到料倉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時進(jìn)入料倉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。測試旋轉(zhuǎn)閥B的控制頻率為50，40，30，20 Hz時分別對應(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-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)排空閥開度分別為60%，50%，40%，30%，將PP粒料從料倉B輸送到料倉A(環(huán)境溫濕度分別為16.8～18.6 ℃，39%～45%RH)。隨著排空閥開度減小，試驗管道內(nèi)輸送風(fēng)氣流量增大。利用孔板流量計記錄PP在管道輸送過程中氣流量，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)排空閥開度為60%，50%，40%，30%時，對應(yīng)管道氣流量分別為933，1 005，1 058，1 150 m/h?？梢钥闯鯬P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)流量對物料荷質(zhì)比影響關(guān)系

2.3 離子風(fēng)靜電消電器對PP顆粒靜電帶電量影響

在實際生產(chǎn)過程中，料倉內(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)狻⒎蹓m的混合物。假定填滿帶電物料的料倉為無限長帶電圓柱體筒，筒內(nèi)空間電場：

E

=

ρr

/2

ε

ε

(1)

式中：

E

——電場強(qiáng)度，V/m；

r

——筒半徑，m；

ε

——真空介電常數(shù)，取8.854×10F/m；

ε

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

ρ

——空間電荷密度，C/m。本試驗中，PP的堆積密度

M

=562 kg/m，則：

ρ

=

q

×

M

(2)

根據(jù)公式(1)和(2)，對于半徑為

r

料倉(筒)，當(dāng)筒內(nèi)電場強(qiáng)度

E

=3×10V/m時可能發(fā)生靜電放電現(xiàn)象，此時靜電荷質(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)入料倉內(nèi)物料靜電量。

離子風(fēng)靜電消電器通過送風(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，實現(xiàn)對粉體靜電荷的中和消除，其中控制料倉內(nèi)物料荷質(zhì)比在±0.3 μC/kg是可接受的風(fēng)險。如圖1所示，在兩個試驗料倉進(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)場測試時旋轉(zhuǎn)閥A/B控制頻率為30 Hz，排空閥開度為50%，現(xiàn)場環(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，物料靜電量明顯降低，可控制在±0.3 μC/kg以內(nèi)。

圖5 雙極性離子風(fēng)靜電消除器對PP靜電量的影響關(guān)系

3 結(jié)論

利用自建全尺寸料倉粉體靜電試驗系統(tǒng)，對聚丙烯物料帶電量進(jìn)行試驗測試，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?。浑S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以內(nèi)。為此，化工粉體物料在實際生產(chǎn)過程中，在不影響氣力輸送系統(tǒng)工作的前提下，可通過降低輸送風(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，提高粉體料倉裝置安全水平。