聚乙烯粉體輸送系統(tǒng)安全可接受程度分析方法

劉 義, 趙東風(fēng), 路 帥, 尹法波, 張 林

(中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)化工學(xué)院,山東青島266555)

聚乙烯粉體輸送系統(tǒng)安全可接受程度分析方法

劉 義, 趙東風(fēng), 路 帥, 尹法波, 張 林

(中國石油大學(xué)(華東)化學(xué)化工學(xué)院,山東青島266555)

以聚乙烯輸送系統(tǒng)為研究對象,從不同角度系統(tǒng)地分析了輸送系統(tǒng)的危險性?；趯?dǎo)致聚乙烯輸送系統(tǒng)爆炸的必要條件,提出了聚乙烯粉體在輸送過程的安全可接受程度分析方法。該方法包括聚乙烯輸送過程中烴類氣體含量的測定、聚乙烯粉體最小點火能量的測定、聚乙烯粉體與可燃性氣體混合物最小點火能量的計算、靜電放電能量和聚乙烯粉體與可燃性氣體混合物最小點火能量的比較和現(xiàn)有安全措施的有效性分析5個步驟。該方法也可用于評估其它聚烯烴粉料輸送系統(tǒng)的危險性,進(jìn)而確定其相應(yīng)的危險程度,提出有效預(yù)防措施,從而解決困擾石化行業(yè)多年的聚烯烴閃爆問題。

聚乙烯; 粉塵; 爆炸; 靜電放電

隨著我國石油化工行業(yè)的快速發(fā)展,聚乙烯裝置的數(shù)量與生產(chǎn)能力也在高速增長。2007年我國聚乙烯產(chǎn)量是629.5萬噸,但從整體來看,我國聚乙烯缺口仍然很大。隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展,2009年至2010年將是中國聚乙烯生產(chǎn)的高峰期,因此擴大聚乙烯的生產(chǎn)能力將成為今后石化行業(yè)發(fā)展的重要任務(wù)。而與此同時,聚乙烯在生產(chǎn)過程中的閃爆事故也逐漸增多。1999～2000年,中石化集團(tuán)組織金山、揚子、茂名、齊魯和燕化五大聚乙烯生產(chǎn)企業(yè)對聚乙烯生產(chǎn)過程的爆炸進(jìn)行聯(lián)合調(diào)查,調(diào)查結(jié)果表明近年來共發(fā)生聚乙烯閃爆事故70起,且事故均發(fā)生在輸送系統(tǒng),事故調(diào)查分析表明靜電是主要的點火源,可燃性氣體的存在是造成爆炸的主要原因[1-2]。

國內(nèi)外學(xué)者針對聚乙烯生產(chǎn)過程中的閃爆事故進(jìn)行了廣泛而深入地研究,其著眼點主要集中在可能引燃粉體的各種靜電放電形式、靜電放電的能量以及料倉內(nèi)乙烯氣體對粉塵爆炸的影響等[1-9]。但針對聚乙烯粉體輸送系統(tǒng)未有一套行之有效的安全評估方法,因而很難構(gòu)筑聚乙烯輸送系統(tǒng)的安全保障體系。本文旨在提供聚乙烯輸送過程中的危險性評估以及其安全可接受程度的分析方法,研究結(jié)果對預(yù)防聚乙烯及其他的聚烯烴閃爆事故、保障聚烯烴工業(yè)安全運行有一定的指導(dǎo)意義。

1 聚乙烯輸送系統(tǒng)危險性分析

1.1 物料危險性分析

聚乙烯生產(chǎn)工藝中主要的危險有害物質(zhì)包括易燃易爆烴類氣體和爆炸性粉塵,如表1所示。

表1 危險有害物質(zhì)分布Table 1 H azard materials distribution

其中,烴類氣體中的乙烯、乙烷、氫氣和1-丁烯均為甲類易燃?xì)怏w,爆炸下限較低,其最小點火能量也非常小。聚乙烯粉塵受熱后也會分解放出易燃?xì)怏w并與空氣形成爆炸性混合物,具有爆炸的危險性。

影響聚乙烯粉塵發(fā)生爆炸的主要因素有:

(1)粉塵濃度:粉塵/空氣的混合物只有在爆炸上限和下限之間的一定濃度的范圍內(nèi)才具有爆炸性。一般而言,工業(yè)可燃粉塵的爆炸下限位于20～60 g/m3,爆炸上限在2～6 kg/m3。標(biāo)準(zhǔn)低密度聚乙烯粉塵云(粒子直徑小于75μm)的爆炸下限為20 g/m3;標(biāo)準(zhǔn)高密度聚乙烯粉塵云的爆炸下限為20 g/m3。如果粉塵云達(dá)到爆炸極限,遇高溫、靜電火花則可能會發(fā)生爆炸。

(2)足夠的氧氣:粉塵懸浮環(huán)境中需含有足夠維持燃燒的氧氣。對平均直徑小于26μm的聚乙烯粉塵,在O2-CO2氛圍中的氧指數(shù)是12,在O2-N2氛圍中的氧指數(shù)是10。

(3)足夠的溫度和點火能量:能夠點燃粉塵并維持燃燒的最小火花能量稱之為粉塵的最小著火能量或最小點火能量,只能點火源的能量大于粉塵的最小點火能量時點火源才有可能把粉塵點燃。標(biāo)準(zhǔn)低密度聚乙烯粉塵云的最低點火溫度為410℃,最小點火能量約為30 mJ;標(biāo)準(zhǔn)高密度聚乙烯粉塵云的引燃溫度為390℃,最小點火能量約為10 mJ[9]。

(4)粒徑大小:粒徑大小是影響其反應(yīng)速度的重要因素。一般顆粒越小越易燃燒,爆炸也越強烈。當(dāng)粉塵粒徑增大時,粉塵的最小點火能量和爆炸下限將會增加。當(dāng)聚乙烯粒子直徑小于2 mm時,其最小點火能量和粒子直徑近似成指數(shù)關(guān)系[10]。

(5)空氣濕度:當(dāng)空氣濕度較大時,親水性粉塵會吸附水分,從而使其難以彌散和著火,火焰?zhèn)鞑サ乃俣纫矔p小。

(6)化學(xué)成分:當(dāng)有機物粉塵中含有COOH、 OH、NH2、NO、CN和NN等基團(tuán)時,發(fā)生爆炸的危險性較大,含鹵素和鉀、鈉的粉塵,爆炸趨勢減弱。

(7)粉塵湍流程度:對于懸浮在空氣中的粉塵,湍流強度越大則越易吸收空氣中的氧氣而加快其反應(yīng)速率,從而容易爆炸。

1.2 生產(chǎn)過程危險性分析

1.2.1 可燃烴類危險性分析 由于聚乙烯在輸送過程中是采用空氣輸送,且系統(tǒng)中存在粉塵和少量烴類,若輸送的聚乙烯粉塵與空氣混合并達(dá)到爆炸極限,則有可能因為點火源的存在而引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。如果過多的烴類物質(zhì)進(jìn)入聚乙烯粉體輸送系統(tǒng),聚乙烯粉塵的最小點火能量將會迅速下降,其爆炸下限也會降低,從而增大發(fā)生火災(zāi)或爆炸的可能性。圖1表明了可燃?xì)怏w與PVC粉塵共存時可燃?xì)怏w對PVC粉塵爆炸下限的影響[9]。圖2為標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯粉塵的最小點火能量與乙烯濃度的關(guān)系,表明當(dāng)乙烯氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%爆炸下限時,乙烯對粉塵最小點火能量的影響較小[1]。

粉塵與可燃性氣體共同存在時,粉塵的最小點火能量按照式(1)計算[2]:

式中,MIEH—雜混和物最小點火能量;

MIED—可燃粉塵最小點火能量;

MIEG—可燃?xì)怏w最小點火能量;

C—雜混和物中的可燃?xì)怏w濃度;

Copt—可燃?xì)怏w爆炸下限濃度。

該公式適用于Copt>C。

Fig.1 The relationship between gas content and PVC dust lower explosion limit圖1 可燃?xì)夂颗cPVC粉塵爆炸下限的關(guān)系

Fig.2 The relationship between ethylene concentration and MIE of standard PE dust圖2 乙烯氣體濃度與標(biāo)準(zhǔn)聚乙烯粉塵最小點火能量的關(guān)系

另外,當(dāng)可燃性的烴類物質(zhì)與粉塵共存時,可燃性烴類氣體的存在會使得粉塵爆炸級別上升,即增加最大爆炸壓力和最大壓力上升速度,進(jìn)而增加系統(tǒng)的危險性[11]。

1.2.2 靜電危險性分析 聚乙烯粉料與粒料的靜電放電是聚乙烯發(fā)生閃爆事故的重要點火源,其帶電機理主要是非導(dǎo)電的聚乙烯物料在快速輸送狀態(tài)下與管路以及物料之間的摩擦、碰撞、分離等因素導(dǎo)致的。

對聚乙烯粉體輸送系統(tǒng)而言,典型的放電形式有電暈放電、刷形放電、堆表面放電、火花放電和傳播型刷形放電[12]。不同的放電形式其放電能量也有所不同,其中電暈放電屬于微焦耳型放電,引燃危險性較小,僅能引燃部分可燃性氣體。刷形放電的放電能量小于3.6 mJ,可引燃多數(shù)可燃性氣體和低最小點火能量的粉塵。堆表面放電,也稱為Maurer放電和錐形放電,是發(fā)生在粉料堆表面上的一種放電形式,這種放電所需要的條件是:①高電阻率的粉料(大于1010Ω·m);②粗糙顆粒的粉體顆粒(直徑大于1 mm);③具有高電荷質(zhì)量比的粉塵(例如,由于風(fēng)力輸送而帶電);④充裝速度大于0.5 kg/s。堆表面放電能量可達(dá)10 mJ,可引燃多數(shù)可燃性氣體與粉塵。火花放電的放電能量最高可達(dá)1 J,能點燃幾乎全部可燃性的氣體和多數(shù)可燃性粉塵。傳播型刷形放電主要發(fā)生在4～8 mm厚絕緣涂層或粘壁料,且局部絕緣破壞的情況下,其最高放電能量為10 J,幾乎能點燃所有危險性可燃?xì)怏w、可燃液體蒸汽和可燃粉塵及其混合物,是危險性最大的一種放電形式。

2 聚乙烯輸送系統(tǒng)安全可接受程度分析

基于以往的事故調(diào)查表明,聚乙烯粉料在輸送過程中所產(chǎn)生的靜電、管道和料倉所存在的少量可燃性氣體以及可燃性的聚乙烯粉塵是導(dǎo)致發(fā)生爆炸的主要原因。靜電、粉塵和可燃?xì)怏w是導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸的必要條件。靜電導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸的基本條件是:

(1)現(xiàn)場存在著爆炸性混合物,且其濃度在該混合物的爆炸極限范圍內(nèi);

(2)工藝過程中產(chǎn)生和積累足夠的靜電,以至局部電場強度超過空氣的擊穿場強,發(fā)生放電,產(chǎn)生靜電火花;

(3)靜電火花能量超過爆炸性混合物的最小點火能量。

綜合聚乙烯輸送過程中的危險性分析,分析聚乙烯輸送系統(tǒng)安全可接受程度包括以下5個方面:

(1)聚乙烯輸送過程中烴類氣體含量的測定;

(2)聚乙烯粉體最小點火能量的測定;

(3)聚乙烯粉塵與可燃性氣體混合物最小點火能量的計算;

(4)靜電放電能量和聚乙烯粉體與可燃性氣體混合物最小點火能量的比較;

(5)現(xiàn)有安全措施的有效性分析。

對聚乙烯輸送過程中烴類氣體含量的測定是對可燃性烴類氣體的測定,重點是測定輸送過程中含量大且危險性較高的可燃性烴類氣體的濃度,如乙烯等。

聚乙烯粉體最小點火能量的測定是按照 GB/ T16428-1996的規(guī)定進(jìn)行測定,測定過程中要考慮影響測試的因素,如粉塵的性質(zhì)和狀態(tài)、粉塵云性質(zhì)和狀態(tài)、氣候環(huán)境條件和放電火花性質(zhì)等,因此在測定時盡量要使測定條件統(tǒng)一,以減小實驗結(jié)果的誤差。在聚乙烯生產(chǎn)過程中,懸浮的聚乙烯粉塵是最危險的,聚乙烯閃爆也多是由于懸浮的聚乙烯粉塵參與引起的,因此懸浮粉塵的最小點火能量是評價聚乙烯粉體輸送安全可接受程度的主要指標(biāo)。

聚乙烯粉塵與可燃性氣體混合物最小點火能量的計算是依據(jù)式(1)來確定最終混合系統(tǒng)的最小點火能量,以確定可燃性氣體對聚乙烯粉塵最小點火能量的影響。

靜電放電能量和聚乙烯粉體與可燃性氣體混合物最小點火能量的比較是對聚乙烯粉體輸送系統(tǒng)安全可接受程度分析的一個重要步驟,也是進(jìn)行后續(xù)分析的一個關(guān)鍵步驟。其出發(fā)點是假設(shè)1.2.2所介紹的5種靜電放電形式在聚乙烯粉體輸送過程中均存在,通過將計算得出的聚乙烯粉塵與可燃性氣體混合物最小點火能量結(jié)果同不同形式的靜電最大放電能量進(jìn)行比較,以確定在實際生產(chǎn)過程中需要重點預(yù)防的靜電放電形式。

現(xiàn)有安全措施的有效性分析是根據(jù)導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸的條件,針對危險性較大的靜電放電形式及其可能存在的條件,考察現(xiàn)在的安全措施是否到位。重點是對輸送介質(zhì)的分析、烴類氣體濃度的控制措施和靜電預(yù)防措施分析。對輸送介質(zhì)的分析主要是考慮是否有必要由空氣輸送改為氮氣保護(hù)輸送,這取決于靜電放電能量和聚乙烯粉體與可燃性氣體混合物最小點火能量的比較,如果多數(shù)靜電放電形式的最大放電能量均大于或相當(dāng)于聚乙烯粉體與可燃性氣體混合物最小點火能量,如堆表面放電、火花放電和傳播型刷形放電,即聚乙烯粉體與可燃性氣體混合物最小點火能量在10 mJ左右時,此時就需要考慮由空氣輸送改為氮氣保護(hù)輸送,否則就必須增大安全保護(hù)的投入,嚴(yán)格控制烴類氣體濃度并預(yù)防產(chǎn)生各類形式的靜電。對烴類氣體濃度的控制措施即是對可燃物濃度的控制,主要是從工藝角度進(jìn)行控制,盡量減少輸送過程中烴類氣體的濃度。

綜上,根據(jù)導(dǎo)致聚乙烯粉體爆炸的必要條件,聚乙烯輸送系統(tǒng)的主要危險性來源于物料的危險性和靜電危險性,即可燃性粉塵和氣體的存在以及在輸送過程中所產(chǎn)生的靜電。結(jié)合聚乙烯輸送過程中的危險性分析,聚乙烯輸送系統(tǒng)安全可接受程度分析主要包括聚乙烯輸送過程中烴類氣體含量的檢測、聚乙烯粉體最小點火能量的測定、聚乙烯粉塵與可燃性氣體混合物最小點火能量的計算、靜電放電能量和聚乙烯粉體與可燃性氣體混合物最小點火能量的比較和現(xiàn)有安全措施的有效性分析5個步驟。其中靜電放電能量和聚乙烯粉體與可燃性氣體混合物最小點火能量的比較是核心步驟。在整個分析過程中,聚乙烯粒徑是影響分析結(jié)果的重要因素。運用該方法可以有效評估聚乙烯粉體及其他聚烯烴粉體輸送系統(tǒng)的安全可接受程度。

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(Ed.:YYL,Z)

Analysis Method of Acceptable Safety Degree on Polyethylene Dust Conveying System

LIU Yi,ZHAO Dong-feng,LU Shuai,YIN Fa-bo,ZHANG Lin
(College of Chemistry and Chemical Engineering,China University ofPetroleum(Huadong), Qingdao S handong266555,P.R.China)

31A ugust2009;revised12December2009;accepted30March2010

The hazard of polyethylene dust during conveying process was analyzed in different aspects.Based on the necessary conditions of polyethylene dust explosion,the analysis method of acceptable safety degree during the process of polyethylene dust conveying was put forward.The method consists of five steps,which is concentration test of hydrocarbon gas,minimum ignition energy test of the polyethylene dust,minimum ignition energy calculation of the hybrid combustible gas and polyethylene dust,comparing the minimum ignition energy of the hybrid and electrostatic discharge and effectiveness assessment on existing safety measures.The method can be also used to assess the hazard of other poly-olefin dust,determine its hazard extent and provide some effective countermeasures,which can solve the poly-olefin dust explosion problem that puzzles the petrochemical industry for many years.

Polyethylene;Dust;Explosion;Electrostatic discharge

.Tel.:+86-532-86984680;fax:+86-532-86984680;e-mail:lyi77@163.com

X928.1

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.02.020

2009-08-31

劉義(1977-),男,河北滄縣,副教授,博士。

中國石油“十一五”科技攻關(guān)項目(2006AZ-JS-07)。

1006-396X(2010)02-0072-04