料罐中粉體靜電特性

李俊菲，梁財，胡駕緯，陳曉平，趙長遂

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料罐中粉體靜電特性

李俊菲，梁財，胡駕緯，陳曉平，趙長遂

（東南大學能源與環(huán)境學院，能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，江蘇南京210096）

在料罐靜電測量試驗裝置中，對無煙煤和生物質(zhì)進行靜電特性研究。通過改變流化時間、流化風速等操作參數(shù)，以及粉體種類、粉體粒徑、含水率等物性參數(shù)，用法拉第筒測得粉體荷質(zhì)比，對料罐內(nèi)粉體的靜電量變化規(guī)律進行了研究，并對影響靜電量變化的各因素進行了擬合分析。結(jié)果表明：在相同的試驗條件下，隨著流化時間的延長，物料的荷質(zhì)比增大，當顆粒流化達到90min后，料罐內(nèi)靜電水平達到飽和狀態(tài)；且生物質(zhì)帶正電，煤粉帶負電；隨著流化風速的增大，粉體間碰撞程度劇烈，粉體的荷質(zhì)比增大；流化數(shù)相同的情況下，同種粉體顆粒粒徑越小，荷質(zhì)比越大。小粒徑無煙煤的荷質(zhì)比要明顯大于大粒徑無煙煤的荷質(zhì)比；保持相同的流化條件，生物質(zhì)外水含量越高，生物質(zhì)的荷質(zhì)比越小。

氣力輸送；靜電特性；粉體

粉體在研磨、篩分、造粒及輸送等過程中，由于粉體顆粒之間、顆粒與系統(tǒng)其他部件之間不斷碰撞與分離，導(dǎo)致靜電的產(chǎn)生。在大規(guī)模高效煤氣化技術(shù)中，氣力輸送料罐在進料、儲存和出料過程中，煤粉靜電大量積聚，導(dǎo)致團聚和黏壁現(xiàn)象，甚至還會產(chǎn)生靜電放電，引起可燃粉塵的著火、爆炸等嚴重事故[1-3]。與此同時，高度積聚的電荷還會影響粉體的流動形態(tài)及產(chǎn)品品質(zhì)[4]。例如在氣相法流化床聚乙烯的生產(chǎn)過程中，積累的靜電會導(dǎo)致聚乙烯細粉黏壁、熔融，最終形成結(jié)片，從而影響床內(nèi)的流化狀態(tài)甚至導(dǎo)致停車，影響流化床反應(yīng)器的長期平穩(wěn)運轉(zhuǎn)[5]。

氣力輸送過程通常采用發(fā)送料罐進行分配送料[5-7]。雖然前人對粉體靜電的產(chǎn)生機理及特性進行了一定的研究，但這些研究主要針對氣固流化床和氣力輸送管道中的粉體靜電規(guī)律[8-13]，關(guān)于氣力輸送中料罐內(nèi)粉體靜電特性的研究還遠未成熟。由于料罐內(nèi)粉體靜電特性可借鑒的資料和經(jīng)驗很少，尚未形成完整理論，只能依賴對實際系統(tǒng)進行試驗研究，獲得料罐內(nèi)粉體攜帶靜電的規(guī)律及其影響因素。本文在料罐靜電測量裝置上進行流化試驗，研究不同操作參數(shù)和粉體物性對顆粒靜電特性的影響規(guī)律，深入剖析粉體靜電特性。

1 試驗系統(tǒng)

料罐靜電測量試驗系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由供氣系統(tǒng)、上出料料罐、接收罐、輸送管道、靜電測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成?？諝鈮嚎s機壓縮后的空氣經(jīng)干燥凈化后進入緩沖罐，在緩沖罐中分成流化風和充壓風兩路。上出料料罐采用底部流化上部出料，流化風經(jīng)布風板后對料罐中的物料進行流化，充壓風主要用于維持料罐的壓力。料罐中的物料流化后經(jīng)提升管進入輸送管道，輸送至接收罐。流化風和充壓風的流量采用AM1521Q型金屬管轉(zhuǎn)子流量計測量，料罐中粉體的質(zhì)量由3個高精度稱重傳感器實時測量。料罐為有機玻璃的半圓形料罐，分為上部筒倉段和下部斗倉段，其中筒倉段內(nèi)徑為600mm，高度為420mm，斗倉段半錐角為15°，高度為280mm。分別在料罐下部斗倉段不同高度布置3個取樣口，取樣口距布風板的垂直距離分別為105mm、255mm、405mm。每個取樣口上安裝一個帶有向下傾斜導(dǎo)流管和活塞取樣裝置，用于取樣并測量靜電。常見的靜電測量方法包括探頭法和法拉第筒法，法拉第筒用于直接測量粉體所帶的電荷量，而靜電探頭則可確定反應(yīng)器內(nèi)粉體產(chǎn)生的靜電壓或靜電流。相較于探頭法測靜電，法拉第筒法能夠直接準確測量靜電量，同時避免了顆粒附著于探頭導(dǎo)致的測量不準的問題，成為眾多研究者首選的靜電測量方法[14]。本文所用靜電測量系統(tǒng)如圖2所示，其中包括取樣裝置、法拉第筒和靜電測量儀。樣品的靜電量和質(zhì)量分別通過法拉第筒和電子天平測量。法拉第筒由兩個相互絕緣的同軸容器構(gòu)成，外筒接地，起到靜電屏蔽的作用，內(nèi)筒是測量筒并與靜電測量儀連接（Keithley 6514，Keithley Instruments Inc.，USA）。Keithley 6514型靜電測 量儀測量噪聲＜1fA、電荷測量范圍10fC～20μC、分辨率為6.5，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準確地測量。為確保取樣測量準確度，每次取樣均重復(fù)4次，取平 均值。

圖1 料罐靜電測量試驗系統(tǒng)

1—空氣壓縮機；2—油水分離器；3—緩沖罐；4—充壓風；5—流化風；6—上出料式料罐；7—稱重傳感器；8—接收罐；9—除塵布袋； 10—計算機；11—法拉第筒；12—靜電儀

圖2 靜電測量系統(tǒng)

1—料罐；2—取樣裝置；3—法拉第筒；4—同軸電纜；5—靜電儀

試驗裝置可進行流化和輸送兩個試驗過程。進行流化試驗時，開啟連接布袋管道上的閥門，關(guān)閉連接接收罐的閥門，干燥空氣經(jīng)緩沖罐進入料罐對物料進行流化，流化進程結(jié)束后對料罐內(nèi)的物料進行靜電測量；進行輸送試驗時，關(guān)閉布袋管道閥門，打開接收罐下方管道閥門，同時開啟充壓風，維持料罐內(nèi)的壓力，在粉體物料由料罐輸送到接收罐的過程中，利用稱重傳感器測量料罐質(zhì)量變化，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行在線記錄。

2 試驗物料

試驗選用無煙煤、生物質(zhì)作為試驗物料，其物性參數(shù)見表1。如表1所示：平均粒徑250μm的無煙煤記為1#無煙煤，平均粒徑120μm的無煙煤記為2#無煙煤。其中兩種無煙煤真實密度相同、外水含量接近，生物質(zhì)的平均粒徑與1#無煙煤接近，無煙煤和生物質(zhì)的粒度分布如圖3所示。圖4為3種物料的表面微觀形貌的電鏡掃描圖（SEM），由圖4可以看出兩種無煙煤具有相似的表面微觀形貌：顆粒表面組織致密，石質(zhì)感較強，較為粗糙，沒有明顯的裂縫和孔隙結(jié)構(gòu)，有少許小顆粒附著。本文所用生物質(zhì)為烘焙過的木屑，與無煙煤相比，其表面組織疏松，呈破碎狀，有很多細碎的小顆粒附著。3種物料的外水含量接近且均小于1%，初始外水含量對料罐內(nèi)粉體靜電的影響可以忽略不計。

3 試驗結(jié)果及討論

3.1 流化時間對粉體靜電量的影響

粉體在流化過程中，電荷的產(chǎn)生與耗散幾乎是同時進行的。顆粒與顆粒的碰撞過程也會導(dǎo)致電荷的轉(zhuǎn)移與耗散。顆粒電荷水平的凈變化也是電荷產(chǎn)生與耗散平衡的結(jié)果。在流化過程的開始階段，電荷產(chǎn)生的速度大于電荷耗散的速度，流化床或氣力輸送管道內(nèi)就會形成電場，影響每個帶電顆粒。相應(yīng)地，帶電顆粒通過庫侖力與其他顆粒相互作用，影響流化床內(nèi)的流動形態(tài)，產(chǎn)生一系列的惡劣影響。當流化到一定程度時，靜電的產(chǎn)生和耗散保持平衡，流化床內(nèi)的凈電荷量也因此趨于飽和，此時粉體靜電對粉體流動形態(tài)的影響最大[15]。因此，弄清粉體何時達到靜電飽和狀態(tài)，對于后續(xù)的研究至關(guān)重要。

表1 試驗物料物性

圖3 物料的粒度分布

圖4 3種不同試驗物料的SEM

為了考察粉體靜電量積累隨流化時間的變化，試驗中分別對物料進行了3h的流化，每隔30min進行取樣測量。圖5和圖6分別是煤粉和生物質(zhì)在不同流化時間的荷質(zhì)比。由圖可以看出在流化開始階段，物料的荷質(zhì)比會隨著流化時間顯著增大，大概在90min的時候荷質(zhì)比達到飽和狀態(tài)，此后會保持相當長時間的相對穩(wěn)定狀態(tài)。本文后續(xù)試驗中，粉體靜電量的測量都是在將物料流化90min達到靜電飽和狀態(tài)后進行的。

圖5 250μm煤粉荷質(zhì)比隨流化時間的變化

圖6 230μm生物質(zhì)荷質(zhì)比隨流化時間的變化

3.2 流化風速對粉體靜電量的影響

荷質(zhì)比是表征粉體帶靜電水平的重要參數(shù)，表示單位質(zhì)量粉體的帶電量，由粉體所帶的電荷量除以粉體的質(zhì)量計算得到，單位為μC/kg。為了考察流化風速對料罐內(nèi)粉體靜電的影響，在常溫常壓下，保持床料高度和物料的含水率不變，在不同的流化風速下對1#無煙煤和生物質(zhì)進行了流化試驗。試驗過程中不加充壓風，保持接收罐管路封閉，流化風經(jīng)布風板進入料罐對粉體進行流化。為了保證料罐內(nèi)粉體靜電達到穩(wěn)定，每次試驗都對物料進行90min的流化[16]，隨后通過靜電測量系統(tǒng)進行取樣并測量靜電。試驗所得到的兩種不同物料荷質(zhì)比與流化數(shù)f/mf的關(guān)系曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，兩種物料粒徑相近，隨著流化數(shù)的增加，兩種物料的荷質(zhì)比的絕對值均不斷增大，其中無煙煤帶負電，生物質(zhì)帶正電。粉體在料罐中流化，顆粒不斷與料罐壁面及其他粉體進行接觸、摩擦、分離，導(dǎo)致了粉體靜電的產(chǎn)生和積聚。流化風速的增大加劇了料罐內(nèi)顆粒與顆粒間的摩擦和碰撞的劇烈程度，加快了靜電的生成速率，導(dǎo)致顆粒所帶電荷密度增大[10-11，17-18]。同時有研究人員指出，流化風速變大，床內(nèi)形成的氣泡尺寸變大，氣泡的上升速度變快，顆粒間的碰撞也隨之加劇，靜電水平提高[12]。

圖7 流化風速對物料的荷質(zhì)比的影響

粉體靜電現(xiàn)象是一個橫跨多領(lǐng)域的復(fù)雜現(xiàn)象，其產(chǎn)生與耗散的機理還未被很好的解釋。一般認為，不同粉體顆粒的帶電極性是由顆粒的功函數(shù)、顆粒形狀和尺寸、顆粒表面粗糙程度和受污染程度等因素共同決定的，而在不同的情況下起主導(dǎo)作用的因素不同[19-20]。試驗中發(fā)現(xiàn)，無煙煤始終帶負電荷，生物質(zhì)始終帶正電荷。如圖4所示無煙煤和生物質(zhì)顆粒的表面微觀形貌具有顯著差別，導(dǎo)致了兩者所帶電極性的不同。然而，因為兩種特定物料的功函數(shù)、表面氧化程度等參數(shù)難以獲得，暫時無法對試驗所用無煙煤和生物質(zhì)所帶電荷的極性進行定量 分析。

3.3 顆粒粒徑對粉體靜電量的影響

為了研究粒徑對粉體靜電特性的影響規(guī)律，試驗選取了兩種平均粒徑分別為250μm和120μm的無煙煤（圖4）進行試驗。試驗中在相同的流化數(shù)下對兩種不同粒徑的無煙煤進行流化。圖8為兩種不同粒徑的無煙煤顆粒在特定流化數(shù)下的荷質(zhì)比對比。在特定的流化數(shù)下，兩種無煙煤均帶負電，此節(jié)所述無煙煤的荷質(zhì)比均為絕對值量。如圖8所示，流化數(shù)相同的情況下，120μm的2#無煙煤顆粒所帶的荷質(zhì)比要明顯大于250μm的1#無煙煤的荷質(zhì)比。根據(jù)接觸帶電理論，靜電的產(chǎn)生主要是由顆粒表面功函數(shù)差異和顆粒接觸表面面積決定的[21]。物體的功函數(shù)定義為把一個電子從固體內(nèi)部剛剛移到此物體表面所需的最少的能量。顆粒的粒徑越小，比表面積越大，顆粒的接觸表面積也就越大。因此，在顆粒表面功函數(shù)一定時，粉體顆粒粒徑越小，在顆粒相互接觸碰撞過程中單位質(zhì)量獲得的電荷量越多，即荷質(zhì)比越大。這與本文得到的粒徑小的無煙煤荷質(zhì)比比粒徑大的無煙煤的荷質(zhì)比大試驗結(jié)果一致。

圖8 不同粒徑的無煙煤荷質(zhì)比的對比

3.4 物料含水率對粉體靜電的影響

前文所有試驗結(jié)論都是在物料外水含率幾乎為零的情況下進行的，相關(guān)研究指出，當物料表面吸附水分時，靜電水平顯著下降[12,22-23]。為了探究物料的含水率對物料靜電的生成和耗散的影響規(guī)律，對230μm生物質(zhì)進行了變外水含量的試驗研究。試驗準備了7份質(zhì)量相同，外水含量分別為1%、2%、3%、4%、5%、6%和7%左右的生物質(zhì)，并分別對7種物料在同一流化風速下進行流化，流化相同時間后測得每種物料的靜電量。試驗結(jié)果如圖9所示，隨著生物質(zhì)外水含量的增加，生物質(zhì)的荷質(zhì)比顯著減小。分析上述現(xiàn)象的原因主要有以下兩個方面。

（1）由于物料外水的存在，顆粒表面吸附的水分子增加了顆粒表面的電導(dǎo)率，促進了顆粒所帶靜電的耗散，從而減少靜電積聚。高濕度下，物料的流化過程雖然仍有靜電的生成，但是靜電耗散的更快，使物料的靜電水平處在一個很低的水平。

（2）由物料的表面微觀形貌的電鏡掃描圖（SEM）可以看出生物質(zhì)的顆粒質(zhì)地柔軟，表面粗糙，有空隙結(jié)構(gòu)，極易吸附水分，引起物料團聚和黏壁。這樣就減少了物料顆粒間以及物料與料罐壁面的接觸和碰撞的頻率，從而減少了物料靜電的生成。同時，顆粒團聚形成的新顆粒由于粒徑的增加，也減小了物料的荷質(zhì)比，與上節(jié)分析相吻合。

圖9 不同外水含量下230μm生物質(zhì)的靜電量

3.5 靜電擬合公式

在分別研究發(fā)送罐內(nèi)粉體靜電與各操作參數(shù)和物料特性的關(guān)系后，可以得到流化時間、流化風速、物料粒徑和物料含水率對粉體靜電的影響規(guī)律。然而粉體靜電問題是個復(fù)雜的問題，靜電的生成是各種因素協(xié)同作用的結(jié)果，不能僅僅考慮單個因素的影響。鑒于目前關(guān)于粉體靜電機理研究較少，沒有太多的文獻資料參考，故嘗試在綜合考慮各因素的影響下，采用π定理對影響靜電量的各因素進行量綱分析，并運用SPSS軟件對實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析。

通過分析，發(fā)送罐內(nèi)某特定粉體物料的靜電量與物料含水率、物料粒徑p、流化風速f等物理量有關(guān)。對于本試驗中發(fā)送罐內(nèi)粉體荷質(zhì)比可以寫為如式(1)的形式。

采用π定理可以獲得如式(2)的函數(shù)關(guān)系式。

基于式(2)和實際試驗數(shù)據(jù)，使用SPSS軟件對多組實驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到發(fā)送罐內(nèi)煤粉荷質(zhì)比的擬合公式為式(3)。

實驗值和擬合值比較如圖10所示。從擬合公式(3)中可以看出，隨著弗勞德數(shù)Fr，即流化風速的增大，煤粉的荷質(zhì)比不斷增大；隨著物料含水率不斷增大，煤粉的荷質(zhì)比均不斷減小。

從圖10中可看出，對于煤粉荷質(zhì)比，實驗值與本文擬合值偏差基本在20%以內(nèi)，式(3)基本能夠擬合試驗工況下發(fā)送罐靜電測量試驗中煤粉的靜 電量。

4 結(jié)論

在上出料料罐試驗裝置上，通過改變流化時間、流化風速、物料種類和粒徑以及物料含水率等參數(shù)，研究了料罐內(nèi)粉體攜帶靜電的規(guī)律，并運用SPSS軟件對影響靜電量的各因素進行了擬合分析，得到以下結(jié)論。

（1）經(jīng)過一定時間的流化，物料靜電水平會達到動態(tài)平衡狀態(tài)；而隨著流化風速的增大，粉體的荷質(zhì)比隨之增大；對兩種不同粒徑的無煙煤所帶靜電進行了對比，粒徑小的無煙煤荷質(zhì)比要明顯大于粒徑大的無煙煤荷質(zhì)比；在相同的流化條件下，隨著生物質(zhì)外水含量的增加，生物質(zhì)的荷質(zhì)比顯著減小。

（2）對影響靜電量的各因素進行了擬合。對于煤粉荷質(zhì)比，得到煤粉荷質(zhì)比隨流化風速及物料含水率的變化規(guī)律，且擬合值與實驗值偏差基本在20%以內(nèi)，擬合式基本能夠擬合發(fā)送罐靜電測量試驗中煤粉的靜電量。

符號說明

dp——顆粒粒徑，μm M——含水率，% m——質(zhì)量，kg Q——電荷量，C q——荷質(zhì)比，μC/kg Uf——流化風速，m/s Umf——臨界流化風速，m/s

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Electrostatic characteristics of powders in hopper

，，，，

（Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control Ministry of Education，School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China）

Experiments were conducted to investigate the electrostatic characteristics of anthracite and biomass powders in hopper. The effects of different operating parameters and material properties，in terms of the fluidizing time，fluidizing gas velocity，material type，particle size，the moisture content，on particle charging were examined with particle charge-to-mass measured by Faraday cup. And the fitting analysis on the various factors affecting the electrostatic was implemented. The results indicated that under the same experimental conditions，ratios of powders charge to mass increased as the fluidizing time went on. Charge saturation was attained for fluidization time greater than 90min. Biomass powders were always charged positively，whereas anthracite became negatively charged. As superficial velocity increased with stronger collision，the charge density of powders increased as well. The ratios of charge to mass of small size fine anthracite particles were larger than that of the big size fine anthracite particles with the same superficial velocity. The ratios of biomass powders charge to mass decreased significantly with the increase in the moisture content.

pneumatic conveying；electrostatic characteristics；powders

TQ536

A

1000–6613（2017）10–3633–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0248

2017-02-21；

2017-03-13。

國家自然科學基金項目（51676048）。

李俊菲（1993—），女，碩士研究生，研究方向為流化床內(nèi)顆粒靜電特性。E-mail：seulijf@163.com。

梁財，博士，副教授，從事高壓超濃相氣力輸送、潔凈煤燃燒及焦油的脫除等研究。E-mail：liangc@seu.edu.cn。