非平衡式雙極性離子風(fēng)消電技術(shù)與應(yīng)用*

高　鑫，李亮亮，劉全楨，宮　宏，孫立富

(1．化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2．中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266100)

0　引言

聚烯烴裝置采用風(fēng)送系統(tǒng)完成物料輸送作業(yè)時(shí)，高絕緣物料因摩擦、碎裂等帶電，并在料倉(cāng)內(nèi)建立強(qiáng)電場(chǎng)[1-2]。料倉(cāng)內(nèi)若發(fā)生料堆表面與罐壁的“錐型放電”、金屬突出物與料堆表面的放電、金屬突出物與粉塵云的“雷狀放電”、粘壁料或涂層的傳播型刷形放電等，可引燃可燃性(雜混)粉塵，造成料倉(cāng)閃爆、產(chǎn)生粘壁料等[3-5]。故此，料倉(cāng)靜電燃爆防護(hù)一直是國(guó)內(nèi)外防災(zāi)研究關(guān)注的熱點(diǎn)。

為防止料倉(cāng)粉體靜電燃爆，國(guó)外開(kāi)展了料倉(cāng)放電的危險(xiǎn)研究和與放電燃爆有關(guān)的基礎(chǔ)研究，包括安全評(píng)價(jià)和工業(yè)控制條件的推薦研究等。物料靜電引燃性主要取決于料倉(cāng)直徑(D)、物料顆粒的中值尺寸(M)、最小點(diǎn)火能(MIE)，當(dāng)D>0.612(MIE0.298/M0.435)時(shí)，料倉(cāng)內(nèi)就存在靜電引燃危險(xiǎn)性[6]；GROSSHANS等[7]研究表明，粉體靜電是管徑、風(fēng)速和質(zhì)量流速相互耦合的結(jié)果，降低風(fēng)速、增大輸料管徑可抑制物料帶電；GROSSEL S[8]探討了固體顆粒安全輸送的設(shè)計(jì)和操作規(guī)程；KLIPPEL A等[9]提供預(yù)測(cè)料倉(cāng)內(nèi)處于爆炸極限內(nèi)粉塵分布方法；YAMAGUMA M等[10]提出料倉(cāng)內(nèi)設(shè)置接地金屬體等控制料倉(cāng)內(nèi)靜電場(chǎng)等。日本《靜電安全指南》規(guī)定，在粉體電阻率高于1012Ω·m且不能避免可能產(chǎn)生的錐形放電時(shí)，需采取惰性化及料倉(cāng)反吹風(fēng)系統(tǒng)，降低可燃?xì)鉂舛?。但在石化生產(chǎn)過(guò)程中，僅停留在采用惰性氣體保護(hù)、工藝過(guò)程控制和管理是不夠的，采用料倉(cāng)粉體靜電消除措施，消除物料帶電量是保障料倉(cāng)安全最穩(wěn)妥的方法。

為降低進(jìn)入料倉(cāng)的物料靜電量，在料倉(cāng)進(jìn)料管道上安裝離子風(fēng)消電器，可利用高壓放電針將空氣離子化以中和物料所攜帶靜電荷[11-15]。日本CHOI K和MOGAMI T等[13-15]利用交流型(AC)和直流型(DC)離子風(fēng)靜電消電器用于聚丙烯(PP)粒料靜電，這雖然從實(shí)驗(yàn)上降低了PP帶電量，但PP消電后剩余靜電量仍較高，且未形成工業(yè)化實(shí)用技術(shù)。為克服傳統(tǒng)AC型消電器消電效率低，DC型消電器易造成物料“逆帶電”現(xiàn)象，依據(jù)現(xiàn)有聚烯烴生產(chǎn)裝置特點(diǎn)，中國(guó)石化長(zhǎng)期開(kāi)展了(非平衡式)雙極性靜電消電器應(yīng)用研究工作。雙極性離子風(fēng)消電器的應(yīng)用借助管道粉體監(jiān)測(cè)設(shè)備，按物料實(shí)測(cè)電荷量適時(shí)預(yù)置或調(diào)節(jié)2種極性放電針離子流的大小，以取得最佳中和效果。但國(guó)內(nèi)外尚無(wú)料倉(cāng)管道靜電自動(dòng)監(jiān)測(cè)及聯(lián)鎖控制技術(shù)裝備，亟需通過(guò)構(gòu)建雙極性離子風(fēng)消電系統(tǒng)，研究消電器消電電壓調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)消電器消電效果的影響規(guī)律，為優(yōu)化料倉(cāng)靜電治理技術(shù)裝備、開(kāi)發(fā)料倉(cāng)管道粉體靜電在線監(jiān)測(cè)與自動(dòng)消除系統(tǒng)提供重要參考依據(jù)。

1　非平衡式雙極性離子風(fēng)消電技術(shù)

離子風(fēng)管道粉體靜電消除器通過(guò)高壓電極放電針發(fā)生電暈放電，使空氣分子電離，再由送風(fēng)系統(tǒng)將正負(fù)離子吹送到管道中，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉體靜電荷的消除。如圖1所示，雙極性靜電消電技術(shù)充分利用了DC式消電器消電效率高的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)正、負(fù)放電針相間布置以提高離子流噴射距離[16-17]，而非平衡雙極性離子流消電技術(shù)是指可獨(dú)立調(diào)節(jié)正、負(fù)電極針施加正負(fù)高壓的大小以調(diào)節(jié)正負(fù)離子濃度，以優(yōu)化消電器的消電能力。

圖1　雙極性離子風(fēng)消電技術(shù)示意Fig.1　Schematic of bipolar ionized wind electrostatic elimination technology

2　非平衡式雙極性離子風(fēng)消電系統(tǒng)

2.1　非平衡式雙極性離子風(fēng)消電器

雙極性離子流消電器結(jié)構(gòu)如圖2所示， 包括絕緣體電極座、放電電極(放電針)、保護(hù)罩、法蘭、管道和連接法蘭。在消電器中，分別加在放電電極上的正、負(fù)高壓產(chǎn)生正、負(fù)離子，產(chǎn)生的離子通過(guò)電極電場(chǎng)力作用以及電極附近的高壓氣體將離子帶到管道中，對(duì)管道物料表面的靜電荷進(jìn)行中和，從而達(dá)到消除管道粉體靜電的目的。

設(shè)計(jì)時(shí)，在離子風(fēng)消電器的放電電極與高壓發(fā)生器之間增加限流電阻(60 MΩ，如圖1所示)，防止電極意外短路產(chǎn)生大電流[11-13]；同時(shí)，消電器采用正壓保護(hù)型設(shè)計(jì)，消電器工作時(shí)密封室內(nèi)充滿壓縮空氣，且密封室內(nèi)部氣體壓力高于輸料管道內(nèi)氣流壓力，避免在密封室內(nèi)部形成爆炸性粉塵環(huán)境，以符合《可燃性粉塵環(huán)境用防爆電氣設(shè)備 第1部分：通用要求》(GB 12476.1—2013)及《可燃性粉塵環(huán)境用防爆電氣設(shè)備 第7部分：正壓保護(hù)型“pD”》(GB 12476.7—2010)要求。

目前常用的雙極性離子風(fēng)消電器通徑與石化風(fēng)送系統(tǒng)管道尺寸一致，長(zhǎng)度為400 mm；消電器內(nèi)部裝有2排放電電極，電極個(gè)數(shù)由于管道直徑的不同有所差別。

圖2　雙極性離子風(fēng)靜電消除器結(jié)構(gòu)示意Fig.2　Schematic of bipolar electrostatic eliminator

2.2　粉體靜電監(jiān)測(cè)器

離子風(fēng)靜電消除系統(tǒng)設(shè)備是借助于安裝在料倉(cāng)進(jìn)料口的粉體靜電監(jiān)測(cè)器，按物料實(shí)測(cè)電荷量適時(shí)預(yù)置不對(duì)等的正負(fù)側(cè)控制電壓，調(diào)節(jié)正、負(fù)極性放電針離子流的大小，以取得最佳中和效果。目前，粉體靜電監(jiān)測(cè)器主要基于法拉第筒檢測(cè)原理檢測(cè)管道內(nèi)物料荷質(zhì)比(物料總帶電量與其質(zhì)量比值，μC/kg)。粉體靜電監(jiān)測(cè)器主要包括安裝在管道內(nèi)的檢測(cè)筒和電荷儀。檢測(cè)筒為一封閉金屬筒體，當(dāng)帶電粉體加到檢測(cè)筒內(nèi)時(shí)，粉體所帶的電荷就會(huì)等量、反極性感應(yīng)到檢測(cè)筒內(nèi)壁，同時(shí)檢測(cè)筒外壁感應(yīng)與粉體帶電量相等、極性相同的電荷。用靜電荷儀測(cè)量檢測(cè)筒外側(cè)的電荷量獲得筒內(nèi)粉體帶電情況，根據(jù)檢測(cè)筒內(nèi)粉體的質(zhì)量反推帶電粉體荷質(zhì)比。

常用靜電監(jiān)測(cè)器通徑與風(fēng)送系統(tǒng)管道一致，監(jiān)測(cè)器本體在側(cè)壁設(shè)有定容式電荷采集器，不工作時(shí)法拉第筒停在管道外部，工作時(shí)由氣缸帶動(dòng)進(jìn)入到管道中取料測(cè)量，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。管道粉體靜電監(jiān)測(cè)器和靜電消除器的實(shí)物如圖4所示。

圖3　靜電監(jiān)測(cè)器結(jié)構(gòu)示意Fig.3　Schematic of electrostatic monitor

圖4　靜電監(jiān)測(cè)器(左)和靜電消除器(右)Fig.4　Photograph of the electrostatic monitor (left) and electrostatic eliminator (right)

2.3　離子風(fēng)消電控制系統(tǒng)

常見(jiàn)料倉(cāng)進(jìn)料口安裝的粉體靜電消除系統(tǒng)電路、氣路連接示意圖如5所示。

圖5　料倉(cāng)進(jìn)料口安裝粉體靜電消除系統(tǒng)電路、氣路連接示意Fig.5　The gas circuit, circuit layout of static elimination system

離子風(fēng)消電系統(tǒng)使用時(shí)需要與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀電操控系統(tǒng)對(duì)接，可按“消電器—監(jiān)測(cè)器—分控箱—控制柜”設(shè)計(jì)，相應(yīng)系統(tǒng)包括：

1)消電器。消電器本體內(nèi)置正、負(fù)極性高壓發(fā)生器(高壓模塊)，輸出電壓受控于PLC的輸入端。

2)粉體靜電監(jiān)測(cè)器。氣動(dòng)式電荷采集器和測(cè)量開(kāi)關(guān)均受控于PLC的輸入端；電荷變送器采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸送，通過(guò)PLC處理后直接顯示單位質(zhì)量電荷量(μC/kg)。

3)分控箱?，F(xiàn)場(chǎng)控制箱為1個(gè)不銹鋼箱，將控制室的控制信號(hào)及壓縮空氣分配給消電器與監(jiān)測(cè)器。

4)PLC控制柜。控制柜內(nèi)控制器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集、處理、調(diào)整。

3　非平衡式雙極性離子風(fēng)消電系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為控制料倉(cāng)物料靜電，某廠聚乙烯(PE)裝置包裝料倉(cāng)進(jìn)料管(DN300)安裝了1套包括靜電消電器和靜電監(jiān)測(cè)器的離子風(fēng)消電系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖6所示。

圖6　某聚乙烯包裝料倉(cāng)靜電消電器及監(jiān)測(cè)器Fig.6　Photograph of the unbalanced bipolar ionized wind electrostatic elimination system used in a polyethylene packaging silo

PE裝置運(yùn)行調(diào)試的過(guò)程中，通過(guò)PLC控制端調(diào)節(jié)離子風(fēng)消電器內(nèi)部正、負(fù)高壓發(fā)生器輸出電壓(0～10 kV)調(diào)控比例，對(duì)離子風(fēng)消電系統(tǒng)的消電能力進(jìn)行測(cè)試。不同正、負(fù)高壓發(fā)生器輸出電壓調(diào)控比例下PE物料荷質(zhì)比檢測(cè)值如表1所示(包裝倉(cāng)進(jìn)料約60 t/h，儀表風(fēng)供氣壓力0.6 MPa)。

離子風(fēng)消電系統(tǒng)通過(guò)靜電監(jiān)測(cè)器對(duì)管道物料靜電進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量值反饋到控制器，并通過(guò)手動(dòng)設(shè)置控制消電器內(nèi)置正、負(fù)極性高壓發(fā)生器，從而對(duì)正、負(fù)離子流進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證物料荷質(zhì)比絕對(duì)值在0.3 μC/kg以下[5]。從表1的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，該P(yáng)E裝置中物料帶負(fù)電，僅調(diào)節(jié)正高壓發(fā)生器輸出電壓調(diào)控比例為65%時(shí)(單極性消電)，此PE裝置系統(tǒng)物料荷質(zhì)比為超過(guò)0.3 μC/kg；保持消電器正高壓發(fā)生器輸出電壓調(diào)控比例為65%，將負(fù)高壓發(fā)生器輸出電壓調(diào)控比例從30%逐步提高至65%，PE靜電量先降低后增大。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，采用非平衡式雙極性消電技術(shù)，在保證物料荷質(zhì)比絕對(duì)值不大于0.3 μC/kg的同時(shí)，可有效降低消電器控制電壓的大小。

圖7是該包裝料倉(cāng)正常作業(yè)時(shí)靜電消除器系統(tǒng)運(yùn)行前后物料荷質(zhì)比，結(jié)合表1和圖7測(cè)試數(shù)據(jù)看，采用非平衡式雙極性離子流消電器時(shí)，物料荷質(zhì)比可穩(wěn)定在±0.3 μC/kg以內(nèi)，滿足《石油化工粉體料倉(cāng)防靜電燃爆設(shè)計(jì)規(guī)范》 (GB 50813—2012)石化料倉(cāng)靜電安全控制要求。

表1　某PE包裝料倉(cāng)用靜電消電器調(diào)試過(guò)程測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7　某PE包裝料倉(cāng)用靜電消電器運(yùn)行前后物料靜電量Fig.7　Static electricity before and after the operation of electrostatic eliminator

4　結(jié)論

1)采用離子風(fēng)靜電消電系統(tǒng)，降低進(jìn)入料倉(cāng)物料靜電帶電量，可有效抑制聚烯烴等高絕緣粉體料倉(cāng)的靜電燃爆事故。

2)非平衡式雙極性離子風(fēng)消電器，采用正、負(fù)放電針相間布置，同時(shí)消電器本體內(nèi)置正、負(fù)極性高壓發(fā)生器，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)節(jié)正、負(fù)電極針施加正負(fù)高壓的大小。

3)基于非平衡式雙極性消電技術(shù)，可有效降低消電器控制電壓的大小，同時(shí)保證物料荷質(zhì)比絕對(duì)值不大于0.3 μC/kg，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，有助于保障料倉(cāng)裝置風(fēng)送系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]GROSSHANS H, PAPALEXANDRIS M V. Numerical study of the influence of the powder and pipe properties on electrical charging during pneumatic conveying[J]. Powder Technology, 2017, 315: 227-235.

[2]孫可平, 于格非. 粉體料倉(cāng)灌充期間倉(cāng)內(nèi)電場(chǎng)模型研究[J]. 粉體技術(shù), 1997, 3(1): 22-25.

SUN Keping, YU Gefei. Research on electric field model in silo during filling powder[J]. Powder Science and Technology, 1997, 3(1): 22-25.

[3]劉繼臻. 聚烯烴工業(yè)粉塵靜電爆炸的危險(xiǎn)與應(yīng)對(duì)策略[J]. 中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2011, 7(3): 93-97.

LIU Jizhen. Discussion on hazard and countermeasures of static electric explosion by polyolefin industrial dust[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2011, 7(3): 93-97.

[4]譚鳳貴. 聚烯烴料倉(cāng)靜電燃爆的危險(xiǎn)分析及對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的解讀[J]. 硫磷設(shè)計(jì)和粉體工程, 2015(1)：21-25．

TAN Fenggui. Hazard analysis of electrostatic explosion in polyolefin silo and interpretation of national standard[J]. Sulphur Phosphorus & Bulk Materials Handling Related Engineering, 2015(1): 21-25.

[5]CHOI K, MOGAMI T, SUZUKI T, et al. Experimental study on the relationship between the charge amount of polypropylene granules and the frequency of electrostatic discharges while silo loading[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2014, 32: 1-4.

[6]SIWEK R. Determination of technical safety indices and factors influencing hazard evaluation of dusts[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 1996, 9(1): 21-31.

[7]GROSSHANS H, PAPALEXANDRIS M V. Evaluation of the parameters influencing electrostatic charging of powder in a pipe flow[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2016, 43: 83-91.

[8]GROSSEL S S. Design and operating practices for safe conveying of particulate solids[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2012, 25(5):848-852..

[9]KLIPPEL A, SCHMIDT M, MUECKE O, et al. Dust concentration measurements during filling of a silo and CFD modeling of filling processes regarding exceeding the lower explosion limit[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2014, 29(1):122-137.

[10]YAMAGUMA M, CHOI K, MOGAMI T. Suppression of cone discharges in a powder silo using a grounded metal rod[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2010, 23(5):680-685.

[11]KODAMA T, SUZUKI T, NISHIMURA K, et al. Static charge elimination on pellets in a silo using a new nozzle-type eliminator[J]. Journal of Electrostatics, 2002, 55(3/4): 289-297.

[12]KODAMA T, SUZUKI T, MOGAMI T, et al. A new passive-type electrostatic eliminator used in a powder storage silo[J]. Powder Technology,2003, 135(3): 209-215.

[13]CHOI K, YAMAGUMA M, KODAMA T, et al. Experimental Study on Safe Performance of Nozzle-Type Electrostatic Neutralizer[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 2005, 44(32): L1026-L1029.

[14]MOGAMI T, SUZUKI T, CHOI K S, et al. Control of electrostatic charge for powder by using feedback control-type ionizer system[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2010, 23(2): 237-241.

[15]CHOI K, MOGAMI T, SUZUKI T, et al. Charge reduction on polypropylene granule s and suppression of incendiary electrostatic discharges by using a novel AC electrostatic ionizer[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2013, 26(1): 255-260.

[16]CHOI K, MOGAMI T, SUZUKI T, et al. A novel bipolar electrostatic ionizer for charged polypropylene granule s used in a pneumatic powder transport facility[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2016, 40: 502-506.

[17]TABATA Y, KODAMA T, CHEUNG W L, et al. General characteristics of a newly developed bipolar static charge eliminator[J]. Journal of Electrostatics, 1997, 42(1): 193-202.