聚丙烯顆粒輸送過程靜電特性實驗研究*

李亮亮，王亞茹，劉全楨，宮 宏，孟 鶴

(1.中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 2661002.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249)

0 引言

隨著社會的發(fā)展，新材料、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，我國在聚合工藝研發(fā)、高性能低成本聚烯烴、聚酯新品研發(fā)方面取得巨大進(jìn)步，但同時也面臨著聚烯烴、聚酯生產(chǎn)設(shè)備老化、裝置擴能改造、產(chǎn)品升級問題[1]。聚烯烴、聚酯產(chǎn)品生產(chǎn)過程中均采用風(fēng)送系統(tǒng)完成摻混和包裝作業(yè)，但粒料產(chǎn)品輸送過程粒料顆粒間、粒料與管壁等摩擦帶電[2-6]。靜電危害主要表現(xiàn)在：①粒料產(chǎn)品不可避免地攜帶細(xì)粉(粉塵)，攜帶靜電荷的物料因靜電作用會導(dǎo)致細(xì)粉(粉塵)吸附在粒料表面，影響產(chǎn)品質(zhì)量[7,8]；②靜電作用增強了物料與倉壁的黏著力而導(dǎo)致粉體料倉結(jié)拱、架橋；③料倉內(nèi)因靜電積聚產(chǎn)生危險性靜電放電，造成料倉內(nèi)部產(chǎn)生熔融料塊，甚至誘發(fā)料倉內(nèi)粉塵爆炸[1,9]。

料倉作為聚烯烴、聚酯產(chǎn)品脫氣、摻混和包裝作業(yè)的重要單元，其內(nèi)部閃燃爆炸事故不僅在經(jīng)濟上造成重大的損失，同時對設(shè)備的安全和周邊的環(huán)境造成很大危害。為控制進(jìn)入料倉內(nèi)的物料靜電，可按照GB 50813-2012《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，在物料揮發(fā)分較高時宜在料倉放料口、包裝口安裝離子風(fēng)靜電消除器，防止料堆表面的錐形放電、空間粉塵云與金屬突出物的雷擊放電等。工業(yè)風(fēng)送粉體作業(yè)風(fēng)速大(約25～50 m/s)，粉體起電受現(xiàn)場設(shè)備條件和風(fēng)送條件影響[10]。由于料倉現(xiàn)場測試物料靜電較難，生產(chǎn)企業(yè)對物料靜電特性的了解不足，為此，建立全尺寸粉體料倉靜電實驗裝置，通過實驗研究不同物料風(fēng)送過程靜電特性影響因素，如物料的質(zhì)量流量變化對物料靜電荷質(zhì)比的影響，對進(jìn)一步了解料倉靜電產(chǎn)生機理，優(yōu)化料倉靜電安全管理措施，減少因靜電而產(chǎn)生的料倉燃爆事故具有重要意義。

1 料倉內(nèi)靜電放電風(fēng)險分析

靜電放電是料倉燃爆的主要點火源。料倉內(nèi)部隨著帶電物料料位增高，積聚的靜電可能誘發(fā)危險性靜電放電(刷形放電、沿面放電、火花放電和傳播型刷形放電等，如圖1所示)。典型料倉內(nèi)不同放電形式及能量分布范圍如表1所示。一般避免出現(xiàn)尖端突出物和孤立導(dǎo)體，同時清除4～8 mm厚絕緣涂層或黏壁料就可去除或抑制料倉內(nèi)可能誘發(fā)的火花放電和傳播型刷形放電。因此，聚烯烴材料生產(chǎn)過程中需確保料倉中混合物料的最小點火能高于沿面放電能量。

圖1 料倉內(nèi)靜電放電形式及位置

表1 料倉內(nèi)不同放電形式及能量分布范圍

2 聚丙烯粒料風(fēng)送過程靜電測試

2.1 實驗裝置

本文采用自建全尺寸粉體料倉靜電實驗裝置，裝置工藝簡圖如圖2所示。粉體料倉靜電實驗裝置主要包括羅茨風(fēng)機、摻混料倉D-01A、D-01B和包裝料倉D-02等。實驗采用不銹鋼金屬管道(DN100)輸送物料，用于模擬物料摻混和包裝作業(yè)。料倉下通過旋轉(zhuǎn)閥(轉(zhuǎn)速可調(diào))變頻控制給料量，實現(xiàn)輸送管線輸送能力約3～10 t/h可調(diào)。

2.2 靜電電荷量測試

通常采用荷質(zhì)比(物料總帶電量與物料質(zhì)量的比值，μC/kg)衡量進(jìn)入料倉內(nèi)物料的帶電水平。在實驗料倉A和B進(jìn)料口處安裝法拉第筒式粉體靜電監(jiān)測器，測量管道內(nèi)粉體物料荷質(zhì)比[3,4]。系統(tǒng)輸送物料為聚丙烯顆粒(PP，粒徑為3～4 mm，電阻率1014～l017Ω·cm)。

結(jié)合圖2，PP粒料由料倉D-01A通過金屬管道輸送到料倉D-01B時，通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)閥RF-01A的控制頻率，實現(xiàn)對PP粒料質(zhì)量流量的調(diào)節(jié)，并通過安裝在D-01B進(jìn)料口上靜電監(jiān)測器B測試PP的荷質(zhì)比。反之通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)閥RF-01B的控制頻率,實現(xiàn)對PP粒料質(zhì)量流量的調(diào)節(jié)，并通過安裝在D-01A進(jìn)料口上靜電監(jiān)測器A測試PP的荷質(zhì)比。本實驗中采用1 000 kg的PP粒料作為實驗物料，間隔約20 s檢測一次管道內(nèi)物料靜電量。

圖2 實驗裝置流程

2.3 質(zhì)量流量測試

固定單一實驗料倉D-01A或D-01B內(nèi)物料總質(zhì)量為m，通過現(xiàn)場測試料倉D-01A與D-01B料倉間摻混過程輸送質(zhì)量為m物料所需要的時間t，獲得管道內(nèi)質(zhì)量流量為m/t。

2.4 實驗結(jié)果與分析

固定隔膜調(diào)節(jié)閥的開度為40%，現(xiàn)場調(diào)節(jié)RF-01A和RF-01B的控制頻率分別為20，30，40，50 Hz，計算質(zhì)量流量，現(xiàn)場測試結(jié)果如表2所示。

表2 PP粒料輸送過程輸送風(fēng)量與質(zhì)量流量計算值

將D-01A料倉內(nèi)粒料輸送到D-01B料倉，調(diào)節(jié)RF-01A的控制頻率分別為20，30,40，50 Hz時，對應(yīng)PP粒料質(zhì)量流量約為1.5，2.0，2.6，3.1 kg/s。圖3是旋轉(zhuǎn)閥RF-01在不同控制頻率下，PP粒料由料倉D-01A通過金屬管道2輸送到料倉D-01B時在料倉進(jìn)料口測試的荷質(zhì)比數(shù)據(jù)。可以看出，在低質(zhì)量流量時，PP粒料的荷質(zhì)比可以達(dá)到-6～-7 μC/kg。

圖3 不同旋轉(zhuǎn)閥控制頻率下，進(jìn)入D-01B料倉內(nèi)PP粒料荷質(zhì)比變化

圖4是將D-01B料倉內(nèi)粒料輸送到D-01A料倉，調(diào)節(jié)RF-01B的控制頻率分別為20，30，40，50 Hz(對應(yīng)PP粒料質(zhì)量流量約1.6，2.1，2.5，2.7 kg/s)時，進(jìn)入D-01A料倉內(nèi)PP粒料荷質(zhì)比變化圖。結(jié)合圖4和圖5可以看出，隨著PP物料輸送的質(zhì)量流量增加，其物料的荷質(zhì)比減小。這可能源于物料顆粒是在風(fēng)送管道內(nèi)輸送過程中，顆粒與管壁和容器發(fā)生摩擦、沖撞，使得顆粒表面帶有大量電荷，產(chǎn)生靜電，而物料輸送的質(zhì)量流量增加時，在相同的空間內(nèi)，顆粒的運動速度不改變而其物料顆粒的數(shù)量增加，導(dǎo)致顆粒與顆粒之間的碰撞機率增加，而管壁的幾何尺寸不變，故相對減少了粉體顆粒與管壁間摩擦、碰撞作用，導(dǎo)致物料的輸送質(zhì)量流量增加時其電荷荷質(zhì)比隨之減小。

圖4 不同旋轉(zhuǎn)閥控制頻率下，進(jìn)入D-01A料倉內(nèi)PP粒料荷質(zhì)比變化

一般認(rèn)為進(jìn)入料倉內(nèi)物料荷質(zhì)比絕對值不大于0.3 μC/kg是可以接受的風(fēng)險，但本試驗系統(tǒng)中，PP粒料荷質(zhì)比超過-2 μC/kg。

3 結(jié)論及建議

對PP粒料靜電特性測試結(jié)果表明，對于固定風(fēng)送系統(tǒng)裝置，隨著PP物料輸送的質(zhì)量流量減小，其物料的荷質(zhì)比增大，本實驗裝置中PP粒料靜電荷質(zhì)比可以達(dá)到-6～-7 μC/kg。因此，為強化聚烯烴、聚酯料倉裝置安全水平，必須加強物料風(fēng)送過程靜電安全管理措施，對于聚烯烴料倉裝置物料帶電量高時，可參考GB 50813-2012《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設(shè)計規(guī)范》，在料倉進(jìn)料口、放料口或下料包裝口宜設(shè)置離子風(fēng)靜電消除器，防止料倉內(nèi)靜電荷積聚誘導(dǎo)靜電放電。