煤粉顆粒靜電生成的實(shí)驗(yàn)研究*

房佳，趙彥琳，姚軍?，WANG Chi-Hwa

(1 中國石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院 過程流體過濾與分離技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2 新加坡國立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系，新加坡 117585)

近幾十年來，化石能源在中國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占到90%以上。其中煤炭是中國的主要能源之一，在能源的生產(chǎn)及消費(fèi)領(lǐng)域都始終占有70%以上的比重，同時(shí)也是許多重要化工產(chǎn)品的主要原料[1]。但是煤礦在采煤生產(chǎn)的過程中，極易產(chǎn)生靜電并導(dǎo)致火災(zāi)爆炸等事故的發(fā)生。比如在工業(yè)運(yùn)輸過程中，煤粉顆粒之間以及顆粒與壁面之間的相互碰撞及摩擦?xí)a(chǎn)生靜電，而由此會(huì)引發(fā)一系列的問題，如顆粒的結(jié)團(tuán)堵塞，甚至爆炸等危害[2]。所以研究靜電的發(fā)生機(jī)理對減小靜電危害有重大意義。

近幾年，摩擦帶電在電子轉(zhuǎn)移方面已得到廣泛的理解[3]。郭健等[4]對煤中伴生礦物顆粒靜電特性進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，管道內(nèi)該模型具有較高的模擬精度，模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以對相關(guān)的設(shè)計(jì)提供理論級實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。陳拴柱[5]的煤粉荷電原理研究，采用仿真模擬的方法，理論上分析荷電顆粒的受力，相應(yīng)地建立數(shù)學(xué)模型。畢文劍等[6]運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)的方法對高溫下的線板式靜電除塵器進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，顆粒所受的靜電力減小。Hogue等[7]采用顆粒在鋼板下滑的方法，測得滑動(dòng)角度等因素對靜電的影響，并運(yùn)用DEM模擬方法與實(shí)驗(yàn)對比良好。

Matsusaka等[8-9]研究氣力輸送管道中顆粒與壁面相互碰撞生成靜電的現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)顆粒材料及尺寸等均會(huì)影響靜電的生成。Dwari和Rao[10]研究煤粉顆粒與礦物顆粒在與不同材料平板摩擦產(chǎn)生靜電的過程中，通過外加電場將不同的帶電顆粒進(jìn)行分離，并發(fā)現(xiàn)灰分含量較大的煤粉顆粒帶負(fù)電，而灰分含量較小的煤粉顆粒帶正電。

依據(jù)以上工作，本實(shí)驗(yàn)從煤粉顆粒的形體因素、環(huán)境相對濕度及表面粗糙度等方面研究顆粒與不銹鋼平板摩擦產(chǎn)生的靜電量。此外在工業(yè)傳輸過程中，顆粒會(huì)被磨損或破損，因此為了更貼近實(shí)際情況，本研究選用三角形的不規(guī)則顆粒。該研究可以更直接具體地了解靜電生成的機(jī)理與各個(gè)因素的影響，進(jìn)而更好地研究復(fù)雜系統(tǒng)中的顆粒靜電。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 顆粒

本實(shí)驗(yàn)選用三角形形狀的煤粉顆粒，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)所用的三角形顆粒邊長為2.3～5 mm，摩擦面面積為5～10 mm2。此外，煤粉顆粒的成分如表1所示。

圖1 顆粒形狀Fig.1 Shapes of granules

表1 煤粉顆粒成分表Table 1 The composition of coal granule

在實(shí)驗(yàn)開始前，使用精度10-4g的電子天平測量顆粒的質(zhì)量，然后計(jì)算顆粒的荷質(zhì)比。使用精度10-5m的千分尺測量摩擦面的每一側(cè)長度，選取顆粒的最大面為摩擦面以確保顆?；羞^程中不會(huì)發(fā)生滾動(dòng)及翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。此外，每次實(shí)驗(yàn)前顆粒需放電24 h以上[11]，以保證其初始電量為0。

1.2 方法

由于煤粉顆粒在工業(yè)過程中與壁面的主要作用方式是滑動(dòng)[12]，因此本實(shí)驗(yàn)將主要研究煤粉顆粒沿壁面滑動(dòng)產(chǎn)生的靜電。實(shí)驗(yàn)所用裝置圖如圖2所示，具體的實(shí)驗(yàn)方法是：用防靜電鑷子將煤粉顆粒放置于不銹鋼平板(傾斜角度為54°，長180 mm，寬65 mm，厚2 mm)的固定位置，使得單顆粒在重力作用下自由下滑，落入放置于不銹鋼平板下方的法拉第杯(TR8031，Advantest Corporation，Japan)中，與法拉第杯相連接的靜電計(jì)(8252，Advantest Corporation，Japan)每隔50 ms會(huì)自動(dòng)保存測得的靜電荷量于計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)又連接高速攝像儀(5，OLYMPUS，i-speed LT)以記錄顆粒下滑過程，由此計(jì)算出顆粒的滑動(dòng)速度。隨后從法拉第杯中取出顆粒。此外為了避免外界干擾，將法拉第杯、靜電計(jì)與不銹鋼平板都進(jìn)行接地處理。

1:支架；2:不銹鋼平板；3：法拉第杯；4:煤粉顆粒；5:靜電計(jì)；6:計(jì)算機(jī)；7:高速攝像儀。圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Experimental setup

1.3 定義

1.3.1 長寬比

圖3所示是三角形煤粉顆粒的摩擦面正面圖，其長寬比定義為

(1)

式中：L是最長邊a上的高，W是中位線長度。

圖3 三角形顆粒的長寬比定義Fig.3 Definition of the length-ratio of triangular granules

1.3.2 前沖角

圖4所示是三角形煤粉顆粒的前沖角示意圖，圖中陰影面為摩擦面，前沖角α在顆粒下滑時(shí)保持在最前端。

圖4 三角形顆粒的前沖角定義Fig.4 Definition of the front-facing angle of triangular granules

1.3.3 變量的定義

為研究某一變量(長寬比、面積等)對煤粉顆粒摩擦帶電的影響，本實(shí)驗(yàn)工作定義以下幾個(gè)變量：

qm=q/m，

(2)

式中：qm是荷質(zhì)比，q是靜電量，m是質(zhì)量。

ql=qm/RL，

(3)

式中：ql是荷質(zhì)比與長寬比之比。

qs=qm/S，

(4)

式中：qs是荷質(zhì)比密度，S是摩擦面面積。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)顆粒靜電的產(chǎn)生與很多因素有關(guān)，比如長寬比、接觸面積、前沖角、環(huán)境相對濕度及表面粗糙度等。

2.1 電子轉(zhuǎn)移

煤粉顆粒與不銹鋼平板互相接觸或摩擦從而產(chǎn)生靜電的現(xiàn)象稱作“接觸帶電”或“摩擦帶電”。在這個(gè)過程中，煤粉顆粒與不銹鋼平板經(jīng)過接觸摩擦分開后，會(huì)由此生成靜電；其中一種物質(zhì)帶正電，另一種帶數(shù)量相等極性相反的負(fù)電。

功函數(shù)是指把一個(gè)電子從固體內(nèi)部剛剛移到此物體表面所需的最少能量，即接觸電勢差(CPD)Vc由下式定義：

Vc=V1/2=-(φ1-φ2)/e,

(5)

式中：V1/2是兩者之間的接觸電勢差，e是基本電荷量。

本實(shí)驗(yàn)中煤粉顆粒與不銹鋼平板之間發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移可以由下式[13]表征：

(6)

式中：φM是金屬的功函數(shù)，φI是絕緣體的功函數(shù)。這種關(guān)系中的比例常數(shù)取決于絕緣體的特性。

2.2 形體因素

2.2.1 長寬比

長寬比是顆粒的一個(gè)重要的形體因素。煤粉顆粒的荷質(zhì)比密度(靜電量)與長寬比的關(guān)系如圖5所示，圖5(a)、5(b)分別是在相對濕度為5%和15%條件下所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，荷質(zhì)比密度隨長寬比的增大而增大，即越狹長的顆粒由于受到的阻力越小，滑動(dòng)速度越快，顆粒的動(dòng)量就越大，顆粒與摩擦面的作用力越大，因此顆粒的帶電量就越大。

圖5 荷質(zhì)比密度與長寬比的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between specific charge density and length-ratio

2.2.2 接觸面積

接觸面積是顆粒的另一個(gè)重要形體因素。煤粉顆粒的荷質(zhì)比與長寬比之比(靜電量)與接觸面積的關(guān)系如圖6所示，圖6(a)、6(b)分別是在相對濕度為5%和15%條件下所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖6可以看出，在同一面積下會(huì)產(chǎn)生不同的靜電量，這是因?yàn)轭w粒在進(jìn)行多次獨(dú)立性實(shí)驗(yàn)的過程中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境略有不同所導(dǎo)致的，可忽略不計(jì)；此外，荷質(zhì)比密度隨面積的增大而增大，即顆粒與平板的接觸面積越大，顆粒帶電能力越強(qiáng)。Hertz理論證明，顆粒碰撞獲得的電量與接觸面積成正比。

圖6 荷質(zhì)比與長寬比之比與接觸面積的關(guān)系圖Fig.6 Relationship between the ratio of specific charge to length-ratio and the contact area

2.2.3 前沖角

除上述提到的兩個(gè)因素，另一重要的形體因素是前沖角，即前沖角越小，顆粒越尖銳。

本實(shí)驗(yàn)選用的顆粒前沖角范圍在20°～65°，煤粉顆粒的荷質(zhì)比與長寬比與前沖角、速度的關(guān)系如圖7所示，為方便比較，顆粒的靜電量取其絕對值。從圖7可以看出，隨著前沖角的增大，速度減小，產(chǎn)生的靜電量減小。由此說明顆粒前沖角越小(越尖)，獲得靜電的能力越強(qiáng)；前沖角越小的顆粒下滑時(shí)，受到的空氣阻力越小，速度越大，使得顆粒動(dòng)量越大，顆粒與金屬板之間會(huì)產(chǎn)生更大的作用力，因而更能激發(fā)電子的釋放與轉(zhuǎn)移[14-15]。

圖7 荷質(zhì)比與長寬比之比與前沖角、速度的關(guān)系圖(RH=5%)Fig.7 Relationships of the ratio of specific charge to length-ratio with the front-facing angle and speed (RH=5%)

2.3 相對濕度

相對濕度指濕空氣中的絕對濕度與相同溫度下可能達(dá)到的最大絕對濕度之比。

煤粉顆粒的靜電量與面積在不同濕度條件下的關(guān)系如圖8所示。圖8(a)是相對濕度分別為5%及15%時(shí)的靜電量，圖8(b)是相對濕度分別為30%、40%及65%時(shí)的靜電量。從圖8可以看出，在不同濕度下，靜電量均隨面積的增大而增大，這一結(jié)論與2.2.2一致。此外，靜電量隨濕度的減小而增大，圖8(a)中的靜電量比圖8(b)中的靜電量大一個(gè)數(shù)量級。這一結(jié)果與Saleh等[15]的結(jié)果一致，他們研究玻璃珠顆粒在不同濕度(RH=0～90 %)時(shí)的靜電量，并發(fā)現(xiàn)顆粒在較低濕度條件下產(chǎn)生的靜電較大。原因是隨著相對濕度的增加，空氣中所含的水分增多，顆粒表面吸附的水分子也就增多。而水是一種良導(dǎo)體，顆粒表面吸附的水分子越多，其電阻率越低，靜電荷就更容易由高電位轉(zhuǎn)移到低電位而無法聚集。

圖8 不同濕度下，煤粉的靜電量與面積關(guān)系圖Fig.8 Relationship between the ratio of specific charge to length-ratio and the contact area at different humidity values

2.4 表面粗糙度

為了獲得不同的表面粗糙度，本實(shí)驗(yàn)分別使用180、400、800、1 200和2 000目研磨顆粒，在研磨后每個(gè)顆粒用壓縮空氣清潔，并用激光掃描顯微鏡檢測不到污染顆粒。本實(shí)驗(yàn)中，不銹鋼平板的粗糙度小于1 μm，所以其粗糙度的影響可忽略不計(jì)，并認(rèn)為顆粒的表面粗糙度在滑動(dòng)過程中是保持不變的。

2.4.1 顆粒的二維表面形態(tài)

通過激光掃描顯微鏡測量的顆粒二維表面形態(tài)如圖9所示，圖9(a)～9(d)分別是使用180、800、1 200和2 000研磨后的煤粉顆粒，標(biāo)尺為100 μm。從圖9(a)、9(b)可以看出，顆粒表面形態(tài)非常粗糙，劃痕方向相同，與高網(wǎng)目砂紙研磨的顆粒相比，顆粒表面損傷更大。而且其產(chǎn)生的凹面更寬更深，這減小了顆粒表面的實(shí)際接觸面積。由此得出：由低網(wǎng)目砂紙研磨的顆粒具有更寬更深的凹面，具有更小的實(shí)際接觸面積和更弱的帶電能力。

2.4.2 顆粒的三維表面形態(tài)

圖10是圖9的三維表面形態(tài)，Z軸變量是煤粉顆粒粗糙度高度。圖10所示的顆粒表面粗糙度的最大高度分別是48.342、28.446、11.967、7.192 μm，說明由粗砂紙研磨的顆粒具有較高的粗糙度。而摩擦帶電僅通過顆粒與平板之間的表面接觸產(chǎn)生，因此在本實(shí)驗(yàn)中，靜電荷僅在如圖10(a)、10(b)所示的高粗糙度區(qū)域，而在低粗糙度區(qū)域(圖10(a)、10(b)中發(fā)現(xiàn)的溝)，其顆粒表面不與不銹鋼表面接觸。另一方面，與圖10(a)、10(b)相比，圖10(c)、10(d)的粗糙度較低，因此具有較大的接觸面積以產(chǎn)生更多的靜電荷。

圖9 砂紙打磨的煤粉顆粒二維表面形態(tài)Fig.9 Two-dimensional surface morphology of coals ground by sand paper

圖10 砂紙打磨的煤粉顆粒三維表面形態(tài)Fig.10 Three-dimensional surface morphology of coals ground by sand paper

2.4.3 顆粒實(shí)際接觸面積

由以上分析可知，因?yàn)轭w粒表面存在溝壑，實(shí)際接觸面積對顆粒靜電的產(chǎn)生有很大影響。圖11所示是由砂紙研磨的煤粉顆粒的凸面。在實(shí)驗(yàn)中，只有紅色區(qū)域與平板接觸并產(chǎn)生靜電荷。圖中右側(cè)與底部是中心線的高度，其中紅色線表示中間粗糙度，從圖11(b)中看出大部分是紅色，表示其粗糙度高于中間水平。

此外，圖12所示是實(shí)際接觸面積對煤粉顆粒荷質(zhì)比的影響，可以看出靜電荷隨顆粒實(shí)際接觸面積的增加而增加，與2.2.2所得結(jié)論一致。

圖11 由砂紙研磨的煤粉顆粒的凸面Fig.11 The protruded area of coals ground by sand paper

圖12 實(shí)際接觸面積對煤粉顆粒荷質(zhì)比的影響(180目，RH=5%)Fig.12 Effect of actual contact area on specific charge for coals (180-mesh,RH=5%)

2.4.4 顆粒表面粗糙度

顆粒的表面粗糙度與荷質(zhì)比的關(guān)系如圖13所示。可以看出，荷質(zhì)比隨表面粗糙度的增大，先增大后減小。圖13(a)最大值是Ra=2.719 μm，-3.01×10-9C·g-1，圖13(b)最大值是Ra=1.785 μm，-2.96×10-9C·g-1。

以圖13(a)為例，當(dāng)Ra<2.719 μm時(shí)，靜電荷隨粗糙度的增加而增加，經(jīng)測量顆粒與平板的接觸面積占90%以上，因此實(shí)際接觸面積幾乎相同，故面積對靜電的影響可忽略。另外隨著粗糙度的增加，摩擦力增加，使得顆粒與平板之間的相互作用力增大，導(dǎo)致產(chǎn)生更多的靜電荷。

圖13 表面粗糙度與荷質(zhì)比的關(guān)系圖Fig.13 Relationship between specific charge and surface roughness

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用三角形煤粉顆粒，由實(shí)驗(yàn)可知，顆粒的長寬比、面積、前沖角、相對濕度及表面粗糙度均對靜電有較大的影響：

1)隨著顆粒長寬比、摩擦面積的越大，生成的靜電量越大；

2)顆粒的前沖角越小，速度越大，生成的靜電量越大；

3)隨著環(huán)境相對濕度的減小，生成的靜電量越大；

4)由低網(wǎng)目砂紙研磨的顆粒具有更小的實(shí)際接觸面積和更弱的帶電能力；并且靜電量隨顆粒實(shí)際接觸面積的增加而增加；

5)靜電量隨表面粗糙度的增大，先增大后減小。