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品安全控制國家重點實驗室，山東青島 2661002.中國石油大學(北京)，北京 102249)

0 引言

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

料倉作為聚烯烴、聚酯產品脫氣、摻混和包裝作業的重要單元，其內部閃燃爆炸事故不僅在經濟上造成重大的損失，同時對設備的安全和周邊的環境造成很大危害。為控制進入料倉內的物料靜電，可按照GB 50813-2012《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設計規范》規定，在物料揮發分較高時宜在料倉放料口、包裝口安裝離子風靜電消除器，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。工業風送粉體作業風速大(約25～50 m/s)，粉體起電受現場設備條件和風送條件影響[10]。由于料倉現場測試物料靜電較難，生產企業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送過程靜電特性影響因素，如物料的質量流量變化對物料靜電荷質比的影響，對進一步了解料倉靜電產生機理，優化料倉靜電安全管理措施，減少因靜電而產生的料倉燃爆事故具有重要意義。

1 料倉內靜電放電風險分析

靜電放電是料倉燃爆的主要點火源。料倉內部隨著帶電物料料位增高，積聚的靜電可能誘發危險性靜電放電(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)。典型料倉內不同放電形式及能量分布范圍如表1所示。一般避免出現尖端突出物和孤立導體，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可能誘發的火花放電和傳播型刷形放電。因此，聚烯烴材料生產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 料倉內靜電放電形式及位置

表1 料倉內不同放電形式及能量分布范圍

2 聚丙烯粒料風送過程靜電測試

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。料倉下通過旋轉閥(轉速可調)變頻控制給料量，實現輸送管線輸送能力約3～10 t/h可調。

2.2 靜電電荷量測試

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

結合圖2，PP粒料由料倉D-01A通過金屬管道輸送到料倉D-01B時，通過調節旋轉閥RF-01A的控制頻率，實現對PP粒料質量流量的調節，并通過安裝在D-01B進料口上靜電監測器B測試PP的荷質比。反之通過調節旋轉閥RF-01B的控制頻率,實現對PP粒料質量流量的調節，并通過安裝在D-01A進料口上靜電監測器A測試PP的荷質比。本實驗中采用1 000 kg的PP粒料作為實驗物料，間隔約20 s檢測一次管道內物料靜電量。

圖2 實驗裝置流程

2.3 質量流量測試

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

2.4 實驗結果與分析

固定隔膜調節閥的開度為40%，現場調節RF-01A和RF-01B的控制頻率分別為20，30，40，50 Hz，計算質量流量，現場測試結果如表2所示。

表2 PP粒料輸送過程輸送風量與質量流量計算值

將D-01A料倉內粒料輸送到D-01B料倉，調節RF-01A的控制頻率分別為20，30,40，50 Hz時，對應PP粒料質量流量約為1.5，2.0，2.6，3.1 kg/s。圖3是旋轉閥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時在料倉進料口測試的荷質比數據。可以看出，在低質量流量時，PP粒料的荷質比可以達到-6～-7 μC/kg。

圖3 不同旋轉閥控制頻率下，進入D-01B料倉內PP粒料荷質比變化

圖4是將D-01B料倉內粒料輸送到D-01A料倉，調節RF-01B的控制頻率分別為20，30，40，50 Hz(對應PP粒料質量流量約1.6，2.1，2.5，2.7 kg/s)時，進入D-01A料倉內PP粒料荷質比變化圖。結合圖4和圖5可以看出，隨著PP物料輸送的質量流量增加，其物料的荷質比減小。這可能源于物料顆粒是在風送管道內輸送過程中，顆粒與管壁和容器發生摩擦、沖撞，使得顆粒表面帶有大量電荷，產生靜電，而物料輸送的質量流量增加時，在相同的空間內，顆粒的運動速度不改變而其物料顆粒的數量增加，導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，導致物料的輸送質量流量增加時其電荷荷質比隨之減小。

圖4 不同旋轉閥控制頻率下，進入D-01A料倉內PP粒料荷質比變化

一般認為進入料倉內物料荷質比絕對值不大于0.3 μC/kg是可以接受的風險，但本試驗系統中，PP粒料荷質比超過-2 μC/kg。

3 結論及建議

對PP粒料靜電特性測試結果表明，對于固定風送系統裝置，隨著PP物料輸送的質量流量減小，其物料的荷質比增大，本實驗裝置中PP粒料靜電荷質比可以達到-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計規范》，在料倉進料口、放料口或下料包裝口宜設置離子風靜電消除器，防止料倉內靜電荷積聚誘導靜電放電。