固體粉粒料氣力輸送系統中靜電消除系統的分析探討

（中石化上海工程有限公司，上海 200010）

靜電消除系統是用正負離子對物料面攜帶的靜電荷進行中和以達到靜電消除的目的。在用空氣作為輸送介質的固體粉粒料氣力輸送系統中，靜電最需要注重的危害就是易引起燃爆事故，常設置靜電消除系統來消除靜電，依不同物料特性而定。

氣力輸送系統中靜電的產生與生活中產生的靜電的原理一樣，都是不同材質的物體互相接觸后，電子受到各種外力的影響發生轉移，分別形成正負離子后產生的靜電。固體物料在管道內輸送的過程中，不可避免地會發生物料與管道之間的撞擊、摩擦，從而產生靜電。固體粉粒料在氣力輸送過程中會因為與管道、與粉粒料本身之間的摩擦易產生一定量的拉絲和粉塵，形成可燃物進入料倉。如果氣力輸送系統中未設置靜電消除措施，在輸送過程中產生的靜電荷會隨著粉粒料一起進入料倉，并聚集在料倉中。當這些聚集在料倉中的靜電發生放電，在某些條件下就會引起燃爆事故。除了容易引發爆炸，靜電產生的吸附性還會引起料倉中物料的結塊現象，從而導致下料不暢，輸送能力降低。如果系統中設有旋轉閥或振動篩，會造成旋轉閥內部堵死而下料不暢或是需要停車清理，也會造成振動篩篩分效果下降，導致廢品率增高。

以聚乙烯（即PE）、聚丙烯（即PP）為代表的聚烯烴物料生產過程中，氣力輸送環節可使聚烯烴粒料常常帶有約1 ～ 5μC/kg 的靜電。當料倉積聚的靜電大于0.3μC/kg，就可能會產生錐面放電。由于料倉中帶電物料的作用，在料倉內壁會產生一個靜電場，細小的帶靜電的聚烯烴物粉料會吸附到料倉壁上，形成黏壁料。當黏壁料從料倉上脫落時也會產生靜電放 電。

1 存在的問題和分析

靜電消除系統主要由控制柜、分控箱、監測器及消電器四部分組成，系統組成圖見圖1。目前國內固體粉粒體氣力輸送系統項目中使用的多為間歇式采樣靜電消除系統，此類型的靜電消除系統監測器結構和采樣方式導致其在固體粉粒料氣力輸送系統中應用時有電荷檢測滯后、不精準、檢測存在無數據區間、氣缸結構密封不佳等問題；以及沒有可隨機調節的消電器，從而導致消電效果不理想。

圖1 靜電消除系統組成圖Fig.1 Composition diagram of electrostatic elimination system

間歇式靜電消除系統的監測器采用法拉第桶原理，由一個氣缸驅動的可伸縮采樣杯完成取樣，監測器結構圖見圖2。這種采樣杯的檢測方式存在以下問題：① 兩次采樣之間必然存在時間間隔，留有了無數據更新區間。大多數的間歇式靜電消除系統的采樣間隔時間是以小時甚至天為單位的。但其實有許多因素會造成靜電電荷量的改變，例如天氣條件、輸送物料的物性等。當采樣間隔中靜電電荷量有所變化，間歇式靜電消除系統無法及時調整消電器進行消電，會造成靜電在料倉中的積聚。② 采樣杯型式的檢測靜電荷，因氣缸運動需要時間，檢測數據存在滯后性。③ 監測器采樣時，高速輸送中的物料會與采樣杯撞擊摩擦，靜電荷增加，檢測結果與實際情況有一定差別。④ 由于采樣方式的限制，間歇式靜電消除系統的監測器必須要安裝在輸送方向向下的垂直管道上。⑤ 為保證采樣成功，必須在氣力輸送系統平穩運行后方可采樣。⑥ 氣缸結構不能完全密封，細小粉料容易進入腔體，一定時間后需要維修或更換。

大多項目中靜電消除系統常用的操作模式是半自動模式，無法做到隨機調節。需要操作人員手動點擊操作屏幕進行采樣和修改消電器電荷量，這樣的模式既浪費了人力同時也多了一個可能失誤的風險點。

圖2 間歇式靜電消除系統監測器結構圖Fig.2 Structural diagram of monitor in intermittent electrostatic elimination system

2 解決問題的探討

通過上述討論可以看出，首先需要改進之處就是監測器的采樣方式。在選擇固體粉粒料氣力輸送中靜電消除系統時，選擇帶有非氣缸直通型監測器可以規避氣缸型采樣的缺點。非氣缸直通型直接檢測技術監測器同樣采用法拉第桶原理，但它的監測器是通過內外壁的電位差檢測出粉粒料攜帶靜電的極性與電量，并將信號連續不間斷地輸出到控制單元中。此方式無需物料采樣，可以實現粉粒料靜電的連續監測，數據檢測間隔可以縮小到毫秒級。監測器分為內外筒結構，中間是聚四氟乙烯絕緣層，結構及實物圖見圖 3。

圖3 非氣缸直通型監測器結構圖及實物圖Fig.3 Structural diagram and practicality picture of electrostatic detector of continuous electrostatic elimination system

其次是靜電消除系統的控制方式，應選擇可以全自動操作的控制單元來配合監測器進行在線監測。消電器可以自動接受控制單元傳來的指令調整正、負壓數值，實時產生電荷相等極性相反的離子，該離子通過電極電場力以及儀表風的作用進入管道中與物料表面的電荷進行中和，從而實現消電器的在線隨機調節，同時也滿足了GB 50813—2012《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設計規范》的條目3.0.7 的建議。

除此之外，監測器和操作方式改進后的靜電消除系統還有其他優勢：沒有氣缸，無運動部件，壽命較長；內部無突出式采樣杯，無阻擋，不會造成物料額外破碎，產生碎料和粉塵；無安裝位置限制，水平、垂直管道上均可安裝；總結對比如表1 所示。

表1 改進前后靜電消除系統的對比Tab.1 Comparison of electrostatic elimination systems before and after improvement

3 連續式在線監測靜電消除系統在石油化工項目中的應用成果

3.1 工藝流程簡介

某石化聚乙烯裝置的粒料由擠出機生產出料后，經氣力輸送系統輸送至裝置內的5 臺摻混料倉，摻混料倉設有外循環線。氣力輸送方式為稀相，輸送介質為空氣。輸送介質為空氣的氣力輸送系統，需要滿足規范GB 50813—2012《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設計規范》。是否需要設置靜電消除系統需要進一步從物料的最小點火能（MIE）以及可燃氣體體積濃度來判斷：① 最小點火能≤10 mJ。 ②可燃氣體體積濃度（LEL）≥20%。滿足其中任意一個情況就應該設置靜電消除系統。

針對本項目的物料聚乙烯，查詢物料參數及經驗數據，得到最小點火能及可燃氣體濃度：

表2 PE 粉體產品燃爆參數Tab.2 Explosion character data of PE powder products

圖4 PE 裝置聚乙烯料倉內可燃氣體分析曲線 [2]Fig.4 Analysis curve of combustible gas in polyethylene silo of PE plant

由上述圖表可知，聚乙烯物料的可燃氣體濃度可能大于20%。因此，聚乙烯裝置中的氣力輸送系統應在料倉進料口設置靜電消除系統。最終項目采用帶連續監測和隨機調節功能的全自動在線式監測靜電消除系統，工藝流程圖見圖5。

每個摻混料倉有兩個進料口， 5 臺摻混料倉共設置10 套靜電消除系統。其主要技術指標：

（1）消電器指標：

正負離子流調節范圍：0 ～ ±200 μA；

消電效率90%以上（或消電后物料荷質比≤0.3μC/kg）；

圖5 聚乙烯裝置料倉部分工藝流程圖Fig.5 PFD of silo part in polyethylene plant

（2）監測器指標：

測量范圍：-12 ～ +12 μC/kg；

測量誤差≤10%。

安裝實物圖見圖6。

3.2 靜電消除效果

在裝置順利投產后，為了能更直觀地了解靜電消除系統的消電效果。在氣力輸送系統正常工作時短暫關閉了一次靜電消除系統的消電器，觀察并獲取監測器檢測到的物料荷質比數據，制成的圖如圖7所示。

圖6 靜電消除系統現場安裝實物圖Fig.6 Installed practicality picture of electrostatic elimination system

圖7 PE 聚乙烯裝置摻混料倉靜電消除系統消電器開啟前后荷質比監測圖Fig.7 monitoring chart of charge mass ratio before and after opening of electrostatic eliminator in blending silo of PE plant

圖7 中的25 個時間點的總時間為1 min，是靜電消除系統根據系統算法基本均勻的選取偏差較大的時間點荷質比數值，由圖7 中可以看到：在靜電消除系統開啟前，監測器檢測到的荷質比一直在-3μC/ kg 左右；在第五個時間節點開啟靜電消除系統后，荷質比絕對值迅速下降并在絕對值小于0.2μC/kg 的區間浮動，達到了預期的消電效果（≤0.3μC/kg）。

4 結束語

總體來看，改進升級后的全自動連續式在線監測靜電消除系統的各方面均優于間歇式采樣靜電消除系統，實際應用中的使用效果也很理想，可以使靜電荷質比一直保持在安全數值下。在固體粉粒料氣力輸送系統中選用靜電消除設備時，宜優先考慮選用連續式在線監測靜電消除系統，進一步提高固體粉粒料氣力輸送系統安全性、降低粉塵燃爆的危險性。