LDPE裝置料倉燃爆原因及控制措施

邊圣海

（中國(guó)石油化工股份有限公司齊魯分公司計(jì)劃經(jīng)營(yíng)部，山東 淄博 255410）

中國(guó)石油化工股份有限公司齊魯分公司（簡(jiǎn)稱齊魯石化公司）低密度聚乙烯（LDPE）裝置采用荷蘭Stamicarbon公司的無脈沖管式工藝，設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)間7 200 h/a，設(shè)計(jì)產(chǎn)能140 kt/a。裝置自1998年11月投產(chǎn)以來，先后發(fā)生3起料倉燃爆事故。3起事故雖未造成人員傷害，但都造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失，影響了裝置的安全生產(chǎn)。本工作分析了事故原因，并針對(duì)性地制定措施，以徹底杜絕料倉的安全事故。

1 工藝流程概述

來自界區(qū)壓力為2.7 MPa的新鮮乙烯進(jìn)入壓縮機(jī)1（K102）的三段入口，經(jīng)過三級(jí)壓縮（壓力達(dá)25 MPa）后進(jìn)入壓縮機(jī)2（K103），經(jīng)二級(jí)壓縮（出口壓力達(dá)250 MPa）進(jìn)入反應(yīng)器，在引發(fā)劑作用下開始聚合。反應(yīng)后的物料及未反應(yīng)的乙烯氣體先后進(jìn)入高壓分離器、低壓分離器進(jìn)行分離。分離出的高壓乙烯氣體返回壓縮機(jī)K103入口，分離出的低壓乙烯氣體返回壓縮機(jī)K102的一段入口，熔融LDPE經(jīng)水下切粒、離心干燥后，通過風(fēng)送程序?qū)⒊善奉w粒送往料倉。工藝流程示意見圖1。

圖1 工藝流程示意Fig.1 Schematic diagram of LDPE plant

2 脫氣料倉內(nèi)部環(huán)境分析

LDPE裝置共有8個(gè)脫氣料倉，材質(zhì)為鋁鎂合金，每個(gè)脫氣料倉的容量為60 t。從顆粒干燥器出來的LDPE顆粒通過鋁鎂合金管道，使用壓力為60 kPa的空氣輸送至脫氣料倉，脫氣料倉設(shè)有離心風(fēng)機(jī)將空氣不停地通入脫氣料倉底部，便于脫除LDPE顆粒內(nèi)殘余的乙烯氣體。輸送過程中，LDPE顆粒與鋁鎂合金管道、輸送空氣及顆粒之間相互摩擦，產(chǎn)生少量LDPE粉塵的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生大量的靜電。脫氣料倉內(nèi)的介質(zhì)有LDPE顆粒、LDPE粉塵、空氣、乙烯氣體，以及產(chǎn)生的靜電，因此，脫氣料倉燃爆多數(shù)與粉塵、靜電、氣體三者共同作用有關(guān)［1］。

2.1 LDPE顆粒

正常生產(chǎn)時(shí)，空氣輸送至脫氣料倉的負(fù)荷為22.5 t/h，每個(gè)脫氣料倉進(jìn)料2.67 h，進(jìn)料完畢后，脫氣料倉內(nèi)的LDPE顆粒質(zhì)量一般為55～60 t。

2.2 LDPE粉塵

根據(jù)包裝線收集的粉塵統(tǒng)計(jì)，每包裝500 t LDPE產(chǎn)品，能夠收集25 kg LDPE粉塵，粉塵含量為0.05 g/kg。但是粉塵在脫氣料倉內(nèi)不是均勻分布的，脫氣料倉直徑3.6 m、高12 m，當(dāng)達(dá)到最大的裝填容量時(shí)，脫氣料倉頂部還有2 m左右高度的空余空間。在脫氣料倉進(jìn)料時(shí)，LDPE顆粒與LDPE粉塵進(jìn)入料倉后，會(huì)有一部分粉塵飄逸在料倉頂部空余空間，在靜電的作用下均勻地附著在料倉頂部?jī)?nèi)壁上，經(jīng)測(cè)量，粉塵黏附最厚的位置在頂部空余空間，局部厚度超過10 mm。

2.3 空氣

脫氣料倉進(jìn)料使用壓力為60 kPa的空氣，流量為3 000 m3/h，料倉底部離心風(fēng)機(jī)的脫氣風(fēng)量為6 000 m3/h，因此脫氣料倉內(nèi)部空氣的總流量為9 000 m3/h。

2.4 乙烯氣體

每噸LDPE顆粒殘余1.3 kg乙烯單體，脫氣料倉的主要目的是通過脫氣料倉底部向上流動(dòng)的空氣，將LDPE顆粒殘余乙烯脫除干凈，保證包裝后產(chǎn)品的安全。為了準(zhǔn)確測(cè)量脫氣料倉內(nèi)乙烯氣體的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，采用復(fù)合式氣體檢測(cè)報(bào)警儀對(duì)脫氣料倉T301運(yùn)行時(shí)內(nèi)部的乙烯氣體含量進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，見表1。

表1 T301內(nèi)部乙烯氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Detection data of ethylene gas in silo T301

2.5 靜電

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中的粉體是粉塵、粉末及顆粒狀物質(zhì)的總稱。通常，將粒徑大于500 μm的物質(zhì)稱作顆粒，粒徑在100～500 μm的物質(zhì)稱作粉末，粒徑小于100 μm的物質(zhì)稱作粉塵。國(guó)際上規(guī)定單位質(zhì)量粉體攜帶的電荷稱為荷質(zhì)比，荷質(zhì)比是解決粉體靜電現(xiàn)象的重要參數(shù)之一［2］。為了確定LDPE顆粒進(jìn)料倉前真實(shí)的靜電狀況，使用荷質(zhì)比測(cè)試儀對(duì)脫氣料倉T301，T302進(jìn)料時(shí)的靜電狀況進(jìn)行了測(cè)量，檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 T301與T302的荷質(zhì)比Tab.2 Charge-mass ratio of silos T301 and T302

3 脫氣料倉燃爆的原因分析

3.1 脫氣料倉LDPE粉塵瞬間濃度高

30～50 μm的LDPE粉塵，爆炸下限質(zhì)量濃度為26～35 g/m3。脫氣料倉在正常情況下不可能達(dá)到這個(gè)濃度，但是黏附在脫氣料倉頂部?jī)?nèi)壁厚達(dá)10 mm的LDPE粉塵突然脫落，局部空間內(nèi)的LDPE粉塵質(zhì)量濃度瞬間能夠高達(dá)55 g/m3。

3.2 LDPE粉塵與乙烯混合物點(diǎn)火能降低

LDPE粉塵的最小點(diǎn)火能為15～30 mJ，從圖2可以看出：隨著乙烯含量的升高，LDPE粉塵與乙烯混合物最小點(diǎn)火能降低，當(dāng)乙烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)0.5%（20%LEL，LEL表示爆炸下限。下同）時(shí)，乙烯與LDPE粉塵混合物最小點(diǎn)火能降至10 mJ［3］。

圖2 乙烯與LDPE粉塵混合物最小點(diǎn)火能曲線Fig.2 Minimum ignition energy curve of ethylene and LDPE dust mixture

3.3 料倉內(nèi)存在多種類型的放電

脫氣料倉內(nèi)存在料倉堆表面放電、傳播型刷形放電、火花放電等多種類型，各類放電頻繁交錯(cuò)出現(xiàn)，這些放電的能量容易引爆料倉內(nèi)LDPE粉塵、乙烯和空氣形成的爆炸性混合物［4］。

3.3.1料倉堆表面放電

對(duì)帶電的絕緣性粉體進(jìn)入料倉的過程進(jìn)行跟蹤、分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)條件合適時(shí)，在沉積的粉堆表面可能發(fā)生較強(qiáng)烈的放電。帶電粉體在料倉內(nèi)沉積后，其密度迅速增加，表面的場(chǎng)強(qiáng)也相應(yīng)增加，當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)增加到一定程度時(shí)，首先在粉堆頂部產(chǎn)生空氣電離，形成從倉壁到粉堆頂部的等離子體導(dǎo)電通道，導(dǎo)致堆表面放電，堆表面放電能量達(dá)到10 mJ左右［5］。

3.3.2傳播型刷形放電

由于LDPE顆粒和輸送過程中產(chǎn)生的粉塵進(jìn)入料倉時(shí)攜帶靜電，部分粉塵飄逸在料倉頂部，在靜電作用下附著在料倉頂部?jī)?nèi)壁上，當(dāng)料倉頂部黏壁料厚度在4～8 mm時(shí)，一旦局部被靜電擊穿，沿著黏壁料表面發(fā)生傳播型刷形放電，放電能量可達(dá)上千毫焦［6］。

3.3.3堆表面的火花放電

如果料堆上方有金屬凸出物，如料位開關(guān)、錐部進(jìn)風(fēng)管、遮風(fēng)板或摻混分物錐等，帶電的LDPE顆粒堆表面一旦接近金屬凸出物，就會(huì)誘發(fā)火花放電，火花放電最大能量可達(dá)1 000 mJ［7］。

4 避免脫氣料倉燃爆的措施

4.1 降低脫氣料倉內(nèi)的乙烯含量

脫氣料倉內(nèi)的乙烯氣體一直存在，并且剛進(jìn)滿料時(shí)，乙烯氣體含量能夠達(dá)到23%LEL，如果想將整個(gè)生產(chǎn)過程空間內(nèi)的乙烯氣體含量控制在10%LEL以下，需要將現(xiàn)有脫氣風(fēng)機(jī)的處理能力擴(kuò)大1倍，這樣面臨著改造費(fèi)用高、改造需要長(zhǎng)時(shí)間停車、改造后能耗明顯增加、脫氣料倉的下料變慢等問題。

4.2 降低料倉局部空間的粉塵濃度

從顆粒干燥器至脫氣料倉的進(jìn)料口，送料管線長(zhǎng)達(dá)200 m，且LDPE顆粒密度低，耐磨性差，因此，在風(fēng)送過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生粉塵，粉塵與LDPE顆粒進(jìn)入料倉的瞬間，部分粉塵會(huì)漂浮在料倉上部，受靜電的影響很快吸附在頂部?jī)?nèi)壁，逐漸增加，越來越厚，當(dāng)厚度達(dá)到一定程度，這部分黏壁料就斷續(xù)地局部脫落，脫落瞬間局部空間的粉塵濃度就會(huì)明顯升高。因?yàn)榉蹓m黏附在料倉頂部?jī)?nèi)壁是個(gè)漸進(jìn)的過程，只要有粉塵存在，就會(huì)產(chǎn)生黏壁料，并且逐漸增厚。即使在脫氣料倉的進(jìn)料口增加除塵設(shè)備，也不可能將進(jìn)料口前的粉塵完全除去，從理論上來說，只能降低料倉局部空間粉塵濃度高的概率，不能完全避免。

4.3 消除風(fēng)送過程中的物料靜電

在料倉的進(jìn)料口安裝離子風(fēng)粉體靜電消除/監(jiān)測(cè)器，該設(shè)備采用正/負(fù)離子風(fēng)可調(diào)的非平衡雙極性消電技術(shù)，可以消除LDPE顆粒進(jìn)入脫氣料倉前攜帶的大多數(shù)靜電。該技術(shù)非常適合在已開工的聚乙烯裝置上使用，具有投資小、施工周期短、占據(jù)空間小、使用壽命長(zhǎng)、可以邊生產(chǎn)邊施工、現(xiàn)場(chǎng)改動(dòng)小、操作簡(jiǎn)便、消電效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠從本質(zhì)上改善脫氣料倉的安全問題。

5 靜電消除/監(jiān)測(cè)器投用后的效果

2004年9月，邊生產(chǎn)邊改造，僅用1周的時(shí)間，在LDPE裝置脫氣料倉入口全部安裝了大連東強(qiáng)防靜電技術(shù)有限公司的DQJ-1A型離子風(fēng)粉體靜電消除/監(jiān)測(cè)器，從表3可以看出：消電效率能夠達(dá)到80.0%以上，消電后荷質(zhì)比控制在-0.12～0.10μC/kg，自改造后至今（受使用壽命限制，該系統(tǒng)已于2015年底更新）已連續(xù)運(yùn)行17年沒有發(fā)生料倉安全事故。

表3 DQJ-1A 型離子風(fēng)粉體靜電消除/監(jiān)測(cè)器消電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Data statistics of DQJ-1A ionic wind powder electrostatic elimination/monitor power dissipation

6 結(jié)論

a）脫氣料倉內(nèi)存在多種類型的放電能量，容易引爆料倉內(nèi)LDPE粉塵、乙烯和空氣形成的爆炸性混合物，這是LDPE裝置脫氣料倉多次燃爆的根本原因。

b）在脫氣料倉的進(jìn)料口安裝離子風(fēng)粉體靜電消除/監(jiān)測(cè)器，能夠從本質(zhì)上改善脫氣料倉的安全。

c）安裝離子風(fēng)粉體靜電消除/監(jiān)測(cè)器，具有投資小、施工周期短、占據(jù)空間小、使用壽命長(zhǎng)、可以邊生產(chǎn)邊施工、現(xiàn)場(chǎng)改動(dòng)小、操作簡(jiǎn)便、消電效率高等優(yōu)點(diǎn)。

d）離子風(fēng)粉體靜電消除/監(jiān)測(cè)器消電效率達(dá)80.0%以上。