聚丙烯颗粒输送过程静电特性实验研究*

李亮亮，王亚茹，刘全桢，宫 宏，孟 鹤

(1.中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 2661002.中国石油大学(北京)，北京 102249)

0 引言

随着社会的发展，新材料、新技术不断涌现，我国在聚合工艺研发、高性能低成本聚烯烃、聚酯新品研发方面取得巨大进步，但同时也面临着聚烯烃、聚酯生产设备老化、装置扩能改造、产品升级问题[1]。聚烯烃、聚酯产品生产过程中均采用风送系统完成掺混和包装作业，但粒料产品输送过程粒料颗粒间、粒料与管壁等摩擦带电[2-6]。静电危害主要表现在：①粒料产品不可避免地携带细粉(粉尘)，携带静电荷的物料因静电作用会导致细粉(粉尘)吸附在粒料表面，影响产品质量[7,8]；②静电作用增强了物料与仓壁的黏着力而导致粉体料仓结拱、架桥；③料仓内因静电积聚产生危险性静电放电，造成料仓内部产生熔融料块，甚至诱发料仓内粉尘爆炸[1,9]。

料仓作为聚烯烃、聚酯产品脱气、掺混和包装作业的重要单元，其内部闪燃爆炸事故不仅在经济上造成重大的损失，同时对设备的安全和周边的环境造成很大危害。为控制进入料仓内的物料静电，可按照GB 50813-2012《石油化工粉体料仓防静电燃爆设计规范》规定，在物料挥发分较高时宜在料仓放料口、包装口安装离子风静电消除器，防止料堆表面的锥形放电、空间粉尘云与金属突出物的雷击放电等。工业风送粉体作业风速大(约25～50 m/s)，粉体起电受现场设备条件和风送条件影响[10]。由于料仓现场测试物料静电较难，生产企业对物料静电特性的了解不足，为此，建立全尺寸粉体料仓静电实验装置，通过实验研究不同物料风送过程静电特性影响因素，如物料的质量流量变化对物料静电荷质比的影响，对进一步了解料仓静电产生机理，优化料仓静电安全管理措施，减少因静电而产生的料仓燃爆事故具有重要意义。

1 料仓内静电放电风险分析

静电放电是料仓燃爆的主要点火源。料仓内部随着带电物料料位增高，积聚的静电可能诱发危险性静电放电(刷形放电、沿面放电、火花放电和传播型刷形放电等，如图1所示)。典型料仓内不同放电形式及能量分布范围如表1所示。一般避免出现尖端突出物和孤立导体，同时清除4～8 mm厚绝缘涂层或黏壁料就可去除或抑制料仓内可能诱发的火花放电和传播型刷形放电。因此，聚烯烃材料生产过程中需确保料仓中混合物料的最小点火能高于沿面放电能量。

图1 料仓内静电放电形式及位置

表1 料仓内不同放电形式及能量分布范围

2 聚丙烯粒料风送过程静电测试

2.1 实验装置

本文采用自建全尺寸粉体料仓静电实验装置，装置工艺简图如图2所示。粉体料仓静电实验装置主要包括罗茨风机、掺混料仓D-01A、D-01B和包装料仓D-02等。实验采用不锈钢金属管道(DN100)输送物料，用于模拟物料掺混和包装作业。料仓下通过旋转阀(转速可调)变频控制给料量，实现输送管线输送能力约3～10 t/h可调。

2.2 静电电荷量测试

通常采用荷质比(物料总带电量与物料质量的比值，μC/kg)衡量进入料仓内物料的带电水平。在实验料仓A和B进料口处安装法拉第筒式粉体静电监测器，测量管道内粉体物料荷质比[3,4]。系统输送物料为聚丙烯颗粒(PP，粒径为3～4 mm，电阻率1014～l017Ω·cm)。

结合图2，PP粒料由料仓D-01A通过金属管道输送到料仓D-01B时，通过调节旋转阀RF-01A的控制频率，实现对PP粒料质量流量的调节，并通过安装在D-01B进料口上静电监测器B测试PP的荷质比。反之通过调节旋转阀RF-01B的控制频率,实现对PP粒料质量流量的调节，并通过安装在D-01A进料口上静电监测器A测试PP的荷质比。本实验中采用1 000 kg的PP粒料作为实验物料，间隔约20 s检测一次管道内物料静电量。

图2 实验装置流程

2.3 质量流量测试

固定单一实验料仓D-01A或D-01B内物料总质量为m，通过现场测试料仓D-01A与D-01B料仓间掺混过程输送质量为m物料所需要的时间t，获得管道内质量流量为m/t。

2.4 实验结果与分析

固定隔膜调节阀的开度为40%，现场调节RF-01A和RF-01B的控制频率分别为20，30，40，50 Hz，计算质量流量，现场测试结果如表2所示。

表2 PP粒料输送过程输送风量与质量流量计算值

将D-01A料仓内粒料输送到D-01B料仓，调节RF-01A的控制频率分别为20，30,40，50 Hz时，对应PP粒料质量流量约为1.5，2.0，2.6，3.1 kg/s。图3是旋转阀RF-01在不同控制频率下，PP粒料由料仓D-01A通过金属管道2输送到料仓D-01B时在料仓进料口测试的荷质比数据。可以看出，在低质量流量时，PP粒料的荷质比可以达到-6～-7 μC/kg。

图3 不同旋转阀控制频率下，进入D-01B料仓内PP粒料荷质比变化

图4是将D-01B料仓内粒料输送到D-01A料仓，调节RF-01B的控制频率分别为20，30，40，50 Hz(对应PP粒料质量流量约1.6，2.1，2.5，2.7 kg/s)时，进入D-01A料仓内PP粒料荷质比变化图。结合图4和图5可以看出，随着PP物料输送的质量流量增加，其物料的荷质比减小。这可能源于物料颗粒是在风送管道内输送过程中，颗粒与管壁和容器发生摩擦、冲撞，使得颗粒表面带有大量电荷，产生静电，而物料输送的质量流量增加时，在相同的空间内，颗粒的运动速度不改变而其物料颗粒的数量增加，导致颗粒与颗粒之间的碰撞机率增加，而管壁的几何尺寸不变，故相对减少了粉体颗粒与管壁间摩擦、碰撞作用，导致物料的输送质量流量增加时其电荷荷质比随之减小。

图4 不同旋转阀控制频率下，进入D-01A料仓内PP粒料荷质比变化

一般认为进入料仓内物料荷质比绝对值不大于0.3 μC/kg是可以接受的风险，但本试验系统中，PP粒料荷质比超过-2 μC/kg。

3 结论及建议

对PP粒料静电特性测试结果表明，对于固定风送系统装置，随着PP物料输送的质量流量减小，其物料的荷质比增大，本实验装置中PP粒料静电荷质比可以达到-6～-7 μC/kg。因此，为强化聚烯烃、聚酯料仓装置安全水平，必须加强物料风送过程静电安全管理措施，对于聚烯烃料仓装置物料带电量高时，可参考GB 50813-2012《石油化工粉体料仓防静电燃爆设计规范》，在料仓进料口、放料口或下料包装口宜设置离子风静电消除器，防止料仓内静电荷积聚诱导静电放电。