聚乙烯裝置改造前后料倉靜電危險性對比分析

劉義,趙東風,路帥,何明俊,婁仁杰

(1.中國石油大學化學化工學院,山東青島 266555;

2.中國石油安全環(huán)保技術研究院大連分院靜電研究中心,遼寧大連 116031)

聚乙烯裝置改造前后料倉靜電危險性對比分析

劉義1,趙東風1,路帥1,何明俊2,婁仁杰2

(1.中國石油大學化學化工學院,山東青島 266555;

2.中國石油安全環(huán)保技術研究院大連分院靜電研究中心,遼寧大連 116031)

針對某聚乙烯裝置改造后可能增加的風險,運用靜電模擬裝置模擬了聚乙烯料倉改造前后的靜電起電量,通過粉塵爆炸參數(shù)測試和理論計算分析了刷形放電、堆表面放電、火花放電和傳播型刷形放電的危險性.結合危險性分析結果,提出了預防靜電引起料倉閃爆的措施.結果表明,隨著風量和管道直徑的增加,靜電起電量明顯增加,靜電危險性加大,現(xiàn)場有發(fā)生刷形放電、堆表面放電、火花放電和傳播型刷形放電的可能性.根據(jù)粉塵爆炸參數(shù)的測試結果,預防火花放電和傳播型刷形放電可有效防止靜電引起的料倉閃爆事故.

粉塵;聚乙烯;爆炸;料倉;靜電放電

聚乙烯粉體在輸送過程中一般都采用空氣輸送,且其濃度基本位于爆炸下限之上,所以聚乙烯與空氣能夠形成爆炸性混合物.另外,聚乙烯的體積電阻率大于1014Ω·m[1],因而使得粉料之間摩擦、碰撞、分離等因素產生的靜電通過接地措施并不能完全消除,靜電能夠迅速地積累,一旦場強超過空氣的擊穿場強,則會發(fā)生不同形式的靜電放電現(xiàn)象.近年來發(fā)生的多起聚乙烯閃爆事故也證明聚乙烯粉體爆炸的主要點火源是靜電[2-3],可燃性氣體的存在是導致爆炸事故的主要原因,事故多數(shù)是發(fā)生在料倉[4-5].

2002年,某石化公司乙烯廠對主要生產裝置的生產能力進行了全面的改擴建,其中聚乙烯裝置生產能力由12萬t/a提升至20萬t/a.為評估裝置擴建帶來的風險,基于以往類似裝置發(fā)生的爆炸事故案例,需要重點分析擴建帶來的靜電危險性,尤其是料倉內的靜電危險性.本文結合現(xiàn)場生產條件,運用一套中型粉體模擬實驗裝置測試了聚乙烯粉體的起電特性,根據(jù)測試結果和靜電理論,分析了刷形放電、堆表面放電、火花放電和傳播型刷形放電的危險性.研究結果對預防聚乙烯料倉閃爆事故有重要指導意義.

1 實驗

1.1 實驗裝置

本研究所用實驗系統(tǒng)為一套中型粉體模擬實驗裝置,裝置示意如圖1所示.

圖1 粉料荷質比測試裝置示意Fig.1 Schematic diagram of dust specif ic charge test

1.2 實驗參數(shù)

聚乙烯裝置改造前后的風量、管徑和進料量如表1所示.

表1 聚乙烯裝置改造前后的風量、管徑和進料量Tab.1 W ind rate,pipe diameter and feeding rate of polyethylene equipmen t before and after expansion

根據(jù)改造前后的風量和管徑,可以計算改造前后的風速:

基于上述計算結果,實驗風量和實驗風速分別取262 m3/h和37.1(m/s).

1.3 實驗樣品

實驗采用的聚乙烯顆粒為高密度聚乙烯產品,其粒徑分布如表2所示.

表2 聚乙烯粒徑分布Tab.2 Polyethylene particle size distribution

由于聚乙烯粉體粒徑影響其點火能,而現(xiàn)場可懸浮的粉塵直徑均小于0.5 mm,因此運用標準哈特曼管對粒徑小于0.5 mm的聚乙烯粉塵(通過35目篩,篩孔直徑為0.5 mm)進行了最小點火能量測試,結果為656 mJ[6].

2 結果與討論

2.1 實驗結果

粉體靜電模擬裝置的測試結果如表3所示.

表3 實驗數(shù)據(jù)表Tab.3 Exper imen ta l results

由實驗結果可以得出,模擬實驗裝置的粉體物料風送起電范圍為2.96～5.29μC/kg.而粉體物料風送起電一般和載荷量成反比,和管道的面積成正比[1].通過折合計算,可得出現(xiàn)場改造前和改造后粉體物料風送起電范圍分別為1.85～3.30μC/kg和2.33～4.16μC/kg.實驗結果表明,隨著風量和管道直徑的增加,靜電起電量明顯增加,靜電危險性加大.

2.2 討論與分析

2.2.1 料倉刷形放電危險性分析

當空間電荷云直徑在0.7 m以上,空間電荷云內平均電場強度約1 kV/cm時,便可從空間電荷云向接地導體產生0.1～1 m J的刷形放電.理論上,基于均勻帶電介質球的電場強度,可把空間電荷云場強安全界限換算成空間電荷密度界限[1].

式中:E為空間電荷云場強安全界限;εr為介質的相對介電常數(shù);r為球型電荷云半徑;ε0為真空介電常數(shù); ρ為空間電荷密度.

聚乙烯的相對空氣介電常數(shù)εr為2.35,球型電荷云半徑r為0.35 m,代入式(5),在1 kV/cm的安全界限時,空間電荷密度為17.82μC/m3,即粉塵空間電荷密度安全界限為17.82μC/m3.

現(xiàn)場改造前后粉體進入料倉時的荷質比為1.85～4.16μC/kg,料倉1 m3空間有1 kg聚乙烯粉塵時,此空間的電荷密度為1.85～4.16μC/m3.因此,空間要達到粉塵刷形放電,1 m3空間內必須含有4.28 kg以上的聚乙烯粉塵,但該粉塵一般是指風送物料時始終漂浮在料倉空間的粒徑小于420μm粉塵.

根據(jù)對現(xiàn)場聚乙烯粉塵的粒徑分析和物料密度的測定,現(xiàn)場420μm以下的聚乙烯顆粒約占7%,物料密度為446.8 kg/m3,所以完全可以達到1 m3空間含有4.28 kg以上聚乙烯粉塵.由此可以肯定料倉在進料過程中存在刷形放電.但刷形放電的放電能量小于3.6 mJ[7-8],遠小于純聚乙烯粉塵的最小點火能量656 mJ,所以刷形放電對現(xiàn)場安全影響不大.

2.2.2 料倉內堆表面放電危險性分析

根據(jù)無限長均勻帶電圓柱體的電場強度計算公式(6),可把空間電荷云場強安全界限換算成空間電荷密度界限[1]

式中:E為圓筒內部電場場強;r為圓柱體半徑;ρ,εr,ε0同式(5).

現(xiàn)場改造前后粉體進入料倉時的荷質比為1.85～4.16μC/kg,物料密度為446.8 kg/m3,料倉內物料堆積半徑3 m.基于上述公式,按荷質比最小值1.85μC/kg計算,空間電荷密度最小值為826.58μC/m3,則空間電荷云場強E為59.62 MV/m,遠大于3 MV/m,所以料倉內存在堆表面放電的可能性.由于堆表面放電的放電能量小于10 m J[7-8],小于聚乙烯粉塵的最小點火能量,所以堆表面放電對現(xiàn)場安全影響也不大.

2.2.3 誘發(fā)火花放電

料倉內如果存有金屬尖端突出物,如金屬音叉料位計前端、金屬角鋼、金屬摻合管前端等,與帶電的料堆表面距離很近時,就很容易發(fā)生誘發(fā)火花放電.由于火花放電的最大放電能量為1 J[7-8],要大于現(xiàn)場粉塵的最小點火能量,因此現(xiàn)場一定要避免發(fā)生火花放電.

2.2.4 傳播型刷形放電

傳播型刷形放電主要發(fā)生在有4～8 mm厚絕緣涂層或粘壁料,其表面電荷密度大于或等于2.7× 10-5C/m2時,且當局部絕緣破壞時較易發(fā)生[9].

根據(jù)公式(6),按荷質比最大值4.16μC/kg計算,空間電荷密度ρ最大值為1 858.69μC/m3,則空間電荷云最大場強E為134 MV/m,按式(7)可計算出面電荷密度.

根據(jù)現(xiàn)場勘察,雖然料倉內壁粘有粉料,表面電荷密度大于2.7×10-5C/m2,但很難達到4～8 mm的厚度,所以一般不會發(fā)生傳播型刷形放電.可傳播型刷形放電的最高放電能量是10 J,幾乎能點燃所有危險性可燃性粉塵及其混合物,因此必須采取一定措施確保不能發(fā)生傳播型刷形放電[7-8].

2.2.5 靜電安全防護措施

1)當聚乙烯粉塵中混入可燃性氣體時會形成雜混合物,可燃性氣體的存在會明顯降低聚乙烯粉塵的最小點火能量[10].當一定濃度的可燃性氣體存在時,刷形放電和堆表面放電也有可能點燃聚乙烯粉塵.因此,要保證二級脫氣器的脫氣效果,可以通過加大底部通氮氣量,并適當提高氮氣溫度,提高脫氣效果,避免大量的可燃氣體帶入后系統(tǒng)料倉,控制系統(tǒng)內的可燃氣體濃度.

2)消除料倉內的尖端突出物,消除倉內誘發(fā)火花放電的可能性.

3)在料倉上部入料口處安裝消除靜電的設備,使料倉內的最大靜電電場強度小于3 MV/m,消除料倉內的刷形放電與堆表面放電.

3 結論

1)根據(jù)靜電模擬裝置的測試結果,隨著風量和管道直徑的增加,靜電起電量明顯增加,靜電危險性加大,現(xiàn)場有發(fā)生刷形放電、堆表面放電和火花放電的可能性.

2)根據(jù)粉塵爆炸參數(shù)的測試結果,由于火花放電和傳播型刷形放電的能量要大于聚乙烯粉塵的最小點火能量,因此預防火花放電和傳播型刷形放電可有效防止靜電引起的料倉閃爆事故.

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Comparison of Silo Electrostatic Discharge Hazard During the Expansion of Polyethylene Un it

LIU Yi1,ZHAO Dong-feng1,LU Shuai1,HEMing-jun2,LOU Ren-jie2
(1.Co llege of Chem istry and Chem ical Engineering,China U niversity of Petro leum, Qingdao 266555,China;2.Electrostatic Research Center,Dalian B ranch of Environment and Safety Techno logy Academy of CNPC,Dalian 116031,China)

Fo r the inc reased risk by expansion of the polyethylene unit,the specific charge of the polyethylene silo after expansion was simulated by a pilo t scale electrostatic sim ulator.The electrostatic discharge hazard of brush discharge,cone discharge,spark discharge and p ropagating brush discharge wasanalyzed based on the dust exp losion test and theo retical calculation.Combined w ith the resultsof hazard analyses,the measures to p revent the silo exp losion caused by electrostatic discharge were put fo rward.The results showed that electrostatic discharge hazard increased w ith the w ind rate and pipe diameter.The brush discharge,cone discharge,spark discharge and p ropagating brush discharge would happen possibly on site.Acco rding to the dust exp losion test,it show s that the p revention of spark discharge and p ropagating brush discharge can p revent silos exp losion caused by electrostatic discharge effectively.

dust;polyethylene;exp losion;silo;electrostatic discharge

TQ 325.1+2;X 932

A

1000-1565(2010)05-0516-05

2010-04-15

中國石油“十一五”科技攻關項目(2006AZ-JS-07)

劉義(1977—),男,河北滄州人,中國石油大學(華東)副教授,博士,主要從事粉塵爆炸及化工安全系統(tǒng)研究.

(責任編輯:趙藏賞)