粉體靜電帶電電荷測試設(shè)計與實現(xiàn)

孟曉鋒

(中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司純梁采油廠，山東 濱州 256504)

現(xiàn)代的化工行業(yè)生產(chǎn)中，粉體材料的應(yīng)用越來越普遍。粉塵在生產(chǎn)、運輸和加工過程中，由于粒子之間及粉塵與管道、設(shè)備之間存在摩擦、接觸和碰撞，會產(chǎn)生靜電電荷的積累。當(dāng)靜電電荷積累到一定量時，會發(fā)生靜電放電，瞬間放出巨大能量，這種靜電能量會引起絕緣擊穿及電擊甚至火災(zāi)爆炸[1-2]。2002年，遼陽某石化公司聚乙烯裝置中的粉塵產(chǎn)生靜電火花造成爆炸，導(dǎo)致8人死亡、19人受傷，直接經(jīng)濟損失452.78萬元。2012年，廣東某五金制品公司在抽排過程中管道內(nèi)的鋁粉塵濃度達到爆炸下限，遇靜電火花引發(fā)爆燃，導(dǎo)致7人嚴重?zé)齻Ｒ虼?，加強對典型粉塵靜電特性的研究，對預(yù)防由粉塵靜電放電引起的火災(zāi)和爆炸事故具有重要指導(dǎo)意義[3-4]。

現(xiàn)階段使用的的粉塵爆炸實驗裝置普遍較為簡陋，實驗成功率低，教學(xué)效果差，實在不適合作為化學(xué)工程本科實驗教學(xué)裝備[5]。為了更好地實現(xiàn)粉塵靜電教學(xué)要求，本文根據(jù)系統(tǒng)功能和實驗條件，研發(fā)設(shè)計了一套可在模擬實際工況管道氣力輸送粉塵產(chǎn)生靜電電荷積累的實驗裝置，并選取不同粉塵進行實驗。該實驗專業(yè)性與創(chuàng)新性相結(jié)合，可以鞏固化工專業(yè)學(xué)生粉塵靜電累積的概念，并運用此裝置測量某一物質(zhì)的靜電電荷積累量。

1 實驗原理

1.1 粉塵管道氣力輸送靜電起電原理

粉塵在生產(chǎn)過程中一般采用管道內(nèi)空氣輸送的方式，如果粉塵是可燃性粉塵，且濃度在爆炸極限之間，就會形成粉塵與空氣的爆炸性混合物。若不做好靜電消除措施，便會產(chǎn)生靜電積累，一旦電場強度超過了空氣擊穿場強，就會發(fā)生不同形式的靜電放電現(xiàn)象[6]。當(dāng)靜電能量大于粉塵最小點火能時，極易導(dǎo)致粉塵燃燒爆炸事故。

本實驗基于雙電層理論以及"接觸─分離"起電機理。不同的粉塵在管道內(nèi)通過負壓風(fēng)機輸送，輸送過程中顆粒之間以及顆粒與管道之間摩擦?xí)a(chǎn)生并積累電荷，通過濾筒除塵器和卸料器把粉塵卸到法拉第筒內(nèi)，通過法拉第筒和電荷測試儀測量粉塵經(jīng)過管道后因摩擦所帶的電荷量。

1.2 法拉第筒原理

法拉第筒是利用靜電感應(yīng)原理設(shè)計的，可以測量粉塵等絕緣性帶電體的電荷量[7]。法拉第筒裝置如圖1所示，由內(nèi)外兩個圓筒組成，且兩筒之間有一定的間隙，測量之前要用絕緣橡膠或泡沫將間隙堵住，以防被測物料掉落間隙和空氣導(dǎo)電而使測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。內(nèi)筒與外筒底部用海綿絕緣，外筒接地。當(dāng)被測物料掉落至法拉第筒內(nèi)筒時，內(nèi)筒內(nèi)表面由于靜電感應(yīng)會感應(yīng)出與物料所帶電荷相反的等量異種電荷，內(nèi)筒外表面感應(yīng)出與物料所帶電荷相同的等量同種電荷。通過電荷測量儀可測出內(nèi)外筒的電位差，通過公式(1)間接測量出物料所帶電荷量。

Q=C·U

(1)

Q-電荷量；C-電容；U-電位差

圖1 法拉第筒測量裝置圖

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗總體設(shè)計

之前的粉體靜電實驗大多采用工業(yè)實際生產(chǎn)使用的機械振動篩等設(shè)備[8-10]。對于實驗室研究而言，工業(yè)實際生產(chǎn)設(shè)備占地面積大、工藝復(fù)雜。通過借鑒其他相關(guān)實驗系統(tǒng)特別是粉體靜電測量實驗系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗[11-13]，從方便和安全的角度出發(fā)，設(shè)計了一套管道氣力輸送粉塵裝置，可以研究管道長度、材質(zhì)、直徑、粉塵種類、粒徑、質(zhì)量、加料速度、風(fēng)速等因素對粉塵靜電特性影響。設(shè)計時充分考慮了實驗對象、裝置結(jié)構(gòu)以及固定約束方式的良好適用性。

2.2 實驗裝置設(shè)計

基于實驗設(shè)計方案，構(gòu)建了如圖2所示全套實驗裝置，包括管道氣力輸送粉塵產(chǎn)生靜電電荷系統(tǒng)以及粉塵靜電電荷測量系統(tǒng)，其中管道氣力輸送粉塵產(chǎn)生靜電電荷系統(tǒng)主要包括噴吹灰系統(tǒng)、MLT-4型濾筒除塵器、灰斗、進出口裝置、管道以及卸料器等，粉塵靜電電荷測量系統(tǒng)包括法拉第筒和電荷測量儀，電荷測量儀能夠測試±2nC-±2μC范圍內(nèi)的電荷量，精確度能夠達到±1%。

除此之外，實驗過程中還使用了風(fēng)速測量儀和溫度計，用來測量管道內(nèi)的風(fēng)速以及環(huán)境溫度。

1.灰斗；2.箱體；3.花板；4.脈沖清灰裝置；5.進口裝置；6.出口裝置；7.塵氣室；8.凈氣室；9.卸料器；10.設(shè)備支架；11.濾筒除塵器；12.法拉第筒；13.電荷測量儀

圖2 實驗裝置示意圖

2.3 實驗步驟設(shè)計

實驗前需測量所選物料粉塵的平均粒徑，并在50℃下干燥24小時。將法拉第筒外筒可靠接地，法拉第筒上部內(nèi)間隙用泡沫塞緊，管道、卸料器、降噪裝置及濾筒箱體的連接處用密封墊處理，管道底部與地面接觸的地方和設(shè)備支架都用絕緣墊與地面絕緣，確保卸料器、風(fēng)機、噴吹灰系統(tǒng)與控制柜的導(dǎo)線連接正確。當(dāng)選取某一特定粉塵時，可設(shè)定不同的風(fēng)速與加料速度，然后測量靜電電荷積累量并記錄。具體實驗步驟如下：

(1)打開風(fēng)機和卸料器，使裝置正常運行并吹出管道及裝置內(nèi)的雜物；

(2)調(diào)節(jié)控制柜的頻率按鈕，控制風(fēng)速并在出風(fēng)口處讀出風(fēng)速儀的風(fēng)速；

(3)將法拉第筒放到卸料器的下方并連接到電荷測量儀，開電源，預(yù)熱15min；

(4)進料后完成一次試驗，讀出電荷測量儀的數(shù)值并記錄，關(guān)閉風(fēng)機和卸料器；

(5)將法拉第筒中的物料倒出放在干凈袋子中，將物料清洗、干燥，以便物料循環(huán)利用；

(6)重新步驟(1)～(5)，完成不同風(fēng)速、不同加料速度的測量實驗。

3 實驗效果分析

3.1 實驗結(jié)果及要求

學(xué)生在進行實驗時，可測量某一物料在不同加料速度和不同風(fēng)速下的粉塵靜電電荷積累量。每組學(xué)生在完成所需的全部實驗后，根據(jù)電荷測量儀測出的電荷量作為實驗結(jié)果，該結(jié)果主要包括物料在不同加料速度和風(fēng)速下與靜電電荷積累量的關(guān)系。學(xué)生需要對結(jié)果進行分析：針對某一實驗物料在特定加料速度下，靜電電荷積累量根據(jù)風(fēng)速變化趨勢；針對某一物料在特定風(fēng)速下，靜電電荷積累量隨加料速度變化趨勢；在相同風(fēng)速、加料速度條件下不同顆粒料靜電電荷積累量結(jié)果對比，分析并比較不同顆粒料靜電起電量差異性原因。

3.2 實驗結(jié)果及分析

為了測試此套實驗裝置的實用性與效果，分別研究了聚乙烯、聚丙烯、ABS樹脂顆粒料在不同加料速度和風(fēng)速時的靜電積累量。以粒徑3mmABS樹脂顆粒為例，圖3為風(fēng)速一定時，隨加料速度的增加，ABS樹脂靜電電荷積累量逐漸增加；圖4為加料速度一定時，ABS樹脂靜電電荷量隨風(fēng)速的增加而增加。

圖3 加料速度與靜電電荷量積累關(guān)系圖4風(fēng)速與靜電電荷量積累關(guān)系

根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)可做出風(fēng)速、加料速度與電荷積累量的曲線圖，并可從顆粒的大小和形狀、逸出功大小、得失電子能力、轉(zhuǎn)移膜、溫度、濕度幾個角度去解釋差異的原因。實驗結(jié)果證明了此套實驗裝置的可用性，有利于幫助化工專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)粉塵靜電累積概念并比較不同物料在不同情況下的靜電電荷積累量。在粉塵實際工業(yè)生產(chǎn)中，可根據(jù)實驗結(jié)果從減少靜電產(chǎn)生和靜電消散兩個方面提出防靜電對策措施。

4 結(jié)語

研制成功的靜電電荷測量實驗裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作安全方便，可用于測量各種可燃性粉塵在管道氣力輸送過程中靜電電荷積累量。實驗設(shè)計過程中充分考慮了粉塵種類、粒徑、質(zhì)量、加料速度、風(fēng)速等多個因素的影響。教學(xué)實踐表明，此套實驗裝置不僅能幫助學(xué)生更深刻地了解粉塵靜電累積的概念和管道氣力輸送粉塵裝置的原理，還可以測量某一物質(zhì)的靜電積累量和靜電起電特性，并根據(jù)實驗結(jié)果提出相應(yīng)的防護措施。