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

氣力輸送系統(tǒng)中靜電的產(chǎn)生與生活中產(chǎn)生的靜電的原理一樣，都是不同材質(zhì)的物體互相接觸后，電子受到各種外力的影響發(fā)生轉(zhuǎn)移，分別形成正負(fù)離子后產(chǎn)生的靜電。固體物料在管道內(nèi)輸送的過程中，不可避免地會發(fā)生物料與管道之間的撞擊、摩擦，從而產(chǎn)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(chǎn)生一定量的拉絲和粉塵，形成可燃物進(jìn)入料倉。如果氣力輸送系統(tǒng)中未設(shè)置靜電消除措施，在輸送過程中產(chǎn)生的靜電荷會隨著粉粒料一起進(jìn)入料倉，并聚集在料倉中。當(dāng)這些聚集在料倉中的靜電發(fā)生放電，在某些條件下就會引起燃爆事故。除了容易引發(fā)爆炸，靜電產(chǎn)生的吸附性還會引起料倉中物料的結(jié)塊現(xiàn)象，從而導(dǎo)致下料不暢，輸送能力降低。如果系統(tǒng)中設(shè)有旋轉(zhuǎn)閥或振動篩，會造成旋轉(zhuǎn)閥內(nèi)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(dǎo)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(chǎn)過程中，氣力輸送環(huán)節(jié)可使聚烯烴粒料常常帶有約1 ～ 5μC/kg 的靜電。當(dāng)料倉積聚的靜電大于0.3μC/kg，就可能會產(chǎn)生錐面放電。由于料倉中帶電物料的作用，在料倉內(nèi)壁會產(chǎn)生一個靜電場，細(xì)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(dāng)黏壁料從料倉上脫落時也會產(chǎn)生靜電放 電。

1 存在的問題和分析

靜電消除系統(tǒng)主要由控制柜、分控箱、監(jiān)測器及消電器四部分組成，系統(tǒng)組成圖見圖1。目前國內(nèi)固體粉粒體氣力輸送系統(tǒng)項目中使用的多為間歇式采樣靜電消除系統(tǒng)，此類型的靜電消除系統(tǒng)監(jiān)測器結(jié)構(gòu)和采樣方式導(dǎo)致其在固體粉粒料氣力輸送系統(tǒng)中應(yīng)用時有電荷檢測滯后、不精準(zhǔn)、檢測存在無數(shù)據(jù)區(qū)間、氣缸結(jié)構(gòu)密封不佳等問題；以及沒有可隨機調(diào)節(jié)的消電器，從而導(dǎo)致消電效果不理想。

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

間歇式靜電消除系統(tǒng)的監(jiān)測器采用法拉第桶原理，由一個氣缸驅(qū)動的可伸縮采樣杯完成取樣，監(jiān)測器結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)更新區(qū)間。大多數(shù)的間歇式靜電消除系統(tǒng)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(dāng)采樣間隔中靜電電荷量有所變化，間歇式靜電消除系統(tǒng)無法及時調(diào)整消電器進(jìn)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(shù)據(jù)存在滯后性。③ 監(jiān)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(jié)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(tǒng)的監(jiān)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(tǒng)平穩(wěn)運行后方可采樣。⑥ 氣缸結(jié)構(gòu)不能完全密封，細(xì)小粉料容易進(jìn)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(tǒng)常用的操作模式是半自動模式，無法做到隨機調(diào)節(jié)。需要操作人員手動點擊操作屏幕進(jìn)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(fēng)險點。

圖2 間歇式靜電消除系統(tǒng)監(jiān)測器結(jié)構(gòu)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(jìn)之處就是監(jiān)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(tǒng)時，選擇帶有非氣缸直通型監(jiān)測器可以規(guī)避氣缸型采樣的缺點。非氣缸直通型直接檢測技術(shù)監(jiān)測器同樣采用法拉第桶原理，但它的監(jiān)測器是通過內(nèi)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(xù)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(xiàn)粉粒料靜電的連續(xù)監(jiān)測，數(shù)據(jù)檢測間隔可以縮小到毫秒級。監(jiān)測器分為內(nèi)外筒結(jié)構(gòu)，中間是聚四氟乙烯絕緣層，結(jié)構(gòu)及實物圖見圖 3。

圖3 非氣缸直通型監(jiān)測器結(jié)構(gòu)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(tǒng)的控制方式，應(yīng)選擇可以全自動操作的控制單元來配合監(jiān)測器進(jìn)行在線監(jiān)測。消電器可以自動接受控制單元傳來的指令調(diào)整正、負(fù)壓數(shù)值，實時產(chǎn)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(fēng)的作用進(jìn)入管道中與物料表面的電荷進(jìn)行中和，從而實現(xiàn)消電器的在線隨機調(diào)節(jié)，同時也滿足了GB 50813—2012《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設(shè)計規(guī)范》的條目3.0.7 的建議。

除此之外，監(jiān)測器和操作方式改進(jìn)后的靜電消除系統(tǒng)還有其他優(yōu)勢：沒有氣缸，無運動部件，壽命較長；內(nèi)部無突出式采樣杯，無阻擋，不會造成物料額外破碎，產(chǎn)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(jié)對比如表1 所示。

表1 改進(jìn)前后靜電消除系統(tǒng)的對比Tab.1 Comparison of electrostatic elimination systems before and after improvement

3 連續(xù)式在線監(jiān)測靜電消除系統(tǒng)在石油化工項目中的應(yīng)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(chǎn)出料后，經(jīng)氣力輸送系統(tǒng)輸送至裝置內(nèi)的5 臺摻混料倉，摻混料倉設(shè)有外循環(huán)線。氣力輸送方式為稀相，輸送介質(zhì)為空氣。輸送介質(zhì)為空氣的氣力輸送系統(tǒng)，需要滿足規(guī)范GB 50813—2012《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設(shè)計規(guī)范》。是否需要設(shè)置靜電消除系統(tǒng)需要進(jìn)一步從物料的最小點火能（MIE）以及可燃?xì)怏w體積濃度來判斷：① 最小點火能≤10 mJ。 ②可燃?xì)怏w體積濃度（LEL）≥20%。滿足其中任意一個情況就應(yīng)該設(shè)置靜電消除系統(tǒng)。

針對本項目的物料聚乙烯，查詢物料參數(shù)及經(jīng)驗數(shù)據(jù)，得到最小點火能及可燃?xì)怏w濃度：

表2 PE 粉體產(chǎn)品燃爆參數(shù)Tab.2 Explosion character data of PE powder products

圖4 PE 裝置聚乙烯料倉內(nèi)可燃?xì)怏w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?xì)怏w濃度可能大于20%。因此，聚乙烯裝置中的氣力輸送系統(tǒng)應(yīng)在料倉進(jìn)料口設(shè)置靜電消除系統(tǒng)。最終項目采用帶連續(xù)監(jiān)測和隨機調(diào)節(jié)功能的全自動在線式監(jiān)測靜電消除系統(tǒng)，工藝流程圖見圖5。

每個摻混料倉有兩個進(jìn)料口， 5 臺摻混料倉共設(shè)置10 套靜電消除系統(tǒng)。其主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）消電器指標(biāo)：

正負(fù)離子流調(diào)節(jié)范圍：0 ～ ±200 μA；

消電效率90%以上（或消電后物料荷質(zhì)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(jiān)測器指標(biāo)：

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(chǎn)后，為了能更直觀地了解靜電消除系統(tǒng)的消電效果。在氣力輸送系統(tǒng)正常工作時短暫關(guān)閉了一次靜電消除系統(tǒng)的消電器，觀察并獲取監(jiān)測器檢測到的物料荷質(zhì)比數(shù)據(jù)，制成的圖如圖7所示。

圖6 靜電消除系統(tǒng)現(xiàn)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(tǒng)消電器開啟前后荷質(zhì)比監(jiān)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(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)算法基本均勻的選取偏差較大的時間點荷質(zhì)比數(shù)值，由圖7 中可以看到：在靜電消除系統(tǒng)開啟前，監(jiān)測器檢測到的荷質(zhì)比一直在-3μC/ kg 左右；在第五個時間節(jié)點開啟靜電消除系統(tǒng)后，荷質(zhì)比絕對值迅速下降并在絕對值小于0.2μC/kg 的區(qū)間浮動，達(dá)到了預(yù)期的消電效果（≤0.3μC/kg）。

4 結(jié)束語

總體來看，改進(jìn)升級后的全自動連續(xù)式在線監(jiān)測靜電消除系統(tǒng)的各方面均優(yōu)于間歇式采樣靜電消除系統(tǒng)，實際應(yīng)用中的使用效果也很理想，可以使靜電荷質(zhì)比一直保持在安全數(shù)值下。在固體粉粒料氣力輸送系統(tǒng)中選用靜電消除設(shè)備時，宜優(yōu)先考慮選用連續(xù)式在線監(jiān)測靜電消除系統(tǒng)，進(jìn)一步提高固體粉粒料氣力輸送系統(tǒng)安全性、降低粉塵燃爆的危險性。