車用乙醇汽油靜電起電特性試驗研究*

李義鵬，李亮亮，劉全楨，高　鑫，孫立富

(1．中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，山東 青島 266100； 2．化學品安全控制國家重點實驗室，山東 青島 266100)

0　引言

使用車用乙醇汽油(E10)不僅可以減少化石燃料使用量，而且能顯著減少機動車尾氣中一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)和顆粒物(PM)等污染物的排放，對改善空氣質量、保護大氣環境及減輕霧霾災害具有重要作用[1-2]。使用乙醇汽油可有效控制機動車尾氣污染，但乙醇汽油灌裝過程中曾多次發生靜電燃爆事故[3]。

在填充油品的管道內，自身顯電中性的油品在油-管壁界面形成“雙電荷層”。隨著油品流動，“雙電荷層”內正、負電荷分離而使油品帶電，且某一極性的電荷隨油品流動形成沖流電流[3-4]。 管輸油流靜電產生量與油品的流速、管道材質及油-管壁的界面積有關，當流速一定時，油流帶電量隨管道長度的增加而趨于穩定(電荷積累與消散速率達到平衡狀態)[5]。但是油品靜電帶電涉及分子動力學及多相流體力學學科，難以通過理論分析和數值模擬來反映油品靜電實際帶電情況及帶電過程[6]。因此，分析乙醇汽油靜電特性需對乙醇汽油組分、灌裝及車輛加油過程中的靜電帶電情況進行大量試驗研究。目前，乙醇汽油的靜電風險尚未引起人們足夠重視，只是通過了常規方法對乙醇汽油灌裝過程中的靜電起電特性進行了研究。

本文利用可檢測管道油品靜電量的油品電荷密度表，開展乙醇對汽油靜電起電影響試驗，并對乙醇汽油灌裝過程及車輛加油過程中乙醇汽油靜電起電特性進行分析與探討，為確保乙醇汽油使用過程中的靜電安全提供參考依據。

1　 乙醇汽油調配/灌裝工藝

車用乙醇汽油是車用乙醇汽油調和組分油與一定體積(10%，稱為E10)的變性燃料乙醇調和而成的用作車用發動機的燃料[7]。成品油庫灌裝車用乙醇汽油時，采用組分油與乙醇組分通過不同的管道輸入到混合器中混合，在通過管道(鶴管)直接輸送到罐車中。在罐車開始裝車時，先打開組分油管道裝油，再打開燃料乙醇輸送管道，開始加注乙醇；罐車即將裝滿時，先關閉乙醇輸送管道，然后再關閉組分油輸送管道。

2　乙醇汽油靜電帶電測試方法

2.1　管輸油品靜電測試方法

假設帶電均勻油品在無限長管道內流動，則油品電荷密度ρ與管道截面電位Vr關系滿足[8]：

(1)

式中：Vr為管線斷面內半徑為r處的電位，V；r0為管線半徑(內徑)，m；r為管線斷面內任一點到圓心的距離，m；ε=ε0εr為油品介電常數，F/ m。當r=0時，管內中心電位V0與ρ滿足ρ=4εV0/r02。

通過檢測油品管道中心電位，可直接反應油品靜電帶電量(靜電電荷體密度)。基于此原理研發了油品電荷密度表(靜電監測儀)，測量管道中油品體積電荷密度，用于研究管輸油品靜電量變化，詳細設計及應用參考已公開發表專利及文獻[9-11]。該設備通過國家安全防爆認證，適用于所認證安全級別的各種防爆場合。

2.2　乙醇含量對油品靜電特性影響的測試方法

在乙醇汽油灌裝過程中，低電導率的組分油(汽油)中直接混入第二相乙醇，在二者混合的過程中可能產生大量靜電。試驗針對乙醇汽油灌裝作業時組分油與乙醇輸送作業存在的不同步過程，設計試驗系統研究組分油中摻入不同比例乙醇時的油品靜電起電特性。

圖1　乙醇濃度對油品靜電特性影響試驗系統Fig.1　Test the effect of ethanol concentration on the electrostatic characteristics of gasoline

試驗系統框圖見圖1，系統包括100 L儲油罐、流量計、過濾器、油品電荷密度表及提供油品循環動力的變頻泵。預先向儲油罐中加入80 L低電導率汽油(11 pS/m)，向汽油中添加一定量的乙醇后開啟變頻泵，保持油品流量(流速)穩定，此時電荷密度出現先波動再逐漸穩定的狀態。根據圖1，讓油品循環測試系統運轉10 min，并利用油品電荷密度表和MLA900電導率儀分別記錄電荷密度的最大值、電荷密度的穩定數值及油品電導率。重復上述試驗，使乙醇在汽油中的體積比例依次為0.1%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1%，1.5%，2%，2.5%，5%。試驗采取DN25不銹鋼輸油管道，控制油品流速3.0～3.2 m/s；試驗條件為溫度10～20 ℃，濕度30%～45%RH。

2.3　油庫內乙醇汽油裝車作業靜電測試方法

對某乙醇汽油裝車棧臺進行改造，在乙醇汽油裝車管道上的混合器兩端分別安裝1#和2#油品電荷密度表(原理如圖2所示)，用于分析組分油與燃料乙醇混合前后油品靜電量的變化。

圖2　某油庫乙醇汽油裝車示意Fig.2　Diagram of ethanol gasoline loading

2.4　加油站內乙醇汽油加油作業靜電測試方法

為檢測加油槍口油品靜電量變化，在某省選取3座乙醇汽油加油站用于分析加油作業時乙醇汽油靜電風險。加油站罐車卸油時仍正常加油作業，采用法拉第筒法原理對加油站罐車卸油前、卸油中、卸油后3個階段加油槍出口的油品靜電參數進行測試。如圖3所示，加油槍口油品靜電檢測時，先向事先準備的油桶內注入約10 L油品，后迅速將加油槍口油品注入法拉第筒，根據法拉第筒內油品帶電量及油品體積計算得到油品電荷密度，同時使用電導率儀測試油品電導率。每隔3～5 min，重復上述測試試驗。

圖3　加油槍口油品靜電測試Fig.3　Schematic of testing electrostatic charge density after the self-closing oil filler

3　試驗及結果分析

3.1　乙醇含量對油品靜電起電影響試驗

試驗獲得不同乙醇含量的油品電荷密度最大值、電荷密度穩定數值及對應油品電導率數據，如圖4所示。乙醇在汽油中的體積比例為0，0.1%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1%，1.5%，2%，2.5%，5%時，相應油品電導率分別為11，13，19，235 ，396 ，581，932 ，1 537，2 000和5 200 pS/m。可以看出，隨著乙醇含量的增加，油品電導率升高。

圖4為油品靜電電荷密度隨乙醇含量變化趨勢圖，由圖可以看出：

1)隨著乙醇含量增加，油品的靜電起電呈現先增大后減小趨勢，油品的靜電起電量最終會遠低于未添加乙醇時汽油靜電起電量。

2)乙醇含量在0.4%～1%時，油品靜電起電量最高。該系統測試下得到油品最高電荷密度為-77.2 μC/m3，是未添加乙醇時汽油靜電起電量的4倍多。

3)當油品中乙醇的含量高于2.5%時，油品靜電帶電量已低于純汽油的靜電起電量。

4)乙醇含量高于5%時，油品靜電帶電量較低。

圖4　油品靜電電荷密度、電導率隨乙醇含量變化Fig.4　The effects of ethanol content on the charge density and conductivity for gasoline

3.2　裝車作業乙醇汽油靜電起電試驗

表1是某乙醇汽油裝車過程中組分油與燃料乙醇混合前后油品靜電測試數據。1#油品電荷密度表測試數據表明在裝油初始階段，組分油靜電量隨油速增大迅速增加，峰值達到-17.29 μC/m3，穩定后維持在-13 μC/m3左右；在開始減速裝油時，油品電荷密度進一步下降，完全停止裝油后電荷密度迅速下降為0。 2#油品電荷密度表測試數據表明在裝油初始階段，乙醇汽油電荷密度略有增加，峰值只有1.58 μC/m3；穩定后維持在0.3 μC/m3左右；當乙醇汽油加完時，油品電荷密度迅速增加，峰值是4.11 μC/m3，大約半分鐘后油品電荷密度降為2.7 μC/m3左右，數值開始穩定；開始減速裝油時，電荷密度進一步下降，完全停止裝油后電荷密度迅速下降為0。

在乙醇汽油裝車結束前先停止乙醇輸送，乙醇在混合物中的比例逐步降低。結合3.1節分析，此時乙醇實際上是以雜質的形式出現在低電導率的組分油中，隨著乙醇含量逐步降低，汽油的電導率降低可能導致油品電荷密度的增加。測試結果證實，乙醇與組分油裝車結束不同步會導致管線中油品電荷密度增大。

表1　某油庫乙醇汽油裝車過程靜電測試數據

3.3　乙醇汽油加油作業靜電起電試驗

加油作業加油槍出口油品靜電帶電主要影響因素：地罐中的油品靜電、油品與管道摩擦帶電、油品通過泵及過濾器產生靜電、油品通過加油槍膠管后帶電及油品與加油槍槍嘴剝離后產生靜電等。3座不同乙醇汽油加油站加油作業時油品靜電測試結果見表2-4。

表2　站點1乙醇汽油加油作業加油槍口油品電荷密度

表3　站點2乙醇汽油加油作業加油槍口油品電荷密度

表4　站點3乙醇汽油加油作業加油槍口油品電荷密度

由以上測試結果可以得出：

1)加油站所售乙醇汽油，現場檢測油品電導率均大于104pS/m。

2)對于所測試乙醇汽油站點，加油槍出口處油品靜電量小于10 μC/m3，未發現罐車卸油作業導致加油槍出口油品帶電量明顯升高現象。

4　結論及建議

1)汽油中含有乙醇會對油品的起電特性產生較大影響，隨著乙醇含量的增加，油品的靜電起電量呈現先增大后減小的趨勢。

2)當乙醇的含量是0.4%～1%時，油品靜電起電量最大，靜電風險最大。乙醇汽油調配/灌裝工藝的特殊性，燃料乙醇與組分油調配的不同步性，可能導致油庫裝車時乙醇汽油混配器中油品內乙醇含量波動變化，存在較大靜電危險性。

3)當乙醇在油品中的含量超過2.5%時，油品的靜電起電量開始低于純汽油。車用乙醇汽油中乙醇體積含量為10%，油品電導率在104pS/m以上，即使采用邊向地罐卸油邊向車輛加油作業，也未發現乙醇汽油加油作業時加油槍口油品靜電偏高現象。

4)為降低乙醇汽油灌裝過程中存在的靜電風險，建議：混合器應保證乙醇與汽油混合均勻；混合器及管道應有足夠的尺寸，泄放乙醇汽油生產過程中產生的靜電；混合器后不宜設置過濾器。

[1]Iodice P, Senatore A, Langella G, et al. Effect of ethanol-gasoline blends on CO and HC emissions in last generation SI engines within the cold-start transient: An experimental investigation[J]. Applied Energy, 2016, 179:182-190.

[2]Iodice P, Senatore A, Langella G, et al. Advantages of ethanol-gasoline blends as fuel substitute for last generation Si engines[J]. Environmental Progress & Sustainable Energy, 2017, 36(4): 1173-1179.

[3]王振中，張衛華，吳鋒棒. 自助加油站典型靜電事故案例分析及防范措施[J]. 中國安全生產科學技術，2013，9(7)：169-173.

WANG Zhenzhong，ZHANG Weihua，WU Fengbang. Analysis and preventive measures on typical electrostatic accidents cases of self-service refueling stations[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2013, 9(7): 169-173.

[4]FELECI N J. Conduction and electrification in dielectric liquids: Two related phenomena of the same electrochemical nature[J]. Journal of Electrostatics, 1984,15(3): 291-297.

[5]American Petroleum Institute. API RECOMMENDED PRACTICE 2003, Protection against ignitions arising out of static, lighting, and stray currents[S]. Washington: American Petroleum Institute，2015.

[6]Walmsley H L, Gregory K E. Electrostatic ignition hazards in road tanker loading: Part 2. Statistical analysis for standard conditions[J]. Journal of Electrostatics, 1992, 28(2):99-123.

[7]全國石油產品和潤滑劑標準化技術委員會.車用乙醇汽油(E10) : GB 18351-2015 [S].北京：中國石化出版社，2015.

[8]焦文杰，王海龍，孫可平. 油品實時監控中靜電傳感器的設計[J]. 儀表技術與傳感器, 2014(5):15-16,37.

JIAO Wenjie, WANG Hailong, SUN Keping. Design of oil electrostatic sensor during real-time monitoring[J]. Instrument Technique and Sensor, 2014(5): 15-16,37.

[9]孟鶴, 孫立富, 劉全楨,等. 一種油品靜電在線監測儀, CN104133122A[P]. 2014.

[10]李亮亮,孫立富,劉全楨,等.管輸油流靜電監測與聯鎖控制技術及應用[J].油氣儲運, 2017, 36(4): 426-429.

LI Liangliang, SUN Lifu, LIU Quanzhen, et al. Electrostatic monitoring and interlocking control technology for pipeline oil flow and its test application[J]. Gas Storage and Transportation, 2017, 36(4): 426-429.

[11]李亮亮,孫立富,劉全楨,等.加油站油流靜電在線監測技術及應用[J].中國安全生產科學技術,2016, 12(1):132-135.

LI Liangliang, SUN Lifu, LIU Quanzhen, et al. On-line monitoring technology of oil-flow electrostatic at gas stations and its application[J].Journal of Safety Science and Technology, 2016,12(1):132-135.