非平衡式雙極性離子風消電技術與應用*

高　鑫，李亮亮，劉全楨，宮　宏，孫立富

(1．化學品安全控制國家重點實驗室，山東 青島 266100；2．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)

0　引言

聚烯烴裝置采用風送系統完成物料輸送作業時，高絕緣物料因摩擦、碎裂等帶電，并在料倉內建立強電場[1-2]。料倉內若發生料堆表面與罐壁的“錐型放電”、金屬突出物與料堆表面的放電、金屬突出物與粉塵云的“雷狀放電”、粘壁料或涂層的傳播型刷形放電等，可引燃可燃性(雜混)粉塵，造成料倉閃爆、產生粘壁料等[3-5]。故此，料倉靜電燃爆防護一直是國內外防災研究關注的熱點。

為防止料倉粉體靜電燃爆，國外開展了料倉放電的危險研究和與放電燃爆有關的基礎研究，包括安全評價和工業控制條件的推薦研究等。物料靜電引燃性主要取決于料倉直徑(D)、物料顆粒的中值尺寸(M)、最小點火能(MIE)，當D>0.612(MIE0.298/M0.435)時，料倉內就存在靜電引燃危險性[6]；GROSSHANS等[7]研究表明，粉體靜電是管徑、風速和質量流速相互耦合的結果，降低風速、增大輸料管徑可抑制物料帶電；GROSSEL S[8]探討了固體顆粒安全輸送的設計和操作規程；KLIPPEL A等[9]提供預測料倉內處于爆炸極限內粉塵分布方法；YAMAGUMA M等[10]提出料倉內設置接地金屬體等控制料倉內靜電場等。日本《靜電安全指南》規定，在粉體電阻率高于1012Ω·m且不能避免可能產生的錐形放電時，需采取惰性化及料倉反吹風系統，降低可燃氣濃度。但在石化生產過程中，僅停留在采用惰性氣體保護、工藝過程控制和管理是不夠的，采用料倉粉體靜電消除措施，消除物料帶電量是保障料倉安全最穩妥的方法。

為降低進入料倉的物料靜電量，在料倉進料管道上安裝離子風消電器，可利用高壓放電針將空氣離子化以中和物料所攜帶靜電荷[11-15]。日本CHOI K和MOGAMI T等[13-15]利用交流型(AC)和直流型(DC)離子風靜電消電器用于聚丙烯(PP)粒料靜電，這雖然從實驗上降低了PP帶電量，但PP消電后剩余靜電量仍較高，且未形成工業化實用技術。為克服傳統AC型消電器消電效率低，DC型消電器易造成物料“逆帶電”現象，依據現有聚烯烴生產裝置特點，中國石化長期開展了(非平衡式)雙極性靜電消電器應用研究工作。雙極性離子風消電器的應用借助管道粉體監測設備，按物料實測電荷量適時預置或調節2種極性放電針離子流的大小，以取得最佳中和效果。但國內外尚無料倉管道靜電自動監測及聯鎖控制技術裝備，亟需通過構建雙極性離子風消電系統，研究消電器消電電壓調節參數對消電器消電效果的影響規律，為優化料倉靜電治理技術裝備、開發料倉管道粉體靜電在線監測與自動消除系統提供重要參考依據。

1　非平衡式雙極性離子風消電技術

離子風管道粉體靜電消除器通過高壓電極放電針發生電暈放電，使空氣分子電離，再由送風系統將正負離子吹送到管道中，實現對粉體靜電荷的消除。如圖1所示，雙極性靜電消電技術充分利用了DC式消電器消電效率高的優點，通過正、負放電針相間布置以提高離子流噴射距離[16-17]，而非平衡雙極性離子流消電技術是指可獨立調節正、負電極針施加正負高壓的大小以調節正負離子濃度，以優化消電器的消電能力。

圖1　雙極性離子風消電技術示意Fig.1　Schematic of bipolar ionized wind electrostatic elimination technology

2　非平衡式雙極性離子風消電系統

2.1　非平衡式雙極性離子風消電器

雙極性離子流消電器結構如圖2所示， 包括絕緣體電極座、放電電極(放電針)、保護罩、法蘭、管道和連接法蘭。在消電器中，分別加在放電電極上的正、負高壓產生正、負離子，產生的離子通過電極電場力作用以及電極附近的高壓氣體將離子帶到管道中，對管道物料表面的靜電荷進行中和，從而達到消除管道粉體靜電的目的。

設計時，在離子風消電器的放電電極與高壓發生器之間增加限流電阻(60 MΩ，如圖1所示)，防止電極意外短路產生大電流[11-13]；同時，消電器采用正壓保護型設計，消電器工作時密封室內充滿壓縮空氣，且密封室內部氣體壓力高于輸料管道內氣流壓力，避免在密封室內部形成爆炸性粉塵環境，以符合《可燃性粉塵環境用防爆電氣設備 第1部分：通用要求》(GB 12476.1—2013)及《可燃性粉塵環境用防爆電氣設備 第7部分：正壓保護型“pD”》(GB 12476.7—2010)要求。

目前常用的雙極性離子風消電器通徑與石化風送系統管道尺寸一致，長度為400 mm；消電器內部裝有2排放電電極，電極個數由于管道直徑的不同有所差別。

圖2　雙極性離子風靜電消除器結構示意Fig.2　Schematic of bipolar electrostatic eliminator

2.2　粉體靜電監測器

離子風靜電消除系統設備是借助于安裝在料倉進料口的粉體靜電監測器，按物料實測電荷量適時預置不對等的正負側控制電壓，調節正、負極性放電針離子流的大小，以取得最佳中和效果。目前，粉體靜電監測器主要基于法拉第筒檢測原理檢測管道內物料荷質比(物料總帶電量與其質量比值，μC/kg)。粉體靜電監測器主要包括安裝在管道內的檢測筒和電荷儀。檢測筒為一封閉金屬筒體，當帶電粉體加到檢測筒內時，粉體所帶的電荷就會等量、反極性感應到檢測筒內壁，同時檢測筒外壁感應與粉體帶電量相等、極性相同的電荷。用靜電荷儀測量檢測筒外側的電荷量獲得筒內粉體帶電情況，根據檢測筒內粉體的質量反推帶電粉體荷質比。

常用靜電監測器通徑與風送系統管道一致，監測器本體在側壁設有定容式電荷采集器，不工作時法拉第筒停在管道外部，工作時由氣缸帶動進入到管道中取料測量，其結構簡圖如圖3所示。管道粉體靜電監測器和靜電消除器的實物如圖4所示。

圖3　靜電監測器結構示意Fig.3　Schematic of electrostatic monitor

圖4　靜電監測器(左)和靜電消除器(右)Fig.4　Photograph of the electrostatic monitor (left) and electrostatic eliminator (right)

2.3　離子風消電控制系統

常見料倉進料口安裝的粉體靜電消除系統電路、氣路連接示意圖如5所示。

圖5　料倉進料口安裝粉體靜電消除系統電路、氣路連接示意Fig.5　The gas circuit, circuit layout of static elimination system

離子風消電系統使用時需要與現場設備和儀電操控系統對接，可按“消電器—監測器—分控箱—控制柜”設計，相應系統包括：

1)消電器。消電器本體內置正、負極性高壓發生器(高壓模塊)，輸出電壓受控于PLC的輸入端。

2)粉體靜電監測器。氣動式電荷采集器和測量開關均受控于PLC的輸入端；電荷變送器采用標準信號輸送，通過PLC處理后直接顯示單位質量電荷量(μC/kg)。

3)分控箱。現場控制箱為1個不銹鋼箱，將控制室的控制信號及壓縮空氣分配給消電器與監測器。

4)PLC控制柜。控制柜內控制器對現場信號進行采集、處理、調整。

3　非平衡式雙極性離子風消電系統現場應用

為控制料倉物料靜電，某廠聚乙烯(PE)裝置包裝料倉進料管(DN300)安裝了1套包括靜電消電器和靜電監測器的離子風消電系統，現場照片如圖6所示。

圖6　某聚乙烯包裝料倉靜電消電器及監測器Fig.6　Photograph of the unbalanced bipolar ionized wind electrostatic elimination system used in a polyethylene packaging silo

PE裝置運行調試的過程中，通過PLC控制端調節離子風消電器內部正、負高壓發生器輸出電壓(0～10 kV)調控比例，對離子風消電系統的消電能力進行測試。不同正、負高壓發生器輸出電壓調控比例下PE物料荷質比檢測值如表1所示(包裝倉進料約60 t/h，儀表風供氣壓力0.6 MPa)。

離子風消電系統通過靜電監測器對管道物料靜電進行測量，測量值反饋到控制器，并通過手動設置控制消電器內置正、負極性高壓發生器，從而對正、負離子流進行調節，以保證物料荷質比絕對值在0.3 μC/kg以下[5]。從表1的測試數據可以看出，該PE裝置中物料帶負電，僅調節正高壓發生器輸出電壓調控比例為65%時(單極性消電)，此PE裝置系統物料荷質比為超過0.3 μC/kg；保持消電器正高壓發生器輸出電壓調控比例為65%，將負高壓發生器輸出電壓調控比例從30%逐步提高至65%，PE靜電量先降低后增大。測試數據表明，采用非平衡式雙極性消電技術，在保證物料荷質比絕對值不大于0.3 μC/kg的同時，可有效降低消電器控制電壓的大小。

圖7是該包裝料倉正常作業時靜電消除器系統運行前后物料荷質比，結合表1和圖7測試數據看，采用非平衡式雙極性離子流消電器時，物料荷質比可穩定在±0.3 μC/kg以內，滿足《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設計規范》 (GB 50813—2012)石化料倉靜電安全控制要求。

表1　某PE包裝料倉用靜電消電器調試過程測試數據

圖7　某PE包裝料倉用靜電消電器運行前后物料靜電量Fig.7　Static electricity before and after the operation of electrostatic eliminator

4　結論

1)采用離子風靜電消電系統，降低進入料倉物料靜電帶電量，可有效抑制聚烯烴等高絕緣粉體料倉的靜電燃爆事故。

2)非平衡式雙極性離子風消電器，采用正、負放電針相間布置，同時消電器本體內置正、負極性高壓發生器，可實現獨立調節正、負電極針施加正負高壓的大小。

3)基于非平衡式雙極性消電技術，可有效降低消電器控制電壓的大小，同時保證物料荷質比絕對值不大于0.3 μC/kg，滿足國家標準要求，有助于保障料倉裝置風送系統安全穩定運行。

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