LDPE裝置料倉燃爆原因及控制措施

邊圣海

（中國石油化工股份有限公司齊魯分公司計劃經營部，山東 淄博 255410）

中國石油化工股份有限公司齊魯分公司（簡稱齊魯石化公司）低密度聚乙烯（LDPE）裝置采用荷蘭Stamicarbon公司的無脈沖管式工藝，設計運行時間7 200 h/a，設計產能140 kt/a。裝置自1998年11月投產以來，先后發生3起料倉燃爆事故。3起事故雖未造成人員傷害，但都造成了較大的經濟損失，影響了裝置的安全生產。本工作分析了事故原因，并針對性地制定措施，以徹底杜絕料倉的安全事故。

1 工藝流程概述

來自界區壓力為2.7 MPa的新鮮乙烯進入壓縮機1（K102）的三段入口，經過三級壓縮（壓力達25 MPa）后進入壓縮機2（K103），經二級壓縮（出口壓力達250 MPa）進入反應器，在引發劑作用下開始聚合。反應后的物料及未反應的乙烯氣體先后進入高壓分離器、低壓分離器進行分離。分離出的高壓乙烯氣體返回壓縮機K103入口，分離出的低壓乙烯氣體返回壓縮機K102的一段入口，熔融LDPE經水下切粒、離心干燥后，通過風送程序將成品顆粒送往料倉。工藝流程示意見圖1。

圖1 工藝流程示意Fig.1 Schematic diagram of LDPE plant

2 脫氣料倉內部環境分析

LDPE裝置共有8個脫氣料倉，材質為鋁鎂合金，每個脫氣料倉的容量為60 t。從顆粒干燥器出來的LDPE顆粒通過鋁鎂合金管道，使用壓力為60 kPa的空氣輸送至脫氣料倉，脫氣料倉設有離心風機將空氣不停地通入脫氣料倉底部，便于脫除LDPE顆粒內殘余的乙烯氣體。輸送過程中，LDPE顆粒與鋁鎂合金管道、輸送空氣及顆粒之間相互摩擦，產生少量LDPE粉塵的同時，還會產生大量的靜電。脫氣料倉內的介質有LDPE顆粒、LDPE粉塵、空氣、乙烯氣體，以及產生的靜電，因此，脫氣料倉燃爆多數與粉塵、靜電、氣體三者共同作用有關［1］。

2.1 LDPE顆粒

正常生產時，空氣輸送至脫氣料倉的負荷為22.5 t/h，每個脫氣料倉進料2.67 h，進料完畢后，脫氣料倉內的LDPE顆粒質量一般為55～60 t。

2.2 LDPE粉塵

根據包裝線收集的粉塵統計，每包裝500 t LDPE產品，能夠收集25 kg LDPE粉塵，粉塵含量為0.05 g/kg。但是粉塵在脫氣料倉內不是均勻分布的，脫氣料倉直徑3.6 m、高12 m，當達到最大的裝填容量時，脫氣料倉頂部還有2 m左右高度的空余空間。在脫氣料倉進料時，LDPE顆粒與LDPE粉塵進入料倉后，會有一部分粉塵飄逸在料倉頂部空余空間，在靜電的作用下均勻地附著在料倉頂部內壁上，經測量，粉塵黏附最厚的位置在頂部空余空間，局部厚度超過10 mm。

2.3 空氣

脫氣料倉進料使用壓力為60 kPa的空氣，流量為3 000 m3/h，料倉底部離心風機的脫氣風量為6 000 m3/h，因此脫氣料倉內部空氣的總流量為9 000 m3/h。

2.4 乙烯氣體

每噸LDPE顆粒殘余1.3 kg乙烯單體，脫氣料倉的主要目的是通過脫氣料倉底部向上流動的空氣，將LDPE顆粒殘余乙烯脫除干凈，保證包裝后產品的安全。為了準確測量脫氣料倉內乙烯氣體的動態數據，采用復合式氣體檢測報警儀對脫氣料倉T301運行時內部的乙烯氣體含量進行跟蹤檢測，見表1。

表1 T301內部乙烯氣體檢測數據Tab.1 Detection data of ethylene gas in silo T301

2.5 靜電

現代工業生產過程中的粉體是粉塵、粉末及顆粒狀物質的總稱。通常，將粒徑大于500 μm的物質稱作顆粒，粒徑在100～500 μm的物質稱作粉末，粒徑小于100 μm的物質稱作粉塵。國際上規定單位質量粉體攜帶的電荷稱為荷質比，荷質比是解決粉體靜電現象的重要參數之一［2］。為了確定LDPE顆粒進料倉前真實的靜電狀況，使用荷質比測試儀對脫氣料倉T301，T302進料時的靜電狀況進行了測量，檢測數據見表2。

表2 T301與T302的荷質比Tab.2 Charge-mass ratio of silos T301 and T302

3 脫氣料倉燃爆的原因分析

3.1 脫氣料倉LDPE粉塵瞬間濃度高

30～50 μm的LDPE粉塵，爆炸下限質量濃度為26～35 g/m3。脫氣料倉在正常情況下不可能達到這個濃度，但是黏附在脫氣料倉頂部內壁厚達10 mm的LDPE粉塵突然脫落，局部空間內的LDPE粉塵質量濃度瞬間能夠高達55 g/m3。

3.2 LDPE粉塵與乙烯混合物點火能降低

LDPE粉塵的最小點火能為15～30 mJ，從圖2可以看出：隨著乙烯含量的升高，LDPE粉塵與乙烯混合物最小點火能降低，當乙烯質量分數達0.5%（20%LEL，LEL表示爆炸下限。下同）時，乙烯與LDPE粉塵混合物最小點火能降至10 mJ［3］。

圖2 乙烯與LDPE粉塵混合物最小點火能曲線Fig.2 Minimum ignition energy curve of ethylene and LDPE dust mixture

3.3 料倉內存在多種類型的放電

脫氣料倉內存在料倉堆表面放電、傳播型刷形放電、火花放電等多種類型，各類放電頻繁交錯出現，這些放電的能量容易引爆料倉內LDPE粉塵、乙烯和空氣形成的爆炸性混合物［4］。

3.3.1料倉堆表面放電

對帶電的絕緣性粉體進入料倉的過程進行跟蹤、分析后發現，當條件合適時，在沉積的粉堆表面可能發生較強烈的放電。帶電粉體在料倉內沉積后，其密度迅速增加，表面的場強也相應增加，當場強增加到一定程度時，首先在粉堆頂部產生空氣電離，形成從倉壁到粉堆頂部的等離子體導電通道，導致堆表面放電，堆表面放電能量達到10 mJ左右［5］。

3.3.2傳播型刷形放電

由于LDPE顆粒和輸送過程中產生的粉塵進入料倉時攜帶靜電，部分粉塵飄逸在料倉頂部，在靜電作用下附著在料倉頂部內壁上，當料倉頂部黏壁料厚度在4～8 mm時，一旦局部被靜電擊穿，沿著黏壁料表面發生傳播型刷形放電，放電能量可達上千毫焦［6］。

3.3.3堆表面的火花放電

如果料堆上方有金屬凸出物，如料位開關、錐部進風管、遮風板或摻混分物錐等，帶電的LDPE顆粒堆表面一旦接近金屬凸出物，就會誘發火花放電，火花放電最大能量可達1 000 mJ［7］。

4 避免脫氣料倉燃爆的措施

4.1 降低脫氣料倉內的乙烯含量

脫氣料倉內的乙烯氣體一直存在，并且剛進滿料時，乙烯氣體含量能夠達到23%LEL，如果想將整個生產過程空間內的乙烯氣體含量控制在10%LEL以下，需要將現有脫氣風機的處理能力擴大1倍，這樣面臨著改造費用高、改造需要長時間停車、改造后能耗明顯增加、脫氣料倉的下料變慢等問題。

4.2 降低料倉局部空間的粉塵濃度

從顆粒干燥器至脫氣料倉的進料口，送料管線長達200 m，且LDPE顆粒密度低，耐磨性差，因此，在風送過程中不可避免會產生粉塵，粉塵與LDPE顆粒進入料倉的瞬間，部分粉塵會漂浮在料倉上部，受靜電的影響很快吸附在頂部內壁，逐漸增加，越來越厚，當厚度達到一定程度，這部分黏壁料就斷續地局部脫落，脫落瞬間局部空間的粉塵濃度就會明顯升高。因為粉塵黏附在料倉頂部內壁是個漸進的過程，只要有粉塵存在，就會產生黏壁料，并且逐漸增厚。即使在脫氣料倉的進料口增加除塵設備，也不可能將進料口前的粉塵完全除去，從理論上來說，只能降低料倉局部空間粉塵濃度高的概率，不能完全避免。

4.3 消除風送過程中的物料靜電

在料倉的進料口安裝離子風粉體靜電消除/監測器，該設備采用正/負離子風可調的非平衡雙極性消電技術，可以消除LDPE顆粒進入脫氣料倉前攜帶的大多數靜電。該技術非常適合在已開工的聚乙烯裝置上使用，具有投資小、施工周期短、占據空間小、使用壽命長、可以邊生產邊施工、現場改動小、操作簡便、消電效率高等優點，能夠從本質上改善脫氣料倉的安全問題。

5 靜電消除/監測器投用后的效果

2004年9月，邊生產邊改造，僅用1周的時間，在LDPE裝置脫氣料倉入口全部安裝了大連東強防靜電技術有限公司的DQJ-1A型離子風粉體靜電消除/監測器，從表3可以看出：消電效率能夠達到80.0%以上，消電后荷質比控制在-0.12～0.10μC/kg，自改造后至今（受使用壽命限制，該系統已于2015年底更新）已連續運行17年沒有發生料倉安全事故。

表3 DQJ-1A 型離子風粉體靜電消除/監測器消電數據統計Tab.3 Data statistics of DQJ-1A ionic wind powder electrostatic elimination/monitor power dissipation

6 結論

a）脫氣料倉內存在多種類型的放電能量，容易引爆料倉內LDPE粉塵、乙烯和空氣形成的爆炸性混合物，這是LDPE裝置脫氣料倉多次燃爆的根本原因。

b）在脫氣料倉的進料口安裝離子風粉體靜電消除/監測器，能夠從本質上改善脫氣料倉的安全。

c）安裝離子風粉體靜電消除/監測器，具有投資小、施工周期短、占據空間小、使用壽命長、可以邊生產邊施工、現場改動小、操作簡便、消電效率高等優點。

d）離子風粉體靜電消除/監測器消電效率達80.0%以上。