车用乙醇汽油静电起电特性试验研究*

李义鹏，李亮亮，刘全桢，高　鑫，孙立富

(1．中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，山东 青岛 266100； 2．化学品安全控制国家重点实验室，山东 青岛 266100)

0　引言

使用车用乙醇汽油(E10)不仅可以减少化石燃料使用量，而且能显著减少机动车尾气中一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和颗粒物(PM)等污染物的排放，对改善空气质量、保护大气环境及减轻雾霾灾害具有重要作用[1-2]。使用乙醇汽油可有效控制机动车尾气污染，但乙醇汽油灌装过程中曾多次发生静电燃爆事故[3]。

在填充油品的管道内，自身显电中性的油品在油-管壁界面形成“双电荷层”。随着油品流动，“双电荷层”内正、负电荷分离而使油品带电，且某一极性的电荷随油品流动形成冲流电流[3-4]。 管输油流静电产生量与油品的流速、管道材质及油-管壁的界面积有关，当流速一定时，油流带电量随管道长度的增加而趋于稳定(电荷积累与消散速率达到平衡状态)[5]。但是油品静电带电涉及分子动力学及多相流体力学学科，难以通过理论分析和数值模拟来反映油品静电实际带电情况及带电过程[6]。因此，分析乙醇汽油静电特性需对乙醇汽油组分、灌装及车辆加油过程中的静电带电情况进行大量试验研究。目前，乙醇汽油的静电风险尚未引起人们足够重视，只是通过了常规方法对乙醇汽油灌装过程中的静电起电特性进行了研究。

本文利用可检测管道油品静电量的油品电荷密度表，开展乙醇对汽油静电起电影响试验，并对乙醇汽油灌装过程及车辆加油过程中乙醇汽油静电起电特性进行分析与探讨，为确保乙醇汽油使用过程中的静电安全提供参考依据。

1　 乙醇汽油调配/灌装工艺

车用乙醇汽油是车用乙醇汽油调和组分油与一定体积(10%，称为E10)的变性燃料乙醇调和而成的用作车用发动机的燃料[7]。成品油库灌装车用乙醇汽油时，采用组分油与乙醇组分通过不同的管道输入到混合器中混合，在通过管道(鹤管)直接输送到罐车中。在罐车开始装车时，先打开组分油管道装油，再打开燃料乙醇输送管道，开始加注乙醇；罐车即将装满时，先关闭乙醇输送管道，然后再关闭组分油输送管道。

2　乙醇汽油静电带电测试方法

2.1　管输油品静电测试方法

假设带电均匀油品在无限长管道内流动，则油品电荷密度ρ与管道截面电位Vr关系满足[8]：

(1)

式中：Vr为管线断面内半径为r处的电位，V；r0为管线半径(内径)，m；r为管线断面内任一点到圆心的距离，m；ε=ε0εr为油品介电常数，F/ m。当r=0时，管内中心电位V0与ρ满足ρ=4εV0/r02。

通过检测油品管道中心电位，可直接反应油品静电带电量(静电电荷体密度)。基于此原理研发了油品电荷密度表(静电监测仪)，测量管道中油品体积电荷密度，用于研究管输油品静电量变化，详细设计及应用参考已公开发表专利及文献[9-11]。该设备通过国家安全防爆认证，适用于所认证安全级别的各种防爆场合。

2.2　乙醇含量对油品静电特性影响的测试方法

在乙醇汽油灌装过程中，低电导率的组分油(汽油)中直接混入第二相乙醇，在二者混合的过程中可能产生大量静电。试验针对乙醇汽油灌装作业时组分油与乙醇输送作业存在的不同步过程，设计试验系统研究组分油中掺入不同比例乙醇时的油品静电起电特性。

图1　乙醇浓度对油品静电特性影响试验系统Fig.1　Test the effect of ethanol concentration on the electrostatic characteristics of gasoline

试验系统框图见图1，系统包括100 L储油罐、流量计、过滤器、油品电荷密度表及提供油品循环动力的变频泵。预先向储油罐中加入80 L低电导率汽油(11 pS/m)，向汽油中添加一定量的乙醇后开启变频泵，保持油品流量(流速)稳定，此时电荷密度出现先波动再逐渐稳定的状态。根据图1，让油品循环测试系统运转10 min，并利用油品电荷密度表和MLA900电导率仪分别记录电荷密度的最大值、电荷密度的稳定数值及油品电导率。重复上述试验，使乙醇在汽油中的体积比例依次为0.1%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1%，1.5%，2%，2.5%，5%。试验采取DN25不锈钢输油管道，控制油品流速3.0～3.2 m/s；试验条件为温度10～20 ℃，湿度30%～45%RH。

2.3　油库内乙醇汽油装车作业静电测试方法

对某乙醇汽油装车栈台进行改造，在乙醇汽油装车管道上的混合器两端分别安装1#和2#油品电荷密度表(原理如图2所示)，用于分析组分油与燃料乙醇混合前后油品静电量的变化。

图2　某油库乙醇汽油装车示意Fig.2　Diagram of ethanol gasoline loading

2.4　加油站内乙醇汽油加油作业静电测试方法

为检测加油枪口油品静电量变化，在某省选取3座乙醇汽油加油站用于分析加油作业时乙醇汽油静电风险。加油站罐车卸油时仍正常加油作业，采用法拉第筒法原理对加油站罐车卸油前、卸油中、卸油后3个阶段加油枪出口的油品静电参数进行测试。如图3所示，加油枪口油品静电检测时，先向事先准备的油桶内注入约10 L油品，后迅速将加油枪口油品注入法拉第筒，根据法拉第筒内油品带电量及油品体积计算得到油品电荷密度，同时使用电导率仪测试油品电导率。每隔3～5 min，重复上述测试试验。

图3　加油枪口油品静电测试Fig.3　Schematic of testing electrostatic charge density after the self-closing oil filler

3　试验及结果分析

3.1　乙醇含量对油品静电起电影响试验

试验获得不同乙醇含量的油品电荷密度最大值、电荷密度稳定数值及对应油品电导率数据，如图4所示。乙醇在汽油中的体积比例为0，0.1%，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1%，1.5%，2%，2.5%，5%时，相应油品电导率分别为11，13，19，235 ，396 ，581，932 ，1 537，2 000和5 200 pS/m。可以看出，随着乙醇含量的增加，油品电导率升高。

图4为油品静电电荷密度随乙醇含量变化趋势图，由图可以看出：

1)随着乙醇含量增加，油品的静电起电呈现先增大后减小趋势，油品的静电起电量最终会远低于未添加乙醇时汽油静电起电量。

2)乙醇含量在0.4%～1%时，油品静电起电量最高。该系统测试下得到油品最高电荷密度为-77.2 μC/m3，是未添加乙醇时汽油静电起电量的4倍多。

3)当油品中乙醇的含量高于2.5%时，油品静电带电量已低于纯汽油的静电起电量。

4)乙醇含量高于5%时，油品静电带电量较低。

图4　油品静电电荷密度、电导率随乙醇含量变化Fig.4　The effects of ethanol content on the charge density and conductivity for gasoline

3.2　装车作业乙醇汽油静电起电试验

表1是某乙醇汽油装车过程中组分油与燃料乙醇混合前后油品静电测试数据。1#油品电荷密度表测试数据表明在装油初始阶段，组分油静电量随油速增大迅速增加，峰值达到-17.29 μC/m3，稳定后维持在-13 μC/m3左右；在开始减速装油时，油品电荷密度进一步下降，完全停止装油后电荷密度迅速下降为0。 2#油品电荷密度表测试数据表明在装油初始阶段，乙醇汽油电荷密度略有增加，峰值只有1.58 μC/m3；稳定后维持在0.3 μC/m3左右；当乙醇汽油加完时，油品电荷密度迅速增加，峰值是4.11 μC/m3，大约半分钟后油品电荷密度降为2.7 μC/m3左右，数值开始稳定；开始减速装油时，电荷密度进一步下降，完全停止装油后电荷密度迅速下降为0。

在乙醇汽油装车结束前先停止乙醇输送，乙醇在混合物中的比例逐步降低。结合3.1节分析，此时乙醇实际上是以杂质的形式出现在低电导率的组分油中，随着乙醇含量逐步降低，汽油的电导率降低可能导致油品电荷密度的增加。测试结果证实，乙醇与组分油装车结束不同步会导致管线中油品电荷密度增大。

表1　某油库乙醇汽油装车过程静电测试数据

3.3　乙醇汽油加油作业静电起电试验

加油作业加油枪出口油品静电带电主要影响因素：地罐中的油品静电、油品与管道摩擦带电、油品通过泵及过滤器产生静电、油品通过加油枪胶管后带电及油品与加油枪枪嘴剥离后产生静电等。3座不同乙醇汽油加油站加油作业时油品静电测试结果见表2-4。

表2　站点1乙醇汽油加油作业加油枪口油品电荷密度

表3　站点2乙醇汽油加油作业加油枪口油品电荷密度

表4　站点3乙醇汽油加油作业加油枪口油品电荷密度

由以上测试结果可以得出：

1)加油站所售乙醇汽油，现场检测油品电导率均大于104pS/m。

2)对于所测试乙醇汽油站点，加油枪出口处油品静电量小于10 μC/m3，未发现罐车卸油作业导致加油枪出口油品带电量明显升高现象。

4　结论及建议

1)汽油中含有乙醇会对油品的起电特性产生较大影响，随着乙醇含量的增加，油品的静电起电量呈现先增大后减小的趋势。

2)当乙醇的含量是0.4%～1%时，油品静电起电量最大，静电风险最大。乙醇汽油调配/灌装工艺的特殊性，燃料乙醇与组分油调配的不同步性，可能导致油库装车时乙醇汽油混配器中油品内乙醇含量波动变化，存在较大静电危险性。

3)当乙醇在油品中的含量超过2.5%时，油品的静电起电量开始低于纯汽油。车用乙醇汽油中乙醇体积含量为10%，油品电导率在104pS/m以上，即使采用边向地罐卸油边向车辆加油作业，也未发现乙醇汽油加油作业时加油枪口油品静电偏高现象。

4)为降低乙醇汽油灌装过程中存在的静电风险，建议：混合器应保证乙醇与汽油混合均匀；混合器及管道应有足够的尺寸，泄放乙醇汽油生产过程中产生的静电；混合器后不宜设置过滤器。

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