料罐中粉体静电特性

李俊菲，梁财，胡驾纬，陈晓平，赵长遂



料罐中粉体静电特性

李俊菲，梁财，胡驾纬，陈晓平，赵长遂

（东南大学能源与环境学院，能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏南京210096）

在料罐静电测量试验装置中，对无烟煤和生物质进行静电特性研究。通过改变流化时间、流化风速等操作参数，以及粉体种类、粉体粒径、含水率等物性参数，用法拉第筒测得粉体荷质比，对料罐内粉体的静电量变化规律进行了研究，并对影响静电量变化的各因素进行了拟合分析。结果表明：在相同的试验条件下，随着流化时间的延长，物料的荷质比增大，当颗粒流化达到90min后，料罐内静电水平达到饱和状态；且生物质带正电，煤粉带负电；随着流化风速的增大，粉体间碰撞程度剧烈，粉体的荷质比增大；流化数相同的情况下，同种粉体颗粒粒径越小，荷质比越大。小粒径无烟煤的荷质比要明显大于大粒径无烟煤的荷质比；保持相同的流化条件，生物质外水含量越高，生物质的荷质比越小。

气力输送；静电特性；粉体

粉体在研磨、筛分、造粒及输送等过程中，由于粉体颗粒之间、颗粒与系统其他部件之间不断碰撞与分离，导致静电的产生。在大规模高效煤气化技术中，气力输送料罐在进料、储存和出料过程中，煤粉静电大量积聚，导致团聚和黏壁现象，甚至还会产生静电放电，引起可燃粉尘的着火、爆炸等严重事故[1-3]。与此同时，高度积聚的电荷还会影响粉体的流动形态及产品品质[4]。例如在气相法流化床聚乙烯的生产过程中，积累的静电会导致聚乙烯细粉黏壁、熔融，最终形成结片，从而影响床内的流化状态甚至导致停车，影响流化床反应器的长期平稳运转[5]。

气力输送过程通常采用发送料罐进行分配送料[5-7]。虽然前人对粉体静电的产生机理及特性进行了一定的研究，但这些研究主要针对气固流化床和气力输送管道中的粉体静电规律[8-13]，关于气力输送中料罐内粉体静电特性的研究还远未成熟。由于料罐内粉体静电特性可借鉴的资料和经验很少，尚未形成完整理论，只能依赖对实际系统进行试验研究，获得料罐内粉体携带静电的规律及其影响因素。本文在料罐静电测量装置上进行流化试验，研究不同操作参数和粉体物性对颗粒静电特性的影响规律，深入剖析粉体静电特性。

1 试验系统

料罐静电测量试验系统如图1所示，系统由供气系统、上出料料罐、接收罐、输送管道、静电测量系统和数据采集系统等组成。空气压缩机压缩后的空气经干燥净化后进入缓冲罐，在缓冲罐中分成流化风和充压风两路。上出料料罐采用底部流化上部出料，流化风经布风板后对料罐中的物料进行流化，充压风主要用于维持料罐的压力。料罐中的物料流化后经提升管进入输送管道，输送至接收罐。流化风和充压风的流量采用AM1521Q型金属管转子流量计测量，料罐中粉体的质量由3个高精度称重传感器实时测量。料罐为有机玻璃的半圆形料罐，分为上部筒仓段和下部斗仓段，其中筒仓段内径为600mm，高度为420mm，斗仓段半锥角为15°，高度为280mm。分别在料罐下部斗仓段不同高度布置3个取样口，取样口距布风板的垂直距离分别为105mm、255mm、405mm。每个取样口上安装一个带有向下倾斜导流管和活塞取样装置，用于取样并测量静电。常见的静电测量方法包括探头法和法拉第筒法，法拉第筒用于直接测量粉体所带的电荷量，而静电探头则可确定反应器内粉体产生的静电压或静电流。相较于探头法测静电，法拉第筒法能够直接准确测量静电量，同时避免了颗粒附着于探头导致的测量不准的问题，成为众多研究者首选的静电测量方法[14]。本文所用静电测量系统如图2所示，其中包括取样装置、法拉第筒和静电测量仪。样品的静电量和质量分别通过法拉第筒和电子天平测量。法拉第筒由两个相互绝缘的同轴容器构成，外筒接地，起到静电屏蔽的作用，内筒是测量筒并与静电测量仪连接（Keithley 6514，Keithley Instruments Inc.，USA）。Keithley 6514型静电测 量仪测量噪声＜1fA、电荷测量范围10fC～20μC、分辨率为6.5，能够实现快速、准确地测量。为确保取样测量准确度，每次取样均重复4次，取平 均值。

图1 料罐静电测量试验系统

1—空气压缩机；2—油水分离器；3—缓冲罐；4—充压风；5—流化风；6—上出料式料罐；7—称重传感器；8—接收罐；9—除尘布袋； 10—计算机；11—法拉第筒；12—静电仪

图2 静电测量系统

1—料罐；2—取样装置；3—法拉第筒；4—同轴电缆；5—静电仪

试验装置可进行流化和输送两个试验过程。进行流化试验时，开启连接布袋管道上的阀门，关闭连接接收罐的阀门，干燥空气经缓冲罐进入料罐对物料进行流化，流化进程结束后对料罐内的物料进行静电测量；进行输送试验时，关闭布袋管道阀门，打开接收罐下方管道阀门，同时开启充压风，维持料罐内的压力，在粉体物料由料罐输送到接收罐的过程中，利用称重传感器测量料罐质量变化，并通过数据采集系统进行在线记录。

2 试验物料

试验选用无烟煤、生物质作为试验物料，其物性参数见表1。如表1所示：平均粒径250μm的无烟煤记为1#无烟煤，平均粒径120μm的无烟煤记为2#无烟煤。其中两种无烟煤真实密度相同、外水含量接近，生物质的平均粒径与1#无烟煤接近，无烟煤和生物质的粒度分布如图3所示。图4为3种物料的表面微观形貌的电镜扫描图（SEM），由图4可以看出两种无烟煤具有相似的表面微观形貌：颗粒表面组织致密，石质感较强，较为粗糙，没有明显的裂缝和孔隙结构，有少许小颗粒附着。本文所用生物质为烘焙过的木屑，与无烟煤相比，其表面组织疏松，呈破碎状，有很多细碎的小颗粒附着。3种物料的外水含量接近且均小于1%，初始外水含量对料罐内粉体静电的影响可以忽略不计。

3 试验结果及讨论

3.1 流化时间对粉体静电量的影响

粉体在流化过程中，电荷的产生与耗散几乎是同时进行的。颗粒与颗粒的碰撞过程也会导致电荷的转移与耗散。颗粒电荷水平的净变化也是电荷产生与耗散平衡的结果。在流化过程的开始阶段，电荷产生的速度大于电荷耗散的速度，流化床或气力输送管道内就会形成电场，影响每个带电颗粒。相应地，带电颗粒通过库仑力与其他颗粒相互作用，影响流化床内的流动形态，产生一系列的恶劣影响。当流化到一定程度时，静电的产生和耗散保持平衡，流化床内的净电荷量也因此趋于饱和，此时粉体静电对粉体流动形态的影响最大[15]。因此，弄清粉体何时达到静电饱和状态，对于后续的研究至关重要。

表1 试验物料物性

图3 物料的粒度分布

图4 3种不同试验物料的SEM

为了考察粉体静电量积累随流化时间的变化，试验中分别对物料进行了3h的流化，每隔30min进行取样测量。图5和图6分别是煤粉和生物质在不同流化时间的荷质比。由图可以看出在流化开始阶段，物料的荷质比会随着流化时间显著增大，大概在90min的时候荷质比达到饱和状态，此后会保持相当长时间的相对稳定状态。本文后续试验中，粉体静电量的测量都是在将物料流化90min达到静电饱和状态后进行的。

图5 250μm煤粉荷质比随流化时间的变化

图6 230μm生物质荷质比随流化时间的变化

3.2 流化风速对粉体静电量的影响

荷质比是表征粉体带静电水平的重要参数，表示单位质量粉体的带电量，由粉体所带的电荷量除以粉体的质量计算得到，单位为μC/kg。为了考察流化风速对料罐内粉体静电的影响，在常温常压下，保持床料高度和物料的含水率不变，在不同的流化风速下对1#无烟煤和生物质进行了流化试验。试验过程中不加充压风，保持接收罐管路封闭，流化风经布风板进入料罐对粉体进行流化。为了保证料罐内粉体静电达到稳定，每次试验都对物料进行90min的流化[16]，随后通过静电测量系统进行取样并测量静电。试验所得到的两种不同物料荷质比与流化数f/mf的关系曲线如图7所示。从图7中可以看出，两种物料粒径相近，随着流化数的增加，两种物料的荷质比的绝对值均不断增大，其中无烟煤带负电，生物质带正电。粉体在料罐中流化，颗粒不断与料罐壁面及其他粉体进行接触、摩擦、分离，导致了粉体静电的产生和积聚。流化风速的增大加剧了料罐内颗粒与颗粒间的摩擦和碰撞的剧烈程度，加快了静电的生成速率，导致颗粒所带电荷密度增大[10-11，17-18]。同时有研究人员指出，流化风速变大，床内形成的气泡尺寸变大，气泡的上升速度变快，颗粒间的碰撞也随之加剧，静电水平提高[12]。

图7 流化风速对物料的荷质比的影响

粉体静电现象是一个横跨多领域的复杂现象，其产生与耗散的机理还未被很好的解释。一般认为，不同粉体颗粒的带电极性是由颗粒的功函数、颗粒形状和尺寸、颗粒表面粗糙程度和受污染程度等因素共同决定的，而在不同的情况下起主导作用的因素不同[19-20]。试验中发现，无烟煤始终带负电荷，生物质始终带正电荷。如图4所示无烟煤和生物质颗粒的表面微观形貌具有显著差别，导致了两者所带电极性的不同。然而，因为两种特定物料的功函数、表面氧化程度等参数难以获得，暂时无法对试验所用无烟煤和生物质所带电荷的极性进行定量 分析。

3.3 颗粒粒径对粉体静电量的影响

为了研究粒径对粉体静电特性的影响规律，试验选取了两种平均粒径分别为250μm和120μm的无烟煤（图4）进行试验。试验中在相同的流化数下对两种不同粒径的无烟煤进行流化。图8为两种不同粒径的无烟煤颗粒在特定流化数下的荷质比对比。在特定的流化数下，两种无烟煤均带负电，此节所述无烟煤的荷质比均为绝对值量。如图8所示，流化数相同的情况下，120μm的2#无烟煤颗粒所带的荷质比要明显大于250μm的1#无烟煤的荷质比。根据接触带电理论，静电的产生主要是由颗粒表面功函数差异和颗粒接触表面面积决定的[21]。物体的功函数定义为把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量。颗粒的粒径越小，比表面积越大，颗粒的接触表面积也就越大。因此，在颗粒表面功函数一定时，粉体颗粒粒径越小，在颗粒相互接触碰撞过程中单位质量获得的电荷量越多，即荷质比越大。这与本文得到的粒径小的无烟煤荷质比比粒径大的无烟煤的荷质比大试验结果一致。

图8 不同粒径的无烟煤荷质比的对比

3.4 物料含水率对粉体静电的影响

前文所有试验结论都是在物料外水含率几乎为零的情况下进行的，相关研究指出，当物料表面吸附水分时，静电水平显著下降[12,22-23]。为了探究物料的含水率对物料静电的生成和耗散的影响规律，对230μm生物质进行了变外水含量的试验研究。试验准备了7份质量相同，外水含量分别为1%、2%、3%、4%、5%、6%和7%左右的生物质，并分别对7种物料在同一流化风速下进行流化，流化相同时间后测得每种物料的静电量。试验结果如图9所示，随着生物质外水含量的增加，生物质的荷质比显著减小。分析上述现象的原因主要有以下两个方面。

（1）由于物料外水的存在，颗粒表面吸附的水分子增加了颗粒表面的电导率，促进了颗粒所带静电的耗散，从而减少静电积聚。高湿度下，物料的流化过程虽然仍有静电的生成，但是静电耗散的更快，使物料的静电水平处在一个很低的水平。

（2）由物料的表面微观形貌的电镜扫描图（SEM）可以看出生物质的颗粒质地柔软，表面粗糙，有空隙结构，极易吸附水分，引起物料团聚和黏壁。这样就减少了物料颗粒间以及物料与料罐壁面的接触和碰撞的频率，从而减少了物料静电的生成。同时，颗粒团聚形成的新颗粒由于粒径的增加，也减小了物料的荷质比，与上节分析相吻合。

图9 不同外水含量下230μm生物质的静电量

3.5 静电拟合公式

在分别研究发送罐内粉体静电与各操作参数和物料特性的关系后，可以得到流化时间、流化风速、物料粒径和物料含水率对粉体静电的影响规律。然而粉体静电问题是个复杂的问题，静电的生成是各种因素协同作用的结果，不能仅仅考虑单个因素的影响。鉴于目前关于粉体静电机理研究较少，没有太多的文献资料参考，故尝试在综合考虑各因素的影响下，采用π定理对影响静电量的各因素进行量纲分析，并运用SPSS软件对实验数据进行回归分析。

通过分析，发送罐内某特定粉体物料的静电量与物料含水率、物料粒径p、流化风速f等物理量有关。对于本试验中发送罐内粉体荷质比可以写为如式(1)的形式。

采用π定理可以获得如式(2)的函数关系式。

基于式(2)和实际试验数据，使用SPSS软件对多组实验数据进行回归分析，得到发送罐内煤粉荷质比的拟合公式为式(3)。

实验值和拟合值比较如图10所示。从拟合公式(3)中可以看出，随着弗劳德数Fr，即流化风速的增大，煤粉的荷质比不断增大；随着物料含水率不断增大，煤粉的荷质比均不断减小。

从图10中可看出，对于煤粉荷质比，实验值与本文拟合值偏差基本在20%以内，式(3)基本能够拟合试验工况下发送罐静电测量试验中煤粉的静 电量。

4 结论

在上出料料罐试验装置上，通过改变流化时间、流化风速、物料种类和粒径以及物料含水率等参数，研究了料罐内粉体携带静电的规律，并运用SPSS软件对影响静电量的各因素进行了拟合分析，得到以下结论。

（1）经过一定时间的流化，物料静电水平会达到动态平衡状态；而随着流化风速的增大，粉体的荷质比随之增大；对两种不同粒径的无烟煤所带静电进行了对比，粒径小的无烟煤荷质比要明显大于粒径大的无烟煤荷质比；在相同的流化条件下，随着生物质外水含量的增加，生物质的荷质比显著减小。

（2）对影响静电量的各因素进行了拟合。对于煤粉荷质比，得到煤粉荷质比随流化风速及物料含水率的变化规律，且拟合值与实验值偏差基本在20%以内，拟合式基本能够拟合发送罐静电测量试验中煤粉的静电量。

符号说明

dp——颗粒粒径，μm M——含水率，% m——质量，kg Q——电荷量，C q——荷质比，μC/kg Uf——流化风速，m/s Umf——临界流化风速，m/s

[1] BAILEY A G. Electrostatic phenomena during powder handling[J]．Powder Technology，1984，37：71-85．

[2] 刘尚合，宋学君．静电及其研究进展[J]．自然杂志，2007，29（2）：63-68．

LIU Shanghe，SONG Xuejun．Progress in electrostatic and related research[J]．Chinese Journal of Nature，2007，29（2）：63-68．

[3] BOLAND D，GELDART D．Electrostatic charging in gas fluidized beds[J]．Powder Technology，1972，5（5）：289-297．

[4] BI H T．Electrostatic phenomena in gas-solids fluidized beds[J]．China Particuology，2005，3（6）：395-399．

[5] 赵长遂，梁财，陈晓平．气流床气化炉煤粉浓相气力输送综述[J]．电力建设，2009，30（2）：1-10．

ZHAO Changsui，LIANG Cai，CHEN Xiaoping．An overview：dense-phase pneumatic conveying of pulverized coal for entrained bed gasifier[J]．Electric Power Construction，2009，30（2）：1-10．

[6] 高聚忠．煤气化技术的应用与发展[J]．洁净煤技术，2013，19（1）：65-71．

GAO Juzhong．Application and development of coal gasification technologies[J]．Clean Coal Technology，2013，19（1）：65-71．

[7] MINCHENER A J．Coal gasification for advanced power generation[J]．Fuel，2005，84（17）：2222-2235．

[8] HENDRICKSON G．Electrostatics and gas phase fluidized bed polymerization reactor wall sheeting[J]．Chemical Engineering Science，2006，61（4）： 1041-1064．

[9] MEHRANI P，BI H T，GRACE J R．Electrostatic charge generation in gas-solid fluidized beds[J]. Journal of Electrostatics，2005，63（2）：165-173．

[10] GUARDIOL A J，ROJO V，RAMOS G．Influence of particle size，fluidization velocity and relative humidity on fluidized bed electrostatics[J]. Journal of Electrostatics，1996，37（1/2）：1-20．

[11] ALSMARI T A，GRACE J R，BI X T．Effects of superficial gas velocity and temperature on entrainment and electrostatics in gas-solid fluidized beds[J]．Chemical Engineering Science，2015，123：49-56．

[12] YAO L，BI H T，PARK A H．Characterization of electrostatic charges in freely bubbling fluidized beds with dielectric particles[J]．Journal of Electrostatics，2002，56（2）：183-197．

[13] 许盼，陈晓平，梁财，等．不同外水含量下煤粉高压密相输送试验研究[J]．煤炭学报，2010，35（8）：1359-1363．

XU Pan，CHEN Xiaoping，LIANG Cai，et al．Study on dense-phase conveying experiments of pulverized coal with various external moisture contents at high pressure[J]．Journal of China Coal，2010，35（8）：1359-1363．

[14] 王芳，王靖岱，阳永荣．动态粉体静电测量技术的研究进展[J]．化工自动化及仪表，2008，35（5）：1-6．

WANG Fang，WANG Jingdai，YANG Yongrong．Research progress of electrostatic measurement technique for dynamic powders[J]．Control and Instruments in Chemical Industry，2008，35（5）：1-6．

[15] BI H T．Electrostatic phenomena in gas-solids fluidized beds[J]．China Particuology，2005，3（6）：395-399．

[16] REVEL J，GATUMEL C，DODDS J A，et al．Generation of static electricity during fluidisation of polyethylene and its elimination by air ionisation[J]．Powder Technology，2003，135/136：192-200．

[17] LIU Z，BI X T，GRACE J R．Electrostatic charging behaviour of dielectric particles in a pressurized gas–solid fluidized bed[J]．Journal of Electrostatics，2010，68（4）：321-327．

[18] MEHRANI P，BI H T，GRACE J R．Electrostatic behavior of different fines added to a Faraday cup fluidized bed[J]．Journal of Electrostatics，2007，65（1）：1-10．

[19] MURTOMAA M，RASANEN E，RANTANEN J，et al．Electrostatic measurements on a miniaturized fluidized bed[J]．Journal of Electrostatics，2003，57（1）：91-106．

[20] 吴金成．二次电子发射与固体材料静电起电的理论研究[D]．广州：华南理工大学，2013．

WU Jincheng．Theory research on secondary electron emission and static electrification of solid material[D]．Guangzhou：South China University of Technology，2013．

[21] ZHANG L F，HOU J T，BI X T．Triboelectric charging behavior of wood particles during pellet handling processes[J]．Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2013，26（6）：1328-1334．

[22] GIFFIN A，MEHRANI P．Effect of gas relative humidity on reactor wall fouling generated due to bed electrification in gas-solid fluidized beds[J]．Powder Technology，2013，235：368-375．

[23] PARK A，BI H T，GRACE J R．Reduction of electrostatic charges in gas-solid fluidized beds[J]．Chemical Engineering Science，2002，57（1）：153-162．

Electrostatic characteristics of powders in hopper

，，，，

（Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control Ministry of Education，School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，Jiangsu，China）

Experiments were conducted to investigate the electrostatic characteristics of anthracite and biomass powders in hopper. The effects of different operating parameters and material properties，in terms of the fluidizing time，fluidizing gas velocity，material type，particle size，the moisture content，on particle charging were examined with particle charge-to-mass measured by Faraday cup. And the fitting analysis on the various factors affecting the electrostatic was implemented. The results indicated that under the same experimental conditions，ratios of powders charge to mass increased as the fluidizing time went on. Charge saturation was attained for fluidization time greater than 90min. Biomass powders were always charged positively，whereas anthracite became negatively charged. As superficial velocity increased with stronger collision，the charge density of powders increased as well. The ratios of charge to mass of small size fine anthracite particles were larger than that of the big size fine anthracite particles with the same superficial velocity. The ratios of biomass powders charge to mass decreased significantly with the increase in the moisture content.

pneumatic conveying；electrostatic characteristics；powders

TQ536

A

1000–6613（2017）10–3633–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0248

2017-02-21；

2017-03-13。

国家自然科学基金项目（51676048）。

李俊菲（1993—），女，硕士研究生，研究方向为流化床内颗粒静电特性。E-mail：seulijf@163.com。

梁财，博士，副教授，从事高压超浓相气力输送、洁净煤燃烧及焦油的脱除等研究。E-mail：liangc@seu.edu.cn。