非平衡式双极性离子风消电技术与应用*

高　鑫，李亮亮，刘全桢，宫　宏，孙立富

(1．化学品安全控制国家重点实验室，山东 青岛 266100；2．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)

0　引言

聚烯烃装置采用风送系统完成物料输送作业时，高绝缘物料因摩擦、碎裂等带电，并在料仓内建立强电场[1-2]。料仓内若发生料堆表面与罐壁的“锥型放电”、金属突出物与料堆表面的放电、金属突出物与粉尘云的“雷状放电”、粘壁料或涂层的传播型刷形放电等，可引燃可燃性(杂混)粉尘，造成料仓闪爆、产生粘壁料等[3-5]。故此，料仓静电燃爆防护一直是国内外防灾研究关注的热点。

为防止料仓粉体静电燃爆，国外开展了料仓放电的危险研究和与放电燃爆有关的基础研究，包括安全评价和工业控制条件的推荐研究等。物料静电引燃性主要取决于料仓直径(D)、物料颗粒的中值尺寸(M)、最小点火能(MIE)，当D>0.612(MIE0.298/M0.435)时，料仓内就存在静电引燃危险性[6]；GROSSHANS等[7]研究表明，粉体静电是管径、风速和质量流速相互耦合的结果，降低风速、增大输料管径可抑制物料带电；GROSSEL S[8]探讨了固体颗粒安全输送的设计和操作规程；KLIPPEL A等[9]提供预测料仓内处于爆炸极限内粉尘分布方法；YAMAGUMA M等[10]提出料仓内设置接地金属体等控制料仓内静电场等。日本《静电安全指南》规定，在粉体电阻率高于1012Ω·m且不能避免可能产生的锥形放电时，需采取惰性化及料仓反吹风系统，降低可燃气浓度。但在石化生产过程中，仅停留在采用惰性气体保护、工艺过程控制和管理是不够的，采用料仓粉体静电消除措施，消除物料带电量是保障料仓安全最稳妥的方法。

为降低进入料仓的物料静电量，在料仓进料管道上安装离子风消电器，可利用高压放电针将空气离子化以中和物料所携带静电荷[11-15]。日本CHOI K和MOGAMI T等[13-15]利用交流型(AC)和直流型(DC)离子风静电消电器用于聚丙烯(PP)粒料静电，这虽然从实验上降低了PP带电量，但PP消电后剩余静电量仍较高，且未形成工业化实用技术。为克服传统AC型消电器消电效率低，DC型消电器易造成物料“逆带电”现象，依据现有聚烯烃生产装置特点，中国石化长期开展了(非平衡式)双极性静电消电器应用研究工作。双极性离子风消电器的应用借助管道粉体监测设备，按物料实测电荷量适时预置或调节2种极性放电针离子流的大小，以取得最佳中和效果。但国内外尚无料仓管道静电自动监测及联锁控制技术装备，亟需通过构建双极性离子风消电系统，研究消电器消电电压调节参数对消电器消电效果的影响规律，为优化料仓静电治理技术装备、开发料仓管道粉体静电在线监测与自动消除系统提供重要参考依据。

1　非平衡式双极性离子风消电技术

离子风管道粉体静电消除器通过高压电极放电针发生电晕放电，使空气分子电离，再由送风系统将正负离子吹送到管道中，实现对粉体静电荷的消除。如图1所示，双极性静电消电技术充分利用了DC式消电器消电效率高的优点，通过正、负放电针相间布置以提高离子流喷射距离[16-17]，而非平衡双极性离子流消电技术是指可独立调节正、负电极针施加正负高压的大小以调节正负离子浓度，以优化消电器的消电能力。

图1　双极性离子风消电技术示意Fig.1　Schematic of bipolar ionized wind electrostatic elimination technology

2　非平衡式双极性离子风消电系统

2.1　非平衡式双极性离子风消电器

双极性离子流消电器结构如图2所示， 包括绝缘体电极座、放电电极(放电针)、保护罩、法兰、管道和连接法兰。在消电器中，分别加在放电电极上的正、负高压产生正、负离子，产生的离子通过电极电场力作用以及电极附近的高压气体将离子带到管道中，对管道物料表面的静电荷进行中和，从而达到消除管道粉体静电的目的。

设计时，在离子风消电器的放电电极与高压发生器之间增加限流电阻(60 MΩ，如图1所示)，防止电极意外短路产生大电流[11-13]；同时，消电器采用正压保护型设计，消电器工作时密封室内充满压缩空气，且密封室内部气体压力高于输料管道内气流压力，避免在密封室内部形成爆炸性粉尘环境，以符合《可燃性粉尘环境用防爆电气设备 第1部分：通用要求》(GB 12476.1—2013)及《可燃性粉尘环境用防爆电气设备 第7部分：正压保护型“pD”》(GB 12476.7—2010)要求。

目前常用的双极性离子风消电器通径与石化风送系统管道尺寸一致，长度为400 mm；消电器内部装有2排放电电极，电极个数由于管道直径的不同有所差别。

图2　双极性离子风静电消除器结构示意Fig.2　Schematic of bipolar electrostatic eliminator

2.2　粉体静电监测器

离子风静电消除系统设备是借助于安装在料仓进料口的粉体静电监测器，按物料实测电荷量适时预置不对等的正负侧控制电压，调节正、负极性放电针离子流的大小，以取得最佳中和效果。目前，粉体静电监测器主要基于法拉第筒检测原理检测管道内物料荷质比(物料总带电量与其质量比值，μC/kg)。粉体静电监测器主要包括安装在管道内的检测筒和电荷仪。检测筒为一封闭金属筒体，当带电粉体加到检测筒内时，粉体所带的电荷就会等量、反极性感应到检测筒内壁，同时检测筒外壁感应与粉体带电量相等、极性相同的电荷。用静电荷仪测量检测筒外侧的电荷量获得筒内粉体带电情况，根据检测筒内粉体的质量反推带电粉体荷质比。

常用静电监测器通径与风送系统管道一致，监测器本体在侧壁设有定容式电荷采集器，不工作时法拉第筒停在管道外部，工作时由气缸带动进入到管道中取料测量，其结构简图如图3所示。管道粉体静电监测器和静电消除器的实物如图4所示。

图3　静电监测器结构示意Fig.3　Schematic of electrostatic monitor

图4　静电监测器(左)和静电消除器(右)Fig.4　Photograph of the electrostatic monitor (left) and electrostatic eliminator (right)

2.3　离子风消电控制系统

常见料仓进料口安装的粉体静电消除系统电路、气路连接示意图如5所示。

图5　料仓进料口安装粉体静电消除系统电路、气路连接示意Fig.5　The gas circuit, circuit layout of static elimination system

离子风消电系统使用时需要与现场设备和仪电操控系统对接，可按“消电器—监测器—分控箱—控制柜”设计，相应系统包括：

1)消电器。消电器本体内置正、负极性高压发生器(高压模块)，输出电压受控于PLC的输入端。

2)粉体静电监测器。气动式电荷采集器和测量开关均受控于PLC的输入端；电荷变送器采用标准信号输送，通过PLC处理后直接显示单位质量电荷量(μC/kg)。

3)分控箱。现场控制箱为1个不锈钢箱，将控制室的控制信号及压缩空气分配给消电器与监测器。

4)PLC控制柜。控制柜内控制器对现场信号进行采集、处理、调整。

3　非平衡式双极性离子风消电系统现场应用

为控制料仓物料静电，某厂聚乙烯(PE)装置包装料仓进料管(DN300)安装了1套包括静电消电器和静电监测器的离子风消电系统，现场照片如图6所示。

图6　某聚乙烯包装料仓静电消电器及监测器Fig.6　Photograph of the unbalanced bipolar ionized wind electrostatic elimination system used in a polyethylene packaging silo

PE装置运行调试的过程中，通过PLC控制端调节离子风消电器内部正、负高压发生器输出电压(0～10 kV)调控比例，对离子风消电系统的消电能力进行测试。不同正、负高压发生器输出电压调控比例下PE物料荷质比检测值如表1所示(包装仓进料约60 t/h，仪表风供气压力0.6 MPa)。

离子风消电系统通过静电监测器对管道物料静电进行测量，测量值反馈到控制器，并通过手动设置控制消电器内置正、负极性高压发生器，从而对正、负离子流进行调节，以保证物料荷质比绝对值在0.3 μC/kg以下[5]。从表1的测试数据可以看出，该PE装置中物料带负电，仅调节正高压发生器输出电压调控比例为65%时(单极性消电)，此PE装置系统物料荷质比为超过0.3 μC/kg；保持消电器正高压发生器输出电压调控比例为65%，将负高压发生器输出电压调控比例从30%逐步提高至65%，PE静电量先降低后增大。测试数据表明，采用非平衡式双极性消电技术，在保证物料荷质比绝对值不大于0.3 μC/kg的同时，可有效降低消电器控制电压的大小。

图7是该包装料仓正常作业时静电消除器系统运行前后物料荷质比，结合表1和图7测试数据看，采用非平衡式双极性离子流消电器时，物料荷质比可稳定在±0.3 μC/kg以内，满足《石油化工粉体料仓防静电燃爆设计规范》 (GB 50813—2012)石化料仓静电安全控制要求。

表1　某PE包装料仓用静电消电器调试过程测试数据

图7　某PE包装料仓用静电消电器运行前后物料静电量Fig.7　Static electricity before and after the operation of electrostatic eliminator

4　结论

1)采用离子风静电消电系统，降低进入料仓物料静电带电量，可有效抑制聚烯烃等高绝缘粉体料仓的静电燃爆事故。

2)非平衡式双极性离子风消电器，采用正、负放电针相间布置，同时消电器本体内置正、负极性高压发生器，可实现独立调节正、负电极针施加正负高压的大小。

3)基于非平衡式双极性消电技术，可有效降低消电器控制电压的大小，同时保证物料荷质比绝对值不大于0.3 μC/kg，满足国家标准要求，有助于保障料仓装置风送系统安全稳定运行。

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