劉義,趙東風(fēng),路帥,何明俊,婁仁杰

(1.中國石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,山東青島 266555;

2.中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院大連分院靜電研究中心,遼寧大連 116031)

聚乙烯裝置改造前后料倉靜電危險性對比分析

劉義1,趙東風(fēng)1,路帥1,何明俊2,婁仁杰2

(1.中國石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,山東青島 266555;

2.中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院大連分院靜電研究中心,遼寧大連 116031)

針對某聚乙烯裝置改造后可能增加的風(fēng)險,運(yùn)用靜電模擬裝置模擬了聚乙烯料倉改造前后的靜電起電量,通過粉塵爆炸參數(shù)測試和理論計(jì)算分析了刷形放電、堆表面放電、火花放電和傳播型刷形放電的危險性.結(jié)合危險性分析結(jié)果,提出了預(yù)防靜電引起料倉閃爆的措施.結(jié)果表明,隨著風(fēng)量和管道直徑的增加,靜電起電量明顯增加,靜電危險性加大,現(xiàn)場有發(fā)生刷形放電、堆表面放電、火花放電和傳播型刷形放電的可能性.根據(jù)粉塵爆炸參數(shù)的測試結(jié)果,預(yù)防火花放電和傳播型刷形放電可有效防止靜電引起的料倉閃爆事故.

粉塵;聚乙烯;爆炸;料倉;靜電放電

聚乙烯粉體在輸送過程中一般都采用空氣輸送,且其濃度基本位于爆炸下限之上,所以聚乙烯與空氣能夠形成爆炸性混合物.另外,聚乙烯的體積電阻率大于1014Ω·m[1],因而使得粉料之間摩擦、碰撞、分離等因素產(chǎn)生的靜電通過接地措施并不能完全消除,靜電能夠迅速地積累,一旦場強(qiáng)超過空氣的擊穿場強(qiáng),則會發(fā)生不同形式的靜電放電現(xiàn)象.近年來發(fā)生的多起聚乙烯閃爆事故也證明聚乙烯粉體爆炸的主要點(diǎn)火源是靜電[2-3],可燃性氣體的存在是導(dǎo)致爆炸事故的主要原因,事故多數(shù)是發(fā)生在料倉[4-5].

2002年,某石化公司乙烯廠對主要生產(chǎn)裝置的生產(chǎn)能力進(jìn)行了全面的改擴(kuò)建,其中聚乙烯裝置生產(chǎn)能力由12萬t/a提升至20萬t/a.為評估裝置擴(kuò)建帶來的風(fēng)險,基于以往類似裝置發(fā)生的爆炸事故案例,需要重點(diǎn)分析擴(kuò)建帶來的靜電危險性,尤其是料倉內(nèi)的靜電危險性.本文結(jié)合現(xiàn)場生產(chǎn)條件,運(yùn)用一套中型粉體模擬實(shí)驗(yàn)裝置測試了聚乙烯粉體的起電特性,根據(jù)測試結(jié)果和靜電理論,分析了刷形放電、堆表面放電、火花放電和傳播型刷形放電的危險性.研究結(jié)果對預(yù)防聚乙烯料倉閃爆事故有重要指導(dǎo)意義.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究所用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為一套中型粉體模擬實(shí)驗(yàn)裝置,裝置示意如圖1所示.

圖1 粉料荷質(zhì)比測試裝置示意Fig.1 Schematic diagram of dust specif ic charge test

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

聚乙烯裝置改造前后的風(fēng)量、管徑和進(jìn)料量如表1所示.

表1 聚乙烯裝置改造前后的風(fēng)量、管徑和進(jìn)料量Tab.1 W ind rate,pipe diameter and feeding rate of polyethylene equipmen t before and after expansion

根據(jù)改造前后的風(fēng)量和管徑,可以計(jì)算改造前后的風(fēng)速:

基于上述計(jì)算結(jié)果,實(shí)驗(yàn)風(fēng)量和實(shí)驗(yàn)風(fēng)速分別取262 m3/h和37.1(m/s).

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)采用的聚乙烯顆粒為高密度聚乙烯產(chǎn)品,其粒徑分布如表2所示.

表2 聚乙烯粒徑分布Tab.2 Polyethylene particle size distribution

由于聚乙烯粉體粒徑影響其點(diǎn)火能,而現(xiàn)場可懸浮的粉塵直徑均小于0.5 mm,因此運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)哈特曼管對粒徑小于0.5 mm的聚乙烯粉塵(通過35目篩,篩孔直徑為0.5 mm)進(jìn)行了最小點(diǎn)火能量測試,結(jié)果為656 mJ[6].

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

粉體靜電模擬裝置的測試結(jié)果如表3所示.

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.3 Exper imen ta l results

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出,模擬實(shí)驗(yàn)裝置的粉體物料風(fēng)送起電范圍為2.96～5.29μC/kg.而粉體物料風(fēng)送起電一般和載荷量成反比,和管道的面積成正比[1].通過折合計(jì)算,可得出現(xiàn)場改造前和改造后粉體物料風(fēng)送起電范圍分別為1.85～3.30μC/kg和2.33～4.16μC/kg.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著風(fēng)量和管道直徑的增加,靜電起電量明顯增加,靜電危險性加大.

2.2 討論與分析

2.2.1 料倉刷形放電危險性分析

當(dāng)空間電荷云直徑在0.7 m以上,空間電荷云內(nèi)平均電場強(qiáng)度約1 kV/cm時,便可從空間電荷云向接地導(dǎo)體產(chǎn)生0.1～1 m J的刷形放電.理論上,基于均勻帶電介質(zhì)球的電場強(qiáng)度,可把空間電荷云場強(qiáng)安全界限換算成空間電荷密度界限[1].

式中:E為空間電荷云場強(qiáng)安全界限;εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù);r為球型電荷云半徑;ε0為真空介電常數(shù); ρ為空間電荷密度.

聚乙烯的相對空氣介電常數(shù)εr為2.35,球型電荷云半徑r為0.35 m,代入式(5),在1 kV/cm的安全界限時,空間電荷密度為17.82μC/m3,即粉塵空間電荷密度安全界限為17.82μC/m3.

現(xiàn)場改造前后粉體進(jìn)入料倉時的荷質(zhì)比為1.85～4.16μC/kg,料倉1 m3空間有1 kg聚乙烯粉塵時,此空間的電荷密度為1.85～4.16μC/m3.因此,空間要達(dá)到粉塵刷形放電,1 m3空間內(nèi)必須含有4.28 kg以上的聚乙烯粉塵,但該粉塵一般是指風(fēng)送物料時始終漂浮在料倉空間的粒徑小于420μm粉塵.

根據(jù)對現(xiàn)場聚乙烯粉塵的粒徑分析和物料密度的測定,現(xiàn)場420μm以下的聚乙烯顆粒約占7%,物料密度為446.8 kg/m3,所以完全可以達(dá)到1 m3空間含有4.28 kg以上聚乙烯粉塵.由此可以肯定料倉在進(jìn)料過程中存在刷形放電.但刷形放電的放電能量小于3.6 mJ[7-8],遠(yuǎn)小于純聚乙烯粉塵的最小點(diǎn)火能量656 mJ,所以刷形放電對現(xiàn)場安全影響不大.

2.2.2 料倉內(nèi)堆表面放電危險性分析

根據(jù)無限長均勻帶電圓柱體的電場強(qiáng)度計(jì)算公式(6),可把空間電荷云場強(qiáng)安全界限換算成空間電荷密度界限[1]

式中:E為圓筒內(nèi)部電場場強(qiáng);r為圓柱體半徑;ρ,εr,ε0同式(5).

現(xiàn)場改造前后粉體進(jìn)入料倉時的荷質(zhì)比為1.85～4.16μC/kg,物料密度為446.8 kg/m3,料倉內(nèi)物料堆積半徑3 m.基于上述公式,按荷質(zhì)比最小值1.85μC/kg計(jì)算,空間電荷密度最小值為826.58μC/m3,則空間電荷云場強(qiáng)E為59.62 MV/m,遠(yuǎn)大于3 MV/m,所以料倉內(nèi)存在堆表面放電的可能性.由于堆表面放電的放電能量小于10 m J[7-8],小于聚乙烯粉塵的最小點(diǎn)火能量,所以堆表面放電對現(xiàn)場安全影響也不大.

2.2.3 誘發(fā)火花放電

料倉內(nèi)如果存有金屬尖端突出物,如金屬音叉料位計(jì)前端、金屬角鋼、金屬摻合管前端等,與帶電的料堆表面距離很近時,就很容易發(fā)生誘發(fā)火花放電.由于火花放電的最大放電能量為1 J[7-8],要大于現(xiàn)場粉塵的最小點(diǎn)火能量,因此現(xiàn)場一定要避免發(fā)生火花放電.

2.2.4 傳播型刷形放電

傳播型刷形放電主要發(fā)生在有4～8 mm厚絕緣涂層或粘壁料,其表面電荷密度大于或等于2.7× 10-5C/m2時,且當(dāng)局部絕緣破壞時較易發(fā)生[9].

根據(jù)公式(6),按荷質(zhì)比最大值4.16μC/kg計(jì)算,空間電荷密度ρ最大值為1 858.69μC/m3,則空間電荷云最大場強(qiáng)E為134 MV/m,按式(7)可計(jì)算出面電荷密度.

根據(jù)現(xiàn)場勘察,雖然料倉內(nèi)壁粘有粉料,表面電荷密度大于2.7×10-5C/m2,但很難達(dá)到4～8 mm的厚度,所以一般不會發(fā)生傳播型刷形放電.可傳播型刷形放電的最高放電能量是10 J,幾乎能點(diǎn)燃所有危險性可燃性粉塵及其混合物,因此必須采取一定措施確保不能發(fā)生傳播型刷形放電[7-8].

2.2.5 靜電安全防護(hù)措施

1)當(dāng)聚乙烯粉塵中混入可燃性氣體時會形成雜混合物,可燃性氣體的存在會明顯降低聚乙烯粉塵的最小點(diǎn)火能量[10].當(dāng)一定濃度的可燃性氣體存在時,刷形放電和堆表面放電也有可能點(diǎn)燃聚乙烯粉塵.因此,要保證二級脫氣器的脫氣效果,可以通過加大底部通氮?dú)饬?并適當(dāng)提高氮?dú)鉁囟?提高脫氣效果,避免大量的可燃?xì)怏w帶入后系統(tǒng)料倉,控制系統(tǒng)內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度.

2)消除料倉內(nèi)的尖端突出物,消除倉內(nèi)誘發(fā)火花放電的可能性.

3)在料倉上部入料口處安裝消除靜電的設(shè)備,使料倉內(nèi)的最大靜電電場強(qiáng)度小于3 MV/m,消除料倉內(nèi)的刷形放電與堆表面放電.

3 結(jié)論

1)根據(jù)靜電模擬裝置的測試結(jié)果,隨著風(fēng)量和管道直徑的增加,靜電起電量明顯增加,靜電危險性加大,現(xiàn)場有發(fā)生刷形放電、堆表面放電和火花放電的可能性.

2)根據(jù)粉塵爆炸參數(shù)的測試結(jié)果,由于火花放電和傳播型刷形放電的能量要大于聚乙烯粉塵的最小點(diǎn)火能量,因此預(yù)防火花放電和傳播型刷形放電可有效防止靜電引起的料倉閃爆事故.

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Comparison of Silo Electrostatic Discharge Hazard During the Expansion of Polyethylene Un it

LIU Yi1,ZHAO Dong-feng1,LU Shuai1,HEMing-jun2,LOU Ren-jie2
(1.Co llege of Chem istry and Chem ical Engineering,China U niversity of Petro leum, Qingdao 266555,China;2.Electrostatic Research Center,Dalian B ranch of Environment and Safety Techno logy Academy of CNPC,Dalian 116031,China)

Fo r the inc reased risk by expansion of the polyethylene unit,the specific charge of the polyethylene silo after expansion was simulated by a pilo t scale electrostatic sim ulator.The electrostatic discharge hazard of brush discharge,cone discharge,spark discharge and p ropagating brush discharge wasanalyzed based on the dust exp losion test and theo retical calculation.Combined w ith the resultsof hazard analyses,the measures to p revent the silo exp losion caused by electrostatic discharge were put fo rward.The results showed that electrostatic discharge hazard increased w ith the w ind rate and pipe diameter.The brush discharge,cone discharge,spark discharge and p ropagating brush discharge would happen possibly on site.Acco rding to the dust exp losion test,it show s that the p revention of spark discharge and p ropagating brush discharge can p revent silos exp losion caused by electrostatic discharge effectively.

dust;polyethylene;exp losion;silo;electrostatic discharge

TQ 325.1+2;X 932

A

1000-1565(2010)05-0516-05

2010-04-15

中國石油“十一五”科技攻關(guān)項(xiàng)目(2006AZ-JS-07)

劉義(1977—),男,河北滄州人,中國石油大學(xué)(華東)副教授,博士,主要從事粉塵爆炸及化工安全系統(tǒng)研究.

(責(zé)任編輯:趙藏賞)