编号：CYYJ00003

篇名：粉体工业静电危险性与静电防灾技术研究进展简述

作者： 周本谋

关键词： 粉体 静电危险性 防护技术

机构： 中国石油大连安全技术研究所

摘要： 简要概述了粉体工业生产过程中的静电灾害特点，分析概括了粉体静电危险性 研究与评估方法，综合叙述了粉体静电灾害实用技术研究与开发的原则和目前 的研究进展状况。

原文： 粉体静电灾害防护问题一直是防灾减灾领域关注的热点问题之一。事实上，有关高分子聚合粉体的静电危险性研究，尤其是粉体气力输送和粉体大料仓的防静电危害问题是近二十年来国际范围内静电防灾研究领域中的热门课题之一。粉体工业防静电灾害技术的实际选用,应在粉体静电实际危险性评估结果的基础上,遵从既科学合理、又经济实用的防灾减灾原则。实际上，不同性质的可燃物质其被静电放电火花点燃的条件不同,同种类的可燃物在不同状态下的燃爆特性参数可以有很大的差异；不同静电放电类型的有效点燃能力不同,同种类型的静电放电火花在不同的带电强度和放电条件下的点燃效果也存在较大的差异。所以,针对不同的环境、不同的对象,应该采取不同的防静电灾害技术和措施。但是我们也应该注意到事物的共性方面,即不同情况下的静电放电也有着共同的基本规律。因此,无论具体场合下的静电防护措施有多大的差别,仍然存在着静电防护的共同原则。 1、典型粉体静电灾害及特点 从我国石油化工行业近几年来40起聚烯烃粉体料仓燃爆事故（PP装置14起，LDPE装置19起，HDPE装置7起）统计资料可知，这40起粉体料仓燃爆事故的点火源，基本可以认定是粉体自身的静电放电。聚合物粉体绝缘程度很高，生产过程中可能的起电量可达10-7 至10-4 ，静电泄漏缓慢，生产过程中的粉体往往会积聚很高的电荷。这种静电的积聚会给粉体生产带来两类危害：一类是带电粉体粒子之间，粒子与管壁、容器之间的静电力作用，给生产带来各种障碍与危害；另一类是电荷的积累能够产生很强的静电场，从而导致各种类型的静电放电发生，或引起火灾和爆炸事故，或引起人体电击事故而导致次生事故发生。典型的事故案例有： 英国一家工厂，用气力输送工艺将一种可燃粉体介质送入一个50立方米储罐中，储罐突然发生爆炸，使整套生产设备遭到损坏。事后的测量表明，生产过程中粉体带电的荷质比高达3´10-7 。 我国某石化公司化工三厂在设备大修之后，以2.4吨/小时的送料量从干燥釜向4号粉体料仓进HDPE粉料时，该料仓顶部过滤器突然一声巨响，随即一团大火冲天而起，将过滤器的过滤袋框架炸飞出仓外，仓内起火，并引燃了三号料仓。两个月后，类似的事故又一次在该4号料仓发生。此类事故性质、事故过程极为相似的粉体爆炸事故，在我国其它的石油化工厂发生过多起，经分析和模拟实验，表明此类事故均为过滤器中粉体静电放电引发，原因是料仓上部排风过滤系统接地不良，大量滤片金属框架没有合理接地。 东北某塑料厂LDPE装置1986年10月投产试车，开工初期的10月9日、14日、23日，在分析料仓先后发生3次闪爆事故，损失粒料53吨，停产7天。三次事故均在分析料仓装满料后、停止进料及停止通风之后发生。原因是仓内可燃气浓度升高，由静电放电而引发。 我国某溶剂厂聚甲醛车间用气力输送工艺输送粉状聚甲醛时，在八英寸的管道内突然发生了爆炸，整段管道报废。模拟测试表明，管道内中心的电位高达10kV以上。 上海某化工厂三车间在ABS塑料粉体介质的干燥过程中，使用铝质管道输送，由于静电放电点燃了管道内的己烷—空气混合物，引起了火灾和爆炸事故。 西北某石化公司PP装置粒料掺合料仓自1995年投产以来先后六次发生闪爆事故，调查结果认为，该粒料产品熔融指数较高且切粒状况不好，造成了料仓内可燃气浓度偏高、细微粉尘增多，料仓内极易产生的刷形放电（放电能量较小）即可点燃此类可燃物。 由上述所叙可见，粉体静电灾害从过去到现在，从国外到国内，在不同的行业中一直是困绕企业安全生产的难题。 2、粉体静电放电点燃特性研究发展概况 粉体静电放电火花的时间特性、空间分布特征、形成放电的初始条件与放电电荷转移量等点火源因素，可燃物质的燃爆特性参数都对粉体静电放电的实际点燃能力有影响。近年来，人们将该方面的研究重点放在粉体料仓内粉体静电放电的点燃能力研究方面，但由于研究手段上的原因，只能将料仓内的放电引出，在放电区以外的极隙内做点燃实验。实际上发生在粉体料仓内的静电放电，其放电能量在时间密度与空间密度上与火花隙点燃实验中的情况不大相同，这样由实验所得到的放电相当能量（Eeq）虽能在一定程度上反映了粉体放电的点燃能力，但与实际的点燃过程存在一定的差异。然而，实验与实际静电点燃事例统计表明，可能产生实际静电灾害的粉体生产典型静电放电形态和有效点燃能量（Eef）大致如下：①普通的刷形放电，单次放电的有效点燃能量可达3mJ；②料仓粉体堆表面放电，单次放电的有效点燃能量可达10mJ；③人体放电，单次放电的有效点燃能量可达30mJ；④火花放电，单次放电的有效点燃能量可达1J；⑤传播型刷形放电，单次放电的有效点燃能量可达10J；⑥电晕放电的有效点燃能量低于0.025 mJ。有关粉体静电放电的实际点燃可燃物的过程研究，对于了解和研究放电火花的现实点燃能力是有重要意义的。结合介质击穿过程的放电物理学理论和燃烧学理论，关于气体、粉尘的静电放电火花点火模型理论和气体、粉尘的点燃过程研究近年来也取得了一些较好的研究结论。 3、粉体静电危险性分级、静电放电危险性评估与仿真模拟研究发展概况 粉体静电危险性分级，有别于静电危险场所的分级。粉体静电危险性分级的目的在于结合安全经济学原理，为存在粉体静电危险性场所如何选用既经济实用又科学合理的防静电灾害措施提供科学依据。这方面的工作可参照相关的静电危险场所分级方法，以粉体静电实际危险性为基础，结合粉体静电可能造成的灾害程度作为分级依据来进行。 有关粉体静电放电危险性研究的主要侧重点，在其引发火灾、爆炸事故的危险性方面。对于规模一般都比较大的粉体生产线而言，这种危险性主要反映在火灾、爆炸事故的敏感性参数上，也就是可燃物被静电放电火花引燃的特性上。这样，由带电粉体物质的基本静电参数、粉体量大小及边界条件所确定的带电粉体空间可能产生的静电放电类型、静电放电火花的点燃能力，结合产生静电放电场所的可燃物燃爆特性，即可以定量评价粉体静电放电的实际危险性。有关粉体的电荷驰豫理论和粉体静电场分析模型研究以及电场仿真和计算分析，一直是静电防灾研究的前沿热点课题。近年来粉体静电检测技术的发展，大力促进和支持了粉体静电仿真技术的研究，使得粉体静电仿真技术研究成果离实用阶段越来越近。同时，有关粉体静电模拟仿真的研究结果也弥补了实际粉体静电测量技术的不足和现场测量场所的限制（如引入测量仪器对原静电场的影响等），可以帮助人们更详细地了解带电粉体空间的电场变化等情况。但目前有关粉体静电模拟仿真的研究结果都存在一定的局限性。如对于粉体料仓而言，目前料仓内电场仿真分析的研究结果，不仅受制于料仓内实际存在的复杂结构的影响，也同时受制于带电粉体粒子的不规则运动。所以，对粉体静电模拟仿真系统的模型研究是很有意义的工作。 4、粉体生产防静电灾害技术研究发展概况 作为粉体静电防灾的大原则而言,就是控制粉体静电危险性评价中的两个必要条件,即降低可燃物被点燃的敏感性（使可燃物状态偏离爆炸范围、使最小静电点火能增大等）和降低静电点火源的点燃能力（降低有效点燃能量）。这些共性原则的具体措施是：控制静电起电率防止危险静电源的形成；增大电荷消散速率防止电荷积累；控制可燃气体、可燃粉尘等的可燃物与空气混合的浓度；采取惰化技术,充入惰性物质保护；采用抗ESD设计和防护加固技术提高电路抗电磁干扰能力；加强安全管理工作的力度等。实际上,在某种工况条件下的防静电合理措施是对实际工况条件下的静电危险性合理分级、确定静电实际危险性大小后,对上述基本防护措施的具体化和个性化的落实。毫无疑问,具体的防护措施选用应在达到防护要求的前提下,遵从安全经济效益原则。 建立在粉体生产静电危险性定量评估基础上的粉体生产防静电灾害技术的特点在于经济实用，根据危险性定量评估的结果选用相应的防护技术是防灾减灾工作的根本内容和努力方向。我们知道， 粉体工业生产中可能产生静电灾害的典型静电放电类型有五种：普通的刷形放电，料仓粉堆表面的放电，电晕放电，火花放电，人体放电，传播型刷形放电。理论分析与实验结果表明，这些不同形态的放电形式点燃可燃物的能力大不相同。另一方面，可能存在于粉体工业实际生产中的可燃物大多为为可燃粉体（颗粒、粉末、粉尘）、可燃气以及它们的杂混合物，这些可燃物的被点燃性能差异也很大。所以，我们在研究开发防粉体静电灾害技术的工作中，应在粉体静电危险性合理分级的基础上，遵从既科学合理、又经济实用的防灾减灾原则。 控制静电危险源主要是减小粉体静电放电火花的点燃能力，相应技术为粉体静电防灾技术。一方面是从控制粉体静电起电量（改变接触起电介质的材料特性，采用粉体消电措施，采取防静电涂层与合理接地加速静电泄放等）、控制放电类型（如防止形成击穿场强较大的绝缘层，避免产生能量大的传播型刷型放电等）为目的所采用的技术；另一方面是从控制可燃物点燃特性（如加强通风，可燃气置换，控制切粒所形成的细微粉尘、注入惰性物质惰化等）为目标而采取的技术措施。 由于粉体生产过程的工艺条件或环境条件的限制，粉体静电放电火花有可能点燃、引爆可燃物质，为了减缓灾害的破坏性，防止灾害的进一步扩大，应采取防灾减灾措施。主要的应用技术有阻爆、隔爆、泄爆、抑爆等，以及与之配套的可燃气、可燃粉尘、温度、压力等监测监控技术。目前，与静电源监测相结合的粉体静电防爆减灾控制体系正在完善的过程中。 所以，粉体静电防灾的应用技术研究，目前从相关物体的静电泄漏技术、粉体静电消电技术、泄爆技术、阻爆与隔爆技术，到可燃物质的惰化与抑爆技术等，基本上能够满足实际生产的需要。但由于经济效益等方面的原因，有些成熟的粉体静电防灾技术并不能被粉体生产厂家所接受；或由于维护方面的原因，有些已选用的粉体静电防灾设施，并未在实际生产中发挥其应有的作用；所以，粉体静电防灾技术的研究与开发工作任重道远，新技术的开发与已有技术的优化，尚有很多工作要做。 参考文献： 1.M.Glor et al. Recent developments in the assessment of electrostatic hazards associated with powder handling. Loss prevention and safety promotion in the process industries, 1996(Vol.11) 2.刘尚合. 十年来防静电灾害的研究成果. 静电,1995,10(4):1-6 3.周本谋等. 粉体静电危险性研究最新进展和建议.军械工程学院学报. 2000年增刊: 110-112 4.谭凤贵，周本谋等. 对瑞士等国粉体静电爆炸与防护研究的考察. 现代静电技术, 1999: 142-144