粉体静电带电电荷测试设计与实现

孟晓锋

(中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司纯梁采油厂，山东 滨州 256504)

现代的化工行业生产中，粉体材料的应用越来越普遍。粉尘在生产、运输和加工过程中，由于粒子之间及粉尘与管道、设备之间存在摩擦、接触和碰撞，会产生静电电荷的积累。当静电电荷积累到一定量时，会发生静电放电，瞬间放出巨大能量，这种静电能量会引起绝缘击穿及电击甚至火灾爆炸[1-2]。2002年，辽阳某石化公司聚乙烯装置中的粉尘产生静电火花造成爆炸，导致8人死亡、19人受伤，直接经济损失452.78万元。2012年，广东某五金制品公司在抽排过程中管道内的铝粉尘浓度达到爆炸下限，遇静电火花引发爆燃，导致7人严重烧伤。因此，加强对典型粉尘静电特性的研究，对预防由粉尘静电放电引起的火灾和爆炸事故具有重要指导意义[3-4]。

现阶段使用的的粉尘爆炸实验装置普遍较为简陋，实验成功率低，教学效果差，实在不适合作为化学工程本科实验教学装备[5]。为了更好地实现粉尘静电教学要求，本文根据系统功能和实验条件，研发设计了一套可在模拟实际工况管道气力输送粉尘产生静电电荷积累的实验装置，并选取不同粉尘进行实验。该实验专业性与创新性相结合，可以巩固化工专业学生粉尘静电累积的概念，并运用此装置测量某一物质的静电电荷积累量。

1 实验原理

1.1 粉尘管道气力输送静电起电原理

粉尘在生产过程中一般采用管道内空气输送的方式，如果粉尘是可燃性粉尘，且浓度在爆炸极限之间，就会形成粉尘与空气的爆炸性混合物。若不做好静电消除措施，便会产生静电积累，一旦电场强度超过了空气击穿场强，就会发生不同形式的静电放电现象[6]。当静电能量大于粉尘最小点火能时，极易导致粉尘燃烧爆炸事故。

本实验基于双电层理论以及"接触─分离"起电机理。不同的粉尘在管道内通过负压风机输送，输送过程中颗粒之间以及颗粒与管道之间摩擦会产生并积累电荷，通过滤筒除尘器和卸料器把粉尘卸到法拉第筒内，通过法拉第筒和电荷测试仪测量粉尘经过管道后因摩擦所带的电荷量。

1.2 法拉第筒原理

法拉第筒是利用静电感应原理设计的，可以测量粉尘等绝缘性带电体的电荷量[7]。法拉第筒装置如图1所示，由内外两个圆筒组成，且两筒之间有一定的间隙，测量之前要用绝缘橡胶或泡沫将间隙堵住，以防被测物料掉落间隙和空气导电而使测量结果产生误差。内筒与外筒底部用海绵绝缘，外筒接地。当被测物料掉落至法拉第筒内筒时，内筒内表面由于静电感应会感应出与物料所带电荷相反的等量异种电荷，内筒外表面感应出与物料所带电荷相同的等量同种电荷。通过电荷测量仪可测出内外筒的电位差，通过公式(1)间接测量出物料所带电荷量。

Q=C·U

(1)

Q-电荷量；C-电容；U-电位差

图1 法拉第筒测量装置图

2 实验设计

2.1 实验总体设计

之前的粉体静电实验大多采用工业实际生产使用的机械振动筛等设备[8-10]。对于实验室研究而言，工业实际生产设备占地面积大、工艺复杂。通过借鉴其他相关实验系统特别是粉体静电测量实验系统的设计经验[11-13]，从方便和安全的角度出发，设计了一套管道气力输送粉尘装置，可以研究管道长度、材质、直径、粉尘种类、粒径、质量、加料速度、风速等因素对粉尘静电特性影响。设计时充分考虑了实验对象、装置结构以及固定约束方式的良好适用性。

2.2 实验装置设计

基于实验设计方案，构建了如图2所示全套实验装置，包括管道气力输送粉尘产生静电电荷系统以及粉尘静电电荷测量系统，其中管道气力输送粉尘产生静电电荷系统主要包括喷吹灰系统、MLT-4型滤筒除尘器、灰斗、进出口装置、管道以及卸料器等，粉尘静电电荷测量系统包括法拉第筒和电荷测量仪，电荷测量仪能够测试±2nC-±2μC范围内的电荷量，精确度能够达到±1%。

除此之外，实验过程中还使用了风速测量仪和温度计，用来测量管道内的风速以及环境温度。

1.灰斗；2.箱体；3.花板；4.脉冲清灰装置；5.进口装置；6.出口装置；7.尘气室；8.净气室；9.卸料器；10.设备支架；11.滤筒除尘器；12.法拉第筒；13.电荷测量仪

图2 实验装置示意图

2.3 实验步骤设计

实验前需测量所选物料粉尘的平均粒径，并在50℃下干燥24小时。将法拉第筒外筒可靠接地，法拉第筒上部内间隙用泡沫塞紧，管道、卸料器、降噪装置及滤筒箱体的连接处用密封垫处理，管道底部与地面接触的地方和设备支架都用绝缘垫与地面绝缘，确保卸料器、风机、喷吹灰系统与控制柜的导线连接正确。当选取某一特定粉尘时，可设定不同的风速与加料速度，然后测量静电电荷积累量并记录。具体实验步骤如下：

(1)打开风机和卸料器，使装置正常运行并吹出管道及装置内的杂物；

(2)调节控制柜的频率按钮，控制风速并在出风口处读出风速仪的风速；

(3)将法拉第筒放到卸料器的下方并连接到电荷测量仪，开电源，预热15min；

(4)进料后完成一次试验，读出电荷测量仪的数值并记录，关闭风机和卸料器；

(5)将法拉第筒中的物料倒出放在干净袋子中，将物料清洗、干燥，以便物料循环利用；

(6)重新步骤(1)～(5)，完成不同风速、不同加料速度的测量实验。

3 实验效果分析

3.1 实验结果及要求

学生在进行实验时，可测量某一物料在不同加料速度和不同风速下的粉尘静电电荷积累量。每组学生在完成所需的全部实验后，根据电荷测量仪测出的电荷量作为实验结果，该结果主要包括物料在不同加料速度和风速下与静电电荷积累量的关系。学生需要对结果进行分析：针对某一实验物料在特定加料速度下，静电电荷积累量根据风速变化趋势；针对某一物料在特定风速下，静电电荷积累量随加料速度变化趋势；在相同风速、加料速度条件下不同颗粒料静电电荷积累量结果对比，分析并比较不同颗粒料静电起电量差异性原因。

3.2 实验结果及分析

为了测试此套实验装置的实用性与效果，分别研究了聚乙烯、聚丙烯、ABS树脂颗粒料在不同加料速度和风速时的静电积累量。以粒径3mmABS树脂颗粒为例，图3为风速一定时，随加料速度的增加，ABS树脂静电电荷积累量逐渐增加；图4为加料速度一定时，ABS树脂静电电荷量随风速的增加而增加。

图3 加料速度与静电电荷量积累关系图4风速与静电电荷量积累关系

根据实验所得数据可做出风速、加料速度与电荷积累量的曲线图，并可从颗粒的大小和形状、逸出功大小、得失电子能力、转移膜、温度、湿度几个角度去解释差异的原因。实验结果证明了此套实验装置的可用性，有利于帮助化工专业学生学习粉尘静电累积概念并比较不同物料在不同情况下的静电电荷积累量。在粉尘实际工业生产中，可根据实验结果从减少静电产生和静电消散两个方面提出防静电对策措施。

4 结语

研制成功的静电电荷测量实验装置结构简单，操作安全方便，可用于测量各种可燃性粉尘在管道气力输送过程中静电电荷积累量。实验设计过程中充分考虑了粉尘种类、粒径、质量、加料速度、风速等多个因素的影响。教学实践表明，此套实验装置不仅能帮助学生更深刻地了解粉尘静电累积的概念和管道气力输送粉尘装置的原理，还可以测量某一物质的静电积累量和静电起电特性，并根据实验结果提出相应的防护措施。