簡述： 粉體靜電災害涉及面廣、危害大, 開發合理的粉體靜電防災技術是國民經濟發展過程中需要解決的熱點問題之一. 近年來, 粉體靜電測試研究方法、粉體靜電起電與放電研究方法、粉體靜電危險性評價方法、粉體靜電危險性分級理論等研究工作取得了較好的研究成果. 根據粉體靜電
Recent developments in electrostatic
protection technology for the powder production industry
ZHOU Ben2Mou1 ,? LIU Shang2He2 FAN Bao2Chun1
(1 Institute of Power Engineering , Nanjing University of Science and Technology , Nanjing 210094 , China)
(2 Institute of Electrostatic Technology , Institute of Ordnance Engineering , Shijiazhuang 050003 , China)
Abstract Powder electrostatic hazards may cause large scale disastrous accidents , so their prevention is an important research topic for the development of the national economy. In recent years there has been much progress in the measurement of powder electrostatics , studies of powder electrostatic charging and discharge sparking , powder electro static hazard assessment , and the classification theory of powder electrostatic hazards. Preventive safety measures havebeen developed based on quantitative analysis of the actual hazards encountered during the process of powder han dling , and these technological improvements have greatly benefited the powder industry.
Key words electrostatic protection , powder industry , hazard assessment , safety technology , research develop2ment
1 引言
隨著全球工業化進程的加快, 生產粉塵、粉末和顆粒狀物質的粉體工業迅猛發展. 改革開放二十多年來, 我國粉體工業生產規模迅速擴大, 發展速度****. 以石油化工行業聚烯烴粉體生產為例, 1982 年國內年產量不足100 萬噸, 1989 年則突破了200 萬噸大關, 1996 年年產量達到320 萬噸; 近年來, 我國合成樹脂和塑料年產量仍然保持20 %的增長速度. 如煤炭、冶金、紡織、糧食等其他行業涉及粉體工業的生產規模亦以年產量增長速度超過15 %的態勢呈規模化發展趨勢. 與此同時,粉體工業生產中引起的爆炸和燃燒事故也迅速增多. 如哈爾濱亞麻廠粉塵爆炸事故, 廣東新港糧食儲倉粉體爆炸事故均發生在20 世紀80 年代初期.據統計資料分析, 隨著我國經濟發展速度的加快,粉體爆炸與燃燒事故越來越頻繁. 以粉塵爆炸統計數據資料為例, 我國自1960 年至1989 年30 年間,發生粉塵爆炸次數按年代百分比的分布為: 1960
年至1969 年占總數的9. 37 % , 1970 年至1979 年占總數的3. 13 % , 1980 年至1989 年占總數的87.50 % , 此數據充分表明, 粉體事故與國民經濟發展規模之間有著密切的聯系, 同時說明了粉體防災技術研究的意義與作用. 上述粉體災害事故和其發展態勢引起了人們的極大關注, 對我國經濟發展和社會穩定造成了較大的影響, 我國政府和有關行業主管部門及相關的研究單位對此類災害事故高度重視[1 ,3 ] . 這些因素對促進和加強我國粉體工業防災技術研究工作, 對防粉體災害技術的應用推廣和進一步落實企業的專項整改與治理措施等方面都起到了積極的推動作用.統計資料顯示, 粉體工業災害事故與粉體靜電密切相關[1 —4] . 從一組引起粉體災害事故(粉塵爆炸) 的點火源數據統計百分比分析可知: 由熱表面引爆的占38. 71 %, 由明火引爆的占32. 26 %, 由靜電與電氣火花引爆的占16. 13 %, 其他因素引爆的占12. 90 %. 由可見, 在粉體工業生產過程中,由于靜電與電氣火花引起粉塵爆炸事故的比例是比較大的, 其中靜電的危害已到了必須引起人們高度重視的程度. 事實上, 在人類現代生產和生活活動中, 靜電存在的范圍很廣. 靜電在給我們帶來極大便利的同時(如靜電復印、靜電除塵、靜電噴涂、靜電成像、靜電生物效應和納米材料制備等) , 也給人類社會帶來了各種各樣的麻煩甚至引發災難性事故. 正因為靜電事故遍及礦業、冶金、石油化工、紡織、醫藥、糧食加工與儲運、交通運輸、航天航空、通訊與**等行業, 所以對靜電災害與防護技術的研究一直是現代社會關注的熱點課題之一[3 ,4 ,6] .
在眾多的靜電研究課題中, 由于粉體靜電災害問題涉及專業面廣, 致災過程復雜, 模擬實驗難度大, 費用高等原因, 所以相對于現代靜電研究的其
他領域而言, 粉體靜電災害的研究在其起電機理、致災條件和防范對策等方面相對滯后. 雖粉體靜電防災領域需要研究解決的問題很多, 但自20 世紀50 年代以來, 這方面的研究進展一直不大, 其研究水平遠遠落后于液體防靜電災害等技術研究, 與實際要求存在較大的差距. 然而從Maurer (1979 年)報道了粉體大料倉堆表面放電現象之后, 以瑞士Ci2ba 公司和英國南開普敦大學為中心, 在國際上迅速形成了一個以粉體工業生產實際尺度的粉體靜電放電問題為研究對象的研究熱點, 并進一步提出了一些與生產過程密切相關的防靜電規范或建議. 與此同時, 德國、瑞士、挪威、波蘭及前蘇聯等歐洲防爆委員會成員國, 以及我國、日本、美國等國的相關部門和研究單位, 也相繼開展了超細粉塵和非標準條件下的燃燒與爆炸實驗, 靜電場分析計算及體起電、放電等理論與實驗研究工作. 這些研究工作極大地豐富了人們對粉體靜電危險性的認識, 特別是與工業控制和**評價有關的粉體靜電研究結果, 對粉體工業**生產具有十分重要的意義和指導作用[1 ,4 ,7] .
2 粉體靜電災害概況
現代工業生產過程中的粉體是粉塵、粉末及顆粒狀物質的總稱. 一般而言, 我們將粒徑d > 0.
5mm的物質稱作顆粒; 將粒徑d 在100μm和0. 5mm之間的物質稱作粉末; 將粒徑d < 100μm的物質稱作粉塵, 此類物質基本上具有正常狀態下在空氣中飄揚的特征. 統計與實驗資料表明, 可燃性粉塵大多數屬易燃易爆物質, 其燃爆事故占粉體災害事故的60 %以上, 粉塵本身的靜電放電火花即可成為其點火源. 可燃性粉末與顆粒雖然能燃燒, 但是一般難以形成爆炸性混合物,然而其靜電放電或熱表面等危險因素可能成為可燃氣、可燃粉塵及其雜混合物等易燃易爆物質的點火源. 對于非可燃性粉體而言,其靜電危險性主要表現在這類物質的靜電放電火花
可能成為生產過程中其他易燃易爆物質的點火源[2 ,4] .粉末與顆粒粉體粒徑較大, 在生產過程中單個粒子的帶電量也大. 在一定的條件下, 聚合物粉體大料倉中可能發生堆表面放電和傳播型刷形放電,此類靜電放電的放電能量大, 足可以點燃一般的可燃粉塵. 大多數粉塵中固體物質的粒徑約為1 —100μm , 含分子數為104 —106 , 因此小而輕且比表面積大. 帶靜電的粉塵可漂浮于空氣中, 也極易吸附在物體表面上. 漂浮的帶電粉塵的災害可以產生閃電狀靜電放電, 如火山噴發時可經常看到的火山灰粉塵閃電; 大氣中懸浮的塵埃使大氣能見度大為降
低, 容易引起各類交通事故. 帶電粉塵的吸附性亦有較大的危害, 粉塵吸附在植物的葉面和干上會影響其生長, 給人類的農業、林果業生產等造成損失; 金屬表面的粉塵可促使其加速腐蝕; 粉塵的沉降或吸附使各種建筑物遭受污染、腐蝕加速, 使許多傳感器中毒、失效, 使諸如集成電路等高精細材料、器件無法制造和使用, 可以導致機器停運、電路短路等事故. 如此種種, 關于粉體靜電的危害不勝枚舉, 而其中*具破壞性和災難性的就是粉塵爆炸, 它會造成突發的、一次性損失嚴重的人身傷亡和財產損失等事故.德國自1940 年起的50 年間, 與靜電相關的重
大粉體爆炸事故有斗式提升機滑槽中燕麥糠爆炸,碾碎機內的制粉半成品爆炸, 斗式提升機滑槽中高粱(含粉塵多) 爆炸, 斗式提升機中高粱粒爆炸和粉體料倉中高分子聚合物爆炸. 據日本勞動省產業**技術研究所對1952 年至1975 年期間日本所發生的177 起損失較為嚴重的粉塵爆炸事故點火源的調查分析可知, *多的點火原因是機件或裝置中的金屬異物摩擦撞擊而引起的熱表面和撞擊火花(37起) , 其次就是靜電引起的放電火花(29 起) . 因此,引起粉體爆炸的原因與靜電放電有一定的聯系.料倉燃爆事故統計資料可知, 這40 起粉體料倉燃爆
事故的點火源, 基本可以認定是粉體自身的靜電放電火花. 事實上有關高分子聚合粉體的靜電危險性研究, 尤其是粉體氣力輸送和粉體大料倉的防靜電危害問題是近二十年來國際范圍內靜電防災研究領域中的熱門課題之一. 聚合物粉體絕緣程度很高,生產過程中粉體的起電量可達10 - 7 —10 - 4 C/ kg , 靜電泄漏緩慢, 生產過程中的粉體往往會積聚很高的電荷. 這種靜電的積聚會給粉體生產帶來兩類危害:一類是帶電粉體粒子之間, 粒子與管壁、容器之間的靜電力作用, 給生產帶來各種障礙與危害; 另一類是電荷的積累能夠產生很強的靜電場, 從而導致各種類型的靜電放電發生, 或引起火災和爆炸事故,或引起人體電擊事故而導致二次事故發生.
3 粉體靜電危險性評價方法研究發展
概況
通過對靜電放電火花實際點燃危險性量化分析研究, 近年來已經取得了可用于對粉體實際生產過程中的靜電危險性進行定量評價的研究結果. 建立在靜電點燃現實危險性基礎上的靜電放電火花點燃危險性的量化分析理論, 相關的靜電參數測試方法,生產工藝過程現場數據取樣和評價技術, 促使粉體善, 有關研究和管理部門已經將相關研究結果應用于具體的生產實際[4 —7] .
3. 1 粉體起電機理研究
粉體是特殊狀態下的固體物質, 其靜電起電過程遵循固體的接觸起電規律. 目前, 人們對金屬-金屬、金屬- 半導體的接觸起電機理研究結果已經達到實用化水平的要求. 然而對于高分子聚合物材料的起電機理研究而言, 由于聚合物內部結構的復雜性以及起電機理性實驗結果的重復性不好等原因,對其起電機理性的研究方法尚在不斷的完善之中[8] .然而, 對于粉體工業生產中粉體氣力輸送的粉體靜電起電問題, 人們結合兩相流動力學理論、電介質物理學、粒子介質之間的相互作用等理論研究, 年來已經分析總結出了一些可用于實際分析的有關粉體起電的半經驗公式[9 ,10] .
3. 2 粉體靜電參數測試技術
有關粉體狀物質的靜電參數(電阻率ρ、介電常數ε、電位U、電場強度E 及電荷密度q 等) 的實驗室測量, 從理論分析到測試方法都比較成熟,有些測試方法和具備防爆條件的測量儀表也已經直接應用于實際生產場所的粉體靜電參數的數據測試[11 ,12] . 近年來, 人們可以在工尺度的大型粉體模擬裝置上設置粉體靜電試驗, 方便、高效地測試粉體靜電參數, 便利開發、試用防粉體靜電災害的技術和產品, 這為進一步深入研究與解決粉體靜電問題提供了實驗手段上的保證. 相關科研單位研究開發的非接觸式管道粉體靜電電荷密度測量儀, 在完善防爆設計后即可應用于粉體工業輸送與儲運系統的粉體靜電監測[13] . 粉體、聚合物電荷空間分布的測量方法研究也有了較好的研究結果. 幾十年來,人們已經積累了大量的有關粉體方面的靜電參數,
從相關的基本靜電參數到實際生產中不同性質的粉體起電參數都比較**.
3. 3 粉體起電、放電特性(包括輻射場) 研究
人們在小、中、大型粉體靜電模擬實驗裝置上,尤其是工業尺度的粉體模擬試驗裝置上成功地模擬了電暈放電、刷形放電、火花放電、堆表面放電及傳播型刷形放電等典型的粉體生產中存在的靜電放電現象, 使有關粉體的靜電危險性研究水平上了一個大的臺階[14 ,15] . 在這些極為有效的試驗設備上,人們成功地測定了粉體的起電量, 研究了粉體的起電特性, 綜合研究了粉體料倉的粉體電荷密度、荷質比、放電電荷轉移量、料倉內的電勢分布與電場強度的分布特點、粉體放電間隔特點、放電信號頻率等對于粉體靜電危險性評估有重要價值的相關物理量[7 ,16 ,17] . 通過大量的靜電放電測試試驗, 統計、研究、探討和總結了粉體工業生產中可能發生的不同類型靜電放電的輻射場特性, 其試驗研究數據為粉體工業生產現場檢測與監測儀表的電磁兼容性設計提供了有價值的數據; 同時結合氣體等介質的擊穿理論, 建立了典型的靜電放電理論模型[17 —19] .
3. 4 可燃物質的燃爆特性研究
自20 世紀80 年代中、后期起, 標準條件下(標準實驗樣品、標準測試條件) 可燃粉體、可燃氣
儀器, 已經基本上達到了國際標準化. 所以有關可燃物在標準狀態下的*小點火能、爆炸極限、*小點燃溫度、*大實驗**間隙、自燃溫度、閃點、極限氧濃度等數據, 基本上都可以從標準出版物上
引用. 近年來, 有關非標準狀態和非標準條件下的可燃物質燃爆參數研究, 人們從實驗和理論分析兩方面作了不少的工作[19 ,24 ,33] . 非標準粒徑粉塵*小點火能與粉塵中位粒徑的關系, 雜混合物*小點火能與可燃氣體濃度的關系, 粉塵*小點火能與溫度的關系, 負壓條件下可燃物爆炸極限的變化, 高壓條件下可燃物自燃溫度的變化等對實際**評價有重要意義的燃爆參數數據庫, 也在積極完善之中.結合氣力兩相流動理論和燃燒反應動力學理論, 借鑒比較完善的可燃氣體燃燒理論, 初步建立了粉塵、雜混合物( 粉塵, 可燃氣) 燃燒理論分析模型[20 —23] .
3. 5 粉體靜電放電點燃特性研究
粉體靜電放電火花的火花時間特性和空間分布特征、形成放電的初始條件和放電電荷轉移量等點火源因素, 可燃物質的燃爆特性參數都對粉體靜電放電的實際點燃能力有影響. 近年來, 人們將研究重點放在粉體料倉內粉體靜電放電的點燃能力研究上, 但由于研究手段上的原因, 只能將料倉內的放電通過環形收集電極引出, 在放電區以外的極隙內做點燃實驗. 這樣由實驗所得到的放電相當能量Eeq , 在一定程度上反映了粉體放電的點燃能力. 實驗與實際靜電點燃事例統計表明, 粉體生產過程中可能產生靜電災害的靜電放電形態和有效點燃能量Eef大致如下: (1) 電暈放電的有效點燃能量不大于01025mJ ; (2) 普通的刷形放電單次放電的有效點燃能量可達3mJ ; (3) 料倉粉體堆表面放電單次放電的有效點燃能量可達10mJ ; (4) 人體放電單次電的有效點燃能量可達30mJ ; (5) 火花放電單次放電的有效點燃能量可達1J ; (6) 傳播型刷形放電單次放電的有效點燃能量可達10J . 有關粉體靜電放電實際點燃可燃物的過程研究, 對于了解和研究放電火花的現實點燃能力是有重要意義的. 結合介質擊穿過程的放電物理學和燃燒學理論, 關于氣體、粉塵的靜電放電火花點火模型理論和氣體、粉塵的點燃過
程研究近年來也取得了一些較好的研究結果[7 ,14 ,16 ,20 ,23] .
3. 6 粉體靜電放電危險性評估與仿真模擬
有關粉體靜電放電危險性研究主要側重于引發火災、爆炸事故的危險性方面. 對于規模一般都比較大的粉體生產而言, 這種危險性主要反映在火災、爆炸事故的敏感性參數上, 也就是可燃物被靜電放電火花引燃的特性上. 這樣, 由帶電粉體物質的基本靜電參數、粉體量大小及邊界條件所確定的帶電粉體空間可能產生的靜電放電類型、靜電放電火花的點燃能力, 結合產生靜電放電場所的可燃物燃爆特性, 即可以定量評價粉體靜電放電的實際危險性.通過研究典型靜電放電火花的實際點燃能力, 對實際生產工藝過程中的靜電放電火花的點燃危險性進行定量評價. 靜電放電火花的放電相當能量、放電火花空間分布范圍和放電火花持續時間, 決定了靜電放電火花實際點燃可燃物的可能性大小, 因此不同類型的靜電放電火花點燃可燃物的差異性很大.根據數據序列理論分析, 引入靜電放電火花點火源序列和可燃物危險性序列之間存在的關聯性, 反映了靜電放電火花點燃可燃物的危險程度, 可用于對靜電放電火花的實際點燃危險性進行量化評價. 有關粉體的電荷弛豫理論和粉體靜電場分析模型研究以及電場仿真和計算分析, 一直是靜電防災研究的前沿熱點課題. 近年來由于粉體靜電檢測技術的發展, 大力促進和支持了粉體靜電仿真技術的研究,使得粉體靜電仿真技術研究成果離實用階段越來越近[7 ,24 ,25] . 同時, 有關粉體靜電模擬仿真的研究結果也彌補了實際粉體靜電測量技術的不足和現場測量場所的限制(如引入測量儀器對原靜電場的影響等) , 可以幫助人們更詳細地了解帶電粉體空間的電場變化等情況.
4 粉體防靜電災害技術發展概況
粉體防靜電災害技術的要點在于經濟實用, 根據危險性定量評估的結果選用相應的防護技術是防災減災工作的根本內容和努力方向. 我們知道, 粉體工業生產中可能產生靜電災害的典型靜電放電類型有6 種: (1) 電暈放電; (2) 普通刷形放電; (3)料倉堆表面放電; (4) 人體放電;(5) 火花放電;(6) 傳播型刷形放電. 理論分析與實驗結果表明,這些不同形態的放電形式點燃可燃物的能力大不相同. 另一方面, 可能存在于粉體工業實際生產中的可燃物大多為可燃粉體(顆粒、粉末、粉塵) 、可燃氣以及它們的雜混合物, 這些可燃物的被點燃性能差異也很大. 所以, 我們在研究開發防粉體靜電災害技術的具體工作中, 應在粉體靜電危險性合理分級的基礎上, 遵從既科學合理、又經濟實用的防災減災原則[7 ,24 ,44] .
4. 1 粉體靜電危險性分級方法
有關粉體靜電危險性分級, 有別于靜電危險場所的分級. 粉體危險性分級的目的在于結合**經濟學原理, 為存在粉體靜電危險性場所選用既經濟實用又科學合理的防靜電災害措施提供科學依據.這方面的工作可參照相關的靜電危險場所分級方法[24 ,26 ,41 ,44] , 以粉體靜電實際危險性為基礎, 結合粉體靜電可能造成的災害程度作為分級依據來進行[7] .
4. 2 防粉體靜電災害技術
粉體靜電防災的應用技術研究, 目前從相關物體的靜電泄漏技術、粉體靜電消電技術、泄爆技術、阻爆與隔爆技術, 到可燃物質的惰化與抑爆技術等,基本上能夠滿足實際生產的需要. 但有時候由于片面追求經濟效益等方面的原因, 有些成熟的粉體靜電防災技術并不能被粉體生產廠家所接受; 或由于維護方面的原因, 有些已選用的粉體靜電防災設施,并未在實際生產中發揮其應有的作用; 所以粉體靜電防災技術的研究與開發任重道遠, 新技術的開發與已有技術的優化, 尚有很多工作要做. 概括地說,有關粉體生產防靜電災害應用技術的研究開發, 從控制危害源因素和防災減災作用的角度考慮, 已經形成了以下兩大類以降低粉體靜電危險性為目的的工程應用技術[27 —33] : 一類是以控制粉體靜電起電量(改變接觸起電介質的材料特性, 采用粉體消電措施, 采取防靜電涂層與合理接地加速靜電泄放等) 、控制放電類型(如防止形成擊穿場強較大的絕緣層,避免產生能量大的傳播型刷形放電等) 為目的所采用的技術; 另一類是以控制可燃物點燃特性(如加強通風, 可燃氣置換, 控制切粒所形成的細微粉塵,注入惰性物質等) 為目標而采取的技術措施. 目前我國有關部門正在計劃制定有關的粉體防靜電災害操作規程[34 —37] .值得注意的是, 在特定條件下, 由于粉體生產過程的工藝條件或環境條件的限制, 粉體靜電放電火花有可能點燃、引爆可燃物質, 為了減緩災害的破壞性, 防止災害的進一步擴大, 應采取防災減災措施. 主要的應用技術有阻爆、隔爆、泄爆和抑爆技術等, 以及與之配套的可燃氣、可燃粉塵的溫度和壓力等監測監控技術. 目前, 與靜電源監測相結合的粉體靜電防爆減災控制體系正在完善之中[38 ,42] .
5 結束語
綜上所述, 有關粉體靜電危險性與防靜電災害技術方面的研究工作涉及面廣、任務繁雜, 難度較大. 本文僅就其中的有關方面, 結合作者近年來所做的有關具體研究工作, 進行了相關專題的調查研究與統計分析, 介紹了粉體工業生產中的靜電危險性分析方法與防靜電災害技術的*新研究成果, 有關研究結果近年來已經陸續應用于粉體工業的具體生產實際, 解決了企業**生產中的有關技術難題,取得了良好的社會效益與經濟效益. 作者希望有關粉體靜電測試研究方法、粉體靜電起電與放電研究方法、粉體靜電危險性評價方法、粉體靜電危險性分級理論與粉體防靜電災害技術措施等重要研究結果, 在今后的研究與具體應用實踐工作中得到進一步的完善、補充和檢驗.
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