聚烯烴顆粒在氣力輸送中靜電起電特性研究＊

宋戊春 喻海艷 林濤 江東旭 林龍沅 陳海焱

（西南科技大學環境與資源學院，四川綿陽 621000）

0 引言

靜電的積聚在工業生產過程中是一種常見的危險，因為它會導致火花放電。聚烯烴類和聚酯類顆粒是化工常見的加工原料或中間產物，其具有加工成型性能佳、可塑性好等特點被廣泛用于板材、片材、高性能收縮膜及異型材等的制造加工領域［1-2］。在工業生產各個流程中，物料的輸送是一個必不可少的環節。氣力輸送是物料輸送的主要方式之一。在該過程中，顆粒與管道的摩擦，以及顆粒間的摩擦會導致靜電的積累，化工材料顆粒的大比表面積會導致高靜電荷，這可能難以通過接地去消除［3-4］。因此針對聚烯烴和聚酯類顆粒在氣力輸送過程中摩擦靜電荷產生的問題提出相應的防護措施，從而消除輸送裝備在生產過程中由于靜電所引起燃燒爆炸事故具有實際的工程意義。但由于帶電粉末顆粒靜電產生機制及影響因素的多樣性，使得對于氣力輸送中靜電產生機制和定量測試變得十分有挑戰性［5］。

前期的研究結果指出，許多輸送設計和操作參數例如輸送管材、空氣速度、下料速度等都會影響靜電荷的累積。TAGHAVIVAND M 等［6］研究了氣力輸送過程中在4.57 mm 不銹鋼管道中的單個顆粒3.18 mm PTFE 的靜電充電行為，結果顯示低的氣體速度會導致較高的電荷量。李俊菲等［7］指出隨著流化風速的增大，生物質粉體間碰撞程度劇烈，粉體的荷質比增大。高鑫等［8］發現聚丙烯顆粒與管壁碰撞是影響顆粒帶電的主要因素之一，導致顆粒帶電量隨顆粒質量流量降低和氣體輸送流量增加（風速增大）而增大。另外，國內外還有通過數值模擬對工業規模大尺寸氣力輸送顆粒靜電帶電規律進行較為系統的研究［9-11］。這些研究成果為指導工業氣力輸送中顆粒靜電起電特性提供了一定的參考依據。

但目前研究粉體對象比較分散，缺乏系統性，尤其在對于一些高比電阻的聚烯烴粉體在輸送過程中靜電起電的影響因素的探討仍然比較缺乏，因此，本文擬在自制的氣力輸送系統上以3 種典型聚烯烴顆粒PETG、PP 和ABS 為對象，開展不同質量流量與空氣流速條件下典型聚烯烴顆粒的靜電起電特性的變化規律研究，為化工業粉體的部分典型輸送工程提供技術參考。

1 實驗

1.1 實驗原料

實驗采用聚堆苯二甲酸乙二醇酯（PETG）、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物（ABS）、聚丙烯（PP）3 種物料作為實驗原料，其平均粒徑分布與堆積密度見表1。

表1 實驗物料粒徑分布

1.2 實驗裝置

聚烯烴顆粒靜電實驗研究裝置主要由動力系統多翼式離心防爆風機、測量系統包括風速儀（瑞典Swema 公司）、電子秤（上海英衡電子秤有限公司）、法拉第筒搭配電荷測試儀（青島睿新杰儀器有限公司和青島山紡儀器有限公司）、脈沖噴射清洗性能實驗臺以及通風管道系統4 部分組成，整個實驗采用高壓離心式通風機配合三星異步電動機（佛山市南海九洲惠普風機有限公司）來提供負壓。實驗工藝流程如圖1 所示。粉體輸送管道為不銹鋼，DN50，總長度6 m。法拉第筒的外筒直徑150 mm、高100 mm，內筒直徑100 mm、高80 mm，電荷測試儀測量范圍0～2C、精度±0.001C。

圖1 實驗工藝流程

1.3 實驗方法

為了了解PETG、PP 和ABS 這3 種聚烯烴顆粒靜電荷的規律，測量了不同質量流量和空氣流速下的電荷量。整體空氣速度與風機的每分鐘轉數有關聯，因此，輸送風速由變頻器控制。整個氣力輸送采用負壓輸送，使用風速儀來監測管道內部空氣流速，并且同時物料通過自身重力進入管道，通過金屬管道輸送到除塵器內部。輸送結束后，在下料處，法拉第筒同時記錄隨不同空氣流速和質量流量下產生的電荷量。再通過測量取樣的質量，通過計算得出荷質比。待電荷量測量最大值Q時，定容法拉第筒內物料質量m，則物料荷質比qm計算公式為：

2 實驗結果與討論

2.1 質量流量對聚烯烴粉體荷質比的影響

固定風機頻率為30 Hz，測試空氣流速為22 m/s，加料時分別對應PETG、ABS 和PP 質量流量皆分別設置為10、20、30、40、50 g/s。測量質量流量從10 g/s逐漸增大到50 g/s 情況下的3 種物料的電荷量。不同質量流量下PETG、PP 和ABS 物料的荷質比變化曲線如圖2—圖4 所示。

圖2 不同質量流量下PETG 荷質比

如圖2 所示，空氣流速在22 m/s 條件下，當聚烯烴粉體添加質量從10 g/s 逐漸增大到50 g/s 時，隨著PETG 的質量流量增大，其荷質比數值卻逐漸減小至-2.8C/kg。從圖3 可以看出，空氣流速在22 m/s條件下，當添加質量從10 g/s 逐漸增大到50 g/s 時PP 的荷質比大小同樣呈逐漸減小的規律，但是質量流量在20 ～50 g/s 時，曲線浮動變化減小，這可能是PP 顆粒所帶電荷量在一定質量流量下會達到飽和。這種現象說明了在氣力輸送過程中，絕緣PETG和PP 顆粒與金屬管壁碰撞、摩擦帶負電，但隨著PETG 和PP 質量流量增大，也就是單位時間內顆粒通過一定空間內數量增多，顆粒之間的碰撞增多，同時相對于全部顆粒，PETG 和PP 顆粒與管壁碰撞概率（次數）減小，這導致了整體PETG 和PP 顆粒所帶的負電荷相對減少，荷質比數值會降低。但是PP 顆粒荷質比曲線趨勢說明了顆粒所帶的電荷不會隨著質量流量增加一直減少，而是會逐漸接近一個飽和值。從圖4 可以看出，ABS 顆粒在氣力輸送過程產生的是正電荷，隨著質量流量的不斷增加，且積累量逐漸增加。由雙極荷電理論可知ABS 顆粒與管道碰撞產生的負電荷量小于部分顆粒之間碰撞產生的正電荷量，因此在輸送過程中帶正電，由前文可知，顆粒與壁面的碰撞會相對減少，這就造成了部分顆粒間碰撞所帶的正電荷遠大于顆粒與壁面所產生的負電荷，荷質比增加。

圖3 不同質量流量下PP 荷質比

圖4 不同質量流量下ABS 荷質比

2.2 輸送空氣流速對荷質比的影響

固定下料速度，改變風機頻率，利用風速儀記錄物料在管道輸送過程中空氣速度，獲得從16 ～32 m/s不同輸送空氣速度下，3 種聚烯烴的荷質比變化曲線如圖5—圖7 所示。質量流量為30 g/s、調節風機頻率為22 ～36 Hz時，對應管道空氣流速為16 ～32 m/s?？梢钥闯鯬ETG 和PP 顆粒荷質比隨著系統中空氣流速增加而增大，這源于輸送風流量的增大，管道中顆粒與管壁之間的摩擦、碰撞劇烈程度增加，使得物料所帶電荷增多，荷質比增大，并觀察到在氣流速度達到22 m/s 和28 m/s 下，PETG 和PP 顆粒荷質比分別達到最大，隨著輸送氣流速度進一步增大，荷質比隨后下降，這說明帶電顆粒荷質比極值出現，也就是說在某一空氣流速下，部分顆粒所帶負電荷減少，這種現象的出現，取決于在較高的空氣速度下顆粒與管道碰撞時間和碰撞程度的減少。從圖7 可以看出，ABS 顆粒在不銹鋼管道內氣力輸送時，所帶正電荷累積量增加，荷質比增大。其中原因可以解釋為管道內部ABS顆粒間碰撞所產生正電荷本身是大于顆粒與壁面碰撞的負電荷的，但是空氣流增加，也會導致顆粒與壁面摩擦時間、滑動距離減少，造成負電荷累積越來越少，整體顆粒所帶正電荷變多。

圖5 不同空氣流速下PETG 荷質比

圖6 不同空氣流速下PP 荷質比

圖7 不同空氣流速下ABS 荷質比

2.3 聚烯烴粉體荷電特性對比分析

從圖8—圖9 可以看出，PETG 和PP 顆粒通過管道氣力輸送裝置之后帶負電荷，ABS 帶正電，且PETG、ABS 積累的電荷量比PP 大。這是因為這3種聚烯烴物體與管道內壁互相摩擦或顆粒之間摩擦時會發生電荷的轉移，根據轉移電荷的大小，也就是摩擦電級數，而從常規物質按照由帶正電到帶負電的順序來排序為ABS、PP 和PETG。從圖8 和圖9可以看出，ABS 明顯帶正電荷，而PP 和PETG 則帶負電荷，PETG荷質比也大于PP，這與不同材料的顆粒在與金屬管道摩擦過后得失電子能力強弱有關系。此外，目前普通摩擦形式的“接觸—分離”起電應用最多的是用物質的功函數來預測其接觸分離起電的大小和極性。同時功函數不是材料基本性質，更準確的說法應為材料表面的性質，而顆粒因其表面活性的變化而使表面作用更加敏感，溫度和濕度等初始條件也會影響其表面活性，這也就影響了不同種類聚烯烴顆粒帶電性。從圖8 和圖9 曲線的波動可以看出輸送空氣流速對于聚烯烴顆粒在氣力輸送過程中電荷的累積產生的影響更大，但是在空氣流速達到一定程度，如在圖中28 ～31 m/s斜率可以看出，PETG 與ABS 顆粒電荷增加放緩，可以說明顆粒所帶電荷在輸送空氣不斷增加下會出現飽和值，這種飽和值出現與顆粒自身的性質相關，也與整個氣力輸送系統規模有關。

圖9 不同質量流量下3 種物料荷質比

3 結論

本文中主要研究風速和質量流量對3 種聚烯烴顆粒靜電產生的影響，對于3 種顆粒帶電差異從輸送過程中得失電子能力做了討論，結論如下：

（1）3 種聚烯烴顆粒隨著輸送粉體質量流量的增大，PETG 荷質比從-5.05C/kg 減小到-2.83C/kg，PP 荷質比從-1.03C/kg 減小到-0.33C/kg。與前2種粉體不同的是，由于雙極荷電效應ABS 粉體在輸送過程中帶正電，所帶正電荷逐漸從0.30C/kg 增加到1.37C/kg。

（2）3 種聚烯烴顆粒荷質比隨著輸送風量的增加呈現不同規律。當輸送空氣速度增大至22 m/s 時，PETG 顆粒荷質比達到極大值為-4.61C/kg，而后隨著輸送速度進一步增大30.32 m/s 時，其荷質比下降到-3.59C/kg；PP 顆粒荷質比在28 m/s 輸送氣流速度下，荷質比達到極大值為-1.46C/kg，而后隨著輸送速度進一步增大，荷質比隨后下降到-1.05C/kg，這種極值點出現與顆粒在管道內摩擦時間減少相關。而ABS 所帶正電荷逐漸增大從0.13C/kg 增加到1.65C/kg。

（3）從3 種聚烯烴顆粒在金屬管道中輸送特性來看，輸送過程顆粒電荷的極性、極值點和飽和值出現的原因既和顆粒自身的性質（得失電子能力和表面活性）相關，也和整個氣力輸送系統的尺度有關。3種聚烯烴顆粒在不同輸送條件下產生電荷的異同性可供化工生產中增加減少靜電產生的措施提供參考。