1、研究背景

在粉末处理过程中，非导电粉末在频繁的颗粒—壁以及颗粒—颗粒相互作用过程中不可避免地会获得电荷，这可能会导致静电释放，甚至引起料仓内起火。静电荷会影响各种粉末处理过程，颗粒上不必要的静电荷积累会严重影响流体动力学特性，导致结块、粘连和偏析。为了探索颗粒的充电机制和动态特性，研究人员对静电力作用下的颗粒团聚、壁面粘附和分散性质以及流化床中的颗粒电化特性等进行了研究。尽管目前已使用多种设备和技术来消除颗粒上的电荷并降低放电概率，然而静电放电导致的事故仍频繁发生，威胁着工业安全。

一般来说，静电放电分为电晕放电、电刷放电、传播电刷放电和火花放电。电晕放电或电刷放电很难点燃悬浮粉尘，其等效点火能量为3.6mJ。由于点火能量较高，火花放电和传播电刷放电具有点火风险。后来研究人员发现了料仓内粉末表面的连续放电，并将其命名为锥形放电，研究证明锥形放电也是料仓中的潜在点火源。以往的研究聚焦于静电放电的放电频率、等效点火能量和产生条件。然而，静电放电模式和放电能量分布尚未被完全揭示，不同极性粉末的静电放电形式和特征仍然模糊不清。而充分了解不同极性粉末的放电对开发防静电技术具有重要意义。

该论文对一个工业料仓中不同极性粉末表面的静电放电进行了研究。采用图像增强器和电场计来研究静电放电行为。首先，展示了料仓内粉末填充过程中不同极性带电粉末的静电放电模式和演化过程。引入料仓的电场模型，探究实验电场分布并解释静电放电位置。然后，研究了填充过程中不同极性粉末的静电放电频率。最后，分析了电场振荡与放电能量之间的关系，提出2吨粉末堆表面放电能量的概率分布。

2、实验装置和材料

实验装置的示意图如图1所示，由两个料仓、供气系统和气动输送系统组成。料仓由不锈钢制成，高6m，直径3m，体积27.9m3。输送管道也用不锈钢制成，直径0.1m，长度25-35m。输送的空气由罗茨风机提供，并由冷却水冷却，空气流量为26.5m3/min，流速39m/s，温度17.5℃。使用直流式双极性静电控制器调节粉末的电荷量，以获得不同极性的带电粉末。通过控制电压来改变离子风中的正负离子，从而控制带电颗粒的电荷和极性。如图2所示，整个设备都是钢制连接，接地良好。测试材料为聚丙烯颗粒（Polypropylene Particles, PP），PP颗粒的特性见表1。粉末的质量流量由旋转阀控制，实验时质量流量为6.67吨/小时。图3是数据采集系统的示意图。管道末端装有一个排放阀，用于取样和测量粉末的荷质比。法拉第杯与静电计相连，用于测量粉末的荷质比。采用图像增强器观察料仓装料过程中的静电放电，图像增强器放置在料仓顶的窗玻璃上。实验中使用相机和图像增强模组（CISS, EyeiTS）拍摄静电放电，ISO为100，曝光时间为3s。静电场测量计用于记录粉末填充过程中的电场，场强探头安装在料仓腰部。探头距离料仓壁约1m，距离沉降粉末表面超过2m，以防止其被静电放电损坏。使用聚丙烯制成的特定取样器采集料仓中粉末的电荷分布。

图1 实验装置示意图

图2 实验装置实物图

图3 数据采集系统

3、实验结果和讨论

一、静电放电模式

填充过程中粉末的荷质比见表2。取四次样品测量其电荷，取样间隔为3min。在负极性填充和正极性填充过程中，粉末的平均荷质比分别为-0.43μC/kg和0.35μC/kg。

负极性粉末的静电放电

图4展示了带负电荷粉末在料仓填充过程中的静电放电情况。静电放电经常发生在粉末堆表面。料仓中粉堆表面的电场最大，粉堆表面的空气很容易被电离。放电区域随着粉末逐渐充满料仓而增大。在图4(a)中，当料仓装满100kg粉末时首次出现静电放电，表明局部电场已超过空气的击穿强度（3 ×106 V/m）。静电放电发生在仓壁附近，称为电刷放电，如图4(b)所示，可点燃等效点火能量低于3.6mJ的可燃气体。刷状放电不断产生，并随着粉堆面的增加而逐渐增强，因此可以清晰地拍摄到环形电刷放电，如图4所示。电刷放电通道会随着粉堆表面的扩大而延伸。当堆面增大时，可能会有更多的电荷参与放电。在图4(c)中，当料仓装满700kg粉末时，首次出现大块面积放电，这很容易点燃气体或粉尘，其等效点火能量超过10mJ。如图4(c-i)所示，大块面积放电呈羽毛状，放电面积随着堆表面的增加而明显扩大。更大的放电面积意味着更多的分子被电离并释放出电荷，从而释放出更多的能量。羽状放电通常发生在电刷放电无法到达的堆表面。电刷放电逐渐消耗掉仓壁附近的粉末电荷，而粉堆表面中心的电荷几乎没有释放出来。随着带电粉末的不断填充，堆中央区域的电场逐渐增强。当电场强度超过空气的击穿强度时，就会产生羽状放电。放电强度可通过羽状放电的长度和宽度进行定性分析。在相同的测量条件下，羽状放电的面积可以直观地显示不同粉末堆表面的放电强度。图5描绘了在相同测量条件下羽状放电的长度（L）与粉堆表面直径（D）之间的关系。羽状放电长度与粉堆表面直径大致成正比。

图4 填充过程中负极性粉末的静电放电

图5 羽状放电长度L与粉末堆表面直径D之间的关系

正极性粉末的静电放电

料仓中带正电荷粉末的静电放电情况如图6所示。实验中观察到了点状、线状和树状放电。正极性粉末的放电模式与负极性粉末不同，在正极性粉末放电过程中，没有观察到电刷放电或羽状放电。正放电在填充过程中经历了从点状到树状的演变过程。图6(a)中，当粉末填充到100kg时，初始阶段会出现轻微的点状放电，这表明局部电场超过了空气的击穿强度。随着粉末的进一步填充，图6(b-c)中出现了线状放电。图6(d)中，当粉末堆直径为1.3m时，线状放电的长度达到0.41m。线状放电从料仓壁出现并向粉堆表面中心发展。当粉堆表面直径超过2.1m时，线状放电继续发展并形成树状放电（见图6(g)）。树状放电包含一个主放电通道和许多小分支，能释放出更多的能量。在图6(h)中，树状放电的主通道长度可达0.78m。当堆体表面直径小于1m时，由于堆体表面较小，放电延伸难以持续，因此点状放电不易演变为线状放电。当堆面直径超过1m和2m时，放电通道分别演变为线状放电和树状放电。总的来说，在填充过程中，正极性粉末的放电能量随着粉末堆直径的增大而增强。

静电放电行为是电子的连续碰撞电离过程。电子运动受到扩散和电场力的影响。电子很容易被带正电的粉末中和，因此正放电时放电形状更加集中。相反，电子被带负电荷的粉末排斥，从而促进了周围空气的进一步电离。最后，负放电形态变得发散。

图6 填充过程中正极性粉末的静电放电

二、工业料仓中带电粉末的静电场分布

为了探索静电放电行为，研究了填充过程中料仓内的静电场分布和放电频率。如表3和图7(a)所示，记录了带电粉末的取样位置和极性。结果表明，在填充过程中粉末带有不同极性的电荷，料仓内积聚的粉末可分为带负电和带正电的区域。在负极性粉末填充过程中，靠近仓壁的粉末带负电荷，中部的粉末带正电荷，如图7(b)所示。对于正极性粉末填充，电荷极性分布则是相反的（图7(c)）。从图7可以看出，静电放电总是发生在料仓壁附近。极性相反的电荷在堆表面中心积聚并减弱了电场。静电放电首先在仓壁附近产生，然后向粉堆表面中心延伸。放电长度取决于粉末堆表面积。

图7 料仓中的采样位置和粉末放电 (a)采样位置 (b)负极性粉末填充过程 (c)正极性粉末填充过程

三、静电放电能量分布

实验中，放电料仓装满了2吨粉末，堆面高度为2.7m。600s填充过程中的电场幅值分布见图8。在图8中，电场波动大于50 kV/m的负放电比例为2.35%，明显低于20.31%的正放电比例。结果表明，正放电更容易点燃可燃气体或粉尘。根据放电能量与电场波动之间的关系，带正和负电荷粉末的静电放电的概率密度分布如图9所示。负放电释放的能量主要集中在比正放电更低的范围内。在同一粉末堆表面，正极性粉末放电释放更多能量的可能性更大，因此比负极性粉末放电更危险。

图8 不同极性粉末静电放电的电场分布

图9 不同极性粉末静电放电的概率密度分布

4、结论

了解带电粉末的静电放电行为对于避免料仓起火或爆炸非常重要。不同极性粉末的静电放电尚未完全揭示，尤其是放电模式和放电能量分布。该研究对填充过程中不同极性粉末的静电放电进行了研究，以探索工业料仓中的放电行为。结果表明，正极性粉末的放电是紧凑的，而负极性粉末的放电是发散的。在正放电过程中发现了点状、线状和树状放电。电场模拟揭示了不同极性粉末的放电位置和演化过程。结果表明了放电周期、粉末极性和堆表面积之间的关系。带正电荷的粉末放电可能会引起更多的能量释放，这比料仓内带负电荷的粉末放电更危险。

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