静电火灾与爆炸在线监测：ESP入口区的被低估风险

基于波兰弗罗茨瓦夫理工大学Gajewski团队的非接触电荷测量与动态安全判据研究

关键词
electrostatic fire, explosion hazard, electrostatic precipitator, dynamic safety criterion, electrostatic induction, pneumatic conveying, process safety, 粉尘爆炸, 烟气治理

在高粉尘、高可燃气体工况下运行静电除尘器（ESP），真正危险的往往不是除尘器本体，而是它前端那一段“被忽视”的烟道。来自波兰弗罗茨瓦夫理工大学（Wrocław University of Technology）热工与流体力学研究所（Institute of Heat Engineering and Fluid Mechanics）的Juliusz B. Gajewski，在ICESP XIII（2013，班加罗尔）上发表的论文“Monitoring of Electrostatic Fire and Explosion Hazards at the Inlet to Electrostatic Precipitators”，正是针对这一薄弱环节提出了完整的监测和判定思路，为ESP入口区火灾与爆炸防控提供了可工程化的技术路径。

从行业统计看，仅德国在1965–1985年间记录的426起粉尘爆炸事故中，约8.7%与静电放电直接相关，其中近五分之一发生在输送系统中[19]。在食品、石化等行业，粉尘爆炸早已是过程安全分析中的“必考题”；但在燃煤锅炉、垃圾焚烧、水泥窑等装设ESP的烟气治理场景中，人们往往只关注效率、压降和能耗，而对静电点火风险缺乏持续监测。Gajewski的工作提醒行业：在含氧、含碳氢化合物或一氧化碳的可燃烟气中，高度带电的粉尘流完全可能在ESP入口区形成危险的静电火花，进而引发火情甚至爆炸。

要理解这项研究的意义，必须回到问题源头：粉尘在管道中的摩擦带电（tribocharging）。在实际工况中，粉尘颗粒在弯头、变径、阀门及壁面上不断冲击、滑动、滚动、反弹，颗粒之间又发生大规模的弹性或非弹性碰撞。物料成分、粒径分布、比表面积、电阻率、介电常数、含水率，以及气固两相流的速度场和流型，共同决定了粉尘的带电水平和极性分布[3–7]。当这些带电颗粒在接地金属烟道或设备之间形成足够高的电场强度，且可用放电能量超过粉尘云的最小点火能（MIE）时，静电火花就有可能点燃粉尘/气体混合物[11–16]。对于安装ESP的燃烧与工业炉窑装置而言，含氧烟气中混入未燃尽的一氧化碳、挥发性有机物（VOCs）时，这种风险被显著放大[17–18]。

传统的防爆理念主要集中在设备本体的防爆设计、泄爆、惰化和接地等措施上。Gajewski的贡献在于，他提出：必须在ESP入口之前的一定距离内，对气固两相流中粉尘所携带的净电荷及相关流动参数进行“连续、在线、实时”的非接触测量，并将测得的电荷信息与一个可动态更新的安全判据进行比较。一旦接近或超过安全阈值，自动控制系统应立刻介入——包括降低流速、减少固体流量、启动电荷中和或注入惰性气体等——将系统重新拉回到安全区间。

这套监测方法的核心是“非侵入式静电感应（electrostatic induction）”。论文提出使用环形或等效环形的金属电极作为“静电流动探头”，安装在一段绝缘材料制成的测量管段外壁上。带电粉尘被烟气携带流经探头视场区域时，会在探头上通过静电感应产生电势变化。测量探头相对接地金属壳体之间的电压U(t)，就可以间接反推出该空间内的净电荷q(t)及所谓“动态空间电荷密度”q_vd(t)，这一概念由作者早在1990年首先提出，用以描述在流动条件下单位体积粉尘所携带的瞬时空间电荷强度[20–26]。

通过前期实验标定，论文指出：在给定管道截面和工艺条件下，探头测得的电压U(t)与粉尘流中的净电荷q(t)、动态空间电荷密度q_vd(t)、质量流率ṁ(t)以及体积分数（体积装载率）σ(t)之间可以视为线性比例关系。借助这一关系，只需测量电压信号，就可以同时得到粉尘的电荷水平和关键流动特性。进一步地，如果在同一测量段上串联布置两只相同探头，并保持一个优化轴向间距L_opt，利用交叉相关法计算两路电压信号x(t)、y(t)之间的时间延迟τ，就可求得粉尘的平均流速υ=L_opt/τ[7,22,31,32]。这一思路与燃煤机组常用的相关测速技术类似，只不过Gajewski利用的是“静电噪声”而非光学或声学信号。

有了可实时获取的电荷密度和流动参数，下一步就是如何把它们转化为“能否安全运行”的量化判据。论文的另一项关键成果，是提出并推导了适用于长方形截面烟道的“动态安全判据”，用于评估ESP入口区粉尘流的静电火灾与爆炸风险。作者从高压静电理论出发，将ESP前烟道内的粉尘视为充电粉尘柱，与周围接地金属形成一类似“电容器”的几何结构。基于高斯定律，他推导出粉尘柱侧壁的平均电场强度E_d(t)与动态空间电荷密度q_vd(t)及烟道几何参数（宽W、高H、测量区长度L）之间的关系，并将其与空气在常压下的击穿场强E_m≈3×10^6 V/m进行比较。安全运行条件可简化表述为：E_d(t)必须始终低于E_m，并在此基础上可引入安全系数（例如10%）[25,26]。

换言之，只要测得的电压信号映射出的q_vd(t)使得计算得到的E_d(t)尚处于安全范围内，ESP入口区就被视为静电点火风险可控。一旦监测到E_d(t)快速逼近击穿阈值，则意味着粉尘流中的“可利用电荷能量”正在累计到危险水平，必须通过减小固气流速、降低粉尘浓度、改变工艺配风或启动电荷中和/惰化系统等手段，将系统从潜在的点火区间拉回安全区。这一“动态安全判据”比传统依赖历史经验或单一粉尘特性参数的评估更贴近实际运行状态，有助于实现ESP入口区的“预警式”安全管理。

在工程实现层面，Gajewski团队构建了一整套微处理器化测量与控制系统。其典型布置为：在ESP入口上游烟道插入一段绝缘测量管段，外加接地金属屏蔽壳体。在壳体内侧布置一或两只静电流动探头，探头后直接连接低噪声前置放大器和A/D转换模块，尽量缩短模拟信号路径，从源头降低电磁干扰和量化误差。数字信号进入微处理单元后，一部分用于实时计算q(t)、q_vd(t)、ṁ、σ等电荷与流量参数，另一部分经交叉相关算法求取延迟时间τ和平均流速υ。系统软件会将这些结果与预先设定的动态安全判据阈值进行持续比较，当接近或超过阈值时，立即触发与上位DCS或独立联锁系统联动，自动执行减负荷、切换烟道、开启惰化气体、投入静电中和装置等预案动作。

值得注意的是，系统的标定策略被设计得相对务实：对于流速测量，交叉相关方法对背景干扰不敏感，因此几乎不需要在现场重复标定；而对于电荷和质量流率的定量关系，则必须在代表性工况下完成标定，涵盖被处理粉尘的平衡含湿量、粒径分布及典型流型（均匀流、分层流、环状流、绳状流等），以保证电压—电荷—质量流率之间的线性假设在工作区间内成立[7,20–24,31]。从实际应用出发，这种“先在试验或示范装置上做足标定，再推广到类似工况”的模式，较适合燃煤机组、生物质锅炉、危废焚烧、水泥窑等行业逐步导入。

对国内静电除尘行业而言，这项工作提供了三个值得关注的方向：第一，在ESP选型与布置阶段，将入口区静电火灾与爆炸风险纳入设计边界条件，而不仅仅是机械强度与耐温要求，给出预留的监测段与绝缘管段；第二，在超低排放与降NOx改造日益普及的背景下，锅炉燃烧调整、SCR/ SNCR和烟气再循环往往改变了烟气可燃组分和温度分布，这会直接影响粉尘带电水平和MIE，需要借助这类在线监测系统动态修正安全裕度；第三，在高可燃粉尘或混合可燃气体场景（如垃圾焚烧与危废共处置、水泥窑协同处置等），建议将ESP入口区静电风险监测纳入整体粉尘爆炸防护体系，与现有的泄爆、抑爆、隔爆、惰化等措施协同设计。

Gajewski在总结中强调，他提出的非接触静电测量方法和微处理器测量系统，已在实验室和技术装置中进行过长期试验验证，并已有较多文献引用和后续应用。对于真正处在高风险工况下的工业装置，尤其是粉尘可燃性强、烟气成分复杂的场合，启动“例行化、在线化”的静电危险监测，不应再被视为可有可无的“锦上添花”，而应作为保障ESP和整个烟气处理系统安全运行的“底线配置”。

Keywords: electrostatic fire, explosion hazard, electrostatic precipitator, dynamic safety criterion, electrostatic induction, pneumatic conveying, process safety, 粉尘爆炸, 烟气治理

References:
[3] Gajewski J.B., Szaynok A. Charge measurement of dust particles in motion. J Electrostat. 1981;10:229.
[7] Gajewski J.B. Electrostatic Induction in Two-Phase Gas–Solid Flow Measurements—50 Years of a Measurement Method. Wrocław: Wrocław University of Technology Press; 2010.
[11] Zalosh R., Grossel S., Kahn R., Sliva D. Dust Explosion Scenarios and Assessments in the New CCPS Guidelines for Safe Handling of Powders and Bulk Solids. Proc 39th Annual Loss Prevention Symposium. Atlanta, USA; 2005. p.319.
[17] AIChE CCPS. Guidelines for Safe Handling of Powders and Bulk Solids. New York: Center for Chemical Process Safety; 2005.
[19] Eckhoff R.K. Dust Explosions in the Process Industries. 3rd ed. Amsterdam: Elsevier; 2003.
[20] Gajewski J.B. Continuous non-contact measurement of electric charges of solid particles in pipes of pneumatic transport. Part I: Physical and mathematical models of a method. IEEE/IAS Annual Meeting Record. San Diego, USA; 1989. p.1958.
[22] Gajewski J.B., Głód B., Kała W. Electrostatic method for measuring the two-phase pipe flow parameters. IEEE Trans Ind Appl. 1993;29:650.
[23] Gajewski J.B. Monitoring electrostatic flow noise for mass flow and mean velocity measurement in pneumatic transport. J Electrostat. 1996;37:261.
[24] Gajewski J.B. Non-contact electrostatic flow probes for measuring the flow rate and charge in the two-phase gas-solids flows. Chem Eng Sci. 2006;61(7):2262.
[25] Gajewski J.B. Assessment of electrostatic hazards due to the flow of charged solid particles in pneumatic transport. Mater Sci. 1990;XVI:299.
[26] Gajewski J.B. Electrostatic charging and a two-phase flow of solid particles—hazards and their assessment. IEEE/IAS Annual Meeting Record. San Diego, USA; 1989. p.1970.

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参考文献
[3] Gajewski J.B., Szaynok A. Charge measurement of dust particles in motion. J Electrostat. 1981;10:229.
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[11] Zalosh R., Grossel S., Kahn R., Sliva D. Dust Explosion Scenarios and Assessments in the New CCPS Guidelines for Safe Handling of Powders and Bulk Solids. Proc 39th Annual Loss Prevention Symposium. Atlanta, USA; 2005. p.319.
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