煤粉工業(yè)鍋爐爆燃機(jī)理分析及防爆措施

馬劍興 黃朔

摘要：進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快和消費(fèi)結(jié)構(gòu)的不斷升級(jí)，我國(guó)的能源需求日趨剛性，環(huán)境形勢(shì)日益嚴(yán)峻。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局初步測(cè)算，2019年能源消費(fèi)總量為48.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。巨大的能源消耗導(dǎo)致了中東部地區(qū)嚴(yán)重的復(fù)合空氣污染，特別是京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等城市持續(xù)出現(xiàn)的“霾”天氣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，30%-40%的霧霾來(lái)源和原因是由工業(yè)燃煤排放的污染物造成的。截至2016年，我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐總量約為60萬(wàn)臺(tái)，年耗煤量約為7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。因此，高效環(huán)保燃煤工業(yè)鍋爐的推廣應(yīng)用是改善大氣污染的有效途徑。

關(guān)鍵詞：煤粉工業(yè);鍋爐爆燃;機(jī)理分析;防爆措施

一、煤粉鍋爐爆燃機(jī)理

1.爆燃的定義

煤粉鍋爐爆燃是指爐膛內(nèi)發(fā)生的煤粉瞬時(shí)被點(diǎn)燃的現(xiàn)象。在爐膛內(nèi)出現(xiàn)煤粉積存的情況時(shí)，當(dāng)遇到符合發(fā)生煤粉爆燃的點(diǎn)火能，爐內(nèi)積存的煤粉會(huì)突然被點(diǎn)燃，其火焰的傳播速度很快，生成的煙氣容積突然增大，來(lái)不及由爐膛排出，使得爐內(nèi)壓力聚增。爆燃不僅危及設(shè)備安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，當(dāng)爐膛內(nèi)壓力超過(guò)爐墻所承受的最大壓力時(shí)，爐膛將發(fā)生爆炸，可能造成嚴(yán)重的設(shè)備損壞和人員傷亡。因此，預(yù)防、減少和杜絕此類(lèi)事故的發(fā)生至關(guān)重要。

2.爆燃的條件

煤粉燃燒所需理論空氣量如下：

其中，Va為理論空氣量，m3/kg;Car為煤粉收到基碳含量，%;Sar為煤粉收到基硫含量，%;Har為煤粉收到基氫含量，%;Oar為煤粉收到基氧含量，%。對(duì)于煤粉與空氣的混合物，在理論空氣量下，煤粉單位容積發(fā)熱量最高，而且火焰?zhèn)鞑ニ俣纫沧羁?，此時(shí)對(duì)應(yīng)的煤粉濃度叫最易爆炸濃度。當(dāng)空氣量超過(guò)理論量時(shí)，隨著空氣量的增加，煤粉濃度不斷下降，當(dāng)煤粉濃度降到一定程度后，由于過(guò)量空氣的冷卻作用，阻止了火焰的蔓延，混合物既不會(huì)爆炸也不會(huì)著火，此時(shí)對(duì)應(yīng)的煤粉濃度叫最低爆炸濃度。當(dāng)空氣量低于理論量時(shí)，隨著空氣量的減少，煤粉濃度不斷上升，當(dāng)煤粉濃度升到一定程度后，煤粉氧化所需的空氣量嚴(yán)重不足，導(dǎo)致火焰不能蔓延，混合物能燃燒但不會(huì)爆炸，此時(shí)對(duì)應(yīng)的煤粉濃度叫最高爆炸濃度。

綜上所述，煤粉鍋爐爆燃有三個(gè)必要條件：一是存在足夠的煤粉和空氣;二是煤粉與空氣混合物達(dá)到爆炸極限濃度（不同煤粉爆炸極限濃度見(jiàn)表1）;第三，有足夠的點(diǎn)火能量。鍋爐要想爆燃，以上三個(gè)條件之一是必不可少的。如果一種條件不存在，就不會(huì)發(fā)生爆燃。

二、煤粉鍋爐誘發(fā)爆燃的原因

煤粉鍋爐發(fā)生爆燃的根本原因是煤粉在爐膛內(nèi)積存，當(dāng)具備點(diǎn)火能量時(shí)被點(diǎn)燃。導(dǎo)致煤粉積存的原因包括4種：①爐膛滅火;②鍋爐停運(yùn)期間，燃料關(guān)斷設(shè)備（閥門(mén)、擋板）失去控制或泄漏;③重復(fù)不成功的點(diǎn)火，未及時(shí)吹掃;④鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中，爐膛內(nèi)沒(méi)有足夠點(diǎn)燃煤粉的溫度和能量。爐膛滅火是導(dǎo)致煤粉鍋爐爆燃最常見(jiàn)的原因。導(dǎo)致?tīng)t膛滅火常見(jiàn)的原因有：①鍋爐運(yùn)行中煤粉、風(fēng)或點(diǎn)火源突然中斷;②鍋爐運(yùn)行中燃燒器熄滅;③鍋爐輔機(jī)發(fā)生故障;④煤粉性質(zhì)突然改變，司爐未及時(shí)調(diào)整，變化后的新煤粉不能適應(yīng)原燃料配風(fēng)，特別是當(dāng)煤粉揮發(fā)分降低時(shí)更為突出;⑤種種原因造成的斷煤粉（如一次風(fēng)管堵、煤粉倉(cāng)燒空、給粉機(jī)故障、下粉管堵等）;⑥長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行或向爐膛內(nèi)漏入大量的冷風(fēng);⑦爐內(nèi)嚴(yán)重結(jié)焦，破壞了爐內(nèi)正常的動(dòng)力場(chǎng)，使?fàn)t內(nèi)風(fēng)粉混合不良;⑧吹灰、除焦操作不當(dāng)，燃燒調(diào)整不及時(shí)、誤操作等。

三、煤粉鍋爐爆燃實(shí)例分析

1.蘭州市某20t/h熱水煤粉鍋爐

鍋爐型號(hào)SZS14，共6臺(tái)，用于冬季供暖，2012年3月建成投產(chǎn)，所用煤種為煙煤。爐膛僅設(shè)一個(gè)防爆門(mén)，底部采用倉(cāng)泵收集爐渣，形成“死膛”。

事故發(fā)生過(guò)程：鍋爐運(yùn)行中螺旋給料機(jī)卡住，人工盤(pán)松后，在未點(diǎn)火的情況下，打開(kāi)螺旋給料機(jī)，同時(shí)調(diào)高電機(jī)赫茲數(shù)，隨后爐膛發(fā)生爆炸。事故造成爐膛變形，爐墻鼓起。類(lèi)似的事故前后發(fā)生兩次。

事故原因分析：在高赫茲數(shù)下開(kāi)螺旋給料機(jī)，必然會(huì)導(dǎo)致大量煤粉進(jìn)入爐膛，而此時(shí)爐膛內(nèi)無(wú)點(diǎn)火源，造成煤粉在爐膛內(nèi)積存。由于停爐時(shí)間短（3～4h），爐膛局部溫度高，陰角處存有火星，引發(fā)煤粉爆燃，爐膛內(nèi)壓力驟升，而爐膛是“死膛”，且防爆門(mén)較少，爐內(nèi)壓力不能及時(shí)卸出，導(dǎo)致?tīng)t膛發(fā)生爆炸性破壞。

2.煙臺(tái)市某20t/h蒸汽煤粉鍋爐

鍋爐型號(hào)SZS20-1.6-AIII，用于生產(chǎn)供汽，2010年11月建成投產(chǎn)，所用煤種為煙煤。爐膛底部采用12個(gè)鎖氣閥，爐膛被封死，形成“死膛”。事故發(fā)生過(guò)程：鍋爐運(yùn)行中一次風(fēng)機(jī)因聯(lián)鎖保護(hù)而停機(jī)，在未點(diǎn)火的情況下，直接打開(kāi)一次風(fēng)機(jī)，對(duì)一次風(fēng)管道進(jìn)行吹掃，隨后爐膛發(fā)生爆炸。事故造成防爆門(mén)飛出，爐膛變形，爐墻鼓起。事故原因分析：一次風(fēng)機(jī)停機(jī)后，煤粉在一次風(fēng)管內(nèi)沉積，在未清理管內(nèi)沉積煤粉的情況下，直接開(kāi)一次風(fēng)機(jī)，管內(nèi)沉積的煤粉被吹進(jìn)爐膛，造成煤粉在爐膛內(nèi)積存。由于停爐時(shí)間短（1～2h），爐膛局部溫度高，陰角處存有火星，引發(fā)煤粉爆燃，爐膛內(nèi)壓力驟升，而爐膛是“死膛”，爐內(nèi)壓力無(wú)法及時(shí)卸掉，導(dǎo)致?tīng)t膛發(fā)生爆炸性破壞。

3.宿遷市某60t/h蒸汽煤粉鍋爐

鍋爐型號(hào)DHS60，共2臺(tái)，用于生產(chǎn)供汽，2013年5月建成投產(chǎn)，所用煤種為煙煤。事故發(fā)生過(guò)程：與3.2節(jié)事故相似，區(qū)別在于該事故發(fā)生于鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)階段，爐膛內(nèi)存在點(diǎn)火源。事故造成爐膛壓力超過(guò)3kPa，防爆門(mén)彈開(kāi)。事故原因分析：與3.2節(jié)事故原因相似，區(qū)別在于該事故中爐膛內(nèi)存在點(diǎn)火源，其提供點(diǎn)燃煤粉的溫度和點(diǎn)火能量。

4.泰安市某22t/h蒸汽煤粉鍋爐

鍋爐型號(hào)DHS22-2.45-AIII，用于生產(chǎn)供汽，2015年8月建成投產(chǎn)，所用煤種為煙煤。爐底采用水封刮板，但水封深度太深，達(dá)到60cm。鍋爐結(jié)焦后，未準(zhǔn)確判斷、盡早處理，導(dǎo)致焦越結(jié)越多，不斷蔓延，直至出現(xiàn)掉焦現(xiàn)象。由于水封深度過(guò)深，掉焦引發(fā)水蒸氣大量逃逸，導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行中滅火，爐膛發(fā)生爆炸，事故造成爐膛變形，爐墻鼓起。

四、煤粉鍋爐爆燃事故預(yù)防措施

根據(jù)爆燃機(jī)理并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，防止煤粉鍋爐爆燃事故最根本的方法就是避免煤粉在爐內(nèi)堆積，避免煤粉在爐內(nèi)堆積，最重要的是防止鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生爐膛滅火，應(yīng)做好以下工作：

1.鍋爐運(yùn)行中，必須將火檢和負(fù)壓聯(lián)鎖保護(hù)投入使用。停爐檢修時(shí)，需檢查火檢和負(fù)壓聯(lián)鎖保護(hù)是否正常。

2.鍋爐燃燒工況不穩(wěn)、出現(xiàn)明顯滅火跡象時(shí)，禁止投油。

3.水封刮板內(nèi)水深需控制在20cm～30cm，當(dāng)水深不足時(shí)，需及時(shí)補(bǔ)水。

此外，在鍋爐點(diǎn)火、運(yùn)行、停爐等方面還應(yīng)做好以下工作：①鍋爐點(diǎn)火前需檢查點(diǎn)火強(qiáng)度是否足夠，包括檢查油箱內(nèi)油位、油槍霧化效果等，還應(yīng)及時(shí)清理油槍?zhuān)ＷC油槍的霧化片和油通道不堵塞。②鍋爐主燃料跳閘系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作后，應(yīng)立即檢查煤粉切斷情況，切忌注重恢復(fù)而忽視對(duì)煤粉是否被完全切斷的檢查。③如遇供料器卡住，嚴(yán)禁嘗試通過(guò)提高供料電機(jī)赫茲數(shù)沖開(kāi)，人工盤(pán)松后，開(kāi)供料器時(shí)需保證點(diǎn)火源已打開(kāi)。④鍋爐停爐后，應(yīng)立即切斷燃油系統(tǒng)，并確認(rèn)系統(tǒng)油壓回零，以防止油漏入爐膛內(nèi);禁止在冷態(tài)情況下，將煤粉排入爐膛內(nèi)。⑤非正常停爐，一次風(fēng)管吹掃前，宜將一次風(fēng)粉管底部彎頭拆卸下來(lái)，清除內(nèi)部沉積煤粉后，在點(diǎn)火源打開(kāi)的前提下，點(diǎn)動(dòng)吹掃2～3次。最后，為了盡可能減小煤粉鍋爐爆燃事故發(fā)生時(shí)造成的損失，在鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)，爐膛上必須設(shè)置足夠多的防爆門(mén)，爐膛至對(duì)流受熱面的煙道上易設(shè)置2個(gè)防爆門(mén)。

結(jié)束語(yǔ)

在建立排氣數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析了煤粉鍋爐排氣機(jī)理。結(jié)果表明，煤粉貯氣量與爐膛容積之比、單位體積煤粉發(fā)熱量及放氣前爐內(nèi)溫度是影響煤粉鍋爐放氣的主要因素。結(jié)合實(shí)際工程事故案例，分析了煤粉鍋爐爆炸的主要原因，并對(duì)鍋爐的設(shè)計(jì)、點(diǎn)火和運(yùn)行、爐膛等方面提出了一系列的防爆措施，包括加強(qiáng)點(diǎn)火前的安全檢查、給煤粉管保持暢通，定期沉積，設(shè)置防火檢查和負(fù)壓聯(lián)鎖保護(hù)，合理控制水封刮板水位，注意鍋爐停機(jī)維護(hù)等。實(shí)踐證明，上述措施能有效地解決煤粉工業(yè)鍋爐爆燃問(wèn)題，能保證鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。

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