鍋爐啟機(jī)過程中飛灰再燃及爆炸風(fēng)險特性研究

馬 記，李 昂，張建立，何建樂，吳桂福，劉法志

（1.華電萊州發(fā)電有限公司，山東 萊州 261441；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

0 引 言

2020年我國煤炭消費(fèi)占能源消費(fèi)總量的56.8%，比2019年增長0.6%[1，2]，其中動力煤消費(fèi)總量為34.4億t，電力行業(yè)消費(fèi)占總量的61%。在燃煤電廠中，通常需要將原煤通過燃煤鍋爐制粉系統(tǒng)研磨成粉，然后送入爐膛燃燒，在輸送過程中，若煤粉在空氣中達(dá)到一定濃度，并接觸到足夠的熱量，便會燃燒并逐步蔓延，導(dǎo)致燃燒劇烈從而引發(fā)爆炸事故[3]，燃煤鍋爐事故通常是由粉塵引發(fā)的爆炸事故。

為了實(shí)現(xiàn)鍋爐全時段脫硝的目的，啟停機(jī)及低負(fù)荷運(yùn)行時需采用外部燃料燃燒產(chǎn)生高溫?zé)煔鈸交焯釡丶夹g(shù)，以提高SCR（selective catalytic reduction）入口溫度，使脫硝系統(tǒng)正常使用。輕柴油中的烷烴類會在燃燒過程中發(fā)生碳?xì)滏I斷裂、碳碳鍵斷裂，形成短鏈烷烴、烯烴、氫氣等可燃成分，芳烴可能會發(fā)生脫氫縮合反應(yīng)，生成焦炭，形成高溫?zé)煔?。由于燃煤電廠鍋爐在停機(jī)或低負(fù)荷運(yùn)行時，鍋爐尾部煙道會有原煤未充分燃燒留下的可燃煙氣及飛灰，成分主要為CO、烴類以及碳顆粒等[4-6]。當(dāng)鍋爐尾部管道中的烴類、及未燃盡的碳顆粒遇到高溫?zé)煔鈺r，可能會引發(fā)劇烈燃燒甚至爆炸[7]，損壞設(shè)備，影響鍋爐安全生產(chǎn)，造成損失?；谏鲜鲈?，有必要開展啟停機(jī)過程中尾部煙氣遇高溫?zé)煔獾脑偃忌踔帘L(fēng)險的研究。眾多學(xué)者對粉塵的爆炸特性進(jìn)行了研究，一般使用爆炸敏感性參數(shù)和爆炸強(qiáng)度參數(shù)衡量粉塵爆炸特性，爆炸敏感性為粉塵云最低著火溫度、爆炸下限濃度和爆炸極限氧濃度[8，9]。

王秋紅等[10]對四種不同揮發(fā)分含量的煤粉進(jìn)行最低著火溫度測試，研究發(fā)現(xiàn)隨著煤塵云濃度增大，四種煤粉的最低著火溫度均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，其中在最佳濃度1500 g/m3時，煤揮發(fā)分含量為10.89%的煤樣的煤塵云的最低著火溫度約為620℃。Mishra和Azam[11]測試了樣品煤樣（揮發(fā)分含量17.73%）煤塵云在不同濃度時的最低著火溫度，發(fā)現(xiàn)粒徑為38～74 μm、74～212 μm時，最佳濃度為2564 g/m3（最低著火溫度分別為460℃、470℃），粒徑小于38 μm煤樣的最佳濃度為3419 g/m3，最低著火溫度為415℃。姜海鵬等[12]的研究結(jié)果表明，揮發(fā)分含量為7.09%～37.45%的煤塵云的最低著火溫度為580～730℃。趙丹等[13]測試了10種粒徑小于75 μm的煤樣（揮發(fā)分含量6.10%～42.70%）的煤塵云最低著火溫度范圍為412～851℃。Wang等[14]測試了三種不同煤樣的最低著火溫度，其揮發(fā)分含量分別為11.19%、32.45%、42.26%，煤塵云對應(yīng)最低著火溫度分別為880、580、520℃。

氧氣濃度會影響煤灰爆炸特性，這是由于火焰?zhèn)鞑バ枰鯕猓粞鯕鉂舛冗^低，則不利于燃燒以及火焰?zhèn)鞑?，無法引起爆炸[15]；同時，粉塵濃度與氧濃度是緊密相關(guān)的，若是空間中粉塵濃度過高，則氧濃度過低，也無法引起爆炸[16]。Mittal[17]研究了兩者不同煤的極限氧濃度，結(jié)果表明，煤樣粒徑較大時，揮發(fā)分含量為27.18%煤樣爆炸的極限氧濃度為7%，揮發(fā)分含量為19.69%的煤樣為8%；粒徑為38 μm時，揮發(fā)分含量為27.18%煤樣爆炸的極限氧濃度為6%，揮發(fā)分含量為19.69%的煤樣為7%。Cashdollar[15]研究發(fā)現(xiàn)某煤樣（揮發(fā)分含量37%）的爆炸極限氧濃度隨粒徑變化不大，當(dāng)粒徑減小時，該煤樣爆炸極限氧濃度僅從11%降低到10.5%。Wilen等[18]測得某德國褐煤（揮發(fā)分含量46.10%，平均粒徑70 μm）的爆炸極限氧濃度為10%。

綜上所述，目前研究多集中于鍋爐制粉系統(tǒng)等環(huán)境粉塵的爆炸特性，未有關(guān)于煙氣中飛灰爆炸特性的研究。因此，為規(guī)避SCR尾部煙道高低溫?zé)煔庀嘤鰰r的飛灰爆炸風(fēng)險，本文著重于飛灰爆炸敏感性參數(shù)，通過采集萊州電廠鍋爐啟機(jī)過程中SCR入口處飛灰，并測試SCR入口煙氣中的可燃?xì)怏w以及烴類成分，參考煤粉等粉塵的爆炸特性[19-21]，測試飛灰的燃燒特性，探究煙氣中飛灰的爆炸敏感特性。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

研究所用飛灰取自萊州電廠鍋爐啟機(jī)過程中SCR入口煙道。其中，“嶗應(yīng)-3”飛灰碳含量與揮發(fā)分含量Vad是所有工況中最低的，分別為12.04%、3.71%；碳含量與揮發(fā)分含量最高的是工況“萊州-3”，分別為30.63%與13.20%，各工況飛灰的碳含量與揮發(fā)分含量見表1。

表1 各工況飛灰揮發(fā)分和碳含量

1.2 可燃性氣體濃度測試

對萊州電廠鍋爐啟機(jī)過程中SCR入口煙氣中可燃性氣體（H2、CO、C1-C4烴類）用氣袋進(jìn)行采集，采集后48小時內(nèi)用氣相色譜儀（GC）對氣袋進(jìn)行分析。為確保氣袋中可燃性氣體全部析出（防止烴類冷凝未析出），利用有機(jī)溶劑（二氯甲烷）對氣袋進(jìn)行淋洗萃取、凈化、濃縮和定容后，利用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）進(jìn)行分析。

煙氣中可燃性氣體濃度如表2所示，SCR入口煙氣中總烴含量極低，相對含量為0.001%～0.004%；煙氣中CO、H2、CH4等可燃性氣體含量也很低，H2的體積濃度為0.001%～0.002%；CO的體積濃度稍高，為0.1%～0.3%；氣態(tài)烴類CH4、C2H4、C2H6的體積濃度范圍為0.001%～0.003%；可冷凝總烴的濃度為0.001%～0.004%。因此，SCR入口煙氣中的烴類等可燃性氣體含量極低，可排除煙氣中可燃?xì)怏w引起燃燒及爆炸的風(fēng)險。此外，檢測到SCR入口煙氣中的NOx含量為120～160 mg/m3。

表2 煙氣中可燃性氣體濃度

1.3 飛灰燃燒特性

實(shí)驗(yàn)將采集所得各工況下的飛灰與一定量空氣混合，采用加熱爐從室溫加熱到1000℃，升溫速率均分別為10、20、30℃/min，然后計算飛灰的燃燒特性。

燃燒特性參數(shù)主要為最大失重速率對應(yīng)溫度Tmax、著火溫度Ti、燃盡溫度Th，從而進(jìn)一步求得可燃性指數(shù)（d w/d t）max/Ti2、燃盡指數(shù)（d w/d t）mean/Th，以及兩者的乘積S（綜合燃燒特性指數(shù)）。其中，d w/d t表示失重速率，（d w/d t）max表示最大失重速率，（d w/d t）mean表示平均失重速率。最大失重速率對應(yīng)溫度Tmax即為飛灰反應(yīng)失重速率最大時對應(yīng)的溫度；著火溫度Ti為衡量飛灰著火特性的重要特征溫度，能夠直觀地反映出飛灰燃燒的難易程度，當(dāng)飛灰開始著火便引發(fā)失重速率的加速。本文用求切線法解飛灰的燃盡溫度Th。可燃性指數(shù)（d w/d t）max/Ti2主要反映飛灰在燃燒反應(yīng)前的反應(yīng)能力，可燃性指數(shù)越大，可燃性越好；燃盡指數(shù)（d w/d t）mean/Th越大，表示物料燃盡時間越短，綜合燃燒特性指數(shù)S越大，表明物料綜合燃燒反應(yīng)性越佳。切線法求解著火溫度以及燃盡溫度如圖1所示，選取DTG最大處的溫度，在該溫度處做TG曲線的切線，該切線與失重開始時平行線的交點(diǎn)所對應(yīng)溫度定義為著火溫度Ti，與失重基本結(jié)束時平行線M的交點(diǎn)對應(yīng)的溫度定義為燃盡溫度Th[22]，得到不同工況下飛灰的燃燒特性參數(shù)，如表3所示。

表3 各樣品燃燒特性參數(shù)

圖1 著火溫度以及燃盡溫度確定示意圖

2 研究結(jié)果與討論

2.1 飛灰燃燒特性分析

結(jié)合表1以及表3，發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分含量大的飛灰，著火溫度更低。“萊州-3”飛灰與“嶗應(yīng)-3”飛灰的揮發(fā)分和碳含量差異較大，“萊州-3”飛灰的平均著火溫度為417℃，“嶗應(yīng)-3”飛灰的平均著火溫度為438℃，且“萊州-3”飛灰的各項燃燒指數(shù)（可燃性指數(shù)、燃盡指數(shù)、綜合燃燒指數(shù)）明顯更高，說明“萊州-3”飛灰更易著火，更易燃盡，具有更加優(yōu)良的燃燒特性。“萊州1-5”飛灰的揮發(fā)分差異較小，但仍可看出，揮發(fā)分更高的飛灰具有更好的燃燒特性。且由表3發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)分較高的飛灰往往含碳量也較高，這是因?yàn)轱w灰的未完全燃燒程度更高。

通過不同升溫速率，將實(shí)驗(yàn)飛灰與空氣混合物加熱至1000℃，得到TG-DTG曲線，通過分析并比較不同工況下飛灰的燃燒特性，見圖2。

由圖2可見，以“萊州-1”飛灰和“嶗應(yīng)-1”飛灰為例，隨著升溫速率的增加，DTG曲線失重峰變寬，燃燒曲線向高溫區(qū)移動。且由表3可見，飛灰的最大失重速率對應(yīng)溫度Tmax、著火溫度Ti、燃盡溫度Th基本升高。原因在于當(dāng)升溫速率過快時，熱量無法及時從表飛灰顆粒的表面?zhèn)鬟f到內(nèi)部，導(dǎo)致內(nèi)外溫差，產(chǎn)生熱滯后現(xiàn)象[1]。如圖2c、d所示，隨著升溫速率的增加，最大失重速率（d w/d t）max增加，飛灰的失重時間縮短，且由表3可見，飛灰的燃燒特性參數(shù)（可燃性指數(shù)、燃盡指數(shù)以及綜合燃燒特性指數(shù)S）增大，這表明升溫速率的提高，飛灰燃燒更加劇烈、迅速，飛灰能夠更快燃盡。因此，從著火溫度角度來看，適當(dāng)提高升溫速率則能提高飛灰的著火溫度，煙道中的飛灰更不易發(fā)生著火。

圖2 飛灰TG-DTG曲線圖

2.2 飛灰燃燒及爆炸風(fēng)險分析

燃煤電廠中，煤塵爆炸多發(fā)生于制粉、儲粉設(shè)備這些密閉或半密閉的有限空間內(nèi)，當(dāng)煤粉形成煤塵云，達(dá)到一定溫度（最低著火溫度）或者由外部點(diǎn)燃的情況下，則會發(fā)生爆炸[23]。煤塵云最低著火溫度（MIT）是衡量煤塵爆炸著火敏感特性的重要參數(shù)，煤塵云著火是發(fā)生煤塵爆炸的關(guān)鍵前提條件，也是發(fā)生煤塵爆炸的初始階段。而最低著火溫度主要受揮發(fā)分含量、粉塵濃度、粒徑的影響[23，24]。

2.2.1 粉塵濃度的影響

萊州電廠投煤量50 t/h，煙氣量106m3/h，煤粉濃度為50 g/m3，煤燃燒變成飛灰，質(zhì)量減小，飛灰粉塵云濃度小于50 g/m3，遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[10，11]中煤塵云最低著火溫度的最佳濃度1500～3500 g/m3，則飛灰粉塵云的最低著火溫度相對較高，飛灰粉塵云更不易著火。

2.2.2 揮發(fā)分和粒徑的影響

目前的研究結(jié)果表明，揮發(fā)分含量越髙，著火溫度越低，越容易被點(diǎn)燃，危險性越大[13，24，25]。何朝遠(yuǎn)和張引合[26]研究了煤塵爆炸特性與煤樣揮發(fā)分含量的關(guān)系，其中，揮發(fā)分含量為16.82%～46.14%的煤樣（粒徑≤68 μm），煤塵云最低著火溫度為720～900℃，并求得煤塵最低著火溫度Tmin與揮發(fā)分Vx含量之間的定量關(guān)系見式（1）：

對于煤塵云而言，煤樣品的粒徑越小，則著火溫度越低。Mishra和Azam[11]測試了揮發(fā)分含量為17.73%的煤樣的煤塵云的最低著火溫度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤粒徑從＜38 μm增加到425～850 μm時，最低著火溫度從420℃升高到730℃。Cao et al.[27]對不同粒徑的某種煤樣進(jìn)行煤塵云最低著火溫度測試，結(jié)果為粒徑2～500 μm時，最低著火溫度對應(yīng)為527～755℃。

劉天奇[24]測試了揮發(fā)分含量7.65%～36.88%的8種煤的煤塵云的最低著火溫度（590～880℃），研究了煤塵云最低著火溫度Tc與揮發(fā)分Vad、煤樣半徑r之間的關(guān)系，并建立了Tc與Vad、半徑r的三維模型見式（2）：

本文中萊州-3飛灰的揮發(fā)分含量以及碳含量最高，該飛灰最易著火，將該飛灰的揮發(fā)分含量13.2%代入式（1）和式（2），由式（1）得最低著火溫度為1002℃，取粒徑為68 μm，由式（2）得最低著火溫度為803℃，若取粒徑為25 μm，則由式（2）得最低著火溫度為740℃，因此，為了避免飛灰分粉塵云在煙道中發(fā)生著火，應(yīng)控制高溫?zé)煔鉁囟炔怀^740℃。此外，對比發(fā)現(xiàn)，代入公式求得的飛灰粉塵云著火溫度，遠(yuǎn)高于熱重實(shí)驗(yàn)求得的著火溫度（407～450℃），因?yàn)榉蹓m云處于分散狀態(tài)，分子間間距較大，熱傳遞的效率較低，而熱重實(shí)驗(yàn)時飛灰處于堆積狀態(tài)，分子間間距遠(yuǎn)小于分散狀態(tài)（煤塵云）時的分子間間距，熱傳遞率較高[10]，因而著火溫度降低。

2.2.3 高溫?zé)煔鈸交斓臒崃W(xué)計算

在高溫?zé)煔鈸交鞎r，兩股不同溫度、不同物性的煙氣混合，可用熱力學(xué)方法求解兩股煙氣混合后的溫度。設(shè)高溫?zé)煔獾臏囟葹門g，煙氣流速為vg，比熱容為cg，密度為ρg，高溫?zé)煔夤艿罊M截面積為Sg，低溫?zé)煔獾臏囟葹門d，煙氣流速為vd，比熱容為cd，密度為ρd，低溫?zé)煔夤艿罊M截面積為Sd，并假設(shè)煙氣混合的過程中沒有向外散熱，兩股煙氣混合后達(dá)到熱平衡時的溫度為Tm，根據(jù)能量守恒定律，則高溫?zé)煔夥懦龅臒崃颗c低溫?zé)煔馕盏臒崃肯嗟?，得到?/p>

SCR脫硝系統(tǒng)運(yùn)行溫度一般為300～400℃，鍋爐啟機(jī)過程中的，SCR入口煙溫為150～200℃，為使SCR入口煙溫達(dá)到300～400℃，可通過調(diào)整高溫?zé)煔獾臏囟纫约盁煔饬髁縼韺?shí)現(xiàn)。假設(shè)高低溫?zé)煔饬髁肯嗤?，即vgSg=vdSd，設(shè)高溫?zé)煔鉁囟葹?40℃，低溫?zé)煔鉁囟龋⊿CR入口煙溫）取175℃，煙氣的物性參數(shù)取同溫度下空氣的物性參數(shù)，則低溫?zé)煔獾拿芏群捅葻崛莘謩e為0.798 kg/m3、1.090 kJ/（kg·K），740℃高溫?zé)煔獾拿芏群捅葻崛莘謩e為0.350 kg/m3、1.249 kJ/（kg·K），代入式（4），求得Tm為364℃，即用740℃的高溫?zé)煔馀cSCR入口的低溫?zé)煔饣旌虾?，SCR的入口煙溫可達(dá)到364℃，達(dá)到了SCR脫硝系統(tǒng)催化劑的工作溫度。若將高溫?zé)煔鉁囟冉档偷?00℃，高溫?zé)煔獾拿芏群捅葻崛莘謩e為0.363 kg/m3、1.239 k J/（kg·K），求得摻混后SCR的入口煙溫Tm為354℃，同樣達(dá)到SCR催化劑的工作溫度。

2.3 爆炸極限特性研究

2.3.1 爆炸極限氧濃度

煤粉爆炸極限氧濃度和煤樣的揮發(fā)分與粒徑有關(guān)，揮發(fā)分含量越高，極限氧濃度越低；煤粉粒徑越細(xì)，爆炸極限氧濃度越低[7，15-17]，爆炸極限氧濃度最低為6%。Wilen等[18]測得某德國褐煤（揮發(fā)分含量46.10%，平均粒徑70 μm）的爆炸極限氧濃度為10%。因此，為減小飛灰爆炸的風(fēng)險，應(yīng)控制氧濃度處于較低水平，最好氧濃度低于10%。

2.3.2 爆炸下限濃度

對比Liu等[28]在臥式管式爐中進(jìn)行煤粉/空氣的爆炸性研究，沿管傳播爆炸的煤粉（揮發(fā)分含量36%，粒徑45～70 μm和90～105 μm）爆炸濃度下限為120 g/m3。Cashdollar[12]測得不同粒徑下，37%揮發(fā)分含量的煤的濃度下限為60～130 g/m3，37%揮發(fā)分含量的煤的濃度下限為80～130 g/m3，且粒徑較小的煤爆炸下限濃度更低。通常，煤塵爆炸的濃度下限為30～50 g/m3，上限為1000～2000 g/m3，爆炸威力最強(qiáng)的濃度范圍為300～500 g/m3[3]。

本項目電廠鍋爐運(yùn)行時，煤粉的投粉量為50 g/m3，則煙氣中飛灰濃度小于50 g/m3，可見飛灰濃度很低，接近或小于煤塵云爆炸下限，發(fā)生爆炸的可能性不大。此外，飛灰處于煙道中，煙氣流動性大，不屬于像制粉、儲粉設(shè)備這樣的封閉空間，因此不易發(fā)生爆炸。

2.3.3 飛灰爆炸特性

本項目揮發(fā)分較高的飛灰（揮發(fā)分含量13.2%）選取較細(xì)的粒徑25 μm代入公式（2）計算，得到最低著火溫度為740℃，為了安全起見，避免飛灰分粉塵云在煙道中發(fā)生著火，應(yīng)控制高溫?zé)煔鉁囟炔怀^740℃。以往的研究結(jié)果表明，煤塵云爆炸的極限氧濃度一般在10%左右，雖然煙氣中氧濃度較高（＞20%），但煙氣中飛灰濃度小于50 g/m3，接近或小于煤塵云爆炸下限濃度，同時煙氣流動性大，不屬于像制粉、儲粉設(shè)備這樣的封閉空間，因此飛灰發(fā)生爆炸的風(fēng)險很低。

3 結(jié) 論

（1）本文研究的鍋爐SCR入口煙氣中CO、H2、CH4等可燃性氣體含量也很低，H2的體積濃度為0.001%～0.002%；CO的體積濃度稍高為0.1%～0.3%；氣態(tài)烴類CH4、C2H4、C2H6的體積濃度范圍為0.001%～0.003%；可冷凝總烴的濃度為0.001%～0.004%。因此，SCR入口煙氣中可燃性氣體及烴類含量很低，降低了飛灰燃燒及爆炸的風(fēng)險。

（2）在10、20、30℃/min的升溫速率下，飛灰（堆積狀）的著火溫度范圍為407～450℃。高揮發(fā)分含量的飛灰具有更低的著火溫度和燃盡溫度，且燃燒特性更為優(yōu)良。升溫速率的提高，著火溫度隨之提高，燃燒更為迅速，燃燒時間變短，因此適當(dāng)提高升溫速率，可提高飛灰的著火溫度，使飛灰更不易著火。

（3）粉塵揮發(fā)分含量越高，粉塵粒徑越小，粉塵云的最低著火溫度更低。結(jié)合目前已有的研究，飛灰在粒徑為25 μm的情況下，粉塵云最低著火溫度在740℃及以上，因此，安全起見，高溫?zé)煔獾臏囟葢?yīng)控制在740℃以下，防止飛灰發(fā)生著火。對高溫?zé)煔鈸交爝M(jìn)行熱力學(xué)計算，結(jié)果表明，740℃/700℃高溫?zé)煔馀c低溫?zé)煔鈸交欤琒CR入口煙溫可達(dá)到364℃/354℃，符合SCR系統(tǒng)工作溫度要求（300～400℃），說明當(dāng)高溫?zé)煔鉁囟鹊陀陲w灰粉塵云著火溫度時，高低溫?zé)煔鈸交煲部墒筍CR系統(tǒng)有效工作。

（4）飛灰在煙道中的濃度小于50 g/m3，接近或低于煤塵云爆炸的濃度下限，發(fā)生爆炸的可能性較低。并且煙氣流動性大，不屬于像制粉、儲粉設(shè)備這樣的封閉空間，飛灰在煙道中不易發(fā)生爆炸。