中速磨直吹式制粉系統(tǒng)磨制高揮發(fā)分煤爆燃原因及對策

孫即濤，李守磊，王肖嵬，徐國鵬

（華能日照電廠，山東 日照 276800）

0 引言

近年來，電力行業(yè)發(fā)展迅速，電煤的需求量急劇增加，煤炭價格一直居高不下，為了降低成本，國內(nèi)許多電廠開始將目光轉向價格較低但揮發(fā)分含量較高的煤［1-2］。但在燃用高揮發(fā)分煤種時，制粉系統(tǒng)存在自燃、爆炸等隱患，嚴重時會導致設備損壞，甚至威脅人身安全［3-4］。

日照電廠二期機組鍋爐自2010 年起開始摻燒褐煤，并從2020 年初，摻燒印尼煤和俄羅斯煤，摻配后的煤種揮發(fā)分超出了原入爐煤揮發(fā)分控制標準，為保證摻燒期間制粉系統(tǒng)安全，亟須總結以前的摻燒褐煤經(jīng)驗，制定切實可行的防爆措施。

1 機組概況和煤質(zhì)特性

某電廠680 MW 機組鍋爐為SG-2150／25.4-M973 型超臨界直流爐，采用單爐膛、四角切圓燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風、固態(tài)排渣、Π 型露天布置、全鋼架懸吊結構。

鍋爐采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)系統(tǒng)，配6 臺HP1003 型中速碗式磨煤機，磨煤機分離器為變頻調(diào)節(jié)動態(tài)離心式。

鍋爐設計煤種、校核煤種為平頂山礦和黃陵礦供應的混合煙煤，目前摻燒煤種為印尼煤和俄羅斯煤，如表1 所示，印尼煤和俄羅斯煤較設計煤種具有高揮發(fā)分、高水分和低灰分等特點，屬易爆煤種。

表1 煤質(zhì)分析

2 制粉系統(tǒng)爆燃事故分析

在褐煤試燒期間，相繼出現(xiàn)過幾次制粉系統(tǒng)自燃、爆炸現(xiàn)象，典型案例如下。

2.1 案例Ⅰ

2019 年5 月6 日事故前機組負荷462 MW，A、B、C、D 磨煤機運行，總煤量187 t／h，B 磨煤機煤量39 t／h，風量23.4 kg／s，旋轉分離器轉速500 r／min，磨入口風溫258 ℃，磨出口溫度65 ℃，磨煤機出口4 支粉管風粉混合物溫度分別為61.6 ℃、59 ℃、61.9 ℃、61.8 ℃。

04∶43∶35，B 磨出口壓力由2.3 kPa 突升至5.5 kPa，一次風量由26.52 kg／s 突降至10.72 kg／s，隨即恢復正常；04∶44∶26，磨出口溫度快速上升，立即手動關閉熱風擋板、開冷風擋板進行調(diào)節(jié)；04∶46∶23，B 磨出口溫度快速升高至99.15℃，磨煤機出口粉管溫度突升并變壞點，緊急停運B 磨煤機，關閉B 磨入口冷、熱風門，對B 磨進行蒸汽充惰。

檢查發(fā)現(xiàn)，磨煤機本體無異常，磨煤機出口粉管高溫燒紅，其中出口閘板門和縮孔處溫度最高。由此推斷因制粉系統(tǒng)通風量不足，個別粉管風速偏低，造成磨煤機出口粉管閘板門和縮孔處積粉，積粉緩慢氧化自然引發(fā)爆燃。

2.2 案例Ⅱ

2019 年8 月13 日事故前A 磨定期檢查完畢，啟動運行，煤量19.8 t／h，風量18.8 kg／s，磨進口風溫110 ℃，磨出口溫度69 ℃，12∶28∶30，發(fā)現(xiàn)A 磨熱風關斷門開故障，將磨煤機煤量降至18 t／h 以下，風量維持在18.8 kg／s 運行。

12∶52∶50，A 磨進口風溫和出口溫度降至最低值分別為91 ℃和52.9 ℃；13∶45∶30，檢修人員處理好并打開熱風關斷門，運行人員逐步調(diào)整磨煤機風量和出口溫度，增加A 磨煤機煤量；14∶00∶30，A 磨煤量48.9 t／h，風量35.2 kg／s，磨進口風溫288 ℃，磨出口溫度66 ℃；14∶16∶00，就地發(fā)現(xiàn)A 磨煤機一次風室入口處變紅，石子煤帶火，立即開進口冷風，關小熱風；14∶23∶57，處理無效，緊急停運A 磨煤機，關閉該磨進口冷、熱風門，對其進行充惰。

檢查發(fā)現(xiàn)A 磨煤機啟動后石子煤排放量大，對磨煤機內(nèi)部檢查發(fā)現(xiàn)磨煤機風室入口處有石子煤塊堆積。分析原因為一方面在磨煤機內(nèi)煤層較淺，造成磨輥與磨盤發(fā)生直接摩擦產(chǎn)生火花，造成石子煤帶火；另一方面磨煤機進出口溫度過低干燥能力不足石子煤塊大且多，石子煤排放不及，造成大煤塊被石子煤刮板甩至一次風室內(nèi)，兩方面作用造成石子煤在風室入口堆積燃燒。

3 制粉系統(tǒng)爆燃對策

由于煤粉具有自燃性和爆炸性，而制粉系統(tǒng)內(nèi)存在大量的懸浮狀態(tài)的煤粉，如果局部存在過多能量的點火源，煤粉就會發(fā)生爆炸，導致設備破壞。制粉系統(tǒng)爆炸主要受到風粉混合物的爆炸性以及點火源的影響。要防止制粉系統(tǒng)爆炸，必須降低風粉混合物的爆炸性和消除點火源。

3.1 降低風粉混合物的爆炸性

煤粉的爆炸性主要受到煤的揮發(fā)分、煤粉細度、風粉混合物的濃度、溫度等因素的影響。

煤的揮發(fā)分越高，煤粉爆炸可能性越大。當煤粉揮發(fā)分Vdaf≥25%，為極易爆煤種［5］，當煤粉揮發(fā)分達到Vdaf=40%，堆積煤粉的著火溫度會降至170 ℃［6］，摻燒的印尼煤和俄羅斯煤揮發(fā)分均高于40%，若煤粉在制粉系統(tǒng)中沉積，更易發(fā)生自燃引起爆炸。

煤粉粒度越小，爆炸可能性越大。煤粉粒徑大于200 μm 時幾乎不爆炸，小于74 μm 時爆炸的危險性大［7］。如表2 所示，根據(jù)試驗確定摻燒印尼煤和俄羅斯煤后的經(jīng)濟煤粉細度R90為35%左右，對應煤粉動態(tài)分離器轉速為500 r／min，煤粉細度較設計煤種有所降低，但此時煤粉平均粒徑只有幾十個微米，仍處于易爆炸的范圍。

表2 不同分離器轉速下煤粉細度

煤粉爆炸濃度界限隨煤種不同而有所不同，煙煤和褐煤的下限分別為0.32～0.47 kg／m3和0.215～0.25 kg／m3，上限分別為3～4 kg／m3和5～6 kg／m3［7］。摻燒后磨煤機風量仍按習慣風煤比曲線設置，如表3 所示，煤粉濃度在0.3～0.4 kg／m3范圍內(nèi)變動，處于爆炸濃度界限內(nèi)。

表3 不同工況下煤粉濃度和粉管風速

綜上所述，制粉系統(tǒng)內(nèi)煤粉濃度、煤粉細度處于爆炸界限內(nèi)，當摻燒印尼煤和俄羅斯煤后，揮發(fā)分升高，自燃和爆炸的傾向增強，要降低風粉混合物爆炸性，首先要降低其溫度。

制粉系統(tǒng)溫度過高，煤粉在干燥失去大部分水分后發(fā)生熱解，煤粉一方面熱解，另一方面表面氧化生成CO，可燃氣體大量產(chǎn)生，使風粉混合物爆炸的危險性大大增加，溫度升高也會使積粉氧化加快，易自燃形成點火源，因此必須控制磨煤機分離器后的風粉混合物溫度。摻燒印尼煤和俄羅斯煤后，按照混煤的高揮發(fā)分煤種推薦的磨煤機出口最高允許溫度為60～70 ℃［8］，實際正常運行時控制在60～65 ℃，較燃用設計煤種時明顯降低，提高了制粉系統(tǒng)安全性。同時要注意磨煤機出口溫度不可過低，這一方面會導致煤粉結露產(chǎn)生結塊和沉積，在煤粉管內(nèi)自燃，甚至導致制粉系統(tǒng)爆炸；另一方面會導致磨煤機干燥出力不足，石子煤量增大，引起石子煤陰燃現(xiàn)象，案例二就與此有關。

3.2 消除點火源

制粉系統(tǒng)中沉積的煤粉自燃是產(chǎn)生爆炸的主要點火源，減少煤粉沉積可以防止煤粉的爆炸。案例一就是由于煤粉沉積自燃引發(fā)的爆炸。

煤粉的理論沉降風速值為18 m／s［9］，正常運行時通風量不足會導致輸入煤粉不暢，造成煤粉沉積［10］。停磨吹掃時，通風量不足會導致吹掃不干凈，制粉系統(tǒng)內(nèi)部殘留煤粉自燃形成爆燃的著火源［11-12］。

為避免因磨煤機出口各粉管風速不均勻，造成個別粉管風速低于理論沉降風速值，對制粉系統(tǒng)進行了熱態(tài)風速測量和調(diào)平，磨煤機風量按照習慣風煤比曲線設置，保持煤量在50 t／h，對磨各粉管風速進行測量調(diào)平，以其中一臺磨為例，調(diào)整前后風速對比見表4。

表4 磨煤機熱態(tài)一次風速調(diào)平前后對比

通過熱態(tài)一次風速調(diào)平后，各磨粉管風速偏差均調(diào)整到±5%以內(nèi)，有效防止了風速不均引起煤粉沉積。

另外還需要注意的是：磨煤機內(nèi)煤層較淺時，磨輥與磨盤發(fā)生直接摩擦會產(chǎn)生火花造成石子煤帶火，在運行工況不穩(wěn)定時，如啟停制粉系統(tǒng)或磨煤機斷煤時會造成自燃和爆炸；中速磨在故障停運后短時間內(nèi)不應再啟動，否則磨煤機內(nèi)積存的熱煤粉遇熱風易燃燒爆炸。

4 運行控制措施

在鍋爐摻燒印尼煤和俄羅斯煤期間，為防止制粉系統(tǒng)出現(xiàn)爆燃事故，根據(jù)上述分析結合電廠實際，制定如下措施：

1）嚴格控制磨煤機運行參數(shù)。正常運行時控制磨煤機出口溫度60～65 ℃，煤量≥30 t／h，并按照表3控制磨煤機入口風量。

2）制粉系統(tǒng)啟停過程中，當煤量＜30 t／h，控制磨煤機進口風溫≤200 ℃，磨煤機出口溫度55～60 ℃。

3）加強石子煤管理。確保石子煤排放通暢，運行中發(fā)現(xiàn)石子煤量大、帶火、帶粉嚴重、冒煙等現(xiàn)象，及時采取措施。

5 結語

通過執(zhí)行運作控制措施加之日常運行中執(zhí)行系統(tǒng)漏點治理、積粉清理、制粉設備的維護、定期測量制粉設備外殼溫度等的常規(guī)措施，在機組進行印尼煤和俄羅斯煤直接摻燒期間，制粉運行平穩(wěn)，未出現(xiàn)自燃、爆炸事故，達到了預期效果，保障了機組的安全穩(wěn)定。