某磨煤機爆燃原因分析及控制措施

摘要：某電廠600 MW機組燃用印尼煤的磨煤機在啟動過程中出現爆燃事故，造成磨煤機一次風入口防爆門撕裂，嚴重威脅機組運行安全。通過對磨煤機出口溫度、排渣箱漏風、粉管堵塞、一次風室堵煤等因素進行分析，得出原煤攜帶的金屬與磨盤發生摩擦產生火花點燃煤粉造成爆燃的結論，并提出了相應的控制措施，為制粉系統的運行調整提供了依據。

關鍵詞：磨煤機;制粉系統;爆燃;揮發分;出口溫度;控制措施

0 引言

制粉系統是燃煤電廠主要輔機之一，其運行穩定性直接影響著鍋爐的燃燒工況，其中直吹式制粉系統爆燃不僅會造成磨煤機及其附件損壞，還會威脅鍋爐安全，所以，防止爆燃成為磨煤機運行主要的防控項目?；诿悍N的多樣性、煤熱解的不確定性以及磨煤機內熱風與煤粉復雜的換熱情況，為防止出現爆燃事故往往以降低磨煤機的出口溫度為主，但過低的出口溫度會限制制粉系統的靈活性和經濟性，且防爆燃效果并不明顯[1]。本文以某廠600 MW機組燃用印尼煤的磨煤機爆燃事故為例，具體分析磨煤機內部煤粉爆燃與磨煤機出口溫度等要素的相關性，查找發生爆燃的直接原因，并提出有效的控制措施。

1 系統介紹及煤種參數

某廠600 MW機組鍋爐型號為DG1920/25.4-π6型，制粉系統采用ZGM113型中速磨煤機，一次風正壓直吹系統，對后墻對沖燃燒。磨煤機系統如圖1所示。設計煤種為神華煙煤，為降低燃料成本摻燒印尼煤，工業分析全水30.9%，內水10.08%，灰分2.27%，揮發分43.09%，固定碳43.69%。

2 事故過程及原因分析

某日20：31，F給煤機減速箱檢修后啟動F制粉系統，20：36吹掃5 min后啟動磨煤機運行，此時出口溫度72 ℃，風量77 t/h，20：44運行8 min后磨煤機入口溫度208 ℃，風量80 t/h，出口溫度80 ℃。磨煤機發生巨響，出口溫度快速升高，運行人員迅速判斷為磨煤機爆燃，投入消防蒸汽系統，急停磨煤機。就地檢查發現入口一次風防爆門動作，焊接處撕裂。

磨煤機爆燃時的參數變化如表1所示。從爆燃時磨煤機進出口差壓的變化可以看出，差壓先上升后下降，且入口一次風壓力的變化先于磨煤機上下碗差壓以及磨煤機分離器出口壓力，可以判斷爆燃發生在磨碗附近，產生的壓力波傳遞到磨煤機出口使得出口壓力上升，同時將磨煤機出口空氣送進爐膛，磨煤機出口溫度下降，隨后磨碗處煤粉被點燃使得磨煤機出口溫度快速上升。

通過對磨煤機爆燃后的現場進行檢查，我們主要發現以下幾點：

（1）一次風道干凈，并未發現有大量堵煤情況;

（2）排渣箱也并未有大量煤渣;

（3）磨煤機內有1根直徑4 mm、長約1 m的不規則形狀鋼筋。

按照《電站磨煤機及制粉系統選型導則》（DL/T 466—2017）關于限制磨煤機出口溫度的規定，直吹式制粉系統燃用干燥無灰基揮發分大于40%煤時，分離器后溫度控制在60～70 ℃。因此認為磨煤機分離器出口溫度過高是爆燃發生的主要原因。以下針對幾個重點要素逐一進行分析。

2.1 ? ?磨煤機出口溫度過高

根據煤粉爆炸機理，熱風進入磨煤機內后與原煤接觸導致原煤熱解析出包括CO、CH4、H2等在內的氣體，此時遇到足夠能量的火源就會引起燃燒，繼而加速揮發分析出造成連鎖反應產生爆炸，煤粉爆炸實際就是析出氣體的快速氣相燃燒。出口溫度越高預示磨煤機內部溫度越高，揮發分析出越多，越容易造成爆炸。在磨煤機粉管無堵塞的情況下，煤的堆積起燃溫度與干燥基灰分、可燃基揮發分以及煤粉水分置信相關關系公式為[2]：

tz=203.176 2-1.827 4Vr+1.690 1Ar+0.979 2Wmf（1）

式中：tz為堆積起燃溫度;Vr為可燃基揮發分;Ar為干燥基灰分;Wmf為煤粉水分。

根據公式（1）代入煤種數據進行計算，無積粉直吹式制粉系統出口防爆上限溫度為126.95 ℃，在磨煤機運行過程中，安全裕度應設置為30 ℃。磨煤機內部工況復雜，高溫一次風從風環進入磨煤機內會迅速與磨煤機進行換熱，在短時間內降低到煤粉流的出口溫度，磨煤機風環附近外壁面的溫度分布情況是：磨煤機在風環處的外壁面溫度最高，沿著垂直向上的方向，外壁面溫度會快速下降[3]，所以在研磨區域，原煤溫度極難接近一次風的溫度。煤熱解過程中CO為首先析出的氣體，溫度約200 ℃，CH4在300 ℃左右析出，H2在400～600 ℃析出[4]。爆燃時磨煤機入口風溫僅為208 ℃，由以上分析可知，磨煤機內部只有在風環處溫度可能短暫達到200 ℃，大部分區域溫度未能達到氣體析出的水平。同時根據《石油化工企業可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》（SH 3063—1999），CO氣體常溫下爆炸極限的體積濃度為12.5%～74%，引燃溫度609 ℃，CH4爆炸極限的體積濃度為5%～15%，引燃溫度540 ℃，在80 t/h的風量條件下，要使CO達到爆炸極限濃度，那么CO析出質量占煤量質量約62.5%，所以在啟磨初期高通風量的情況下，煤粉析出的可燃氣體不足以引起爆燃。

2.2 ? ?其他原因分析

（1）磨煤機內部金屬摩擦產生高溫火花，局部溫度急劇升高直接點燃煤粉。

（2）磨煤機通流部分阻力過大，如一次風道入口、分離器間隙、出口分管彎頭等造成煤粉阻塞堆積，導致煤粉自燃[5]。

（3）磨煤機某些密閉空間如排渣箱、風環室等因為密封元件損壞導致可燃物被長期加熱而著火。

（4）磨煤機啟停過程中，因為有煤粉殘留，長期緩慢析出揮發分導致磨煤機內部煤粉濃度在爆炸極限內，因未經充分吹掃及采取降溫措施導致爆炸。

（5）一次風室刮板的損壞會導致煤渣無法被刮入排渣箱而掉落在一次風室中逐漸堵滿風室，磨盤與煤之間不斷摩擦產生大量熱量從而使煤發生爆燃[6]。

事故發生后通過檢查發現，排渣箱沒有大量煤渣，啟動過程中排渣口也未出現嚴重漏風的現象，所以可以判斷爆燃并非由于一次風室堵煤或者排渣箱漏風造成。在啟動磨煤機前經過了較長時間的吹掃，且運行8 min后才發生爆燃，可以認為不是殘留煤粉所析出的揮發分導致爆燃。

結合以上分析，在排除相關因素后可以認為此次爆燃的原因在于磨煤機試運行的過程中，煤層較薄，鋼筋在磨碗中一直與磨輥和煤攪動，金屬材料間發生摩擦火花溫度遠高于CO等氣體點燃溫度，造成了煤粉氣流的爆燃。

3 原因總結

由以上分析可知，磨煤機出口溫度高導致煤粉爆燃的原因在于過高的一次風溫度加速了原煤中揮發分的析出，降低了煤粉氣流的爆炸極限導致爆燃。但是在通風良好無阻塞的制粉系統中，正在啟動的磨煤機整個區域溫度不高，煤粉氣流中可燃性氣體體積分數較低，發生爆燃的可能性極低。通常應該存在另外的熱源包括機械碰撞或者靜電火花，瞬間引爆煤粉氣流，這些常見的爆燃原因可以通過數據采集和現場分析得出。所以在燃用低揮發分煤種時，在啟動磨煤機或低負荷運行時應避免長時間在低給煤率狀況下運行，適當降低磨煤機加載力，加大通風量以防止煤層較薄出現磨輥磨盤空磨產生火花點燃煤粉造成爆燃。

4 結語

鑒于控制磨煤機出口溫度并非防爆燃必要措施，而提高磨煤機出口溫度一方面可以縮短煤粉在爐膛內燃燒時間，提高煤粉燃盡率，減少過熱器和再熱器超溫現象，另一方面能提高磨煤機干燥出力，降低制粉電耗。根據經驗估計，磨煤機出口溫度提高10 ℃，排煙溫度可降低2 ℃，減少煤耗0.35 g/kWh。為了防止磨煤機爆燃，需及時了解煤種參數變化，保證輸煤設備可靠，避免在低給煤率下長期運行，減少磨煤機通道堵塞以及防止排渣箱漏風等。

[參考文獻]

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[3] 呂洪坤，常毅君，裘立春，等.提升1 000 MW機組磨煤機進出口溫度的措施研究[J].浙江電力，2013，32（4）：30-34.

[4] 崔銀萍，秦玲麗，杜娟，等.煤熱解產物的組成及其影響因素分析[J].煤化工，2007，35（2）：10-15.

[5] 張亮杰.大型電站鍋爐燃用印尼煤的爆燃問題分析和治理經驗探索[J].機電信息，2017（21）：146-147.

[6] 唐忠順，王海秀.磨煤機一次風口爆燃原因及控制措施[J].中國電力，2011，44（5）：49-51.

收稿日期：2020-08-13

作者簡介：梁遠（1992—），男，廣東茂名人，助理工程師，研究方向：熱能與動力工程、熱力發電。