煤粉工業鍋爐爆燃機理分析及防爆措施

楊 允，何海軍

(1.中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013；2.中煤科工(天津)清潔能源研究院有限公司，天津 300467)

0 引 言

進入21世紀以來，隨著工業化、城鎮化進程加快和消費結構持續升級，我國能源需求剛性增長，環境形勢日益嚴峻[1-3]。經國家統計局初步核算，2019年全年能源消費總量為48.6億t標準煤，大量的能源消耗造成我國中東部地區大氣嚴重的復合污染，突出表現為京津冀、長三角和珠三角等城市出現持續“霧霾”天氣。

據統計，霧霾來源和成因的30%～40%是由工業燃煤排放污染物造成的[4]。而截至2016年，我國燃煤工業鍋爐總數約60萬臺，每年煤炭消費量約7億t標準煤[5]。由此看出，推廣應用高效環保的燃煤工業鍋爐是改善大氣污染狀況的有效途徑。

煤粉工業鍋爐具有高效節能、啟停快速、清潔環保、密閉清潔、操作簡單、自動化程度高等優點[6-8]，符合國家緊迫的節能減排形勢和政策導向，是傳統高污染、高能耗燃煤工業鍋爐的升級換代產品，也是中小型燃油、燃氣鍋爐的理想替代品[9-10]。

近幾年來，在技術進步和政策的推動下，煤粉工業鍋爐得到迅速發展，應用日趨廣泛，已逐漸成為中小型生產企業、工業園區、城市等集中供熱系統的重要組成部分[11-13]。

鍋爐是一種特殊的密閉性的熱工設備，煤粉鍋爐因為使用的是煤粉，如果運行操作不當，爐膛就可能會發生爆燃，不僅危及設備機組安全、經濟運行，還可能造成嚴重的設備損壞和人員傷亡[14-17]。

筆者根據多年建設、調試、運行、維護煤粉工業鍋爐的經驗，分析了爆燃發生的機理及主要影響因素。結合實際工程事故案例，分析了誘發爆燃的主要原因，并從點火前安全檢查、清除送粉管內沉積煤粉、設置火檢和負壓聯鎖保護、控制水封刮板水位、停爐保養等角度，提出一些列防爆措施，以為今后預防此類事故的發生提供有效依據和參考。

1 煤粉鍋爐爆燃機理

1.1 爆燃的定義

煤粉鍋爐爆燃是指爐膛內發生的煤粉瞬時被點燃的現象。在爐膛內出現煤粉積存的情況時，當遇到符合發生煤粉爆燃的點火能，爐內積存的煤粉會突然被點燃，其火焰的傳播速度很快，生成的煙氣容積突然增大，來不及由爐膛排出，使得爐內壓力聚增。

爆燃不僅危及設備安全及經濟運行，當爐膛內壓力超過爐墻所承受的最大壓力時，爐膛將發生爆炸，可能造成嚴重的設備損壞和人員傷亡。因此，預防、減少和杜絕此類事故的發生至關重要。

1.2 爆燃的條件

煤粉燃燒所需理論空氣量如下[18]：

Va=0.088 9 (Car+0.375Sar)+0.265Har-0.033Oar

(1)

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，%。

對于煤粉與空氣的混合物，在理論空氣量下，煤粉單位容積發熱量最高，而且火焰傳播速度也最快，此時對應的煤粉濃度叫最易爆炸濃度。當空氣量超過理論量時，隨著空氣量的增加，煤粉濃度不斷下降，當煤粉濃度降到一定程度后，由于過量空氣的冷卻作用，阻止了火焰的蔓延，混合物既不會爆炸也不會著火，此時對應的煤粉濃度叫最低爆炸濃度。當空氣量低于理論量時，隨著空氣量的減少，煤粉濃度不斷上升，當煤粉濃度升到一定程度后，煤粉氧化所需的空氣量嚴重不足，導致火焰不能蔓延，混合物能燃燒但不會爆炸，此時對應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必要條件：一是存在足夠的煤粉和空氣；二是煤粉和空氣的混合物達到了爆炸極限濃度(不同煤種煤粉爆炸極限濃度見表1)；三是存在足夠的點火能量。鍋爐要發生爆燃，以上三個條件缺一不可，若有一個條件不存在，就不會發生爆燃。

表1 煤粉的爆炸極限濃度[19]

1.3 爆燃的數學模型[20]

爐膛內瞬間的煤粉爆燃可視為定容絕熱過程，應用能量守恒方程，爐膛內介質的溫升：

(2)

其中，ΔT為爐膛內介質的溫升，K；Vr為煤粉的積存容積，m3；Qr為煤粉單位容積發熱量，kJ/m3；V為爐膛容積，m3；CV為爐膛介質的平均定容體積比熱容，kJ/(m3·K)。

將爐膛內介質視為理想氣體，根據理想氣體狀態方程：

(3)

其中，P1為爆燃前爐膛內介質的壓力，Pa；T1為爆燃前爐膛內介質的絕對溫度，K；P2為爆燃后爐膛內介質的壓力，Pa；T2為爆燃后爐膛內介質的絕對溫度，K。

聯立上述兩式，爆燃后爐膛內的介質壓力為：

(4)

1.4 爆燃后壓力大小的影響因素

由式(4)可得出，爐膛爆燃后壓力大小的主要影響因素為煤粉積存容積和爐膛容積的比值Vr/V、煤粉單位容積發熱量Qr和爆燃前爐膛內介質的絕對溫度T1。經分析還可得出：

(1)爐膛中積存少量的煤粉，即使爆燃，也只是“放炮”，不會造成爆炸性破壞，只有當Vr/V比較大時才會使爆燃后的壓力升高較大，造成爆炸性破壞。

(2)煤粉單位容積發熱量Qr越大，爆燃后的壓力升高越大。Qr值的大小同煤粉空氣的濃度比有關，在理論空氣量下，Qr值最高，而且火焰傳播速度也最快，當空氣量超過理論量時，熱值降低，空氣量過多時混合物將為不可燃物，混合物中煤粉濃度過高則氧氣不足，混合物也為不可燃物。

(3)爐膛溫度T1越低，爆燃后的壓力越大。在鍋爐點火起動初期，爐膛溫度低，此時爆燃產生的破壞力將最為嚴重。T1越高，P2越小，當溫度超過可燃物的著火溫度時，煤粉進入到爐內即被點燃，不會產生可燃物積存現象。

2 煤粉鍋爐誘發爆燃的原因

煤粉鍋爐發生爆燃的根本原因是煤粉在爐膛內積存，當具備點火能量時被點燃。導致煤粉積存的原因包括4種：① 爐膛滅火；② 鍋爐停運期間，燃料關斷設備(閥門、擋板)失去控制或泄漏；③ 重復不成功的點火，未及時吹掃；④ 鍋爐啟動過程中，爐膛內沒有足夠點燃煤粉的溫度和能量。

爐膛滅火是導致煤粉鍋爐爆燃最常見的原因。導致爐膛滅火常見的原因有：① 鍋爐運行中煤粉、風或點火源突然中斷；② 鍋爐運行中燃燒器熄滅；③ 鍋爐輔機發生故障；④ 煤粉性質突然改變，司爐未及時調整，變化后的新煤粉不能適應原燃料配風，特別是當煤粉揮發分降低時更為突出；⑤ 種種原因造成的斷煤粉(如一次風管堵、煤粉倉燒空、給粉機故障、下粉管堵等)；⑥ 長時間低負荷運行或向爐膛內漏入大量的冷風；⑦ 爐內嚴重結焦，破壞了爐內正常的動力場，使爐內風粉混合不良；⑧ 吹灰、除焦操作不當，燃燒調整不及時、誤操作等。

3 煤粉鍋爐爆燃實例分析

3.1 蘭州市某20 t/h熱水煤粉鍋爐

鍋爐型號SZS14，共6臺，用于冬季供暖，2012年3月建成投產，所用煤種為煙煤。爐膛僅設一個防爆門，底部采用倉泵收集爐渣，形成“死膛”。

事故發生過程：鍋爐運行中螺旋給料機卡住，人工盤松后，在未點火的情況下，打開螺旋給料機，同時調高電機赫茲數，隨后爐膛發生爆炸。事故造成爐膛變形，爐墻鼓起。類似的事故前后發生兩次。

事故原因分析：在高赫茲數下開螺旋給料機，必然會導致大量煤粉進入爐膛，而此時爐膛內無點火源，造成煤粉在爐膛內積存。由于停爐時間短(3～4 h)，爐膛局部溫度高，陰角處存有火星，引發煤粉爆燃，爐膛內壓力驟升，而爐膛是“死膛”，且防爆門較少，爐內壓力不能及時卸出，導致爐膛發生爆炸性破壞。

3.2 煙臺市某20 t/h蒸汽煤粉鍋爐

鍋爐型號SZS20-1.6-AIII，用于生產供汽，2010年11月建成投產，所用煤種為煙煤。爐膛底部采用12個鎖氣閥，爐膛被封死，形成“死膛”。

事故發生過程：鍋爐運行中一次風機因聯鎖保護而停機，在未點火的情況下，直接打開一次風機，對一次風管道進行吹掃，隨后爐膛發生爆炸。事故造成防爆門飛出，爐膛變形，爐墻鼓起。

事故原因分析：一次風機停機后，煤粉在一次風管內沉積，在未清理管內沉積煤粉的情況下，直接開一次風機，管內沉積的煤粉被吹進爐膛，造成煤粉在爐膛內積存。由于停爐時間短(1～2 h)，爐膛局部溫度高，陰角處存有火星，引發煤粉爆燃，爐膛內壓力驟升，而爐膛是“死膛”，爐內壓力無法及時卸掉，導致爐膛發生爆炸性破壞。

3.3 宿遷市某60 t/h蒸汽煤粉鍋爐

鍋爐型號DHS60，共2臺，用于生產供汽，2013年5月建成投產，所用煤種為煙煤。

事故發生過程：與3.2節事故相似，區別在于該事故發生于鍋爐點火啟動階段，爐膛內存在點火源。事故造成爐膛壓力超過3 kPa，防爆門彈開。

事故原因分析：與3.2節事故原因相似，區別在于該事故中爐膛內存在點火源，其提供點燃煤粉的溫度和點火能量。

3.4 泰安市某22 t/h蒸汽煤粉鍋爐

鍋爐型號DHS22-2.45-AIII，用于生產供汽，2015年8月建成投產，所用煤種為煙煤。爐底采用水封刮板，但水封深度太深，達到60 cm。

鍋爐結焦后，未準確判斷、盡早處理，導致焦越結越多，不斷蔓延，直至出現掉焦現象。由于水封深度過深，掉焦引發水蒸氣大量逃逸，導致鍋爐運行中滅火，爐膛發生爆炸，事故造成爐膛變形，爐墻鼓起。

4 煤粉鍋爐爆燃事故預防措施

根據爆燃機理，結合工程經驗，防止煤粉鍋爐爆燃事故發生最根本的方式是避免煤粉在爐膛內積存，而避免煤粉在爐膛內積存，最主要的是防止鍋爐運行時爐膛滅火，應做好以下工作：

(1)鍋爐運行中，必須將火檢和負壓聯鎖保護投入使用。停爐檢修時，需檢查火檢和負壓聯鎖保護是否正常。

(2)鍋爐燃燒工況不穩、出現明顯滅火跡象時，禁止投油。

(3)水封刮板內水深需控制在20 cm～30 cm，當水深不足時，需及時補水。

除此之外，在鍋爐點火、運行、停爐等方面還應做好以下工作：① 鍋爐點火前需檢查點火強度是否足夠，包括檢查油箱內油位、油槍霧化效果等，還應及時清理油槍，保證油槍的霧化片和油通道不堵塞。② 鍋爐主燃料跳閘系統保護動作后，應立即檢查煤粉切斷情況，切忌注重恢復而忽視對煤粉是否被完全切斷的檢查。③ 如遇供料器卡住，嚴禁嘗試通過提高供料電機赫茲數沖開，人工盤松后，開供料器時需保證點火源已打開。④ 鍋爐停爐后，應立即切斷燃油系統，并確認系統油壓回零，以防止油漏入爐膛內；禁止在冷態情況下，將煤粉排入爐膛內。⑤ 非正常停爐，一次風管吹掃前，宜將一次風粉管底部彎頭拆卸下來，清除內部沉積煤粉后，在點火源打開的前提下，點動吹掃2～3次。

最后，為了盡可能減小煤粉鍋爐爆燃事故發生時造成的損失，在鍋爐設計時，爐膛上必須設置足夠多的防爆門，爐膛至對流受熱面的煙道上易設置2個防爆門。

5 結 論

基于爆燃數學模型，就煤粉鍋爐的爆燃機理給予分析，結果表明煤粉積存容積和爐膛容積的比值、煤粉單位容積發熱量、爆燃前爐膛內的溫度是影響煤粉鍋爐爆燃的主要因素。結合實際工程事故案例，分析了誘發煤粉鍋爐爆燃的主要原因，并在鍋爐設計、點火、運行、停爐等環節提出了一系列防爆措施，包括點火前強化安全檢查、及時清除送粉管內沉積煤粉、設置火檢和負壓聯鎖保護、合理控制水封刮板水位、注重停爐保養等。經實踐證明，以上措施可有效解決煤粉工業鍋爐爆燃問題，可保證鍋爐安全、經濟、穩定運行。