煤粉鍋爐粉倉爆炸的原因分析及防治措施研究

2021-07-07 00:30:24馬洪洲

煤質技術 2021年3期

馬洪洲

(中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013)

0 引言

煤炭仍是我國最主要的一次能源，在發電、工業生產及民用取暖等領域，煤磨制成粉進行燃燒是利用效率最高、使用最廣泛的一種方式。為保證煤粉鍋爐穩定生產運行，燃用不同煤種的煤粉鍋爐通常均配有大型的爐前煤粉倉，以滿足鍋爐一定時間燃燒的需要。細粉狀的煤活性高、極易自燃，煤粉倉中大量的煤粉如發生燃燒極易引發煤粉倉的爆炸，導致設備損壞和人員傷亡等重大事故。如廣州市旺隆熱電廠DG420/9.8-II2型高溫高壓自然循環煤粉爐粉倉爆炸事故[1]、淮南洛河發電廠二期2×300 MW機組粉倉爆炸事故[2]及德州晶華集團2 550 t/d干法生產線二號線煤粉倉自燃事故[3]等。因此，煤粉倉爆炸原因、如何防范煤粉倉的爆炸以及爆炸發生后采取何種最佳處理方法將爆炸的危害降至最低一直是相關學者和專家重點研究的內容。蔣冬青等人[4]對煤粉爆炸的必要條件進行了系統分析并針對風掃磨煤系統提出了改進措施。Cashdollar[5]在實驗室內采用20 L爆炸測試爐對煤粉倉內的最大壓力升高速率、最小氧氣濃度和惰化劑最低用量等與煤粉倉爆炸相關的參數進行了測定，其研究發現煤粉顆粒的粒徑對煤粉爆炸有很大的影響。肖翠微[6]對煤粉爆炸的參數進行了實驗室測量，并且依據其測量結果，結合煤粉工業鍋爐煤粉倉的特征給出了限制煤粉倉內煤粉濃度和氧氣濃度、火源控制和設置泄爆裝置等防止煤粉倉爆炸的措施。錢詳鵬[7]結合姚孟電廠及南京熱電廠煤粉倉爆炸的事故對煤粉倉爆炸的原因進行了分析，提出了惰性化在煤粉倉爆炸預防中相對重要的作用。

筆者在總結前人在煤粉倉爆炸方面的研究基礎上，對煤粉倉爆炸的原因進行分類分析，對預防煤粉倉爆炸事故所做的各類改進措施進行了整理分析。以期對今后煤粉倉爆炸事故的預防和處理措施起到理論支撐的作用。

1 粉倉爆炸主要原因分析

煤粉是含碳量極高的有機混合物，影響粉倉內煤粉自燃爆炸的主要原因包括煤的揮發分、粒徑、煤粉倉內氣氛和溫度等原因。

1.1 煤的揮發分

煤粉倉內的煤粉長期處于堆積狀態下，一旦發生自燃現象極易導致煤粉倉爆炸。經研究，揮發分的高低不僅關系到煤的爆炸特性，還影響到煤在堆積狀態下的自燃指數，自燃溫度與煤的揮發分的關系[8]見表1。揮發分越高，自燃溫度越低，說明較高揮發分的煤種活化能低，越容易在煤粉倉中出現自燃的現象。

表1 自燃溫度與煤的揮發分的關系[8]Table 1 Relationship between the volatility and autoig-nition temperature of coal[8]

研究表明，煤的揮發分含量越高，越容易發生爆炸，按照煤的揮發性對其爆炸指數和爆炸等級(見表2)進行分析后發現，隨著揮發分含量的升高，爆炸指數和爆炸等級都逐漸升高。究其原因是由于揮發分較高的煤在受熱達到活化能之后能夠迅速釋放出大量的氣態產物，如CO、CH4等，導致煤粉倉內壓力急劇升高引發爆炸。同時，揮發分含量越高，煤粉倉發生爆炸時產生的爆炸壓力越高，溫度也越高，破壞力更強[9]。

表2 煤的爆炸特性[10]Table 2 Explosion characteristics of the coal[10]

1.2 煤粉的粒徑

當前工業應用中燃用的煤粉通常粒徑小于500 μm，小型煤粉工業鍋爐的常用煤粉顆粒則更細，通常粒徑小于100 μm。煤粉倉中的煤粉通常以氣力輸送的形式，由壓縮空氣攜帶進入煤粉倉內。而煤粉顆粒的粒徑越小，其比表面積越大，更利于和氧氣接觸。因此煤粉的粒徑越小，煤粉倉內煤粉發生自燃爆炸的概率越將顯著提高，爆炸的破壞力也同樣有所提高，煤粉粒徑導致火災爆炸的危險系數見表3。研究顯示，當煤粉粒徑大于1 000 μm時，煤粉爆炸的可能性很低[11]。何琰儒等人[12]針對煤粉粒徑對發生爆炸影響的實驗和模擬研究工作進一步證實了煤粉粒徑與煤粉倉爆炸之間的關系。

表3 煤粉粒徑與導致火災爆炸的危險系數的關系Table 3 Relationship between coal particle size and the risk factor of explosion

1.3 煤粉倉內氣氛

粉倉內的煤粉發生爆炸需要在一定的粉塵濃度范圍內(爆炸極限)才能發生，研究表明，煤粉與空氣混合后，只有在煤粉濃度大于30 g/m3，小于7 000 g/m3的范圍內時，爆炸才會發生[4]。實際煤粉倉中下部堆實的煤粉濃度是明顯大于該范圍的，因此煤粉打粉時，粉倉中上部空間的煤粉濃度才是需要重點測量的位置。可燃物、氧或氧化劑、火源是煤粉燃燒發生的必要條件。在煤粉倉爆炸的防治工作中，除煤粉濃度外，煤粉倉中氧氣濃度是對煤粉自燃和爆炸起到決定性作用的因素，以上也是很多煤粉倉布置惰化劑噴入裝置的原因，其目的是降低煤粉倉中的氧氣和揮發性可燃物濃度。

1.4 煤粉倉內溫度

煤粉倉內溫度升高是導致煤粉出現自燃和爆炸的重要因素之一。我國常用煤的著火溫度通常高于300 ℃，但處于堆積狀態的細顆粒煤粉其發生自燃的溫度要更低。并且，隨著揮發分含量的升高和煤粒徑的減小，煤粉自燃所需的最低自燃溫度和最低氧氣濃度都會出現降低的趨勢[9]。

造成煤粉倉內溫度超溫的原因是多種多樣的，比較常見的是帶入性熱源導致的煤粉倉內超溫和煤粉倉內部積粉結皮導致對外傳熱能力下降所導致的煤粉倉內超溫。由于水分對于煤粉的氣力輸送和燃燒都有很大的影響，因此通常用于氣力輸送煤粉的空氣和煤粉本身都要經過烘干的過程，一旦烘干溫度過高，輸送管路過短就容易造成帶入性溫度超溫。而煤粉倉內部尤其是下部如存在下粉不暢的滯止區就容易造成積粉、結皮等現象，從而打破原有煤粉倉內的熱力平衡，造成煤粉倉超溫爆炸。

2 煤粉倉爆炸的預防措施

2.1 避免燃用不適宜的煤種

燃煤鍋爐的設計通常是在一定的適用煤種范圍完成的。通過分析可知，煤種的變更不僅將對燃煤鍋爐的燃燒產生影響，也會成為煤粉倉發生爆炸的重要原因。因此，在更換鍋爐燃用煤質前，對燃用的煤種進行充分的煤質分析和燃爆性分析，避免使用不適宜的煤種是防控煤粉倉爆炸的重要手段之一。

2.2 改進煤粉倉結構

煤粉倉的順利進粉和下粉對煤粉倉的正常工作和爆炸事故預防具有非常重要的意義。如改善煤粉倉下端錐度、避免出現漏斗流和起拱、維持倉內整體流(如圖1所示)、改良煤粉倉下粉管路中的易堵粉部件都能夠有效地預防煤粉倉中出現滯止區，防止煤粉倉內結皮的產生。同時需認識到煤粉倉雖然為煤粉的貯存設施，但其容易發生爆炸危險，因此煤粉倉的設計需要考慮倉壁和各個部件的承壓能力[11]，較高的承壓能力是在爆炸事故發生時挽救生命的最直接手段。

圖1 煤粉倉流態Fig.1 Flow patterns of pulverized coal bunker

2.3 設置爆炸應急措施

煤粉倉事故一旦發生，其造成的危害將非常嚴重，因此，在煤粉倉上設置必要的應急措施尤為重要。應急措施包括煤粉倉上的防爆泄壓門、惰化劑和冷卻劑噴入裝置[13]、煤粉倉內消防設施及與后端鍋爐相連的全系統聯動報警裝置等。噴入惰性劑除了作為煤粉倉常用的應急處理手段以外其實也可以作為煤粉倉正常使用的常規運行手段，氮氣、CO2等常見惰化劑的噴入能夠顯著降低煤粉倉內氧氣含量，預防煤粉倉自燃和爆炸的發生。目前煤粉倉防爆泄壓門的設置已經是最常用的煤粉倉設計，合理的泄壓閥值需要經過嚴格精準的計算，同時，定期對防爆泄壓裝置進行檢查也是必須嚴格執行的運行程序。

2.4 制定嚴格的運行管理規程

總結大量事故的發生發現，很多事故的發生都是由于運行人員對設備不熟悉、未按運行規程操作或疏忽操作造成的[14]。因此，制定嚴格的運行管理規程，避免不當操作，實現嚴格的定時檢控制度是避免煤粉倉爆炸事故發生的有效方法之一。

2.5 加強煤粉倉內的測控

煤粉倉內部的料位、溫度、壓力和濕度等參數也是煤粉倉安全使用的重要參數。常見的煤粉倉裝設的料位計如螺旋料位計、音叉料位計和重錘探測式料位計等均存在一定的測量誤差，因此定期對煤粉倉內料位計進行檢查是非常必須的。同時，針對不同的工況條件和煤種條件，應對煤粉倉內的溫度、壓力和濕度等重要參數進行嚴格的監控和使用范圍限定，煤粉倉內部測控點布置如圖2所示。生產運行中應使得粉倉內各項數據參數均處于安全使用范圍之內，以實現煤粉倉爆炸事故的防患于未然。