循環流化床鍋爐爐膛爆炸問題的探討

甘若谷，覃健彬，榮 楠，李思儀，潘琳晶

（廣西壯族自治區特種設備檢驗研究院，廣西 南寧 530299）

0 引言

循環流化床（Circulating Fluidized Bed， CFB）鍋爐技術是一種較為成熟的清潔燃燒技術，與常規燃燒方式相比它具有燃料適應性廣、燃燒效率高、燃燒污染排放量低、燃燒強度高等優點。通過直接向爐內添加石灰石，可脫除90%以上的SO2，投資相對較低；采取較低的燃燒溫度（850～920 ℃）和空氣分級燃燒，可使NOx排放濃度大大降低；循環流化床鍋爐具有極佳的燃料適應性，幾乎可以燃用任何石化燃料和生化燃料等。近年來，為了滿足環保方面的要求，循環流化床鍋爐得到了廣泛的應用。近年來在區內廣泛興建的生物質發電項目中，無一例外地采用CFB鍋爐。

近年來，區內多臺CFB鍋爐在點火投運過程中，發生了爐膛爆炸事故。其中有生物質發電用的CFB鍋爐，也有大型的CFB鍋爐。如前不久區內某造紙廠的一臺670 t/h循環流化床鍋爐在點火啟動過程中發生爐膛爆炸，造成懸吊于爐膛上部的過熱器管子彎曲變形、焊縫拉裂，經濟損失巨大。

綜上所述，目前循環流化床鍋爐失效的研究方法未對失效受損部件進行理化分析或實驗表征分析，進而推斷事故原因，此種研究方法缺乏事故現場數據支撐。本文針對一臺670 t/h循環流化床鍋爐，從現場的運行參數、事故結果進行綜合分析，探討循環流化床鍋爐爐膛爆炸的原因，針對事故結果提出相應防范措施。

1 循環流化床鍋爐的主要技術特點

循環流化床鍋爐的本體包括燃燒系統和汽水系統。燃燒系統主要由爐膛（流化床燃燒室）、旋風分離器、回料閥、空氣預熱器組成（圖1）。

圖1 CFB鍋爐燃燒系統示意圖

燃料經過磨煤機粉碎至一定顆粒度，通過螺旋給料機或者播料機送入爐膛，石灰石顆粒則通過石灰石給料機從爐膛適當位置送入。燃料與爐膛內熾熱的、處于“流化狀態”的床料混合，被迅速加熱，燃料迅速著火燃燒。石灰石顆粒在爐膛內被煅燒分解，分解產物與燃料燃燒產生的SO2化學反應，反應生成CaSO4，因此煙氣中的硫元素則從該過程中脫除出來，從而起到脫硫作用[1]。爐膛溫度控制在850～920℃會比較有利于脫硫反應的進行，脫硫反應的化學方程如下。

一次風從鍋爐底部的流化風室送入，保證流化床上的物料處于均勻的流化狀態。二次風則從燃燒室的適當位置送入，實現分級送風，以提高燃燒效率并為脫硝提供有利的溫度條件。在爐膛內高速氣流的作用下，燃料與空氣、石灰石顆粒充滿整個爐膛，在密相區劇烈摻混燃燒。其中，煙氣從爐膛攜帶大量固體顆粒來到水平煙道，通過水平煙道經旋風分離器分離后，顆粒度較大的固體送回流化床再次摻混燃燒，從而達到物料循環流化的作用。夾帶細微顆粒的高溫煙氣則從旋風分離器排出，流至尾部煙道，與尾部對流受熱面換熱后，由靜電除塵器或布袋除塵器除去煙氣中的細微顆粒，在引風機的作用下，潔凈的煙氣最終由煙囪排出。

2 循環流化床鍋爐爐膛爆炸事故過程

2.1 鍋爐結構布置

鍋爐外形布置如圖2所示。爐膛寬、深、高分別為18 280 mm、8 132 mm、46 933 mm，爐膛頂部46．9 m。該鍋爐采用超高壓不帶再熱、爐水自然循環汽包爐、平衡通風、鋼結構承重、部件布置于鋼結構內、循環流化床鍋爐。鍋爐前部是由膜式水冷壁組成的爐膛，中部為兩臺氣冷式旋風分離器，后部由一個氣冷包墻包覆的豎井煙道組成。爐膛內部沿寬度方向布置有8片水冷蒸發屏管屏和6片屏式過熱器管屏。鍋爐共布置有6個燃煤給料口和3個石灰石床料給料口，其中在爐膛下部水冷壁收縮區域，6個燃煤給料口沿寬度方向在爐前均勻布置。在兩側墻分別布置了8只床上穩燃用燃燒器（左右各4個），所有燃燒器均配有高能點火裝置。爐膛底部由彎制的水冷壁管包圍成水冷風室，點火風道布置在水冷風室后部，點火風道內布置有4臺床下風道點火器，燃燒器配有高能點火裝置。風室底部布置有5根219 mm的落渣管，其中4根與冷渣管相接，另外1根作為事故放渣管。

圖2 鍋爐外形示意圖

爐膛與尾部豎井煙道之間，沿鍋爐寬度方向布置有兩臺氣冷式旋風分離器，每臺旋風分離器下部各布置一臺“J”形回料器，每臺回料器擁有2只回料管，所有4只回料管在后墻水冷壁下部收縮段沿寬度方向均勻布置，確保將高溫物料均勻地送進爐膛。尾部對流煙道分上部和下部，上部由包墻過熱器包覆，其內部從上到下依次布置有高溫過熱器受熱面、低溫過熱器受熱面。尾部對流煙道下部由鋼板包覆，在其中布置有螺旋鰭片管式省煤器和臥式空氣預熱器，空氣預熱器采用光管式，沿鍋爐寬度方向雙進雙出。三級過熱器系統之間的連接管分別設有兩級噴水減溫器。

為保證鍋爐鋼結構支撐系統、管道及受熱面吊掛系統在鍋爐正常運行過程中各部件可以合理膨脹，整臺鍋爐共設置了5個膨脹中心，分別位于鍋爐前、中、后部，前部膨脹中心位于爐膛后墻中心線，中部膨脹中心位于兩臺旋風分離器與兩臺“J”形回料器的中心線（兩個），后部膨脹中心位于后豎井煙道前墻中心線和空氣預熱器支座中心。

鍋爐的爐膛水冷壁、旋風分離器及尾部煙道包墻過熱器皆懸吊在頂部吊梁上，由上向下膨脹；爐膛以鍋爐對稱中心線為零點，通過剛性梁的限位裝置使其向兩側膨脹。回料器、空氣預熱器的膨脹方向有3個：以各自的支撐面為基準向上膨脹，并分別以前-后和左-右為對稱膨脹。

爐膛和分離器壁溫較為均勻，為保證爐膛和旋風分離器的密封和運行的可靠性，兩者之間采用非金屬膨脹節連接。回料器與爐膛、分離器的溫差較大，且三者結構形式不同，故而單獨支撐于鋼梁構架上，回料器采用金屬膨脹節分別與爐膛回料口、分離器錐段出口連接，由于回料器與爐膛、分離器的溫差較大，采用金屬膨脹節相連也可以有效隔離相互間的脹差。分離器出口煙道與尾部豎井煙道間的脹差較大，且出口煙道儲存龐大，采用非金屬膨脹節，確保連接的可靠性；吊掛的對流豎井與支撐的空氣預熱器間因脹差及尺寸較大，采用非金屬膨脹節。

所有穿墻管束均與該處管屏之間采用封焊密封固定，或通過膨脹節形成柔性密封，以適應熱膨脹和變負荷的要求。

除汽包、水冷壁前墻、水冷壁及水冷蒸發屏上集箱、旋風分離器及其進出口煙道、包墻上集箱和前、后包墻、省煤器吊掛管這些承壓部件的共同點如下：①部件沿鍋爐縱深跨度較大；②除省煤器吊掛管和汽包外，受熱面皆為膜式壁包覆結構。此類部件縱深跨度較大，運行過程中與鍋爐整體結構一起膨脹，故吊點采用剛性吊架。蒸汽系統的其他集箱和連接管在運行過程中不受輻射換熱，起到介質傳輸的作用，爐膛膨脹對它們的膨脹影響較小，故采用彈吊或通過夾緊、支撐、限位裝置固定在相應的水冷壁和包墻管屏上。

2.2 鍋爐爐膛爆炸事故過程

事故過程如下：鍋爐B班組接班后，對鍋爐進行檢查正常后，于9點23分啟動兩臺高壓流化風機、一臺引風機、一臺二次風機和兩臺一次風機，一次風總風量為143 kNm3/h（冷態最低臨界流化風量為130 kNm3/h），鍋爐總風量為190 kNm3/h，爐膛壓力維持在-80 Pa，各參數均控制在正常范圍內。10點01分點床下2#油槍著火，由于火檢信號未傳輸至中控DCS，油槍自動順停，吹掃油槍后再次點床下2#油槍不著火，再次順停吹掃油槍。10點06分點床下4#油槍成功。由于床溫上升緩慢，11點33分投入鍋爐左側的床下2#油槍，11點52分班組現場人員聽到異響，DCS出現爐膛壓力高高上限警告，系統自動停一次風機和二次風機，一次風機全停導致鍋爐連鎖保護動作，鍋爐燃油系統跳閘。檢查DCS畫面，除爐膛壓力高外，燃燒系統各項檢測參數均正常，其余參數均無異常報警，其中，汽包溫度為99 ℃，汽包壓力為0．15 MPa。現場檢查確認鍋爐發生正壓，并同時發現鍋爐本體有損壞且有水汽泄露，當值司爐工立即向相應管理部門報告并對現場采取相關措施。

2.3 鍋爐爐膛爆炸事故后果

爐膛爆炸事故導致鍋爐本體受損有以下幾個方面：①爐膛內耐火材料一定程度的受損，爆炸產生的沖擊力及正壓對爐膛轉角部位、衛燃帶區域的耐火泥造成沖擊，導致部分耐火泥脫落，受損面積大概為8 m2。②循環流化床鍋爐水冷壁一般采取膜式壁結構，即前、后、左、右四面墻水冷壁之間均采用鰭片密封連接，此次事故導致后墻與右墻角水冷壁連接鰭片開裂，后墻與右墻角水冷壁管也同樣開裂。③剛性梁作為一種導向結構，在鍋爐運行中給受熱面提供膨脹限位的作用，此外剛性梁的作用還有加固水冷壁和爐墻，防止爐膛壓力突然增大時，水冷壁和爐墻產生過大的結構變形或者損壞。由于此次爐膛爆炸產生的壓力過大，超過了剛性梁所能承受的載荷，導致水冷壁剛性梁脫落，使得鍋爐水冷壁受熱面失去了膨脹限位功能。④旋風分離器是循環流化床鍋爐的核心部件之一，其主要作用是將大量的高溫固體物料從爐膛出口的氣流中分離出來，再通過返料裝置送回爐膛，以維持燃燒室快速流態化或擾流流態化狀態，維持整個過程燃料和脫硫劑多次循環，反復燃燒并參與反應。爐膛爆照事故導致旋風分離器膨脹節變形損壞，使鍋爐旋風分離器部分失效，鍋爐床料循環利用功能失效。⑤由于鍋爐的爐膛水冷壁、旋風分離器及尾部包墻全部懸吊在頂板上，膨脹方向由上向下，鍋爐爐膛產生爆炸時，加劇頂板所承受的載荷，導致頂板變形。

3 循環流化床鍋爐爐膛爆炸原因分析

燃燒的三要素是燃料、空氣和著火必要的溫度，在存在空氣的情況下，燃料溫度只有達到其著火溫度才能燃燒起來，不同燃料的著火溫度是不同的，褐煤為350～450 ℃，煙煤為450～550 ℃，貧煤和無煙煤為550～650 ℃，甚至高達700 ℃才能著火，其他有機燃料則視其水分、揮發分的不同而各異。如果流化床溫度還未達到著火溫度就投入大量的燃料，燃料不能及時著火而先析出揮發分，就會造成揮發分中可燃氣體的大量積聚。當可燃氣體達到爆炸極限的濃度時遇到明火就極易發生爐膛爆炸[2]。除此之外，如果鍋爐點火油槍在使用過程中存在泄露，可燃氣體會通過一次風帶入到爐膛空間里面，當可燃氣體達到一定濃度的時候，遇到明火則會產生爐膛爆炸。

經過事故調查組的分析確定，事故受損鍋爐的油槍，并沒有發現有泄露的痕跡。由于此次事故鍋爐燃燒使用的床料是該廠區內其他正常運行鍋爐所排出的底渣，這些底渣中混有木屑、漿渣，未完全燃燒的煤。鍋爐在啟動過程中，床溫較低，11時33分，左、右側床溫分別為121 ℃和166 ℃，直到11時52分事故發生時，左、右側床溫也僅為304 ℃和242 ℃。此溫度尚未達到床料中木屑、漿渣、煤的燃點，在鍋爐啟動過程不斷析出可燃氣體揮發分，直至揮發分達到一定濃度并且遇到明火之后發生爐膛爆炸[3]。

綜上所述，造成該鍋爐爐膛爆炸主要原因有兩點：①床料中混入了可燃物，如木屑、漿渣、未完全燃燒的煤；②啟動過程中鍋爐床溫設置太低，床料中的可燃物未達到燃點燃燒并且析出揮發分，揮發分中含有可燃氣體。次要原因有運行人員疏于管理，未及時吹掃爐膛或加大引風機風量，從而降低爐膛內可燃氣體的濃度等。

4 防止循環流化床鍋爐爐膛爆炸的措施

循環流化床鍋爐的點火，是指通過外部熱源加熱，使最初加入流化床內的物料溫度提升到投煤（或其他燃料）運行所需的最低水平，從而實現投煤（或其他燃料）著火后的正常穩定運行過程。循環流化床鍋爐的點火有床上點火和床下點火之分。所謂床上點火，就是在流化床布風板以上的爐膛密相區布置點火油槍，通過油槍加熱床料而完成點火。床下點火則將油槍布置在布風板以下或在風室之前布置風道燃燒器（熱煙爐），燃燒產生的高溫煙氣穿過布風板與流化床的風粉混合而實現對床料進行加熱點火。

由于床上點火時，加熱床層的熱效率不高，會造成點火燃料的浪費，因此大型循環流化床鍋爐多采用床下點火[4]。

顯然，要預防循環流化床鍋爐爐膛爆炸，向爐內初次投煤（或其他燃料）的最低溫度是關鍵。該數值定得太低，會造成燃料著火不穩定，床料內容易聚集大量的可燃物，最終導致爆燃。該值定得太高，則點火時間過長，浪費燃料。床溫達到燃料著火溫度后才投燃料就能保證燃料入爐后會迅速著火，有效避免爐膛爆炸。

點火過程中，應采取間歇投入燃料的方式。當床溫升到預定的投入燃料溫度后，適當投入少量燃料，密切注視爐內的著火狀況。同時注意觀察爐內床溫和鍋爐尾部煙道煙氣含氧量的變化。繼續投入燃料的條件時，床溫升高，煙氣含氧量降低。如果短時間沒有出現著火現象，應立即停止給入燃料。

點火期間，停油要十分謹慎，一般床溫達到700～800 ℃時才試退油槍。確定停油后燃料仍穩定著火，才能停油運行。

除此之外，啟動前和一次點火失敗后，司爐工打算重新啟動鍋爐前應對爐膛進行充分吹掃，充分吹掃爐膛可以很大程度上防止爐膛因為可燃物氣體或者可燃物堆積遇明火產生爆燃或爐膛爆炸事故。

啟動加熱過程中，通風梁不足也會導致爐膛稀相區可燃物或可燃氣體堆積，在啟動過程中，引風量不能太小，一次風量控制在臨界流化風量的80%，適當開啟上二次風，以保證稀相上部的通風，防止可燃物積累，同時對二次風口進行保護。

除此之外，司爐工在鍋爐啟動前應做好鍋爐巡檢工作，檢查鍋爐油槍是否有泄露情況也是預防爐膛爆炸的措施之一。

5 結語

循環流化床鍋爐由于具有諸多優點， 越來越廣泛被運用。在啟動階段，在其床溫設置合理、爐膛可燃氣體濃度較低且正常運行的情況下，一般不會發生爐膛爆炸事故。如果床溫設置太低并且爐膛內可燃氣體不能保證處于較低濃度，此類事故則有可能發生。預防的措施是科學規范投入燃料的溫度和數量， 并嚴格遵守操作規程。在點火過程中，密切關注燃料的著火情況和相關參數的變化， 確保燃料處于穩定的著火狀態。文章未對鍋爐受損部件進行微觀分析，僅通過鍋爐事故現場運行參數及事故后果進行理論分析，為防范此類事故再次發生，研究方向將從理論分析得出的結果有針對性地對鍋爐受損部件進行金屬材料微觀分析，其中包括無損檢測、理化檢測、力學性能等。