煤粉工業鍋爐爆燃機理分析及防爆措施

馬劍興 黃朔

摘要：進入21世紀以來，隨著工業化、城鎮化進程的加快和消費結構的不斷升級，我國的能源需求日趨剛性，環境形勢日益嚴峻。據國家統計局初步測算，2019年能源消費總量為48.6億噸標準煤。巨大的能源消耗導致了中東部地區嚴重的復合空氣污染，特別是京津冀、長三角、珠三角等城市持續出現的“霾”天氣。據統計，30%-40%的霧霾來源和原因是由工業燃煤排放的污染物造成的。截至2016年，我國燃煤工業鍋爐總量約為60萬臺，年耗煤量約為7億噸標準煤。因此，高效環保燃煤工業鍋爐的推廣應用是改善大氣污染的有效途徑。

關鍵詞：煤粉工業;鍋爐爆燃;機理分析;防爆措施

一、煤粉鍋爐爆燃機理

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。

2.爆燃的條件

煤粉燃燒所需理論空氣量如下：

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;二是煤粉與空氣混合物達到爆炸極限濃度（不同煤粉爆炸極限濃度見表1）;第三，有足夠的點火能量。鍋爐要想爆燃，以上三個條件之一是必不可少的。如果一種條件不存在，就不會發生爆燃。

二、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。

三、煤粉鍋爐爆燃實例分析

1.蘭州市某20t/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（3～4h），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。

2.煙臺市某20t/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（1～2h），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.宿遷市某60t/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3kPa，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。

4.泰安市某22t/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60cm。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。

四、煤粉鍋爐爆燃事故預防措施

根據爆燃機理并結合工程經驗，防止煤粉鍋爐爆燃事故最根本的方法就是避免煤粉在爐內堆積，避免煤粉在爐內堆積，最重要的是防止鍋爐在運行過程中發生爐膛滅火，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20cm～30cm，當水深不足時，需及時補水。

此外，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。

結束語

在建立排氣數學模型的基礎上，分析了煤粉鍋爐排氣機理。結果表明，煤粉貯氣量與爐膛容積之比、單位體積煤粉發熱量及放氣前爐內溫度是影響煤粉鍋爐放氣的主要因素。結合實際工程事故案例，分析了煤粉鍋爐爆炸的主要原因，并對鍋爐的設計、點火和運行、爐膛等方面提出了一系列的防爆措施，包括加強點火前的安全檢查、給煤粉管保持暢通，定期沉積，設置防火檢查和負壓聯鎖保護，合理控制水封刮板水位，注意鍋爐停機維護等。實踐證明，上述措施能有效地解決煤粉工業鍋爐爆燃問題，能保證鍋爐安全、經濟、穩定運行。

參考文獻

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