高灰分高揮發分煤爆炸傾向性研究及應用

楊峻峰，郭洋洲，劉家利，高子軍，李 炎

(1.遼寧華電鐵嶺發電有限公司，遼寧 鐵嶺 112000；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

煤粉爆炸特性直接影響電站鍋爐制粉系統運行安全，是鍋爐燃用特定煤種前必須明確的煤質特性。電力行業相關技術標準已對煤粉爆炸特性的判別及應用方法進行說明[1-3]，主要是基于煤的常規化驗分析結果，包括工業分析、元素分析和發熱量分析所得數據。我國煤炭種類極其豐富，不同煤種煤質參數差異較大?；诠I分析指標的煤粉爆炸性判別標準對于某些特殊煤種可能不適用，這在實踐中會影響電站鍋爐制粉系統的設計及運行防爆措施的制定，并可能增大排煙熱損失，進而制約火電廠節能降耗。煤粉爆炸試驗是判別煤種爆炸性的可靠方法[4-5]。

鐵法煤是遼寧北部地區主要動力煤種，為高灰分(收到基灰分(Aar)為30%±10%)、高揮發分(干燥無灰基揮發分(Vdaf)為42%±3%)、中低水分(全水分(Mt)為10%±3%)、中低熱值(收到基低位發熱量(Qnet,v,ar)為17±3 MJ/kg)煤。通常，煤的揮發分高、水分低，爆炸風險大；而煤的灰分高、熱值低，則有利于抑制煤粉爆炸。鐵法煤則二者兼有，給定性、定量預判爆炸帶來了一定的不確定性，需要通過爆炸試驗裝置才能準確判別鐵法煤爆炸特性。而目前尚未見到專門針對鐵法煤或高灰分煤影響煤粉爆炸特性的試驗測試與研究報道。

為了火電廠更安全、高效地燃用鐵法煤或者高灰分煤，優化鍋爐運行參數，并向設備的改造設計提供支撐依據，本文通過測試試驗研究鐵法煤爆炸特性，結合工業分析指標、爆炸試驗數據和工程實踐經驗總結了鐵法煤鍋爐防爆注意事項。

1 煤粉爆炸特性測試方法

1.1 煤樣制備及工業分析

采集鐵法大平、鐵法大隆、鐵法曉南3個礦點的入廠煤樣。作為試驗對比樣，還采集了白音華褐煤和神華煙煤煤樣。首先，按照相關國家標準縮分、制備了分析用煤樣，開展工業分析、元素分析和發熱量分析。然后，利用二分器和干燥箱制備1 kg左右空氣干燥基煤樣；最后將空氣干燥基煤樣磨制成R90為20%的爆炸特性試驗煤粉樣并密封保存。

1.2 熱重分析試驗方法

按國家標準《煤炭燃燒特性試驗方法 熱重分析法》(GB/T 33304—2016)[6]，依次測試5種煤粉樣的著火溫度。煤粉樣選擇爆炸特性試驗煤粉樣。熱重分析儀為WRT-1D型微機熱天平。

1.3 爆炸試驗方法

采用可調溫煤粉/空氣混合物爆炸試驗臺開展爆炸試驗，試驗臺結構如圖1所示。該爆炸試驗臺工作原理是：構建一個體積為20 L、環境溫度可控的密閉空間(爆炸罐)，然后利用壓縮空氣將爆炸罐底部的煤粉噴入密閉空間，煤粉呈彌散懸浮狀態，對電極通電形成電火花；若煤粉濃度及環境條件滿足爆炸條件，則發生爆炸；通過監測密閉空間的最高壓力和最高溫度表征爆炸烈度，通過變化煤粉濃度(每次增減0.5～1 g煤粉)可以測試出煤粉發生爆炸的最高爆壓(表壓)、最高爆溫、爆炸下限質量濃度和爆炸下限熱量濃度[4-5]。

圖1 可調溫煤粉/空氣混合物爆炸試驗臺

每次試驗前，將爆炸罐、煤粉及壓縮空氣的初始溫度調節至355±2 K、罐內表壓設置為0，壓縮空氣表壓設置為180 kPa。電極點火能量設置為15 J左右，試驗過程通過傳感及自動控制系統記錄容器內溫度和壓力的變化過程。每個相同工況重復2～4次，取有效試驗結果的算數平均值作為最終測試結果。圖2給出了一個典型工況下密閉容器內溫度和壓力的變化過程。

圖2 典型測試工況爆炸壓力和溫度曲線

1.4 爆炸特性評價方法

參考揮發分(Vdaf)、工業指標(Bc)、熱重分析著火溫度(Ti)、煤粉爆炸指數(Kd)和爆炸試驗臺爆炸熱量下限濃度(ELHC)等指標綜合評價煤粉爆炸特性。計算方法參考文獻[4]。Bc按式(1)計算：

Bc=(Var+St,ar)/(FCar+Mt+Aar)×100%

(1)

式中：Var、St,ar、FCar、Aar分別為煤的收到基揮發分、收到基全硫、收到基固定碳、收到基灰分含量，%；Mt為煤的全水分，%。

Kd值的計算和爆炸性評價按照文獻[7]推薦方法進行：

(2)

式中：Vd為煤的干燥基揮發分，%；Qnet,daf為煤的干燥無灰基低位發熱量，kJ/kg。

煤質參數不同基準間的換算見文獻[8]。爆炸熱量下限濃度是以爆炸下限煤粉質量濃度與空氣干燥基煤粉低位發熱量的乘積算得。

2 試驗結果

2.1 基本煤質參數

5種煤樣的基本煤質參數化驗結果見表1。5種煤均為高揮發分煤，神華煤Vdaf為35%左右，其余4種煤Vdaf均高于40%。鐵法大平煤、鐵法大隆煤和鐵法曉南煤Aar大于20%，為高灰分煤種，而白音華褐煤和神華煙煤Aar小于10%，為低灰分煤種。白音華褐煤水分高達27.6%，為高水分煤，其余4種煤為中-低水分煤。神華煤為中高熱值煤，其余4種煤為中-低熱值煤。

表1 5種煤樣煤質參數檢測結果

2.2 煤粉爆炸試驗結果

表2給出了5個煤樣的爆炸測試結果。從熱重分析著火溫度看，白音華煤著火溫度最低，僅為484 K，說明其反應性最高；而神華煤著火溫度最高，為549 K，說明其反應性最低。鐵法煤著火溫度介于白音華和神華煤之間。從熱重分析結果可知，煤粉著火溫度和反應性與煤的Vdaf對應關系明顯，即Vdaf越高，著火溫度越低，反應性越高。但著火溫度只能代表煤種反應性，不能準確預測煤種爆炸特性。爆炸試驗中，鐵法大平和鐵法大隆煤樣在試驗條件范圍內逐漸增大煤粉濃度，均不發生爆炸；其余3個煤樣中，白音華煤爆炸下限熱量濃度最低，相對最容易爆炸，但是爆炸后最高溫度、壓力相對最低，這是由于其空氣干燥基水分對溫度、壓力的上升起到了一定的抑制作用。鐵法曉南煤雖然爆炸后溫度最高，但是其爆炸下限熱量濃度最高、最大壓力也較低，說明并不易爆炸。而神華煤爆炸下限熱量濃度接近于白音華褐煤，但其爆炸后溫度較高、壓力最高，說明爆炸迅猛、烈度更大。從爆炸難易而言，5種煤爆炸由難至易順序為：鐵法大平/鐵法大隆→鐵法曉南→神華→白音華。結合煤質參數和熱重分析結果，說明鐵法煤的高灰分特征對煤的爆炸性起到了顯著的抑制作用。

2.3 煤粉爆炸特性綜合評定

現有文獻報道了多種煤粉爆炸性指數。為全面分析爆炸特性，這里依據文獻計算了5種煤樣不同的爆炸特性指數，見表3。按揮發分或熱重分析著火溫度，5種煤均為極易或易爆炸。按工業指標Bc，鐵法大平和鐵法大隆屬中等爆炸性煤種，其余3種煤為易爆炸性煤種。Kd廣泛用于制粉系統設計。按Kd指標，鐵法大平煤屬于難爆性煤，其余4種煤均屬于易爆或極易爆炸性煤種。爆炸試驗可直接、可靠地表征煤粉爆炸性，這里按照文獻[4]所述方法獲得5種煤粉爆炸性傾向判別結果。結果顯示，鐵法大平、鐵法大隆和鐵法曉南均屬于低爆炸性煤種，而白音華和神華煤屬于易爆炸性煤種。依據爆炸試驗結果，并參考實際鍋爐燃用這些煤種的工程經驗，綜合評定了5種煤的爆炸性。鐵法煤屬于難爆炸或較難爆炸煤種，而白音華煤和神華煤屬于極易爆炸煤種。

從以上結果可知，Kd值與以工業分析或熱重分析為基礎的其他指標相比，能可靠地判別出煤粉爆炸性趨勢，特別是爆炸難易程度與爆炸試驗所得難易序列一致。但在準確預測煤粉爆炸性方面，高灰分具有顯著抑制煤粉云爆炸的作用，目前的Kd值判別標準對鐵法煤這類高灰分、高揮發分特征煤種適應性不夠，需結合爆炸試驗才能更為準確地判別煤粉爆炸特性。

表2 煤粉爆炸特性試驗數據

表3 煤粉爆炸性綜合評價結果

3 制粉系統爆炸風險分析

3.1 燃用鐵法煤制粉系統運行情況

鐵嶺發電廠4×300 MW和2×600 MW機組鍋爐設計煤種均為鐵法煤。鐵法煤Vdaf≥40%，若按照現有技術標準和機組設計值，則磨煤機出口風粉溫度需嚴格控制在343 K以下。

鐵法煤灰分高，可磨性指數HGI為60左右，較難磨。為預防磨煤機堵塞，運行中經常采用偏大的通風量。同時，電站鍋爐節能提效極為重要，鍋爐效率是電站鍋爐能效的核心指標，排煙溫度是鍋爐效率最顯著的影響因子。為盡可能降低排煙溫度，鍋爐運行中需要關小甚至完全關閉磨煤機入口熱一次風的旁路冷風門，使一、二次風盡可能流經空氣預熱器，將煙氣熱量更多地回送至燃燒系統。鐵法煤水分屬中-低水平，在上述一次風量偏大、入磨風溫較高的工況下，磨煤機出口溫度升至358 K左右，遠超設計值(343 K)。然而，從長期運行情況看，燃用鐵法煤時制粉系統爆炸風險處于可控狀態，這驗證了前文爆炸試驗顯示的鐵法煤較難爆炸的結論。因此，在充分確認煤粉爆炸風險較低、防爆措施執行較好的情況下，可適度提高鍋爐磨煤機出口一次風粉溫度，以減小排煙熱損失，降低發電煤耗。

3.2 鐵法煤鍋爐摻燒其他煤種

近年煤炭市場供需緊張，上述鍋爐開始混燒鐵法煤和其他煤種。運行中，鐵法煤爆炸風險較低，在摻燒低熱值煙煤、高水分褐煤時，制粉系統均較為安全。然而，在摻燒揮發分低于鐵法煤的高熱值煙煤時，卻發生了多次制粉系統爆燃、爆炸，其原因主要是高熱值煙煤(類似神華煤)爆炸性遠強于鐵法煤，若采用鐵法煤工況下的制粉系統運行參數，則磨制高熱值煤時發生爆燃、爆炸概率會陡增。此外，制粉系統積粉及不適當的啟停磨操控方法可能會進一步提高爆燃、爆炸概率[9-11]。因此，明晰上述作用機制后，鐵法煤鍋爐燃用高熱值高揮發分煙煤需嚴格控制磨煤機出口風粉溫度，必要時可開啟冷一次風門，兼顧節能降耗與制粉系統安全。在降低磨出口風溫并嚴格執行防爆操作規程后，制粉系統爆燃、爆炸得到了有效抑制。

4 結論

a.鐵法煤較難爆炸，高灰分對煤粉爆炸具有顯著的抑制作用。對于高灰分煤種，揮發分、熱重分析著火溫度只能代表煤種反應性，用于預測爆炸特性偏差較大。工業指標Bc、Kd可預測爆炸性相對強弱程度，但對于高灰分、高揮發分煤，判別煤粉爆炸性準確度不足，建議結合更多爆炸試驗數據和工程應用完善相關判據。

b.工程應用中燃用鐵法煤，建議將磨煤機出口風粉溫度控制在358 K以下，爆炸風險相對較低，與現有技術標準對應的343 K左右相比，可降低排煙溫度，進而實現節能降耗。

c.設計煤種為鐵法煤的鍋爐混燒高揮發分、高熱值煙煤時，可能導致混燒煤種爆炸，因此需特別重視制粉系統防爆，降低磨出口風溫，并嚴格執行防爆安全措施，以更好兼顧節能降耗與制粉系統安全。