浅谈电站锅炉制粉系统在高温空气及可燃煤粉介质

浅谈电站锅炉制粉系统在高温空气及可燃煤粉介质

范奇帅

大唐鲁北发电有限责任公司范奇帅

摘要：结合盘县发电厂锅炉制粉系统的频繁爆炸问题，介绍了锅炉制粉系统的形式和煤粉性质，并对煤粉的爆炸特性和盘县发电厂锅炉制粉系统的爆炸原因进行了分析，提出了预防制粉系统爆炸的管理经验、设计要求及针对性的改进措施。

关键词：锅炉；制粉系统；爆炸；预防；管理

电站锅炉制粉系统在高温空气及可燃煤粉介质的工况下运行，如果系统设计或运行调整不当，可能产生热爆等安全隐患，严重影响着电厂的安全经济运行。据国内150台运行锅炉调查统计，约有42%的燃煤锅炉发生过热爆问题。据美国EPRI统计，在美国的361台燃煤锅炉中，平均每台锅炉每年发生制粉系统着火1.26次，每年爆炸0.31次，美国有差不多22%的燃煤机组存在着着火或爆炸问题，其中有18%的燃煤机组存在着严重的爆炸问题。因此，制粉系统的热爆问题引起了各发电厂商的高度重视。

一次风管内流动的是风粉混合物，由于各种各样的原因，近几年一次风管热爆问题时有发生，有的烧毁火嘴，有的靠近火嘴的一次风管管段烧红、变形，甚至爆裂，导致机组非计划停机，危及机组的安全经济运行。本文结合某厂一台670t／h锅炉，对一次风管煤粉爆燃问题展开实验及理论分析研究。

1锅炉概况及研究方案

该锅炉型号为HG-670／140-9，锅炉本体采用单炉膛П型布置，炉膛宽度13.66m，深度11.66m，其设计煤种为开滦洗中煤，制粉系统为中储式，燃烧器采用四角布置切圆燃烧方式。

每组燃烧器由6层二次风喷嘴、4层一次风喷嘴和2层三次风喷嘴组成。

该锅炉自1997年以来，主要燃用山西贫煤与烟煤的混煤，由于所燃用的煤种有所变化，锅炉燃烧的稳定性变差。燃用某些煤种（或混煤）时，炉内发生灭火，与此同时，在燃用另一些煤种时，又出现一次风管爆燃的事故。主要表现：火嘴烧坏，与火嘴连接的一次风管发生振动，甚至一次风管烧红而爆裂，煤粉泄漏。出现上述情况，故障停机，造成巨大的经济损失。根据事故的特点以及该锅炉燃烧的历史状况，初步认为，造成一次风管爆燃的根本原因是，该锅炉所燃用的煤种发生了变化，而由于锅炉结构的限制，锅炉运行无法根据煤种的变化作出相应调整，导致煤质特性与当前炉型及制粉系统不相适应，从而产生烧毁喷嘴及一次风管爆燃的事故。根据上述初步分析，有必要首先将该锅炉目前所用煤种的燃烧特性（尤其是煤的着火特性）研究清楚，

2实验设备及煤质特性

煤质特性分析采用的是LECO公司生产的MA-500型工业分析仪，以及CHNS-600型元素分析仪。煤的热重分析（TGA）采用德国NETSCH公司的STA-409热重分析仪，气氛为空气，温度范围为0～1000℃，升温速率为20℃／min，样品为煤粉。热态燃烧实验在实验室一维炉上进行，一维炉的结构及流程示意图参见图1。实验系统由给粉机、燃烧器、燃烧室、尾部烟道、烟气净化装置及烟囟组成，燃烧器为同心套管直流燃烧器，内管为一次风口，外管为顶二次风口，燃烧室侧面布置三层二次风口。燃烧室由6段炉体组成，每段炉体上布置有取样孔及热电偶温度测点。通过改变给粉机的振动频率来改变给粉量，给粉量可在1～3kg／h范围内无级调整，以适应不同工况、不同煤种的实验要求。燃烧室的温度由敷在保温砖上的耐高温电阻丝加热维持，实验过程中由控制盘上程序自动控制加热温度。在炉体的每个取样孔及燃烧室尾部均可抽取烟气进行烟气分析，并可获取固体灰样，考察其燃尽性能。

3实验结果及分析

三种典型煤的煤质分析结果

煤粉着火稳定性指数FI表征燃料着火的难易程度，定义如下：

FI＝a/Ti+b/T1max+c（dw/dt）max

式中Ti——着火温度，℃；

T1max——最大燃烧速度所对应的温度，℃；（dw/dt）max——煤的最大燃烧速度，mg／min；a、b、c——根据煤种不同而不同的计算常数。

式中的Ti、Tmax、（dw/dt）max可从热重分析曲线获得。一般而言，煤粉着火稳定性指数FI越大，煤粉的着火性能越好。由实验结果可看出，三种煤的着火性能高低排列为：煤2→煤3→煤1，可见，在其它条件相同的情况下，煤2较其它两种煤更容易着火，也就是说，在爆燃的外部条件具备的情况下，煤2较其它两种煤在一次风管内更具有潜在的爆燃危险性。三种典型煤的一维炉实验结果。由不同煤种沿燃烧室纵向温度分布曲线图可看出：（1）各燃烧工况下炉内气相温度分布各不相同，对于煤1和煤3，在700、800℃炉温下，其炉内气相温度分布趋于平坦，虽然有放热反应发生，但不明显，当炉温控制在900、1000℃时，才有明显的燃烧放热曲线；对于煤2，在所有的实验炉温下，都呈现明显的燃烧放热过程，说明煤2较煤1和煤3有着较好的着火性能。（2）各燃烧工况下炉内最高气相温度各不相同，由高到低排序为煤2→煤3→煤1，说明在同样的外部条件下，煤2更容易着火燃烧。（3）不同煤种不同加热温度的燃尽性能以飞灰含碳量表示，其实验结果如图5所示。由图5看出，炉温越高，燃烧室出口的飞灰含碳量越小；在相同的炉温、相同的停留时间及配风工况下，燃用煤2时，其炉膛出口飞灰含碳量较低，说明煤2着火及燃烧性能明显优于其它两种煤。（4）上述分析表明，煤2着火点明显低于其它两种煤，着火性能优越，考虑到该锅炉一次风管的结构特点及运行情况，为防止一次风管爆燃的频繁发生，在该锅炉选用煤种时，建议不选用煤2，优先燃用煤1，慎用煤3，如燃用煤2，必须同时实施其它防爆燃措施。

4结束语

本文从煤粉着火燃烧的角度出发，采用实验的方法，分析了三煤种的着火性能，为预防一次风管爆燃，提出了建议采用的煤种。应该强调的是，为彻底解决一次风管的爆燃问题，除了燃用优化煤种以外，还有以下几个方面需要考虑：（1）合适的煤粉细度；（2）恰当的风粉比（煤粉浓度）；（3）适宜的一次风温度；（4）合适的一次风速，避免一次风管道内煤粉沉积，同时避免喷口处产生回火；（5）适当控制一次风中的氧浓度等。

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