煤粉工业锅炉爆燃机理分析及防爆措施

杨 允，何海军

(1.中煤科工清洁能源股份有限公司，北京 100013；2.中煤科工(天津)清洁能源研究院有限公司，天津 300467)

0 引 言

进入21世纪以来，随着工业化、城镇化进程加快和消费结构持续升级，我国能源需求刚性增长，环境形势日益严峻[1-3]。经国家统计局初步核算，2019年全年能源消费总量为48.6亿t标准煤，大量的能源消耗造成我国中东部地区大气严重的复合污染，突出表现为京津冀、长三角和珠三角等城市出现持续“雾霾”天气。

据统计，雾霾来源和成因的30%～40%是由工业燃煤排放污染物造成的[4]。而截至2016年，我国燃煤工业锅炉总数约60万台，每年煤炭消费量约7亿t标准煤[5]。由此看出，推广应用高效环保的燃煤工业锅炉是改善大气污染状况的有效途径。

煤粉工业锅炉具有高效节能、启停快速、清洁环保、密闭清洁、操作简单、自动化程度高等优点[6-8]，符合国家紧迫的节能减排形势和政策导向，是传统高污染、高能耗燃煤工业锅炉的升级换代产品，也是中小型燃油、燃气锅炉的理想替代品[9-10]。

近几年来，在技术进步和政策的推动下，煤粉工业锅炉得到迅速发展，应用日趋广泛，已逐渐成为中小型生产企业、工业园区、城市等集中供热系统的重要组成部分[11-13]。

锅炉是一种特殊的密闭性的热工设备，煤粉锅炉因为使用的是煤粉，如果运行操作不当，炉膛就可能会发生爆燃，不仅危及设备机组安全、经济运行，还可能造成严重的设备损坏和人员伤亡[14-17]。

笔者根据多年建设、调试、运行、维护煤粉工业锅炉的经验，分析了爆燃发生的机理及主要影响因素。结合实际工程事故案例，分析了诱发爆燃的主要原因，并从点火前安全检查、清除送粉管内沉积煤粉、设置火检和负压联锁保护、控制水封刮板水位、停炉保养等角度，提出一些列防爆措施，以为今后预防此类事故的发生提供有效依据和参考。

1 煤粉锅炉爆燃机理

1.1 爆燃的定义

煤粉锅炉爆燃是指炉膛内发生的煤粉瞬时被点燃的现象。在炉膛内出现煤粉积存的情况时，当遇到符合发生煤粉爆燃的点火能，炉内积存的煤粉会突然被点燃，其火焰的传播速度很快，生成的烟气容积突然增大，来不及由炉膛排出，使得炉内压力聚增。

爆燃不仅危及设备安全及经济运行，当炉膛内压力超过炉墙所承受的最大压力时，炉膛将发生爆炸，可能造成严重的设备损坏和人员伤亡。因此，预防、减少和杜绝此类事故的发生至关重要。

1.2 爆燃的条件

煤粉燃烧所需理论空气量如下[18]：

Va=0.088 9 (Car+0.375Sar)+0.265Har-0.033Oar

(1)

其中，Va为理论空气量，m3/kg；Car为煤粉收到基碳含量，%；Sar为煤粉收到基硫含量，%；Har为煤粉收到基氢含量，%；Oar为煤粉收到基氧含量，%。

对于煤粉与空气的混合物，在理论空气量下，煤粉单位容积发热量最高，而且火焰传播速度也最快，此时对应的煤粉浓度叫最易爆炸浓度。当空气量超过理论量时，随着空气量的增加，煤粉浓度不断下降，当煤粉浓度降到一定程度后，由于过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延，混合物既不会爆炸也不会着火，此时对应的煤粉浓度叫最低爆炸浓度。当空气量低于理论量时，随着空气量的减少，煤粉浓度不断上升，当煤粉浓度升到一定程度后，煤粉氧化所需的空气量严重不足，导致火焰不能蔓延，混合物能燃烧但不会爆炸，此时对应的煤粉浓度叫最高爆炸浓度。

综上所述，煤粉锅炉爆燃有三个必要条件：一是存在足够的煤粉和空气；二是煤粉和空气的混合物达到了爆炸极限浓度(不同煤种煤粉爆炸极限浓度见表1)；三是存在足够的点火能量。锅炉要发生爆燃，以上三个条件缺一不可，若有一个条件不存在，就不会发生爆燃。

表1 煤粉的爆炸极限浓度[19]

1.3 爆燃的数学模型[20]

炉膛内瞬间的煤粉爆燃可视为定容绝热过程，应用能量守恒方程，炉膛内介质的温升：

(2)

其中，ΔT为炉膛内介质的温升，K；Vr为煤粉的积存容积，m3；Qr为煤粉单位容积发热量，kJ/m3；V为炉膛容积，m3；CV为炉膛介质的平均定容体积比热容，kJ/(m3·K)。

将炉膛内介质视为理想气体，根据理想气体状态方程：

(3)

其中，P1为爆燃前炉膛内介质的压力，Pa；T1为爆燃前炉膛内介质的绝对温度，K；P2为爆燃后炉膛内介质的压力，Pa；T2为爆燃后炉膛内介质的绝对温度，K。

联立上述两式，爆燃后炉膛内的介质压力为：

(4)

1.4 爆燃后压力大小的影响因素

由式(4)可得出，炉膛爆燃后压力大小的主要影响因素为煤粉积存容积和炉膛容积的比值Vr/V、煤粉单位容积发热量Qr和爆燃前炉膛内介质的绝对温度T1。经分析还可得出：

(1)炉膛中积存少量的煤粉，即使爆燃，也只是“放炮”，不会造成爆炸性破坏，只有当Vr/V比较大时才会使爆燃后的压力升高较大，造成爆炸性破坏。

(2)煤粉单位容积发热量Qr越大，爆燃后的压力升高越大。Qr值的大小同煤粉空气的浓度比有关，在理论空气量下，Qr值最高，而且火焰传播速度也最快，当空气量超过理论量时，热值降低，空气量过多时混合物将为不可燃物，混合物中煤粉浓度过高则氧气不足，混合物也为不可燃物。

(3)炉膛温度T1越低，爆燃后的压力越大。在锅炉点火起动初期，炉膛温度低，此时爆燃产生的破坏力将最为严重。T1越高，P2越小，当温度超过可燃物的着火温度时，煤粉进入到炉内即被点燃，不会产生可燃物积存现象。

2 煤粉锅炉诱发爆燃的原因

煤粉锅炉发生爆燃的根本原因是煤粉在炉膛内积存，当具备点火能量时被点燃。导致煤粉积存的原因包括4种：① 炉膛灭火；② 锅炉停运期间，燃料关断设备(阀门、挡板)失去控制或泄漏；③ 重复不成功的点火，未及时吹扫；④ 锅炉启动过程中，炉膛内没有足够点燃煤粉的温度和能量。

炉膛灭火是导致煤粉锅炉爆燃最常见的原因。导致炉膛灭火常见的原因有：① 锅炉运行中煤粉、风或点火源突然中断；② 锅炉运行中燃烧器熄灭；③ 锅炉辅机发生故障；④ 煤粉性质突然改变，司炉未及时调整，变化后的新煤粉不能适应原燃料配风，特别是当煤粉挥发分降低时更为突出；⑤ 种种原因造成的断煤粉(如一次风管堵、煤粉仓烧空、给粉机故障、下粉管堵等)；⑥ 长时间低负荷运行或向炉膛内漏入大量的冷风；⑦ 炉内严重结焦，破坏了炉内正常的动力场，使炉内风粉混合不良；⑧ 吹灰、除焦操作不当，燃烧调整不及时、误操作等。

3 煤粉锅炉爆燃实例分析

3.1 兰州市某20 t/h热水煤粉锅炉

锅炉型号SZS14，共6台，用于冬季供暖，2012年3月建成投产，所用煤种为烟煤。炉膛仅设一个防爆门，底部采用仓泵收集炉渣，形成“死膛”。

事故发生过程：锅炉运行中螺旋给料机卡住，人工盘松后，在未点火的情况下，打开螺旋给料机，同时调高电机赫兹数，随后炉膛发生爆炸。事故造成炉膛变形，炉墙鼓起。类似的事故前后发生两次。

事故原因分析：在高赫兹数下开螺旋给料机，必然会导致大量煤粉进入炉膛，而此时炉膛内无点火源，造成煤粉在炉膛内积存。由于停炉时间短(3～4 h)，炉膛局部温度高，阴角处存有火星，引发煤粉爆燃，炉膛内压力骤升，而炉膛是“死膛”，且防爆门较少，炉内压力不能及时卸出，导致炉膛发生爆炸性破坏。

3.2 烟台市某20 t/h蒸汽煤粉锅炉

锅炉型号SZS20-1.6-AIII，用于生产供汽，2010年11月建成投产，所用煤种为烟煤。炉膛底部采用12个锁气阀，炉膛被封死，形成“死膛”。

事故发生过程：锅炉运行中一次风机因联锁保护而停机，在未点火的情况下，直接打开一次风机，对一次风管道进行吹扫，随后炉膛发生爆炸。事故造成防爆门飞出，炉膛变形，炉墙鼓起。

事故原因分析：一次风机停机后，煤粉在一次风管内沉积，在未清理管内沉积煤粉的情况下，直接开一次风机，管内沉积的煤粉被吹进炉膛，造成煤粉在炉膛内积存。由于停炉时间短(1～2 h)，炉膛局部温度高，阴角处存有火星，引发煤粉爆燃，炉膛内压力骤升，而炉膛是“死膛”，炉内压力无法及时卸掉，导致炉膛发生爆炸性破坏。

3.3 宿迁市某60 t/h蒸汽煤粉锅炉

锅炉型号DHS60，共2台，用于生产供汽，2013年5月建成投产，所用煤种为烟煤。

事故发生过程：与3.2节事故相似，区别在于该事故发生于锅炉点火启动阶段，炉膛内存在点火源。事故造成炉膛压力超过3 kPa，防爆门弹开。

事故原因分析：与3.2节事故原因相似，区别在于该事故中炉膛内存在点火源，其提供点燃煤粉的温度和点火能量。

3.4 泰安市某22 t/h蒸汽煤粉锅炉

锅炉型号DHS22-2.45-AIII，用于生产供汽，2015年8月建成投产，所用煤种为烟煤。炉底采用水封刮板，但水封深度太深，达到60 cm。

锅炉结焦后，未准确判断、尽早处理，导致焦越结越多，不断蔓延，直至出现掉焦现象。由于水封深度过深，掉焦引发水蒸气大量逃逸，导致锅炉运行中灭火，炉膛发生爆炸，事故造成炉膛变形，炉墙鼓起。

4 煤粉锅炉爆燃事故预防措施

根据爆燃机理，结合工程经验，防止煤粉锅炉爆燃事故发生最根本的方式是避免煤粉在炉膛内积存，而避免煤粉在炉膛内积存，最主要的是防止锅炉运行时炉膛灭火，应做好以下工作：

(1)锅炉运行中，必须将火检和负压联锁保护投入使用。停炉检修时，需检查火检和负压联锁保护是否正常。

(2)锅炉燃烧工况不稳、出现明显灭火迹象时，禁止投油。

(3)水封刮板内水深需控制在20 cm～30 cm，当水深不足时，需及时补水。

除此之外，在锅炉点火、运行、停炉等方面还应做好以下工作：① 锅炉点火前需检查点火强度是否足够，包括检查油箱内油位、油枪雾化效果等，还应及时清理油枪，保证油枪的雾化片和油通道不堵塞。② 锅炉主燃料跳闸系统保护动作后，应立即检查煤粉切断情况，切忌注重恢复而忽视对煤粉是否被完全切断的检查。③ 如遇供料器卡住，严禁尝试通过提高供料电机赫兹数冲开，人工盘松后，开供料器时需保证点火源已打开。④ 锅炉停炉后，应立即切断燃油系统，并确认系统油压回零，以防止油漏入炉膛内；禁止在冷态情况下，将煤粉排入炉膛内。⑤ 非正常停炉，一次风管吹扫前，宜将一次风粉管底部弯头拆卸下来，清除内部沉积煤粉后，在点火源打开的前提下，点动吹扫2～3次。

最后，为了尽可能减小煤粉锅炉爆燃事故发生时造成的损失，在锅炉设计时，炉膛上必须设置足够多的防爆门，炉膛至对流受热面的烟道上易设置2个防爆门。

5 结 论

基于爆燃数学模型，就煤粉锅炉的爆燃机理给予分析，结果表明煤粉积存容积和炉膛容积的比值、煤粉单位容积发热量、爆燃前炉膛内的温度是影响煤粉锅炉爆燃的主要因素。结合实际工程事故案例，分析了诱发煤粉锅炉爆燃的主要原因，并在锅炉设计、点火、运行、停炉等环节提出了一系列防爆措施，包括点火前强化安全检查、及时清除送粉管内沉积煤粉、设置火检和负压联锁保护、合理控制水封刮板水位、注重停炉保养等。经实践证明，以上措施可有效解决煤粉工业锅炉爆燃问题，可保证锅炉安全、经济、稳定运行。