煤粉锅炉粉仓爆炸的原因分析及防治措施研究

2021-07-07马洪洲

煤质技术 2021年3期

马洪洲

(中煤科工清洁能源股份有限公司，北京 100013)

0 引言

煤炭仍是我国最主要的一次能源，在发电、工业生产及民用取暖等领域，煤磨制成粉进行燃烧是利用效率最高、使用最广泛的一种方式。为保证煤粉锅炉稳定生产运行，燃用不同煤种的煤粉锅炉通常均配有大型的炉前煤粉仓，以满足锅炉一定时间燃烧的需要。细粉状的煤活性高、极易自燃，煤粉仓中大量的煤粉如发生燃烧极易引发煤粉仓的爆炸，导致设备损坏和人员伤亡等重大事故。如广州市旺隆热电厂DG420/9.8-II2型高温高压自然循环煤粉炉粉仓爆炸事故[1]、淮南洛河发电厂二期2×300 MW机组粉仓爆炸事故[2]及德州晶华集团2 550 t/d干法生产线二号线煤粉仓自燃事故[3]等。因此，煤粉仓爆炸原因、如何防范煤粉仓的爆炸以及爆炸发生后采取何种最佳处理方法将爆炸的危害降至最低一直是相关学者和专家重点研究的内容。蒋冬青等人[4]对煤粉爆炸的必要条件进行了系统分析并针对风扫磨煤系统提出了改进措施。Cashdollar[5]在实验室内采用20 L爆炸测试炉对煤粉仓内的最大压力升高速率、最小氧气浓度和惰化剂最低用量等与煤粉仓爆炸相关的参数进行了测定，其研究发现煤粉颗粒的粒径对煤粉爆炸有很大的影响。肖翠微[6]对煤粉爆炸的参数进行了实验室测量，并且依据其测量结果，结合煤粉工业锅炉煤粉仓的特征给出了限制煤粉仓内煤粉浓度和氧气浓度、火源控制和设置泄爆装置等防止煤粉仓爆炸的措施。钱详鹏[7]结合姚孟电厂及南京热电厂煤粉仓爆炸的事故对煤粉仓爆炸的原因进行了分析，提出了惰性化在煤粉仓爆炸预防中相对重要的作用。

笔者在总结前人在煤粉仓爆炸方面的研究基础上，对煤粉仓爆炸的原因进行分类分析，对预防煤粉仓爆炸事故所做的各类改进措施进行了整理分析。以期对今后煤粉仓爆炸事故的预防和处理措施起到理论支撑的作用。

1 粉仓爆炸主要原因分析

煤粉是含碳量极高的有机混合物，影响粉仓内煤粉自燃爆炸的主要原因包括煤的挥发分、粒径、煤粉仓内气氛和温度等原因。

1.1 煤的挥发分

煤粉仓内的煤粉长期处于堆积状态下，一旦发生自燃现象极易导致煤粉仓爆炸。经研究，挥发分的高低不仅关系到煤的爆炸特性，还影响到煤在堆积状态下的自燃指数，自燃温度与煤的挥发分的关系[8]见表1。挥发分越高，自燃温度越低，说明较高挥发分的煤种活化能低，越容易在煤粉仓中出现自燃的现象。

表1 自燃温度与煤的挥发分的关系[8]Table 1 Relationship between the volatility and autoig-nition temperature of coal[8]

研究表明，煤的挥发分含量越高，越容易发生爆炸，按照煤的挥发性对其爆炸指数和爆炸等级(见表2)进行分析后发现，随着挥发分含量的升高，爆炸指数和爆炸等级都逐渐升高。究其原因是由于挥发分较高的煤在受热达到活化能之后能够迅速释放出大量的气态产物，如CO、CH4等，导致煤粉仓内压力急剧升高引发爆炸。同时，挥发分含量越高，煤粉仓发生爆炸时产生的爆炸压力越高，温度也越高，破坏力更强[9]。

表2 煤的爆炸特性[10]Table 2 Explosion characteristics of the coal[10]

1.2 煤粉的粒径

当前工业应用中燃用的煤粉通常粒径小于500 μm，小型煤粉工业锅炉的常用煤粉颗粒则更细，通常粒径小于100 μm。煤粉仓中的煤粉通常以气力输送的形式，由压缩空气携带进入煤粉仓内。而煤粉颗粒的粒径越小，其比表面积越大，更利于和氧气接触。因此煤粉的粒径越小，煤粉仓内煤粉发生自燃爆炸的概率越将显著提高，爆炸的破坏力也同样有所提高，煤粉粒径导致火灾爆炸的危险系数见表3。研究显示，当煤粉粒径大于1 000 μm时，煤粉爆炸的可能性很低[11]。何琰儒等人[12]针对煤粉粒径对发生爆炸影响的实验和模拟研究工作进一步证实了煤粉粒径与煤粉仓爆炸之间的关系。

表3 煤粉粒径与导致火灾爆炸的危险系数的关系Table 3 Relationship between coal particle size and the risk factor of explosion

1.3 煤粉仓内气氛

粉仓内的煤粉发生爆炸需要在一定的粉尘浓度范围内(爆炸极限)才能发生，研究表明，煤粉与空气混合后，只有在煤粉浓度大于30 g/m3，小于7 000 g/m3的范围内时，爆炸才会发生[4]。实际煤粉仓中下部堆实的煤粉浓度是明显大于该范围的，因此煤粉打粉时，粉仓中上部空间的煤粉浓度才是需要重点测量的位置。可燃物、氧或氧化剂、火源是煤粉燃烧发生的必要条件。在煤粉仓爆炸的防治工作中，除煤粉浓度外，煤粉仓中氧气浓度是对煤粉自燃和爆炸起到决定性作用的因素，以上也是很多煤粉仓布置惰化剂喷入装置的原因，其目的是降低煤粉仓中的氧气和挥发性可燃物浓度。

1.4 煤粉仓内温度

煤粉仓内温度升高是导致煤粉出现自燃和爆炸的重要因素之一。我国常用煤的着火温度通常高于300 ℃，但处于堆积状态的细颗粒煤粉其发生自燃的温度要更低。并且，随着挥发分含量的升高和煤粒径的减小，煤粉自燃所需的最低自燃温度和最低氧气浓度都会出现降低的趋势[9]。

造成煤粉仓内温度超温的原因是多种多样的，比较常见的是带入性热源导致的煤粉仓内超温和煤粉仓内部积粉结皮导致对外传热能力下降所导致的煤粉仓内超温。由于水分对于煤粉的气力输送和燃烧都有很大的影响，因此通常用于气力输送煤粉的空气和煤粉本身都要经过烘干的过程，一旦烘干温度过高，输送管路过短就容易造成带入性温度超温。而煤粉仓内部尤其是下部如存在下粉不畅的滞止区就容易造成积粉、结皮等现象，从而打破原有煤粉仓内的热力平衡，造成煤粉仓超温爆炸。

2 煤粉仓爆炸的预防措施

2.1 避免燃用不适宜的煤种

燃煤锅炉的设计通常是在一定的适用煤种范围完成的。通过分析可知，煤种的变更不仅将对燃煤锅炉的燃烧产生影响，也会成为煤粉仓发生爆炸的重要原因。因此，在更换锅炉燃用煤质前，对燃用的煤种进行充分的煤质分析和燃爆性分析，避免使用不适宜的煤种是防控煤粉仓爆炸的重要手段之一。

2.2 改进煤粉仓结构

煤粉仓的顺利进粉和下粉对煤粉仓的正常工作和爆炸事故预防具有非常重要的意义。如改善煤粉仓下端锥度、避免出现漏斗流和起拱、维持仓内整体流(如图1所示)、改良煤粉仓下粉管路中的易堵粉部件都能够有效地预防煤粉仓中出现滞止区，防止煤粉仓内结皮的产生。同时需认识到煤粉仓虽然为煤粉的贮存设施，但其容易发生爆炸危险，因此煤粉仓的设计需要考虑仓壁和各个部件的承压能力[11]，较高的承压能力是在爆炸事故发生时挽救生命的最直接手段。

图1 煤粉仓流态Fig.1 Flow patterns of pulverized coal bunker

2.3 设置爆炸应急措施

煤粉仓事故一旦发生，其造成的危害将非常严重，因此，在煤粉仓上设置必要的应急措施尤为重要。应急措施包括煤粉仓上的防爆泄压门、惰化剂和冷却剂喷入装置[13]、煤粉仓内消防设施及与后端锅炉相连的全系统联动报警装置等。喷入惰性剂除了作为煤粉仓常用的应急处理手段以外其实也可以作为煤粉仓正常使用的常规运行手段，氮气、CO2等常见惰化剂的喷入能够显著降低煤粉仓内氧气含量，预防煤粉仓自燃和爆炸的发生。目前煤粉仓防爆泄压门的设置已经是最常用的煤粉仓设计，合理的泄压阀值需要经过严格精准的计算，同时，定期对防爆泄压装置进行检查也是必须严格执行的运行程序。

2.4 制定严格的运行管理规程

总结大量事故的发生发现，很多事故的发生都是由于运行人员对设备不熟悉、未按运行规程操作或疏忽操作造成的[14]。因此，制定严格的运行管理规程，避免不当操作，实现严格的定时检控制度是避免煤粉仓爆炸事故发生的有效方法之一。

2.5 加强煤粉仓内的测控

煤粉仓内部的料位、温度、压力和湿度等参数也是煤粉仓安全使用的重要参数。常见的煤粉仓装设的料位计如螺旋料位计、音叉料位计和重锤探测式料位计等均存在一定的测量误差，因此定期对煤粉仓内料位计进行检查是非常必须的。同时，针对不同的工况条件和煤种条件，应对煤粉仓内的温度、压力和湿度等重要参数进行严格的监控和使用范围限定，煤粉仓内部测控点布置如图2所示。生产运行中应使得粉仓内各项数据参数均处于安全使用范围之内，以实现煤粉仓爆炸事故的防患于未然。