高灰分高挥发分煤爆炸倾向性研究及应用

杨峻峰，郭洋洲，刘家利，高子军，李 炎

(1.辽宁华电铁岭发电有限公司，辽宁 铁岭 112000；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054)

煤粉爆炸特性直接影响电站锅炉制粉系统运行安全，是锅炉燃用特定煤种前必须明确的煤质特性。电力行业相关技术标准已对煤粉爆炸特性的判别及应用方法进行说明[1-3]，主要是基于煤的常规化验分析结果，包括工业分析、元素分析和发热量分析所得数据。我国煤炭种类极其丰富，不同煤种煤质参数差异较大。基于工业分析指标的煤粉爆炸性判别标准对于某些特殊煤种可能不适用，这在实践中会影响电站锅炉制粉系统的设计及运行防爆措施的制定，并可能增大排烟热损失，进而制约火电厂节能降耗。煤粉爆炸试验是判别煤种爆炸性的可靠方法[4-5]。

铁法煤是辽宁北部地区主要动力煤种，为高灰分(收到基灰分(Aar)为30%±10%)、高挥发分(干燥无灰基挥发分(Vdaf)为42%±3%)、中低水分(全水分(Mt)为10%±3%)、中低热值(收到基低位发热量(Qnet,v,ar)为17±3 MJ/kg)煤。通常，煤的挥发分高、水分低，爆炸风险大；而煤的灰分高、热值低，则有利于抑制煤粉爆炸。铁法煤则二者兼有，给定性、定量预判爆炸带来了一定的不确定性，需要通过爆炸试验装置才能准确判别铁法煤爆炸特性。而目前尚未见到专门针对铁法煤或高灰分煤影响煤粉爆炸特性的试验测试与研究报道。

为了火电厂更安全、高效地燃用铁法煤或者高灰分煤，优化锅炉运行参数，并向设备的改造设计提供支撑依据，本文通过测试试验研究铁法煤爆炸特性，结合工业分析指标、爆炸试验数据和工程实践经验总结了铁法煤锅炉防爆注意事项。

1 煤粉爆炸特性测试方法

1.1 煤样制备及工业分析

采集铁法大平、铁法大隆、铁法晓南3个矿点的入厂煤样。作为试验对比样，还采集了白音华褐煤和神华烟煤煤样。首先，按照相关国家标准缩分、制备了分析用煤样，开展工业分析、元素分析和发热量分析。然后，利用二分器和干燥箱制备1 kg左右空气干燥基煤样；最后将空气干燥基煤样磨制成R90为20%的爆炸特性试验煤粉样并密封保存。

1.2 热重分析试验方法

按国家标准《煤炭燃烧特性试验方法 热重分析法》(GB/T 33304—2016)[6]，依次测试5种煤粉样的着火温度。煤粉样选择爆炸特性试验煤粉样。热重分析仪为WRT-1D型微机热天平。

1.3 爆炸试验方法

采用可调温煤粉/空气混合物爆炸试验台开展爆炸试验，试验台结构如图1所示。该爆炸试验台工作原理是：构建一个体积为20 L、环境温度可控的密闭空间(爆炸罐)，然后利用压缩空气将爆炸罐底部的煤粉喷入密闭空间，煤粉呈弥散悬浮状态，对电极通电形成电火花；若煤粉浓度及环境条件满足爆炸条件，则发生爆炸；通过监测密闭空间的最高压力和最高温度表征爆炸烈度，通过变化煤粉浓度(每次增减0.5～1 g煤粉)可以测试出煤粉发生爆炸的最高爆压(表压)、最高爆温、爆炸下限质量浓度和爆炸下限热量浓度[4-5]。

图1 可调温煤粉/空气混合物爆炸试验台

每次试验前，将爆炸罐、煤粉及压缩空气的初始温度调节至355±2 K、罐内表压设置为0，压缩空气表压设置为180 kPa。电极点火能量设置为15 J左右，试验过程通过传感及自动控制系统记录容器内温度和压力的变化过程。每个相同工况重复2～4次，取有效试验结果的算数平均值作为最终测试结果。图2给出了一个典型工况下密闭容器内温度和压力的变化过程。

图2 典型测试工况爆炸压力和温度曲线

1.4 爆炸特性评价方法

参考挥发分(Vdaf)、工业指标(Bc)、热重分析着火温度(Ti)、煤粉爆炸指数(Kd)和爆炸试验台爆炸热量下限浓度(ELHC)等指标综合评价煤粉爆炸特性。计算方法参考文献[4]。Bc按式(1)计算：

Bc=(Var+St,ar)/(FCar+Mt+Aar)×100%

(1)

式中：Var、St,ar、FCar、Aar分别为煤的收到基挥发分、收到基全硫、收到基固定碳、收到基灰分含量，%；Mt为煤的全水分，%。

Kd值的计算和爆炸性评价按照文献[7]推荐方法进行：

(2)

式中：Vd为煤的干燥基挥发分，%；Qnet,daf为煤的干燥无灰基低位发热量，kJ/kg。

煤质参数不同基准间的换算见文献[8]。爆炸热量下限浓度是以爆炸下限煤粉质量浓度与空气干燥基煤粉低位发热量的乘积算得。

2 试验结果

2.1 基本煤质参数

5种煤样的基本煤质参数化验结果见表1。5种煤均为高挥发分煤，神华煤Vdaf为35%左右，其余4种煤Vdaf均高于40%。铁法大平煤、铁法大隆煤和铁法晓南煤Aar大于20%，为高灰分煤种，而白音华褐煤和神华烟煤Aar小于10%，为低灰分煤种。白音华褐煤水分高达27.6%，为高水分煤，其余4种煤为中-低水分煤。神华煤为中高热值煤，其余4种煤为中-低热值煤。

表1 5种煤样煤质参数检测结果

2.2 煤粉爆炸试验结果

表2给出了5个煤样的爆炸测试结果。从热重分析着火温度看，白音华煤着火温度最低，仅为484 K，说明其反应性最高；而神华煤着火温度最高，为549 K，说明其反应性最低。铁法煤着火温度介于白音华和神华煤之间。从热重分析结果可知，煤粉着火温度和反应性与煤的Vdaf对应关系明显，即Vdaf越高，着火温度越低，反应性越高。但着火温度只能代表煤种反应性，不能准确预测煤种爆炸特性。爆炸试验中，铁法大平和铁法大隆煤样在试验条件范围内逐渐增大煤粉浓度，均不发生爆炸；其余3个煤样中，白音华煤爆炸下限热量浓度最低，相对最容易爆炸，但是爆炸后最高温度、压力相对最低，这是由于其空气干燥基水分对温度、压力的上升起到了一定的抑制作用。铁法晓南煤虽然爆炸后温度最高，但是其爆炸下限热量浓度最高、最大压力也较低，说明并不易爆炸。而神华煤爆炸下限热量浓度接近于白音华褐煤，但其爆炸后温度较高、压力最高，说明爆炸迅猛、烈度更大。从爆炸难易而言，5种煤爆炸由难至易顺序为：铁法大平/铁法大隆→铁法晓南→神华→白音华。结合煤质参数和热重分析结果，说明铁法煤的高灰分特征对煤的爆炸性起到了显著的抑制作用。

2.3 煤粉爆炸特性综合评定

现有文献报道了多种煤粉爆炸性指数。为全面分析爆炸特性，这里依据文献计算了5种煤样不同的爆炸特性指数，见表3。按挥发分或热重分析着火温度，5种煤均为极易或易爆炸。按工业指标Bc，铁法大平和铁法大隆属中等爆炸性煤种，其余3种煤为易爆炸性煤种。Kd广泛用于制粉系统设计。按Kd指标，铁法大平煤属于难爆性煤，其余4种煤均属于易爆或极易爆炸性煤种。爆炸试验可直接、可靠地表征煤粉爆炸性，这里按照文献[4]所述方法获得5种煤粉爆炸性倾向判别结果。结果显示，铁法大平、铁法大隆和铁法晓南均属于低爆炸性煤种，而白音华和神华煤属于易爆炸性煤种。依据爆炸试验结果，并参考实际锅炉燃用这些煤种的工程经验，综合评定了5种煤的爆炸性。铁法煤属于难爆炸或较难爆炸煤种，而白音华煤和神华煤属于极易爆炸煤种。

从以上结果可知，Kd值与以工业分析或热重分析为基础的其他指标相比，能可靠地判别出煤粉爆炸性趋势，特别是爆炸难易程度与爆炸试验所得难易序列一致。但在准确预测煤粉爆炸性方面，高灰分具有显著抑制煤粉云爆炸的作用，目前的Kd值判别标准对铁法煤这类高灰分、高挥发分特征煤种适应性不够，需结合爆炸试验才能更为准确地判别煤粉爆炸特性。

表2 煤粉爆炸特性试验数据

表3 煤粉爆炸性综合评价结果

3 制粉系统爆炸风险分析

3.1 燃用铁法煤制粉系统运行情况

铁岭发电厂4×300 MW和2×600 MW机组锅炉设计煤种均为铁法煤。铁法煤Vdaf≥40%，若按照现有技术标准和机组设计值，则磨煤机出口风粉温度需严格控制在343 K以下。

铁法煤灰分高，可磨性指数HGI为60左右，较难磨。为预防磨煤机堵塞，运行中经常采用偏大的通风量。同时，电站锅炉节能提效极为重要，锅炉效率是电站锅炉能效的核心指标，排烟温度是锅炉效率最显著的影响因子。为尽可能降低排烟温度，锅炉运行中需要关小甚至完全关闭磨煤机入口热一次风的旁路冷风门，使一、二次风尽可能流经空气预热器，将烟气热量更多地回送至燃烧系统。铁法煤水分属中-低水平，在上述一次风量偏大、入磨风温较高的工况下，磨煤机出口温度升至358 K左右，远超设计值(343 K)。然而，从长期运行情况看，燃用铁法煤时制粉系统爆炸风险处于可控状态，这验证了前文爆炸试验显示的铁法煤较难爆炸的结论。因此，在充分确认煤粉爆炸风险较低、防爆措施执行较好的情况下，可适度提高锅炉磨煤机出口一次风粉温度，以减小排烟热损失，降低发电煤耗。

3.2 铁法煤锅炉掺烧其他煤种

近年煤炭市场供需紧张，上述锅炉开始混烧铁法煤和其他煤种。运行中，铁法煤爆炸风险较低，在掺烧低热值烟煤、高水分褐煤时，制粉系统均较为安全。然而，在掺烧挥发分低于铁法煤的高热值烟煤时，却发生了多次制粉系统爆燃、爆炸，其原因主要是高热值烟煤(类似神华煤)爆炸性远强于铁法煤，若采用铁法煤工况下的制粉系统运行参数，则磨制高热值煤时发生爆燃、爆炸概率会陡增。此外，制粉系统积粉及不适当的启停磨操控方法可能会进一步提高爆燃、爆炸概率[9-11]。因此，明晰上述作用机制后，铁法煤锅炉燃用高热值高挥发分烟煤需严格控制磨煤机出口风粉温度，必要时可开启冷一次风门，兼顾节能降耗与制粉系统安全。在降低磨出口风温并严格执行防爆操作规程后，制粉系统爆燃、爆炸得到了有效抑制。

4 结论

a.铁法煤较难爆炸，高灰分对煤粉爆炸具有显著的抑制作用。对于高灰分煤种，挥发分、热重分析着火温度只能代表煤种反应性，用于预测爆炸特性偏差较大。工业指标Bc、Kd可预测爆炸性相对强弱程度，但对于高灰分、高挥发分煤，判别煤粉爆炸性准确度不足，建议结合更多爆炸试验数据和工程应用完善相关判据。

b.工程应用中燃用铁法煤，建议将磨煤机出口风粉温度控制在358 K以下，爆炸风险相对较低，与现有技术标准对应的343 K左右相比，可降低排烟温度，进而实现节能降耗。

c.设计煤种为铁法煤的锅炉混烧高挥发分、高热值烟煤时，可能导致混烧煤种爆炸，因此需特别重视制粉系统防爆，降低磨出口风温，并严格执行防爆安全措施，以更好兼顾节能降耗与制粉系统安全。