锅炉炉膛爆燃机理分析及防止

炉膛爆燃分析

一、锅炉炉膛爆燃分析

炉膛爆燃是指在锅炉炉膛、烟道里积存的可燃性混合物瞬间被引燃，由于炉膛的空间有限，使炉膛内烟气侧压力迅速升高，造成炉膛损坏。锅炉正常运行时，进入炉膛的燃料立即着火，燃烧产生的烟气经烟道排人大气。当炉膛内温度足够髙、燃料与空气比例适当、燃烧时间充分时，炉膛及烟道里没有积存的可燃性物质，锅炉不会发生炉膛爆燃事故。当燃烧设备或燃烧控制系统出现故障，且运行人员处理操作不当时，就可能发生炉膛爆燃事故。爆燃分内爆和外爆:外爆是指在锅炉的炉膛、烟道或煤粉管道中可燃混合物同时被点燃，而使烟气侧压力急剧升高，造成炉膛、尾部烟道和煤粉管道结构严重破坏的现象；内爆则指炉膛内燃烧不稳定或灭火造成炉膛较大负压，使烟气侧压力突然降低，使炉膛内外压差过大，大量外部空气急剧进入炉膛的现象。无论哪种现象都会造成对锅炉设备的损坏。

二、发生炉膛爆燃事故必须具备以下三个充分必要条件：

1、有燃料和助燃空气的存在。

2、燃料和空气的混合物达到了爆燃的浓度(混合比) 。

3、有足够的点火能量。

空气和燃料按一定比例混合，当煤粉浓度大于3~4kg/m（空气）或小于0.32－0.47kg/m时不轻易引起爆炸。因为煤粉浓度太高，氧浓度太小；而煤粉浓度太低，缺少可燃物。只有煤

3粉浓度为1.2~2.0kg/m时最轻易发生爆炸。

锅炉炉膛要发生爆燃，以上3个条件缺一不可，若有1个条件不存在，就不会发生爆燃。所谓爆燃性混合物也就是可以点燃的混合物。锅炉处于不同的状态所具备的爆燃条件也不一样，当锅炉处于正常运行状态时，有足够的可燃混合物和点火能源，即上述3个条件中的2个满足，因此要防止锅炉爆燃只有设法防止可燃混合物在炉膛或烟道内的积存。如何避免可燃物的积存是防止锅炉炉膛爆燃的关键所在，但要做到这一点是很困难的。从发现熄火到保护系统动作切断进入炉膛内的燃料的这段时间里，实际上已经有一定量的燃料进入炉膛，再加上阀门、挡板等的动作滞后时间和关闭不严，以及从阀门、挡板到炉膛之间还有一段管道，都可能将燃料继续送入炉膛而造成可燃物的积存。此外，控制逻辑的不合理设计、误操作、误判断都有可能导致炉膛的爆燃。

燃料与空气按一定比例混合时才能形成可燃混合物，混合物中所含燃料浓度过大或过小均不能被点燃，爆燃浓度范围不仅与燃料的种类有关，而且与温度有关。温度高则可燃混合物的浓度变化范围扩大。如升炉点火期，可燃混合物浓度范围较小，一定要有更适当的浓度比才能被点燃，或者要有更大的点火能源(即更高的温度) 才能被点燃。如果由于没有足够的点火能量或浓度比不当，送人炉膛的燃料未能着火，或者使正在燃烧的火焰中断，则将有过剩的燃料和空气混合物进人炉膛，这种时问越长，炉膛

内积存的可燃混合物就越多。如送人的为可燃混合物或经扩散而达到可燃范围，则突然点燃可能发生爆燃。 33

三、炉膛爆燃数学模型分析

P1：爆燃前炉膛介质的压力；P2：爆燃后炉膛介质的压力；

T1：爆燃前炉膛介质的绝对温度。Cv ：定容过程中炉膛介质的平均比热；Qr ：可燃混合物单位容积发热量；Vr ：可燃混合物单位容积；V ：爆燃后炉膛介质的总容积；

影响爆燃后压力升高的主要因素是：

（1）可燃混合物贮存容积同炉膛容积的比值Vr/V

（2）可燃混合物单位容积发热量Qr

（3）爆燃前炉膛介质的绝对温度T1

容积比值Vr ／V 是一个相对值，只有当容积比较大时才会使爆燃压力升高，大炉膛容积中积存少量的可燃混合物，即使爆燃也不会造成爆燃性破坏。

单位容积的热值Qr 越大，爆燃后的压力升高越大，Qr 值的大小同燃料空气的浓度比有关，在理论空气量时，Qr 值最高，而且这时的火焰传播速度也最快，当空气量超过理论量时，热值降低，空气过多时混合物将成为不可燃的。混合物中燃料浓度过高则氧气不足，但是以后有外界空气扩散进去，又将成为可燃混合物，在实际运行中如因火焰熄灭而切断燃料，炉膛和烟道中可能有未点燃的燃料积存，暂时因空气不足是不可燃的，但是当空气扩散进入后，又可能引起爆燃。

炉膛的绝对温度 越低，爆燃后压力越大，这是因为容积和压力一定时，绝对温度越低，介质的质量就越多，这时爆燃的破坏力将更为严重，炉膛介质温度高时，将有相反的结果，当炉膛温度超过可燃混和物的着火温度时，混合物一进人炉膛立即点燃，也就不会有可燃混合物的积存，矿物燃料的着火温度大多不超过650℃ ，理论上当炉膛温度高于此值就不会有爆燃，但是由于燃烧器送人的混合物有一定流速，要求有更高些的温度才能迅速点燃，一般认为炉膛温度超过750 oC时发生炉膛爆燃可能较小。

四、诱发炉膛爆燃的主要原因

从统计数据来看，导致炉膛爆燃的因素是综合性的。它与锅炉机组及其辅机的结构设计、制造质量、安装和运行管理水平等，都有一定的关系。在实际运行中，通常有以下几种情况容易造成

炉膛的爆燃：

1. 炉膛内可燃混合物的积存

从炉膛爆燃分析可知，如何防止炉膛内可燃混合物的积存是防止爆燃的根本措施。当炉膛灭火时，MFT 切断燃料供给越迅速，进入炉膛的燃料量越少，锅炉就越安全。如果炉膛灭火后不能及时切断全部燃料，可燃物的储存容积就会随时间增大。同时，一部分可燃物被抽到锅炉尾部积存起来，在高温炉膛中温度慢慢升高，氧化反应不断加速进而造成爆燃。这种爆燃的能量较大，易伤人或损坏锅炉设备。实际上，从发现灭火到切断燃料这段时间内，已有一定数量的燃料进人炉膛，再加上给煤机的滞后时间，阀门和挡板的滞后及关闭不严等因素等都可能使送入炉膛的燃料量达到爆燃浓度。误判断、误操作(如继续投粉、投油) 更会加剧燃料和助燃空气的积存。炉膛内最容易发生可燃混合物积存的危险工况有以下几种。 ①整个炉膛熄火而未能及时发现，造成燃料和空气可燃混合物的积存。

②在多个燃烧器正常运行时，一支或几支燃烧器突然失去火焰而不能在炉内被继续点燃，从而积聚可燃混合物。③燃料漏入停用的炉膛。

2. 炉膛灭火或燃烧恶化

实践证明，炉膛灭火是导致炉膛爆燃最常见的原因，锅炉燃烧不稳往往是炉膛灭火的预兆。容易引起锅炉燃烧不稳，甚至发生炉膛灭火的工况如下。

①锅炉辅机发生故障，如引风机、送风机、磨煤机等突然停止运行。

②水冷壁爆管，大量汽水喷出吹灭火焰。

③水冷壁吹灰不及时造成大面积掉渣扑灭火焰。

④发生FCB 或RB 时，自动处理不当。

⑤燃料性质突然改变，而未及时调整，导致变化后的新燃料不能适应原燃料配风，特别是当燃料挥发分降低时这种影响因素更为突出。

⑥由种种原因(如直吹系统中磨煤机、给煤机故障，原煤管、一次风管堵，原煤仓烧空等) 造成锅炉断煤。

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锅炉长时问低负荷运行或大量的冷风漏入炉膛，致使炉内温度水平很低，严重时就会造成灭火。

⑨锅炉启动过程中，投入第一台磨煤机运行前未充分暖磨，或炉膛内没有足够点燃煤粉的温度和点火能量。

五、炉膛爆炸的危害

发生炉膛爆炸时，爆炸压力因燃料种类、可燃性混合物体积等的不同而不同，一般不超过1MPa 。对锅壳锅炉的金属炉膛———炉胆，这样的爆炸压力不会造成严重损害，但与炉胆相连的炉门、烟气转向室、烟箱等会被冲开和损坏，并伤害近旁人员。对水管锅炉的砌筑炉膛，炉膛爆炸可使炉墙塌垮或开裂，锅炉水冷壁等受压部件变形移位甚至破裂，围绕炉膛设置的构架、楼梯、平台变形或损坏，并常造成人员伤亡。

炉膛爆炸对锅炉（特别是水管锅炉）的损害是大范围的，有时是很严重的。不仅需要强迫停炉，而且需要对锅炉进行较大投入、较长时间的修理维护，造成巨大的经济损失。锅炉炉膛爆燃是造成锅炉设备严重损坏的恶性事故，也是国电公司关于防止重大事故的二十五项重点要求的反 措内容之一。造成炉膛爆燃的原因和现象是多样化的，运行操作人员必须予以高度重视。

六、炉膛爆燃的防止

1. 设置可靠的保护并严禁随意解除

（1） 设置炉膛吹扫程序

在任何情况下，锅炉点火前，炉膛安全监控系统(FSSS)都必须执行炉膛吹扫程序。吹扫时要求吹扫风量大于额定总风量的30%，吹扫延续时间为5 min ，以保证对炉膛进行3～5次全量换气，并以此吹扫风量作为点火风量。因暖炉期间的燃料量一般不超过额定燃料量的10%，这就使炉膛内的空气与燃料的比例偏高，即使送入的燃料未被点燃，也将被冲淡为不可燃的混合物，从而可以避免爆燃。

（2 ） 设置锅炉灭火保护

火扫器检测运行油枪无火焰后，跳掉相应的运行油枪；运行磨煤机层火焰故障后，跳掉相应的运行磨煤机。全炉膛灭火逻辑判断锅炉灭火后，MFT 动作，立即切断全部燃料供应，即停止制粉系统，关闭磨煤机入口和出口闸板，关闭全部油枪的油阀，将引、送风量减小至吹扫风量并控制好炉膛压力。

（3 ）设置炉膛压力保护

该保护能在锅炉灭火保护失灵时，依据炉内可靠的压力信号及时切断燃料供应。

（4） 严禁随意解除保护

炉膛压力高低锅炉跳闸保护和火焰故障锅炉跳闸保护在锅炉启动前应投入运行。因设备缺陷需退出保护时，应经总工程师批准并事先做好安全措施，运行人员必须做好事故预想。锅炉运行期间，严禁采用插火焰钥匙的办法模拟火焰扫描器的信号，严禁随意退出火焰探头或连锁装置。运行中临时解除保护进行维护后，应尽快恢复。

2 预防锅炉灭火事故的发生

预防锅炉灭火事故的发生是防止炉膛爆炸的重点。

（1 ） 加强煤质管理和化验

严格执行混配煤规定，严格控制和化验煤质、煤粉细度、水分和挥发分，并将煤质情

况及时通知主控值长，避免因调整不及时、燃烧不稳定造成锅炉灭火。

（2 ） 保持锅炉良好燃烧工况，防止炉膛结焦

燃用设计煤种时煤粉细度R88控制在15%以下，燃用贫煤与无烟煤的混合煤种时R88控制在10% 以下，R200均控制在0.3%以下。按规定保持磨煤机最佳出口温度、风量和运行组合方式，避免2台磨煤机隔层组合运行。

在燃煤挥发分小于10%或锅炉燃烧不稳时，值长应向中调说明情况，避免深度调峰，必要时可向中调申请涨负荷或投油助燃。燃用灰熔点较高的煤种并保持煤质稳定，调整好磨煤机运行组合方式，组织好锅炉配风燃烧，并加强锅炉吹灰和看火孔的监视。一旦发现结焦应及时处理，影响锅炉安全运行时应立即停炉。

（3） 做好监盘和操作工作

锅炉运行期间，运行人员除根据有关表计对燃烧工况进行监视调整外，还应根据火焰扫描器和火焰电视的指示，结合就地观察，对燃烧情况进行综合判断，仔细调整。尤其是在锅炉启动、停运和低负荷运行以及煤种改变时，更应加强对运行工况参数变化的监督，注意燃烧和风煤比的调整。当锅炉燃烧不稳时应提前投油助燃，但对于已濒临灭火的锅炉严禁投油助燃和采用爆燃法复燃。

锅炉停止运行后，应及时关闭油枪手动门和点火枪可燃气的手动门。

锅炉点火时要求用点火器点燃油枪，油枪点燃煤粉，禁止采用隔层或隔角引燃的办法进行油枪点火。

投停磨煤机时必须按规定投油助燃。启动磨煤机时必须进行充分暖磨，以免冷粉进入炉膛使燃烧不稳定或加剧燃烧恶化。启动跳闸磨煤机必须按运行规程规定进行抽粉。

当锅炉需要在较低负荷下运行时，可停用部分磨煤机和燃烧器，使其它运行的磨煤机和燃烧器在高于最低稳燃负荷下运行。根据煤质的情况及时控制好煤粉细度和过磨风流量，在磨制阳泉无烟煤等硬质煤时过磨风流量不能过大，防止在涨负荷时，突然加大过磨风流量，造成煤粉变粗，从而导致燃烧恶化。

避免锅炉在长期低负荷下运行，或在涨负荷时煤量加得过快而二次风量增加不及时，导致烟道内积存可燃物较多。尤其是在锅炉启动过程中，应根据锅炉燃烧情况和机组启动的需要投入磨煤机和增加磨煤机出力，不要不管炉内的燃烧情况而匆忙从下层往上层投磨。 3 加强设备维护

加强锅炉MFT 保护和炉膛吹扫程序的维护。定期对油枪油阀、点火枪可燃气阀、燃油跳闸阀、可燃气跳闸阀和磨煤机出入口闸板进行试验，确保闸门动作正确，关闭严密。发现泄漏点应及时消除，并定期进行油枪的更换和吹扫工作。加强设备检修管理，重点解决炉膛漏风、一次风管不畅、送风不正常脉动、磨煤机堵煤、断煤和热控设备失灵等缺陷。