锅炉制粉系统的防燃及防爆措施

锅炉制粉系统的防燃及防爆措施

制粉系统所用热风经锅炉尾部烟道空预期而来，分为二次风和一次风，再由一次风机送到磨煤机。制粉系统为正压直吹式，每台锅炉配三台（型号）中速磨煤机，每台磨煤机对应一层喷口，煤粉气流由分离器出口经四根分管进入燃烧器，分离器出口至分岔管管径为（）分岔管至燃烧器管径为（）材料为普通钢管，任意两台磨煤机同时运行可保证锅炉满负荷出力，炉膛下部装有刮板式捞渣机，采用水封结构，严密性好。

主要根据是, 正压直吹系统使用一次风正压, 可以避免空气向系统漏风, 不至于稀释煤粉浓度, 从而可以保持整个制粉系统内煤粉的浓度在火焰点燃爆炸浓度范围以上, 使爆炸的可能性大幅度减少。但是, 由于在制粉系统中煤粉沉积是不能完全避免的, 而磨煤机采用热风干燥, 其抗燃特性明显不足, 所以容易发生着火。实际情况是, 很多电厂在使用正压直吹制粉系统都发生过着火或爆炸。因此, 再次有必要分析正压直吹制粉系统的着火和爆炸问题, 以便装置采取必要的防范措施避免问题的发生。

1. 着火和爆炸的情况

据美国电力科学研究院(EPRI)的统计, 在美国361座火电厂中, 平均每台机组每年着火1.26次, 每年爆炸0.31次, 其中有直吹式制粉系统的机组236台, 平均每台机组每年着火1.3次, 使用中速磨煤机的机组220台, 其中使用烟煤175台, 每台机组平均每年着火0.9次, 使用次烟煤39台, 每台机组平均每年着火2.6次, 着火与爆炸的基本

比例是3∶1。统计表明, 美国有差不多22%的燃煤机组存在着严重的着火或爆炸问题, 其中约有18%的燃煤机组存在着严重的爆炸问题。根据美国电力科学研究院科断, 实际的着火问题还可能比统计的问题更严重, 因为在美国大约有85%的燃煤机组缺乏完善的着火探测手段。

国内制粉系统也存在着火和爆炸问题。据国内150台锅炉的统计,42%的锅炉制粉系统发生过爆炸, 直吹式系统的爆炸率为31.1%。华北地区装有300MW 以上机组的火电厂都曾经发生过着火和爆炸。

2. 着火和爆炸的原因和过程

制粉系统的引燃源有机械引起的火花, 有来自炉膛的回火, 或由磨煤机或制粉管道积粉自燃。着火位置在磨煤机内的进风室、磨盘边缘死角、导风罩上部、分离器出口、煤粉管道的水平弯头下部及石子煤箱。

根据美国电力科学研究院的试验报告及英国中央电力研究所的研究, 煤粉管道着火一般不是制粉系统爆炸的主要起因。通过静态和动态试验, 发生在煤粉管道内部的强烈的但是短促的着火, 并不能触发煤粉管道的爆炸, 但是在水平煤粉管道内会出现煤粉锥铺在其底部的现象, 这些煤粉可以引起较长时间的着火。尽管煤粉管道内着火不会在其着火处引起爆燃, 但是, 如果火焰蔓延或移动到磨煤机、分离器等开口容器内, 则这样的着火也会成为爆燃的一个点燃源。应当注意爆燃是由煤粉管道上游侧一系列容器(磨煤机、分离器、风机) 引起的; 而燃烧器回火应该不是制粉系统爆燃的原因。尽管从爆燃结果看, 被损害的

往往是煤粉管道, 而不是磨煤机、分离器等。

根据试验报告, 在爆炸的过程中, 磨煤机的容积和煤粉管道起着关键作用。爆炸发生于磨煤机、分离器等容器内煤粉着火的时候, 当煤粉开始燃烧时, 从着火点火焰前沿向外扩散和移动, 同时气体压力开始升高, 形成压力波, 压力波先于火焰前沿离开“容器”进入煤粉管, 压力波导致煤粉管道内煤粉气流发生涡流, 扰动增强, 从而导致燃烧率增强, 火焰前沿前进的速度加快, 加快速度赶上压力波, 火焰前沿速度从1m/s加速至接近音速, 一般认为, 其加速度a=D2

・L 。其中 经验系数,D 为煤粉管道直径,L 为管道长度, 这一过程称为“急燃”。火焰前沿与压力波聚合在一起产生燃烧激波, 从而转为爆燃。其爆燃传播速度约为1120m/s。爆燃能产生的最大动压力理论值为1.4MPa, 通过试验证明, 在煤粉管道中爆燃最大极限为1.0MPa 是切合实际的。

就煤粉本身来说, 一般情况是, 挥发份对制粉系统爆炸是必要条件, 挥发份越高的煤, 爆燃越容易发生。当煤可燃基挥发份大于35%时, 具有最大爆炸压力; 挥发份小于15%的煤, 爆燃可能性很小。其他影响爆燃、着火的因素还有温度, 对挥发份大于40%的煤种,130～170℃时, 煤粉会发生阴燃; 在空气中的煤粉浓度30～500g/m3可能发生爆炸; 降低煤粉气流中的含氧量可以降低爆炸压力, 根据试验, 氧的体积浓度小于16%时可以避免爆炸。根据有关规程要求, 设备出口气粉混合物中氧气的容积份额应控制在12%以下。

3 防爆、防着火措施和系统

3.1 防爆标准

一些国家制定了制粉系统的防爆标准, 例如, 美国国家防火协会批准的标准NFPA85F+988《煤粉系统安装和运行标准》中, 第2-6.11条规定, 所有正常压力不超过表压13.8kPa 的有关设备及部件必须按照承受340kPa 的内部爆炸压力进行设计, 以抵御可能产生的爆炸压力。同时, 在2-6.15条中规定, 不准在这些设备和部件上装设爆炸排气设施(即防爆门) 。我国引进的HP 型中速磨煤机是按照此标准进行生产的。而德国蒸汽锅炉协会批准的标准TRD413《蒸汽锅炉煤粉燃烧系统》中6.2.1规定:有关设备及其附件必须按照“抵御爆炸冲击设计这一设计的承压数值为表压100kPa 。而在该标准中定义“抵御爆炸冲击设计”是要求相关设备及其附件的强度要能够承受在爆炸期间产生的一定程度的压力冲击而不发生

破损, 但会产生永久的变形”。另一种设计是“抵御爆炸压力设计”即相关的设备及其附件的强度, 要能够承受爆炸波的压力而不出现永久变形。此种设计要求与美国标准基本一致, 但是未规定具体数值。在德国标准中61.2条还规定了可以采用自动压力释放装置(防爆门) 来降低爆炸波产生的压力。我国前期引进的MPS 型中速磨煤机是按照此标准进行生产的。近期随着用户的要求和运行实际情况的发展, 德国修订了其防爆标准, 确定了“抵御爆炸压力设计”的具体数值与美国标准一致。我国MPS 型磨煤机生产也随之可以按照用户要求提高磨煤机抵御爆炸压力而不产生永久变形。

3.2 防爆系统

由于磨煤机等“容器”的着火是制粉系统爆燃的根源, 因此磨煤机的防爆系统是制粉系统的主要部分。磨煤机防爆系统可以分为磨煤机内燃探测系统和磨煤机消防、冷却系统两个部分。

(1) 在制粉系统中着火探测设备有几个基本类型, 包括一氧化碳监

测、氧量监测、温度监测。目前国内绝大部分电厂采用温度监测方式, 即在磨煤机出口通过热电偶或者半导体温度计监测介质温度来判断磨煤机是否着火或者处于易爆的危险状态。但是, 此种方式有两个问题, 第一, 它不能及早发出警报, 使运行人员有充分的时间采取措施。这主要是因为, 当磨煤机内刚发生内燃时, 磨煤机出口温升较小, 自控系统是通过增加冷风量来调整的, 直到在磨煤机内部发生大面积燃烧, 调整冷风量无法控制磨煤机出口温升时, 才发出报警, 而这时已经为时太晚。第二, 磨煤机出口温度并不能完全反映磨煤机内部是否处于危险状态。这是因为爆炸与许多因素有关, 包括氧气的浓度、煤粉的浓度以及可燃气体浓度, 尤其是当可燃气体浓度较高时, 即使是较低的温度, 也会发生爆炸。

(2) 氧量测量系统和红外测量系统, 检测氧气可以提供磨煤机系统

排出的可用氧气的指标。有着火情况时, 一些氧分子参加反应, 生成二氧化碳, 出口处的氧量也就相应减少, 可以检测报警。此系统可以检测明火, 但是, 对于冒烟阴火则不易识别。红外线探测系统是利用红外线传感器来探测煤的着火发热产生预定波长红外辐射线。该方式对煤层内部阴火的探测能力较差。3) 一氧

化碳监测系统, 是目前国内采用比较广泛的系统, 其原理是利用煤粉发生氧化情况(即一氧化碳产生) 与燃烧成正比, 即阴燃、冒烟情况, 测定一氧化碳浓度就可以预报磨煤机着火情况。在发生明火燃烧之前, 一般是有产生冒烟条件的, 但问题是, 如果是具有足够的过量空气, 一氧化碳将变为二氧化碳, 煤粉阴燃变成明火, 则由于一氧化碳监测系统探测不到二氧化碳, 而不能发出报警。此外, 由于空预器漏风中夹带一氧化碳, 或者来煤系统冒烟有一氧化碳, 都可能使探测器发生混乱。

3.3 磨煤机的冷却系统

根据国外电厂的运行情况, 在磨煤机紧急停机的时候, 有部分煤粉通

过风环下落到磨煤机底板上, 底板上的温度接近磨煤机入口一次风温度, 使这部分煤粉很容易着火, 甚至引起爆燃, 因此有必要采取安全措施。德国在1991年标准中规定了在磨煤机紧急停机后, 对磨煤机的危险区域进行冷却。德国巴威公司已经为一些电厂设置了磨煤机底板冷却系统, 该系统在底板下面安装了冷却风室, 由风机就地吸风, 吸热后排出。

3.4 磨煤机的消防、惰化系统

为了防止磨煤机着火引起制粉系统的爆燃, 有必要使用消防、惰化系

统。在国内灭火介质一般使用蒸汽, 其次是二氧化碳, 国外使用较多的是氮气。使用消防蒸汽设备简单, 投资较少。发生着火时恰当使用150～170℃左右蒸汽可以收到良好的效果, 在我国电厂中使用效果不错。但是蒸汽在备用时容易变成疏水, 如果疏泄

不及时, 使用时就不能以蒸汽的状态投入, 而以不足量的水喷入燃烧的煤粉中时, 会产生水煤气, 制造了更为危险的环境; 若以足量的水喷入磨煤机, 煤粉变成水煤浆, 着火可能被扑灭, 但金属部件遇冷可能产生裂纹, 此外水煤浆容易结块和结垢, 污染磨煤机, 在拐角的结块会缩短下一次发生着火的时间, 所以磨煤机必须退出运行, 进行干燥和清理。即使完全使用蒸汽、二氧化碳、氮气也有可能污染磨煤机。因此, 国外机组除较多使用二氧化碳、氮气为介质外, 在惰化系统中也附有清洗系统, 北仑港电厂2号炉MPS 磨就拥有完整的水清洗系统。

4 磨煤机运行中的防爆

应该认识到, 当锅炉正常运行突然发生MFT 时, 为了锅炉的安全, 磨煤

机的出口被突然关闭,

此时磨煤机内的煤粉逐渐沉降使浓度进入爆燃区域, 如果进行磨煤机

吹扫或者有火花产生, 则容易发生爆燃, 因而有必要进行系统隔离, 同时投入惰化气体。当磨煤机着火时也应该采取同样的步骤, 则可以比较好地避免爆燃。

另外当锅炉非正常停炉或磨煤机紧急停机时, 由于失去输送煤粉的一

次风, 大量的煤粉沉积在磨煤机和制粉系统内, 据国外试验, 在较高负荷时, 约占其产出率10%的煤粉沉积在磨煤机内。沉积部位主要在碾磨区、分离器区、送粉管道和一次风进入磨煤机入口区域。因此在磨煤机启动和停运过程中要进行吹扫和通入惰化气体。对于装有一氧化碳探测系统的磨煤机内一氧化碳浓度

超过定值时, 就发出警报, 运行人员可以连续跟踪一氧化碳的浓度变化, 并且采取灭火措施, 例如加大给煤量, 投入惰化系统, 磨煤机隔离运行等。由于报警到着火一般有1h 的时间, 运行人员可以采取各种措施, 即使是磨煤机停运, 也可以采用正常停运方式, 避免由于紧急停机而带来的不利影响。

5 综合分析和建议

(1)制粉系统的爆燃一般是由磨煤机、分离器等“容器”内着火引起,

燃烧器回火一般不会引起制粉系统爆燃。

(2)正压直吹制粉系统的着火和爆燃在我国电厂中严重存在, 但是在

我国电厂中一些磨煤机没有任何消防系统, 一部分磨煤机安装有蒸汽消防系统不完全, 有二氧化碳、氮气惰化系统的磨煤机更少, 安装有一氧化碳探测系统的磨煤机也很少。国内电厂为了降低成本, 磨煤机消防系统在初安装时, 一般选用蒸汽消防系统, 而蒸汽消防有其固有的问题。比较根本的解决办法是采用二氧化碳、氮气(尤其是氮气) 的惰化系统。目前, 各电厂应加强蒸汽消防系统的疏水, 以及启动和停运(包括紧急停机) 时蒸汽的使用和空气吹扫。

(3)监视磨煤机出口温度的办法容易造成漏报警。在没有其他更好的

办法之前, 采用一氧化碳探测系统是一种比较好的选择。在资金允许的情况下应该安装探测系统。主要根据是, 正压直吹系统使用一次风正压, 可以避免空气向系统漏风, 不至于稀释煤粉浓度, 从而可以保持整个制粉系统内煤粉的浓度在火焰点燃爆炸浓度

范围以上, 使爆炸的可能性大幅度减少。但是, 由于在制粉系统中煤粉沉积是不能完全避免的, 而磨煤机采用热风干燥,

其抗燃特性明显不足, 所以容易发生着火。实际情况是, 不论国内还是

国外的使用正压直吹制粉系统的电厂都发生过着火或爆炸。因此, 有必要分析正压直吹制粉系统的着火和爆炸问题, 以便采取必要的防范措施避免问题的发生。