任衍輝，張振國

(大唐東北電力試驗研究所有限公司，長春 130012)

在制粉和儲藏煤粉過程中，其制粉系統(tǒng)在一定情況下會出現(xiàn)爆炸事故，一直影響著鍋爐的安全運行［1］。隨著煤粉出現(xiàn)問題的情況增多，人們逐漸重視到制粉的重要性［2］。通過了解煤粉特性與粉塵爆炸機理建立起爆炸與其特性的關系［3］，從而為改善煤粉的制造與儲藏條件指明方向。通過分析不同煤種的特性，了解煤粉的成分和爆炸特性，如煤粉所具有的揮發(fā)分、煤粉的細度以及煤粉的濃度等［4-6］，總結(jié)制定減少煤粉爆炸的預防措施，對磨煤機出口溫度防爆上限值進行進一步的研究［7］。

1 煤粉爆炸特性

1.1 煤粉爆炸原理

煤粉具有一定的自燃和爆炸的特性，當吸附了具有足夠量空氣的煤粉經(jīng)其所吸附空氣的氧化會慢慢升溫，此時的煤粉會出現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)象，當煤粉的溫度達到其所要求的著火點時煤粉會發(fā)生自燃。煤粉以及空氣在一定的條件下混合產(chǎn)生爆炸的危險，從而造成設備破壞以及人員傷害。

粉塵發(fā)生爆炸是非常迅速、不穩(wěn)定以及具有化學反應的一種流體力學過程，這種情況比煤粉的穩(wěn)態(tài)燃燒或者發(fā)生爆轟復雜得多。至今，對粉塵爆炸機理的研究無論在理論上還是實驗技術上都還沒達到成熟的階段［8］。粉塵發(fā)生爆炸是一種在粉塵顆粒表面發(fā)生氧化的過程，這種狀態(tài)是一種中間爆炸狀態(tài)，其處于氣相爆炸同凝固相爆炸(如炸藥爆炸)之間，并且其能量可達到氣體所發(fā)生爆炸的數(shù)倍。粉塵爆炸包括以下幾個進程［9］。

a.粉塵粒子的表面溫度由于其所吸收的點火能量而發(fā)生快速升高的現(xiàn)象。

b.分子處于粒子表面會在一定情況下成為氣體從而在粒子的周圍分布，這是分子熱分解的作用。

c.氣體發(fā)生氣相點火，進一步加速了粉塵顆粒的熱分解反應。

氣相的可燃性物質(zhì)通過一定的循環(huán)往復放出來與空氣進行混合，使粉塵著火，因此，粉塵爆炸可認為是氣體爆炸。

1.2 影響煤粉爆炸的因素

具有一定量的煤粉，氧濃度在適合條件下，有充足的能量來促進爆炸的發(fā)生。

粉煤的爆炸進程通常是煤粉顆粒在緩慢氧化下由于熱分解和干餾的影響，生產(chǎn)出一定的可燃氣體，當這些可燃氣體累積到足夠的水平后，碰到具有一定能量的點火源則會產(chǎn)生爆炸。影響煤粉爆炸的要素有煤粉所具有的的揮發(fā)分、煤粉的細度、煤粉的濃度以及煤粉的溫度等。

當煤粉揮發(fā)分Vdaf達到w(Vdaf)＜10%時，不會產(chǎn)生爆炸，當煤粉所含揮發(fā)分增加時，煤粉發(fā)生爆炸的概率也相應變大;若煤粉達到w(Vdaf)＞20%，煤粉產(chǎn)生自燃甚至爆炸的概率很大;在煤粉達到w

式中:w(Var)為煤的收到基揮發(fā)分;w(Svar)為揮發(fā)分中的硫質(zhì)量分數(shù);w(Ckar)為煤的收到基中剩余焦炭;w(Mar)為煤收到基水分;w(Aar)為煤收到基灰分;w(Car)、w(Har)、w(Oar)、w(Sar)、w(Nar)分別為煤的收到基含C、H、O、S、N的質(zhì)量分數(shù);w(Cvar)為煤的收到基揮發(fā)分中碳的質(zhì)量分數(shù)。

爆炸指數(shù)BC在考慮煤中揮發(fā)分作用的同時，還充分考慮了煤中各元素對發(fā)生爆炸的作用，如水分、灰分和剩余焦炭，含量越高，爆炸的可能性越小，煤的硫含量決定了揮發(fā)分中H2S的量，由于H2S的著火點僅為250℃左右，因此揮發(fā)分中含硫量高的煤爆炸性強。爆炸指數(shù)BC與著火溫度的關系見圖1。

按爆炸指數(shù)數(shù)值的大小，可將動力用煤按爆炸特性分為5個等級，由圖1可知，著火溫度大于400℃，BC小于20，爆炸等級為0級，極難爆炸;著火溫度325～400℃，BC為20～30，爆炸等級為Ⅰ級，難爆炸;著火溫度280～325℃，BC為30～45，爆炸等級為Ⅱ級，中等爆炸;著火溫度240～280℃，BC為45～70，爆炸等級為Ⅲ級，易爆炸;著火溫度小于240℃，BC＞70，爆炸等級為Ⅳ級，極易爆炸。燃煤著火溫度提高，爆炸指數(shù)BC隨之降低，煤粉越不容易爆炸。(Vdaf)≥40%的情況下，只要到170℃，所沉積的煤粉就會被點燃，若這些煤粉堆積在一次風管內(nèi)部，則會產(chǎn)生爆炸。

當煤粉顆粒在200 μm以下時可以認為沒有爆炸的危險，并且顆粒越小，爆炸發(fā)生的概率也相應變小。褐煤和煙煤的煤粉水分稍大于分析基水分或泥煤煤粉水分大于25%時，發(fā)生爆炸的危險性也較小。

煤塵與可燃氣體共存增大了爆炸的危險性，如煤粉與CH4共存，則O2體積分數(shù)小于10%就會發(fā)生爆炸，而當輸送煤粉的氣體中含有CO2或SO2體積分數(shù)在5%以上時，幾乎不會發(fā)生爆炸。

上述內(nèi)容對煤粉的爆炸特性作了定性的了解，然而其他成分對煤粉爆炸仍有一定程度的影響，僅僅以揮發(fā)分來衡量煤粉所具有的爆炸特性，具有一定的片面性，前蘇聯(lián)采用爆炸指數(shù)BC作為對煤粉爆炸特性分類的指標，BC可按下式計算:爆炸指數(shù)與煤的著火溫度對判別煤粉的爆炸特性是一致的，對不同爆炸危險等級的煤，應在儲存和運輸過程中采取相應的防爆措施。

圖1 爆炸指數(shù)BC與著火溫度的關系

2 磨煤機流場模擬仿真研究

2.1 磨煤機仿真模型結(jié)構(gòu)

型號MPS200HP-Ⅱ的磨煤機仿真模型結(jié)構(gòu)見圖2，磨煤機網(wǎng)格見圖3。其中包括位于磨煤機底部的風室，其內(nèi)部有磨輥以及具有一定傾斜角度且軸向布置的風環(huán)，上部為煤粉進口和風粉混合物的出口。通過對磨煤機內(nèi)部進行模擬研究，進一步了解煤粉的分布情況。

圖2 磨煤機仿真模型結(jié)構(gòu)

圖3 磨煤機網(wǎng)格

2.2 磨煤機流場分布

對磨煤機內(nèi)部流場進行仿真模擬，圖4為磨煤機整體顆粒分布，圖5為磨煤機出口顆粒分布，單位為μm。圖6、圖7和圖8為磨煤機不同出口溫度的內(nèi)部溫度分布圖，單位為K。

圖4 磨煤機整體顆粒分布

圖5 磨煤機出口顆粒分布

圖6 磨煤機出口溫度80℃時的內(nèi)部溫度分布

圖7 磨煤機出口溫度90℃時的內(nèi)部溫度分布

2.3 仿真結(jié)果分析

圖8 磨煤機出口溫度100℃時的內(nèi)部溫度分布

通過圖4、圖5可以看出從磨煤機底部到上部其煤粉顆粒逐漸變小，磨煤機入口處的煤粉是未經(jīng)過磨煤機磨輥磨碎的大顆粒煤粉，因此在其入口處容易形成一定的煤粉堆積。從磨煤機入口過來的煤粉與從底部來的具有一定溫度的風共同作用，形成具有一定強度的渦流，從而使?jié)衩菏艿經(jīng)_擊而且會粘在與其相連接的管道內(nèi)壁以及制粉系統(tǒng)的防爆門上，在一定情況下也可能進到熱風接口管。系統(tǒng)在運行時，沒有辦法僅僅用人為的方法清除落煤，并且在這種情況下制粉系統(tǒng)的一次風的溫度可達到250℃以上，當系統(tǒng)終止運轉(zhuǎn)后，因其入口的風門不能完全關閉，從中漏出的熱風則能讓入口處溫度高達100℃上，很易點燃堆積在入口處的煤粉，經(jīng)過引燃的煤粉再進入到磨煤機以后則可發(fā)生爆炸。

防止磨煤機入口處產(chǎn)生爆炸的方法為防止磨煤機入口積煤。磨煤機入口之所以會產(chǎn)生積煤主要是因為濕煤的粘性，這就使得不管系統(tǒng)是處于運行或者停止狀態(tài)，都會有引燃煤粉的可能性。若在磨煤機入口處加裝一定的阻隔板，就會讓煤、粉、風三者進行充足的混合，此種做法不僅能夠在一定程度上減少上部煤粉堆積，也可以減緩其料斗斜坡的煤粉堆積。

通過圖6、圖7和圖8可以看出，煤中水分在一次風和煤粉相接觸時便進行蒸發(fā)，使得混合后的溫度接近所設定的出口溫度。

3 磨煤機出口溫度防爆上限值

用HS-TGA-101熱重分析儀對不同煤種進行熱重分析，根據(jù)熱重曲線可以看出，不同煤種具有不同的揮發(fā)分析出溫度，賀斯格烏拉煤、沙爾塔拉煤、內(nèi)蒙古煤的揮發(fā)分析出溫度比較接近，為270～280℃。

在低溫條件下，煤粉僅僅會被氧化，這會使當時的氧化過程非常緩慢，從而無法發(fā)生爆炸，但是這會使堆在結(jié)構(gòu)內(nèi)的煤粉產(chǎn)生相當大的影響，而處于高溫條件下，煤粉則會立即發(fā)生分解，并且其發(fā)生氧化的進度也會相應變快，從而會很快產(chǎn)生可燃氣體。

當風粉混合物溫度過高時，產(chǎn)生熱解，釋放出一定的可燃氣體。烴類可燃氣體的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫话銥?0 m/s，而煤粉燃燒器的一次風速只有25～30 m/s，這就容易使爐膛火焰通過燃燒器一次風口向直吹系統(tǒng)一次風管回火，成為制粉系統(tǒng)爆炸的火源，因此要制定一定的磨煤機出口溫度的防爆上限值。表1列出了我國標準［10］中磨煤機出口最高允許溫度。

表1 國家標準中磨煤機出口最高允許溫度 ℃

4 結(jié)論

通過詳細分析煤粉發(fā)生爆炸的原理和因素，對磨煤機內(nèi)部流場進行仿真，得出了在磨煤機入口處合理加裝阻隔板，從而減少磨煤機入口積煤量的預防措施，并嚴格執(zhí)行國家標準［10］規(guī)定的磨煤機出口最高允許溫度。