馬 洪 洲

(中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013)

0 引 言

煤炭仍是我國(guó)最主要的一次能源，在發(fā)電、工業(yè)生產(chǎn)及民用取暖等領(lǐng)域，煤磨制成粉進(jìn)行燃燒是利用效率最高、使用最廣泛的一種方式。為保證煤粉鍋爐穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行，燃用不同煤種的煤粉鍋爐通常均配有大型的爐前煤粉倉(cāng)，以滿足鍋爐一定時(shí)間燃燒的需要。細(xì)粉狀的煤活性高、極易自燃，煤粉倉(cāng)中大量的煤粉如發(fā)生燃燒極易引發(fā)煤粉倉(cāng)的爆炸，導(dǎo)致設(shè)備損壞和人員傷亡等重大事故。如廣州市旺隆熱電廠DG420/9.8-II2型高溫高壓自然循環(huán)煤粉爐粉倉(cāng)爆炸事故[1]、淮南洛河發(fā)電廠二期2×300 MW機(jī)組粉倉(cāng)爆炸事故[2]及德州晶華集團(tuán)2 550 t/d干法生產(chǎn)線二號(hào)線煤粉倉(cāng)自燃事故[3]等。因此，煤粉倉(cāng)爆炸原因、如何防范煤粉倉(cāng)的爆炸以及爆炸發(fā)生后采取何種最佳處理方法將爆炸的危害降至最低一直是相關(guān)學(xué)者和專家重點(diǎn)研究的內(nèi)容。蔣冬青等人[4]對(duì)煤粉爆炸的必要條件進(jìn)行了系統(tǒng)分析并針對(duì)風(fēng)掃磨煤系統(tǒng)提出了改進(jìn)措施。Cashdollar[5]在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用20 L爆炸測(cè)試爐對(duì)煤粉倉(cāng)內(nèi)的最大壓力升高速率、最小氧氣濃度和惰化劑最低用量等與煤粉倉(cāng)爆炸相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，其研究發(fā)現(xiàn)煤粉顆粒的粒徑對(duì)煤粉爆炸有很大的影響。肖翠微[6]對(duì)煤粉爆炸的參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，并且依據(jù)其測(cè)量結(jié)果，結(jié)合煤粉工業(yè)鍋爐煤粉倉(cāng)的特征給出了限制煤粉倉(cāng)內(nèi)煤粉濃度和氧氣濃度、火源控制和設(shè)置泄爆裝置等防止煤粉倉(cāng)爆炸的措施。錢詳鵬[7]結(jié)合姚孟電廠及南京熱電廠煤粉倉(cāng)爆炸的事故對(duì)煤粉倉(cāng)爆炸的原因進(jìn)行了分析，提出了惰性化在煤粉倉(cāng)爆炸預(yù)防中相對(duì)重要的作用。

筆者在總結(jié)前人在煤粉倉(cāng)爆炸方面的研究基礎(chǔ)上，對(duì)煤粉倉(cāng)爆炸的原因進(jìn)行分類分析，對(duì)預(yù)防煤粉倉(cāng)爆炸事故所做的各類改進(jìn)措施進(jìn)行了整理分析。以期對(duì)今后煤粉倉(cāng)爆炸事故的預(yù)防和處理措施起到理論支撐的作用。

1 粉倉(cāng)爆炸主要原因分析

煤粉是含碳量極高的有機(jī)混合物，影響粉倉(cāng)內(nèi)煤粉自燃爆炸的主要原因包括煤的揮發(fā)分、粒徑、煤粉倉(cāng)內(nèi)氣氛和溫度等原因。

1.1 煤的揮發(fā)分

煤粉倉(cāng)內(nèi)的煤粉長(zhǎng)期處于堆積狀態(tài)下，一旦發(fā)生自燃現(xiàn)象極易導(dǎo)致煤粉倉(cāng)爆炸。經(jīng)研究，揮發(fā)分的高低不僅關(guān)系到煤的爆炸特性，還影響到煤在堆積狀態(tài)下的自燃指數(shù)，自燃溫度與煤的揮發(fā)分的關(guān)系[8]見(jiàn)表1。揮發(fā)分越高，自燃溫度越低，說(shuō)明較高揮發(fā)分的煤種活化能低，越容易在煤粉倉(cāng)中出現(xiàn)自燃的現(xiàn)象。

表1 自燃溫度與煤的揮發(fā)分的關(guān)系[8]Table 1 Relationship between the volatility and autoig-nition temperature of coal[8]

研究表明，煤的揮發(fā)分含量越高，越容易發(fā)生爆炸，按照煤的揮發(fā)性對(duì)其爆炸指數(shù)和爆炸等級(jí)(見(jiàn)表2)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，隨著揮發(fā)分含量的升高，爆炸指數(shù)和爆炸等級(jí)都逐漸升高。究其原因是由于揮發(fā)分較高的煤在受熱達(dá)到活化能之后能夠迅速釋放出大量的氣態(tài)產(chǎn)物，如CO、CH4等，導(dǎo)致煤粉倉(cāng)內(nèi)壓力急劇升高引發(fā)爆炸。同時(shí)，揮發(fā)分含量越高，煤粉倉(cāng)發(fā)生爆炸時(shí)產(chǎn)生的爆炸壓力越高，溫度也越高，破壞力更強(qiáng)[9]。

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

1.2 煤粉的粒徑

當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用中燃用的煤粉通常粒徑小于500 μm，小型煤粉工業(yè)鍋爐的常用煤粉顆粒則更細(xì)，通常粒徑小于100 μm。煤粉倉(cāng)中的煤粉通常以氣力輸送的形式，由壓縮空氣攜帶進(jìn)入煤粉倉(cāng)內(nèi)。而煤粉顆粒的粒徑越小，其比表面積越大，更利于和氧氣接觸。因此煤粉的粒徑越小，煤粉倉(cāng)內(nèi)煤粉發(fā)生自燃爆炸的概率越將顯著提高，爆炸的破壞力也同樣有所提高，煤粉粒徑導(dǎo)致火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)系數(shù)見(jiàn)表3。研究顯示，當(dāng)煤粉粒徑大于1 000 μm時(shí)，煤粉爆炸的可能性很低[11]。何琰儒等人[12]針對(duì)煤粉粒徑對(duì)發(fā)生爆炸影響的實(shí)驗(yàn)和模擬研究工作進(jìn)一步證實(shí)了煤粉粒徑與煤粉倉(cāng)爆炸之間的關(guān)系。

表3 煤粉粒徑與導(dǎo)致火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)系數(shù)的關(guān)系Table 3 Relationship between coal particle size and the risk factor of explosion

1.3 煤粉倉(cāng)內(nèi)氣氛

粉倉(cāng)內(nèi)的煤粉發(fā)生爆炸需要在一定的粉塵濃度范圍內(nèi)(爆炸極限)才能發(fā)生，研究表明，煤粉與空氣混合后，只有在煤粉濃度大于30 g/m3，小于7 000 g/m3的范圍內(nèi)時(shí)，爆炸才會(huì)發(fā)生[4]。實(shí)際煤粉倉(cāng)中下部堆實(shí)的煤粉濃度是明顯大于該范圍的，因此煤粉打粉時(shí)，粉倉(cāng)中上部空間的煤粉濃度才是需要重點(diǎn)測(cè)量的位置?？扇嘉?、氧或氧化劑、火源是煤粉燃燒發(fā)生的必要條件。在煤粉倉(cāng)爆炸的防治工作中，除煤粉濃度外，煤粉倉(cāng)中氧氣濃度是對(duì)煤粉自燃和爆炸起到?jīng)Q定性作用的因素，以上也是很多煤粉倉(cāng)布置惰化劑噴入裝置的原因，其目的是降低煤粉倉(cāng)中的氧氣和揮發(fā)性可燃物濃度。

1.4 煤粉倉(cāng)內(nèi)溫度

煤粉倉(cāng)內(nèi)溫度升高是導(dǎo)致煤粉出現(xiàn)自燃和爆炸的重要因素之一。我國(guó)常用煤的著火溫度通常高于300 ℃，但處于堆積狀態(tài)的細(xì)顆粒煤粉其發(fā)生自燃的溫度要更低。并且，隨著揮發(fā)分含量的升高和煤粒徑的減小，煤粉自燃所需的最低自燃溫度和最低氧氣濃度都會(huì)出現(xiàn)降低的趨勢(shì)[9]。

造成煤粉倉(cāng)內(nèi)溫度超溫的原因是多種多樣的，比較常見(jiàn)的是帶入性熱源導(dǎo)致的煤粉倉(cāng)內(nèi)超溫和煤粉倉(cāng)內(nèi)部積粉結(jié)皮導(dǎo)致對(duì)外傳熱能力下降所導(dǎo)致的煤粉倉(cāng)內(nèi)超溫。由于水分對(duì)于煤粉的氣力輸送和燃燒都有很大的影響，因此通常用于氣力輸送煤粉的空氣和煤粉本身都要經(jīng)過(guò)烘干的過(guò)程，一旦烘干溫度過(guò)高，輸送管路過(guò)短就容易造成帶入性溫度超溫。而煤粉倉(cāng)內(nèi)部尤其是下部如存在下粉不暢的滯止區(qū)就容易造成積粉、結(jié)皮等現(xiàn)象，從而打破原有煤粉倉(cāng)內(nèi)的熱力平衡，造成煤粉倉(cāng)超溫爆炸。

2 煤粉倉(cāng)爆炸的預(yù)防措施

2.1 避免燃用不適宜的煤種

燃煤鍋爐的設(shè)計(jì)通常是在一定的適用煤種范圍完成的。通過(guò)分析可知，煤種的變更不僅將對(duì)燃煤鍋爐的燃燒產(chǎn)生影響，也會(huì)成為煤粉倉(cāng)發(fā)生爆炸的重要原因。因此，在更換鍋爐燃用煤質(zhì)前，對(duì)燃用的煤種進(jìn)行充分的煤質(zhì)分析和燃爆性分析，避免使用不適宜的煤種是防控煤粉倉(cāng)爆炸的重要手段之一。

2.2 改進(jìn)煤粉倉(cāng)結(jié)構(gòu)

煤粉倉(cāng)的順利進(jìn)粉和下粉對(duì)煤粉倉(cāng)的正常工作和爆炸事故預(yù)防具有非常重要的意義。如改善煤粉倉(cāng)下端錐度、避免出現(xiàn)漏斗流和起拱、維持倉(cāng)內(nèi)整體流(如圖1所示)、改良煤粉倉(cāng)下粉管路中的易堵粉部件都能夠有效地預(yù)防煤粉倉(cāng)中出現(xiàn)滯止區(qū)，防止煤粉倉(cāng)內(nèi)結(jié)皮的產(chǎn)生。同時(shí)需認(rèn)識(shí)到煤粉倉(cāng)雖然為煤粉的貯存設(shè)施，但其容易發(fā)生爆炸危險(xiǎn)，因此煤粉倉(cāng)的設(shè)計(jì)需要考慮倉(cāng)壁和各個(gè)部件的承壓能力[11]，較高的承壓能力是在爆炸事故發(fā)生時(shí)挽救生命的最直接手段。

圖1 煤粉倉(cāng)流態(tài)Fig.1 Flow patterns of pulverized coal bunker

2.3 設(shè)置爆炸應(yīng)急措施

煤粉倉(cāng)事故一旦發(fā)生，其造成的危害將非常嚴(yán)重，因此，在煤粉倉(cāng)上設(shè)置必要的應(yīng)急措施尤為重要。應(yīng)急措施包括煤粉倉(cāng)上的防爆泄壓門、惰化劑和冷卻劑噴入裝置[13]、煤粉倉(cāng)內(nèi)消防設(shè)施及與后端鍋爐相連的全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)報(bào)警裝置等。噴入惰性劑除了作為煤粉倉(cāng)常用的應(yīng)急處理手段以外其實(shí)也可以作為煤粉倉(cāng)正常使用的常規(guī)運(yùn)行手段，氮?dú)狻O2等常見(jiàn)惰化劑的噴入能夠顯著降低煤粉倉(cāng)內(nèi)氧氣含量，預(yù)防煤粉倉(cāng)自燃和爆炸的發(fā)生。目前煤粉倉(cāng)防爆泄壓門的設(shè)置已經(jīng)是最常用的煤粉倉(cāng)設(shè)計(jì)，合理的泄壓閥值需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格精準(zhǔn)的計(jì)算，同時(shí)，定期對(duì)防爆泄壓裝置進(jìn)行檢查也是必須嚴(yán)格執(zhí)行的運(yùn)行程序。

2.4 制定嚴(yán)格的運(yùn)行管理規(guī)程

總結(jié)大量事故的發(fā)生發(fā)現(xiàn)，很多事故的發(fā)生都是由于運(yùn)行人員對(duì)設(shè)備不熟悉、未按運(yùn)行規(guī)程操作或疏忽操作造成的[14]。因此，制定嚴(yán)格的運(yùn)行管理規(guī)程，避免不當(dāng)操作，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的定時(shí)檢控制度是避免煤粉倉(cāng)爆炸事故發(fā)生的有效方法之一。

2.5 加強(qiáng)煤粉倉(cāng)內(nèi)的測(cè)控

煤粉倉(cāng)內(nèi)部的料位、溫度、壓力和濕度等參數(shù)也是煤粉倉(cāng)安全使用的重要參數(shù)。常見(jiàn)的煤粉倉(cāng)裝設(shè)的料位計(jì)如螺旋料位計(jì)、音叉料位計(jì)和重錘探測(cè)式料位計(jì)等均存在一定的測(cè)量誤差，因此定期對(duì)煤粉倉(cāng)內(nèi)料位計(jì)進(jìn)行檢查是非常必須的。同時(shí)，針對(duì)不同的工況條件和煤種條件，應(yīng)對(duì)煤粉倉(cāng)內(nèi)的溫度、壓力和濕度等重要參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控和使用范圍限定，煤粉倉(cāng)內(nèi)部測(cè)控點(diǎn)布置如圖2所示。生產(chǎn)運(yùn)行中應(yīng)使得粉倉(cāng)內(nèi)各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)均處于安全使用范圍之內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)煤粉倉(cāng)爆炸事故的防患于未然。

圖2 煤粉倉(cāng)內(nèi)測(cè)控點(diǎn)布置Fig.2 Layout of measurement and control points in pulverized coal bunker

3 結(jié) 論

(1)粉倉(cāng)內(nèi)煤粉的揮發(fā)分含量越高，發(fā)生自燃的溫度越低，發(fā)生爆炸的可能性越高，其破壞力也越大。同時(shí)，煤粉粒徑越小，煤粉倉(cāng)內(nèi)溫度越高，煤粉倉(cāng)發(fā)生爆炸的可能性也越高，破壞力越大。

(2)嚴(yán)格把控鍋爐燃用的煤種，改進(jìn)優(yōu)化煤粉倉(cāng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)置防爆泄壓門和惰化劑、冷卻劑噴入裝置，執(zhí)行嚴(yán)格的運(yùn)行管理規(guī)程，對(duì)煤粉倉(cāng)內(nèi)料位、溫度及壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控均是預(yù)防煤粉倉(cāng)爆炸和降低粉倉(cāng)爆炸后危害程度的有效措施。