馬劍興 黃朔

摘要：進入21世紀以來，隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程的加快和消費結構的不斷升級，我國的能源需求日趨剛性，環(huán)境形勢日益嚴峻。據(jù)國家統(tǒng)計局初步測算，2019年能源消費總量為48.6億噸標準煤。巨大的能源消耗導致了中東部地區(qū)嚴重的復合空氣污染，特別是京津冀、長三角、珠三角等城市持續(xù)出現(xiàn)的“霾”天氣。據(jù)統(tǒng)計，30%-40%的霧霾來源和原因是由工業(yè)燃煤排放的污染物造成的。截至2016年，我國燃煤工業(yè)鍋爐總量約為60萬臺，年耗煤量約為7億噸標準煤。因此，高效環(huán)保燃煤工業(yè)鍋爐的推廣應用是改善大氣污染的有效途徑。

關鍵詞：煤粉工業(yè);鍋爐爆燃;機理分析;防爆措施

一、煤粉鍋爐爆燃機理

1.爆燃的定義

煤粉鍋爐爆燃是指爐膛內(nèi)發(fā)生的煤粉瞬時被點燃的現(xiàn)象。在爐膛內(nèi)出現(xiàn)煤粉積存的情況時，當遇到符合發(fā)生煤粉爆燃的點火能，爐內(nèi)積存的煤粉會突然被點燃，其火焰的傳播速度很快，生成的煙氣容積突然增大，來不及由爐膛排出，使得爐內(nèi)壓力聚增。爆燃不僅危及設備安全及經(jīng)濟運行，當爐膛內(nèi)壓力超過爐墻所承受的最大壓力時，爐膛將發(fā)生爆炸，可能造成嚴重的設備損壞和人員傷亡。因此，預防、減少和杜絕此類事故的發(fā)生至關重要。

2.爆燃的條件

煤粉燃燒所需理論空氣量如下：

其中，Va為理論空氣量，m3/kg;Car為煤粉收到基碳含量，%;Sar為煤粉收到基硫含量，%;Har為煤粉收到基氫含量，%;Oar為煤粉收到基氧含量，%。對于煤粉與空氣的混合物，在理論空氣量下，煤粉單位容積發(fā)熱量最高，而且火焰?zhèn)鞑ニ俣纫沧羁?，此時對應的煤粉濃度叫最易爆炸濃度。當空氣量超過理論量時，隨著空氣量的增加，煤粉濃度不斷下降，當煤粉濃度降到一定程度后，由于過量空氣的冷卻作用，阻止了火焰的蔓延，混合物既不會爆炸也不會著火，此時對應的煤粉濃度叫最低爆炸濃度。當空氣量低于理論量時，隨著空氣量的減少，煤粉濃度不斷上升，當煤粉濃度升到一定程度后，煤粉氧化所需的空氣量嚴重不足，導致火焰不能蔓延，混合物能燃燒但不會爆炸，此時對應的煤粉濃度叫最高爆炸濃度。

綜上所述，煤粉鍋爐爆燃有三個必要條件：一是存在足夠的煤粉和空氣;二是煤粉與空氣混合物達到爆炸極限濃度（不同煤粉爆炸極限濃度見表1）;第三，有足夠的點火能量。鍋爐要想爆燃，以上三個條件之一是必不可少的。如果一種條件不存在，就不會發(fā)生爆燃。

二、煤粉鍋爐誘發(fā)爆燃的原因

煤粉鍋爐發(fā)生爆燃的根本原因是煤粉在爐膛內(nèi)積存，當具備點火能量時被點燃。導致煤粉積存的原因包括4種：①爐膛滅火;②鍋爐停運期間，燃料關斷設備（閥門、擋板）失去控制或泄漏;③重復不成功的點火，未及時吹掃;④鍋爐啟動過程中，爐膛內(nèi)沒有足夠點燃煤粉的溫度和能量。爐膛滅火是導致煤粉鍋爐爆燃最常見的原因。導致爐膛滅火常見的原因有：①鍋爐運行中煤粉、風或點火源突然中斷;②鍋爐運行中燃燒器熄滅;③鍋爐輔機發(fā)生故障;④煤粉性質(zhì)突然改變，司爐未及時調(diào)整，變化后的新煤粉不能適應原燃料配風，特別是當煤粉揮發(fā)分降低時更為突出;⑤種種原因造成的斷煤粉（如一次風管堵、煤粉倉燒空、給粉機故障、下粉管堵等）;⑥長時間低負荷運行或向爐膛內(nèi)漏入大量的冷風;⑦爐內(nèi)嚴重結焦，破壞了爐內(nèi)正常的動力場，使爐內(nèi)風粉混合不良;⑧吹灰、除焦操作不當，燃燒調(diào)整不及時、誤操作等。

三、煤粉鍋爐爆燃實例分析

1.蘭州市某20t/h熱水煤粉鍋爐

鍋爐型號SZS14，共6臺，用于冬季供暖，2012年3月建成投產(chǎn)，所用煤種為煙煤。爐膛僅設一個防爆門，底部采用倉泵收集爐渣，形成“死膛”。

事故發(fā)生過程：鍋爐運行中螺旋給料機卡住，人工盤松后，在未點火的情況下，打開螺旋給料機，同時調(diào)高電機赫茲數(shù)，隨后爐膛發(fā)生爆炸。事故造成爐膛變形，爐墻鼓起。類似的事故前后發(fā)生兩次。

事故原因分析：在高赫茲數(shù)下開螺旋給料機，必然會導致大量煤粉進入爐膛，而此時爐膛內(nèi)無點火源，造成煤粉在爐膛內(nèi)積存。由于停爐時間短（3～4h），爐膛局部溫度高，陰角處存有火星，引發(fā)煤粉爆燃，爐膛內(nèi)壓力驟升，而爐膛是“死膛”，且防爆門較少，爐內(nèi)壓力不能及時卸出，導致爐膛發(fā)生爆炸性破壞。

2.煙臺市某20t/h蒸汽煤粉鍋爐

鍋爐型號SZS20-1.6-AIII，用于生產(chǎn)供汽，2010年11月建成投產(chǎn)，所用煤種為煙煤。爐膛底部采用12個鎖氣閥，爐膛被封死，形成“死膛”。事故發(fā)生過程：鍋爐運行中一次風機因聯(lián)鎖保護而停機，在未點火的情況下，直接打開一次風機，對一次風管道進行吹掃，隨后爐膛發(fā)生爆炸。事故造成防爆門飛出，爐膛變形，爐墻鼓起。事故原因分析：一次風機停機后，煤粉在一次風管內(nèi)沉積，在未清理管內(nèi)沉積煤粉的情況下，直接開一次風機，管內(nèi)沉積的煤粉被吹進爐膛，造成煤粉在爐膛內(nèi)積存。由于停爐時間短（1～2h），爐膛局部溫度高，陰角處存有火星，引發(fā)煤粉爆燃，爐膛內(nèi)壓力驟升，而爐膛是“死膛”，爐內(nèi)壓力無法及時卸掉，導致爐膛發(fā)生爆炸性破壞。

3.宿遷市某60t/h蒸汽煤粉鍋爐

鍋爐型號DHS60，共2臺，用于生產(chǎn)供汽，2013年5月建成投產(chǎn)，所用煤種為煙煤。事故發(fā)生過程：與3.2節(jié)事故相似，區(qū)別在于該事故發(fā)生于鍋爐點火啟動階段，爐膛內(nèi)存在點火源。事故造成爐膛壓力超過3kPa，防爆門彈開。事故原因分析：與3.2節(jié)事故原因相似，區(qū)別在于該事故中爐膛內(nèi)存在點火源，其提供點燃煤粉的溫度和點火能量。

4.泰安市某22t/h蒸汽煤粉鍋爐

鍋爐型號DHS22-2.45-AIII，用于生產(chǎn)供汽，2015年8月建成投產(chǎn)，所用煤種為煙煤。爐底采用水封刮板，但水封深度太深，達到60cm。鍋爐結焦后，未準確判斷、盡早處理，導致焦越結越多，不斷蔓延，直至出現(xiàn)掉焦現(xiàn)象。由于水封深度過深，掉焦引發(fā)水蒸氣大量逃逸，導致鍋爐運行中滅火，爐膛發(fā)生爆炸，事故造成爐膛變形，爐墻鼓起。

四、煤粉鍋爐爆燃事故預防措施

根據(jù)爆燃機理并結合工程經(jīng)驗，防止煤粉鍋爐爆燃事故最根本的方法就是避免煤粉在爐內(nèi)堆積，避免煤粉在爐內(nèi)堆積，最重要的是防止鍋爐在運行過程中發(fā)生爐膛滅火，應做好以下工作：

1.鍋爐運行中，必須將火檢和負壓聯(lián)鎖保護投入使用。停爐檢修時，需檢查火檢和負壓聯(lián)鎖保護是否正常。

2.鍋爐燃燒工況不穩(wěn)、出現(xiàn)明顯滅火跡象時，禁止投油。

3.水封刮板內(nèi)水深需控制在20cm～30cm，當水深不足時，需及時補水。

此外，在鍋爐點火、運行、停爐等方面還應做好以下工作：①鍋爐點火前需檢查點火強度是否足夠，包括檢查油箱內(nèi)油位、油槍霧化效果等，還應及時清理油槍，保證油槍的霧化片和油通道不堵塞。②鍋爐主燃料跳閘系統(tǒng)保護動作后，應立即檢查煤粉切斷情況，切忌注重恢復而忽視對煤粉是否被完全切斷的檢查。③如遇供料器卡住，嚴禁嘗試通過提高供料電機赫茲數(shù)沖開，人工盤松后，開供料器時需保證點火源已打開。④鍋爐停爐后，應立即切斷燃油系統(tǒng)，并確認系統(tǒng)油壓回零，以防止油漏入爐膛內(nèi);禁止在冷態(tài)情況下，將煤粉排入爐膛內(nèi)。⑤非正常停爐，一次風管吹掃前，宜將一次風粉管底部彎頭拆卸下來，清除內(nèi)部沉積煤粉后，在點火源打開的前提下，點動吹掃2～3次。最后，為了盡可能減小煤粉鍋爐爆燃事故發(fā)生時造成的損失，在鍋爐設計時，爐膛上必須設置足夠多的防爆門，爐膛至對流受熱面的煙道上易設置2個防爆門。

結束語

在建立排氣數(shù)學模型的基礎上，分析了煤粉鍋爐排氣機理。結果表明，煤粉貯氣量與爐膛容積之比、單位體積煤粉發(fā)熱量及放氣前爐內(nèi)溫度是影響煤粉鍋爐放氣的主要因素。結合實際工程事故案例，分析了煤粉鍋爐爆炸的主要原因，并對鍋爐的設計、點火和運行、爐膛等方面提出了一系列的防爆措施，包括加強點火前的安全檢查、給煤粉管保持暢通，定期沉積，設置防火檢查和負壓聯(lián)鎖保護，合理控制水封刮板水位，注意鍋爐停機維護等。實踐證明，上述措施能有效地解決煤粉工業(yè)鍋爐爆燃問題，能保證鍋爐安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行。

參考文獻

[1]盧平.綠色發(fā)展視角下的我國全要素能源效率研究[D].西安：西北大學，2017：1-3.

[2]尚慶雨.我國煤粉工業(yè)鍋爐技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].煤炭科學技術，2016，44（1）：201-206.

[3]侯冬盡.高效低NOx煤粉工業(yè)鍋爐試驗研究及制粉安全性分析[D].湛江：廣東海洋大學，2016：1-80.