循環(huán)流化床鍋爐啟動(dòng)時(shí)爆燃原因分析及預(yù)防措施

吳明立，劉正，陳超偉，李建軍，譚榮國(guó)

(安徽華電六安發(fā)電有限公司，安徽 六安 237126)

0 引言

循環(huán)流化床(CFB)鍋爐是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的新一代采用潔凈煤燃燒技術(shù)的鍋爐，因其具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大、燃料制備系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)灰渣綜合利用等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)用汽、供熱、熱電聯(lián)產(chǎn)等工業(yè)領(lǐng)域被廣泛采用。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求日益提高，CFB鍋爐以其能實(shí)現(xiàn)在爐內(nèi)直接脫硫及低NOx排放等優(yōu)勢(shì)獲得人們的青睞。但CFB鍋爐易發(fā)生爆燃等事故，存在極大的安全隱患。

鍋爐爆燃是指當(dāng)爐膛內(nèi)可燃物堆積且濃度在爆燃極限范圍內(nèi)，遇到明火或溫度達(dá)到燃點(diǎn)時(shí)所發(fā)生的劇烈燃燒，燃燒產(chǎn)物能在瞬間向周?chē)臻g快速擴(kuò)散，具有較強(qiáng)的破壞性和危險(xiǎn)性。在冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，由于循環(huán)流化床鍋爐的內(nèi)外循環(huán)還未建立，爐膛內(nèi)物料少，流化不良，最易發(fā)生爆燃事故，因此，探討鍋爐爆燃的原因并制訂相應(yīng)的預(yù)防措施是十分必要的。

1 鍋爐設(shè)備概況

某電廠2×135 MW機(jī)組鍋爐為DG440/13.8－II5型自然循環(huán)、單汽包、一次中間再熱、超高壓循環(huán)流化床鍋爐，島式半露天布置，該鍋爐與東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N135－13.24/535/535型汽輪機(jī)和山東濟(jì)南發(fā)電設(shè)備廠生產(chǎn)的 WX21Z－OJS.461.401型密閉循環(huán)式空氣冷卻發(fā)電機(jī)配套。

2 啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)生爆燃的現(xiàn)象

圖1是該廠2008年某次冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)發(fā)生爆燃的過(guò)程。床溫升至500℃左右時(shí)，開(kāi)始脈沖投煤，煤量約為7 t/h，90 s后停運(yùn)給煤機(jī)。10 min后床溫上升至527℃，氧量下降;床溫達(dá)534℃時(shí)，氧量上升，開(kāi)始脈沖投煤，90 s后停止給煤;10 min后，床溫由529℃開(kāi)始上升，氧量下降，如此反復(fù)3次，連續(xù)給煤。床溫達(dá)560℃左右后開(kāi)始快速上升，12 min后即達(dá)到最高點(diǎn)1065℃，溫升速率為62℃/min，此后床溫逐漸下降至正常值830℃，氧量從14.5%下降至11.5%，11 min后逐漸上升至18.0%，爐膛負(fù)壓為－150～+200 Pa，隨著投入給煤的燃燒，床溫平穩(wěn)維持在850℃左右。

圖1 爆燃時(shí)床溫隨時(shí)間的變化曲線

由圖1可知，560℃左右時(shí)床溫出現(xiàn)躍升，這是由于煤粒達(dá)到了著火溫度，積存的煤粒爆燃引起床溫躍升，最高可達(dá)1065℃。

3 爆燃原因分析

3.1 煤種及煤的燃燒過(guò)程分析

3.1.1 煤種分析

無(wú)煙煤俗稱(chēng)白煤，表面呈明亮的黑色，密度較其他煤種大，質(zhì)地堅(jiān)硬、不易破碎，便于運(yùn)輸和貯存。無(wú)煙煤是埋藏年代最久、炭化程度最深、揮發(fā)分最低、著火困難、燃盡困難的煤種。我國(guó)無(wú)煙煤儲(chǔ)量豐富且價(jià)格低廉，并且無(wú)煙煤燃燒時(shí)無(wú)煙，對(duì)空氣造成的污染小。

但CFB鍋爐在用無(wú)煙煤?jiǎn)?dòng)時(shí)，如果控制不當(dāng)，易造成大量未燃盡的煤在爐內(nèi)積聚，一旦床溫升至殘余煤的著火溫度，則會(huì)出現(xiàn)床溫突升的現(xiàn)象，引發(fā)爆燃。

該廠主要燃用山西晉城的無(wú)煙煤，其工業(yè)分析見(jiàn)表1。

表1 無(wú)煙煤的工業(yè)分析

3.1.2 煤的燃燒過(guò)程分析

由圖1可知，CFB鍋爐點(diǎn)火過(guò)程中煤粒的燃燒可以分為3個(gè)主要階段:

(1)揮發(fā)分的析出隨煤炭化程度的加深而減少，地質(zhì)年齡最長(zhǎng)的無(wú)煙煤揮發(fā)分很小，因此，這個(gè)階段主要是煤炭的干燥和加熱。

(2)當(dāng)床溫達(dá)450℃時(shí)，揮發(fā)分析出。

(3)當(dāng)床溫達(dá)560℃左右時(shí)，出現(xiàn)床溫躍升，溫升率可達(dá)62℃/min，床溫最高達(dá)1065℃，這是由于床溫達(dá)到了煤粒的著火溫度，積存的煤粒爆燃。

3.2 啟動(dòng)床料分析

圖2是篩選了一部分鍋爐啟動(dòng)床料的燃燒試驗(yàn)結(jié)果。對(duì)圖2進(jìn)行分析可知，床層中存在大量可燃物是造成啟動(dòng)過(guò)程中床溫突變的主要原因之一。床料內(nèi)未燃盡的炭達(dá)到著火溫度后快速燃燒，導(dǎo)致床溫在短時(shí)間內(nèi)快速升高。床層中的炭主要來(lái)自2個(gè)方面:一是啟動(dòng)前添加的床料中含有大量的可燃物;二是啟動(dòng)初期投煤未充分燃燒，未燃盡的炭在爐內(nèi)積聚。

圖2 可燃物燃燒份額

綜合判斷，在啟動(dòng)前要嚴(yán)格控制啟動(dòng)床料中炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，啟動(dòng)過(guò)程中也要嚴(yán)格控制入爐煤量。

3.3 投入燃料過(guò)程分析

3.3.1 投油階段分析

大型CFB鍋爐的主要點(diǎn)火方式分為床下點(diǎn)火和床上點(diǎn)火，該廠為床下點(diǎn)火，并配備了2個(gè)點(diǎn)火油燃燒器，油燃燒器技術(shù)特性見(jiàn)表2。

表2 油燃燒器技術(shù)特性

CFB鍋爐一般采用柴油點(diǎn)火，點(diǎn)火過(guò)程中常會(huì)發(fā)生油槍滅火，滅火后如果沒(méi)有及時(shí)關(guān)閉油閥，被霧化的燃油會(huì)繼續(xù)噴進(jìn)爐膛內(nèi)，從爐膛到尾部煙道甚至到煙囪出口都充滿(mǎn)了油霧。這時(shí)若遇到明火(如再次點(diǎn)火)，就會(huì)使?fàn)t膛和尾部煙道發(fā)生爆燃。

油槍霧化不合格是油槍滅火的主要原因，而油槍霧化不合格的常見(jiàn)原因有燃油中含有雜質(zhì)、點(diǎn)火風(fēng)調(diào)配不當(dāng)和油壓低。

3.3.2 投煤階段分析

在投煤過(guò)程中，給煤時(shí)機(jī)的把握非常關(guān)鍵，如果床溫未達(dá)到煤的燃點(diǎn)就開(kāi)始投煤，當(dāng)燃料加得多時(shí)，未燃煤就會(huì)在料層中大量積聚，容易在床溫上升后出現(xiàn)爆燃。

在投煤階段，燃燒調(diào)整和配風(fēng)也非常重要。若燃燒調(diào)整不當(dāng)或配風(fēng)不合理，燃料中的炭在缺氧狀況下燃燒不充分會(huì)產(chǎn)生大量的CO，進(jìn)入煙道后在遇到明火或達(dá)到著火溫度時(shí)就會(huì)瞬間發(fā)生燃燒，如果此時(shí)可燃物濃度在爆燃極限范圍內(nèi)，就會(huì)發(fā)生爆燃。

4 爆燃的預(yù)防措施

4.1 啟動(dòng)前的準(zhǔn)備工作

在添加床料時(shí)靜止料層高度應(yīng)控制在650～800 mm，保證床料粒度在9 mm以下，以便爐內(nèi)物料循環(huán)盡快建立起來(lái)，促使燃燒系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定工況。

鍋爐在啟動(dòng)前嚴(yán)格控制啟動(dòng)床料中炭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(小于1%)，同時(shí)充分做好啟動(dòng)時(shí)入爐煤的工業(yè)分析，了解煤的特性，以便在啟動(dòng)時(shí)能?chē)?yán)格控制升溫升壓曲線，以防大量未燃盡的炭在床層中堆積，留下不安全因素。

點(diǎn)火前應(yīng)嚴(yán)格按爐膛吹掃程序進(jìn)行充分吹掃，防止?fàn)t膛和煙道有可燃?xì)怏w積聚。

4.2 啟動(dòng)過(guò)程中防止爆燃的措施

4.2.1 投油階段防止爆燃的措施

采用1.25 t/h的油槍點(diǎn)火前要進(jìn)行油槍霧化試驗(yàn)并保證達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，點(diǎn)火初級(jí)階段采取A，B油槍交替投入的方法控制床溫的升溫速率，防止升溫速率超出正常范圍。油槍投入時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)火焰監(jiān)視儀和就地著火情況的監(jiān)視，發(fā)生閃火現(xiàn)象時(shí)應(yīng)及時(shí)查明原因并聯(lián)系相關(guān)人員進(jìn)行處理。床溫在400～450℃時(shí)，穩(wěn)定燃燒不少于1 h，使鍋爐受熱面緩慢升溫、升壓，鍋爐本體得到緩慢膨脹，直至汽包壓力接近1 MPa，促使?fàn)t水循環(huán)初步建立。鍋爐本體在充分預(yù)熱后，即使發(fā)生爆燃，也不至于在受熱面上產(chǎn)生大的應(yīng)力。床溫超過(guò)450℃后，加大一次風(fēng)量至12萬(wàn)m3/h以上，保證充分流化;在床溫均勻的情況下，逐漸升溫至550℃，并密切監(jiān)視所有床溫測(cè)點(diǎn)，對(duì)床溫控制應(yīng)該以最高點(diǎn)為準(zhǔn)，參考平均床溫。床溫在540～550℃維持運(yùn)行至少0.5 h，使床料中的可燃物充分燃燒，并維持如下運(yùn)行參數(shù):一次風(fēng)量12萬(wàn)m3/h，氧量15%左右，采取大風(fēng)量過(guò)氧燃燒的燃燒方式。床溫達(dá)550℃后，通過(guò)調(diào)整油槍出力，進(jìn)一步提高床溫，盡可能采取高的投煤溫度。

4.2.2 投煤階段防止爆燃的措施

若使用油槍無(wú)法使床溫進(jìn)一步上升，可以采用脈沖法“點(diǎn)動(dòng)”投煤。在點(diǎn)火過(guò)程中，給煤時(shí)機(jī)的把握是非常關(guān)鍵的，如果在床溫未達(dá)到煤的燃點(diǎn)就開(kāi)始投煤，這些未燃煤會(huì)在料層中大量積聚，這不但無(wú)助于提高床溫，而且容易在床溫上升后引起爆燃。點(diǎn)動(dòng)投入無(wú)煙煤時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制床溫在550℃以上，并遵循少量多次的原則，同時(shí)要留意氧量變化情況，每次投煤要控制煤量在3～7 t/h，防止投煤過(guò)量造成燃料積聚。床溫達(dá)到600℃后，若出現(xiàn)床溫變化過(guò)快(升溫速率達(dá)5℃/min)的情況，應(yīng)及時(shí)降低油槍出力，必要時(shí)可先停用油槍并迅速加大一次風(fēng)量，直到床溫的升溫速率降低并穩(wěn)定后再次投入油槍。若升溫速率嚴(yán)重超出正常范圍(20℃/min以上)，且加大一次風(fēng)量和停用油槍仍不能消除，持續(xù)時(shí)間達(dá)5 min以上時(shí)，應(yīng)果斷停運(yùn)各風(fēng)機(jī)并關(guān)閉擋板，做悶爐處理，以防止惡性爆燃事故的發(fā)生。

圖3是正常啟動(dòng)過(guò)程中床溫隨時(shí)間的變化曲線。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)可知，啟動(dòng)時(shí)最容易發(fā)生強(qiáng)烈爆燃的溫度范圍為580～600℃和770～790℃，在此階段要密切注意床溫的變化，必要時(shí)可采取上述措施降低床溫。在投煤階段，要建立床溫升溫速率的概念，特別是床溫兩次躍升時(shí)，流化風(fēng)量不宜減得過(guò)快，且當(dāng)床溫的升溫速率有下降趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)注意補(bǔ)充煤量。

圖3 正常啟動(dòng)時(shí)床溫隨時(shí)間的變化曲線

4.2.3 出現(xiàn)爆燃后的處理措施

一旦出現(xiàn)爆燃，可通過(guò)爐膛負(fù)壓、氧量、煤量和油量等參數(shù)綜合判斷是否是爐內(nèi)積煤造成的。如果是，應(yīng)立即停止油槍(如果投煤則盡量減少煤量)，加大一次風(fēng)量降低床溫，等到確定可燃物燃盡后(氧量降至5% ～10%)，可投煤穩(wěn)定床溫，防止床溫下降較快而造成床溫多次大幅度波動(dòng)，同時(shí)要防止床溫過(guò)高或過(guò)低而造成結(jié)焦。爐膛發(fā)生劇烈爆燃時(shí)，應(yīng)根據(jù)情況果斷停運(yùn)所有風(fēng)機(jī)，待床溫降到較低溫度時(shí)，重新置換床料，點(diǎn)火升壓，以防爐膛發(fā)生嚴(yán)重結(jié)焦。

實(shí)施上述措施后，該廠至今未再發(fā)生過(guò)爆燃事故。

5 結(jié)束語(yǔ)

CFB鍋爐啟動(dòng)是鍋爐運(yùn)行中一個(gè)重要的操作，為了確保燃燒過(guò)程的穩(wěn)定、可靠，在CFB鍋爐點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)，上述措施的實(shí)施是非常關(guān)鍵的，它可以避免出現(xiàn)爆燃事故，從而保證鍋爐在啟動(dòng)過(guò)程中更加安全、經(jīng)濟(jì)、平穩(wěn)。

［1］黨黎軍.循環(huán)流化床鍋爐啟動(dòng)調(diào)試與安全運(yùn)行［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2002.

［2］盧嘯風(fēng).大型循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備與運(yùn)行［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.

［3］劉德昌，陳漢平，張世紅，等.循環(huán)流化床鍋爐運(yùn)行與事故處理［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2006.