磨煤機(jī)制粉過程中的煤粉爆炸特性研究

任衍輝，張振國(guó)

(大唐東北電力試驗(yàn)研究所有限公司，長(zhǎng)春 130012)

在制粉和儲(chǔ)藏煤粉過程中，其制粉系統(tǒng)在一定情況下會(huì)出現(xiàn)爆炸事故，一直影響著鍋爐的安全運(yùn)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(jī)理建立起爆炸與其特性的關(guān)系［3］，從而為改善煤粉的制造與儲(chǔ)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(xì)度以及煤粉的濃度等［4-6］，總結(jié)制定減少煤粉爆炸的預(yù)防措施，對(duì)磨煤機(jī)出口溫度防爆上限值進(jìn)行進(jìn)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(dāng)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(huì)慢慢升溫，此時(shí)的煤粉會(huì)出現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)象，當(dāng)煤粉的溫度達(dá)到其所要求的著火點(diǎn)時(shí)煤粉會(huì)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(xiǎn)，從而造成設(shè)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(xué)反應(yīng)的一種流體力學(xué)過程，這種情況比煤粉的穩(wěn)態(tài)燃燒或者發(fā)生爆轟復(fù)雜得多。至今，對(duì)粉塵爆炸機(jī)理的研究無論在理論上還是實(shí)驗(yàn)技術(shù)上都還沒達(dá)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(dá)到氣體所發(fā)生爆炸的數(shù)倍。粉塵爆炸包括以下幾個(gè)進(jìn)程［9］。

a.粉塵粒子的表面溫度由于其所吸收的點(diǎn)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(huì)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(diǎn)火，進(jìn)一步加速了粉塵顆粒的熱分解反應(yīng)。

氣相的可燃性物質(zhì)通過一定的循環(huán)往復(fù)放出來與空氣進(jìn)行混合，使粉塵著火，因此，粉塵爆炸可認(rèn)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(jìn)爆炸的發(fā)生。

粉煤的爆炸進(jìn)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?xì)怏w，當(dāng)這些可燃?xì)怏w累積到足夠的水平后，碰到具有一定能量的點(diǎn)火源則會(huì)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(xì)度、煤粉的濃度以及煤粉的溫度等。

當(dāng)煤粉揮發(fā)分Vdaf達(dá)到w(Vdaf)＜10%時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生爆炸，當(dāng)煤粉所含揮發(fā)分增加時(shí)，煤粉發(fā)生爆炸的概率也相應(yīng)變大;若煤粉達(dá)到w(Vdaf)＞20%，煤粉產(chǎn)生自燃甚至爆炸的概率很大;在煤粉達(dá)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?jǐn)?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?jǐn)?shù);w(Cvar)為煤的收到基揮發(fā)分中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

爆炸指數(shù)BC在考慮煤中揮發(fā)分作用的同時(shí)，還充分考慮了煤中各元素對(duì)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(diǎn)僅為250℃左右，因此揮發(fā)分中含硫量高的煤爆炸性強(qiáng)。爆炸指數(shù)BC與著火溫度的關(guān)系見圖1。

按爆炸指數(shù)數(shù)值的大小，可將動(dòng)力用煤按爆炸特性分為5個(gè)等級(jí)，由圖1可知，著火溫度大于400℃，BC小于20，爆炸等級(jí)為0級(jí)，極難爆炸;著火溫度325～400℃，BC為20～30，爆炸等級(jí)為Ⅰ級(jí)，難爆炸;著火溫度280～325℃，BC為30～45，爆炸等級(jí)為Ⅱ級(jí)，中等爆炸;著火溫度240～280℃，BC為45～70，爆炸等級(jí)為Ⅲ級(jí)，易爆炸;著火溫度小于240℃，BC＞70，爆炸等級(jí)為Ⅳ級(jí)，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(huì)被點(diǎn)燃，若這些煤粉堆積在一次風(fēng)管內(nèi)部，則會(huì)產(chǎn)生爆炸。

當(dāng)煤粉顆粒在200 μm以下時(shí)可以認(rèn)為沒有爆炸的危險(xiǎn)，并且顆粒越小，爆炸發(fā)生的概率也相應(yīng)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(shí)，發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)性也較小。

煤塵與可燃?xì)怏w共存增大了爆炸的危險(xiǎn)性，如煤粉與CH4共存，則O2體積分?jǐn)?shù)小于10%就會(huì)發(fā)生爆炸，而當(dāng)輸送煤粉的氣體中含有CO2或SO2體積分?jǐn)?shù)在5%以上時(shí)，幾乎不會(huì)發(fā)生爆炸。

上述內(nèi)容對(duì)煤粉的爆炸特性作了定性的了解，然而其他成分對(duì)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(duì)煤粉爆炸特性分類的指標(biāo)，BC可按下式計(jì)算:爆炸指數(shù)與煤的著火溫度對(duì)判別煤粉的爆炸特性是一致的，對(duì)不同爆炸危險(xiǎn)等級(jí)的煤，應(yīng)在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中采取相應(yīng)的防爆措施。

圖1 爆炸指數(shù)BC與著火溫度的關(guān)系

2 磨煤機(jī)流場(chǎng)模擬仿真研究

2.1 磨煤機(jī)仿真模型結(jié)構(gòu)

型號(hào)MPS200HP-Ⅱ的磨煤機(jī)仿真模型結(jié)構(gòu)見圖2，磨煤機(jī)網(wǎng)格見圖3。其中包括位于磨煤機(jī)底部的風(fēng)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(fēng)環(huán)，上部為煤粉進(jìn)口和風(fēng)粉混合物的出口。通過對(duì)磨煤機(jī)內(nèi)部進(jìn)行模擬研究，進(jìn)一步了解煤粉的分布情況。

圖2 磨煤機(jī)仿真模型結(jié)構(gòu)

圖3 磨煤機(jī)網(wǎng)格

2.2 磨煤機(jī)流場(chǎng)分布

對(duì)磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，圖4為磨煤機(jī)整體顆粒分布，圖5為磨煤機(jī)出口顆粒分布，單位為μm。圖6、圖7和圖8為磨煤機(jī)不同出口溫度的內(nèi)部溫度分布圖，單位為K。

圖4 磨煤機(jī)整體顆粒分布

圖5 磨煤機(jī)出口顆粒分布

圖6 磨煤機(jī)出口溫度80℃時(shí)的內(nèi)部溫度分布

圖7 磨煤機(jī)出口溫度90℃時(shí)的內(nèi)部溫度分布

2.3 仿真結(jié)果分析

圖8 磨煤機(jī)出口溫度100℃時(shí)的內(nèi)部溫度分布

通過圖4、圖5可以看出從磨煤機(jī)底部到上部其煤粉顆粒逐漸變小，磨煤機(jī)入口處的煤粉是未經(jīng)過磨煤機(jī)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(jī)入口過來的煤粉與從底部來的具有一定溫度的風(fēng)共同作用，形成具有一定強(qiáng)度的渦流，從而使?jié)衩菏艿經(jīng)_擊而且會(huì)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(jìn)到熱風(fēng)接口管。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，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(fēng)的溫度可達(dá)到250℃以上，當(dāng)系統(tǒng)終止運(yùn)轉(zhuǎn)后，因其入口的風(fēng)門不能完全關(guān)閉，從中漏出的熱風(fēng)則能讓入口處溫度高達(dá)100℃上，很易點(diǎn)燃堆積在入口處的煤粉，經(jīng)過引燃的煤粉再進(jìn)入到磨煤機(jī)以后則可發(fā)生爆炸。

防止磨煤機(jī)入口處產(chǎn)生爆炸的方法為防止磨煤機(jī)入口積煤。磨煤機(jī)入口之所以會(huì)產(chǎn)生積煤主要是因?yàn)闈衩旱恼承裕@就使得不管系統(tǒng)是處于運(yùn)行或者停止?fàn)顟B(tài)，都會(huì)有引燃煤粉的可能性。若在磨煤機(jī)入口處加裝一定的阻隔板，就會(huì)讓煤、粉、風(fēng)三者進(jìn)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(fēng)和煤粉相接觸時(shí)便進(jìn)行蒸發(fā)，使得混合后的溫度接近所設(shè)定的出口溫度。

3 磨煤機(jī)出口溫度防爆上限值

用HS-TGA-101熱重分析儀對(duì)不同煤種進(jìn)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(huì)被氧化，這會(huì)使當(dāng)時(shí)的氧化過程非常緩慢，從而無法發(fā)生爆炸，但是這會(huì)使堆在結(jié)構(gòu)內(nèi)的煤粉產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，而處于高溫條件下，煤粉則會(huì)立即發(fā)生分解，并且其發(fā)生氧化的進(jìn)度也會(huì)相應(yīng)變快，從而會(huì)很快產(chǎn)生可燃?xì)怏w。

當(dāng)風(fēng)粉混合物溫度過高時(shí)，產(chǎn)生熱解，釋放出一定的可燃?xì)怏w。烴類可燃?xì)怏w的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫话銥?0 m/s，而煤粉燃燒器的一次風(fēng)速只有25～30 m/s，這就容易使?fàn)t膛火焰通過燃燒器一次風(fēng)口向直吹系統(tǒng)一次風(fēng)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(jī)出口溫度的防爆上限值。表1列出了我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)［10］中磨煤機(jī)出口最高允許溫度。

表1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中磨煤機(jī)出口最高允許溫度 ℃

4 結(jié)論

通過詳細(xì)分析煤粉發(fā)生爆炸的原理和因素，對(duì)磨煤機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真，得出了在磨煤機(jī)入口處合理加裝阻隔板，從而減少磨煤機(jī)入口積煤量的預(yù)防措施，并嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［10］規(guī)定的磨煤機(jī)出口最高允許溫度。