煤粉自燃特性實驗以及對磨煤機出口溫度影響因素的探討

顏祝明，盧志民，姚順春，沈躍良，莫爵徽

(1．廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東 汕尾 516622；2. 華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640；3.廣東電科院能源技術有限責任公司，廣東 廣州 510080)

磨煤機出口溫度是燃煤發(fā)電機組運行的一個重要參數(shù)。提高磨煤機出口溫度，可以給機組運行帶來以下諸多好處：①煤粉著火提前，延長了煤粉在爐膛內燃燒時間，一方面提高煤粉燃盡率，另一方面減少過熱器和再熱器的超溫現(xiàn)象；②可以提高磨煤機干燥出力，降低磨煤機制粉單耗；③減少一次風冷風量的消耗，降低一次風機電耗；④降低鍋爐排煙溫度。據(jù)經驗估計,磨煤機出口溫度每提高10 ℃，可降低排煙溫度約2 ℃，從而減少發(fā)電煤耗約0.35 g/kWh。浙江玉環(huán)電廠、溫州電廠、廣東的沙角電廠、汕尾電廠、珠江電廠以及安徽鳳臺電廠等都進行過試驗，將中速磨煤機出口粉溫升高到90 ℃以上[1-8]，在制粉系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的前提下，降低了排煙溫度，帶來明顯的經濟收益。其中，溫州電廠排煙溫度降低7 ℃，發(fā)電標準煤耗下降1.17 g/kWh[1]；汕尾電廠鍋爐排煙溫度下降6～8 ℃，提高鍋爐效率約0.3 %～0.4 %，降低機組供電煤耗約1.0～1.2 g/kWh；鳳臺電廠更是將磨煤機出口溫度由80 ℃提高到100 ℃，排煙溫度下降6.1 ℃，鍋爐效率增加0.31%，發(fā)電煤耗下降1 g/kWh[6]。

磨煤機出口溫度的確定主要受2個條件的約束：制粉系統(tǒng)的著火防爆上限和制粉系統(tǒng)的干燥出力要求(需高于風粉混合物的露點)。前者確定了上限出口溫度，后者確定了下限出口溫度。早在1964年，前蘇聯(lián)頒布的《煤粉制備及燃燒設備防爆規(guī)程》就制訂了磨煤機出口一次風的溫度上限，在1973年修訂規(guī)程時提高了此溫度上限(見表1)。我國在火力發(fā)電廠的制粉系統(tǒng)設計和熱力計算方面也一直在參考國外的規(guī)程，如DL/T 466—2004《電站磨煤機及制粉系統(tǒng)選型導則》(見表2)。它是根據(jù)不同煤種的揮發(fā)分含量(質量分數(shù)，下同)的差異，確定各類型制粉系統(tǒng)磨煤機出口溫度。其他標準如DL/T 5203—2005《火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防爆設計技術規(guī)程》、GB 50229—2006《火力發(fā)電廠與變電站設計防火規(guī)范》、DL/T 5145—2012《火力發(fā)電廠制粉系統(tǒng)設計計算技術規(guī)定》，都保持了一致的要求。

從目前有關電廠的試驗和實踐來看，磨煤機出口溫度顯然有提高的余地。事實上，我國1980年電力工業(yè)部頒布的《電力工業(yè)技術管理法規(guī)》中規(guī)定的直吹式煤粉制備系統(tǒng)磨煤機出口風粉混合物的最高溫度為130 ℃(煙煤)，以及采用熱風送粉時，對干燥無灰基揮發(fā)分大于15%(質量分數(shù)，下同)的煙煤，熱風溫度的選定應使燃燒器前的風粉混合物的溫度不超過160 ℃。有文獻稱，西德在褐煤領域采用的磨粉機出口溫度高達180 ℃[9]。

表1 前蘇聯(lián)《煤粉制備及燃燒設備防爆規(guī)程》關于磨煤機出口溫度的規(guī)定Tab.1 Regulations on outlet temperature of coal mills in explosion-proof regulations of the former Soviet Union ℃

表2 DL/T 466—2017《電站磨煤機及制粉系統(tǒng)選型導則》關于磨煤機出口最高允許溫度的規(guī)定Tab.2 Regulations on maximum permissible outlet temperature of coal mills in DL/T 466—2017

注：TM2為磨煤機出口風粉溫度。

關鍵問題是，如何科學地認識制粉系統(tǒng)中著火和爆炸的機理，并有效控制風險?；\統(tǒng)地按照煤的揮發(fā)分Vdaf和磨煤機類型來確定磨煤機出口溫度限定值，即以揮發(fā)分這一單一指標來反映煤種的自燃性和易爆性，并據(jù)此選取煤粉氣流的上限溫度尚不夠科學和系統(tǒng)。張肅等在文獻[9]中通過測量大量的煤種的熱解開始點溫度Ts和堆積起燃溫度Tz，發(fā)現(xiàn)即使對于揮發(fā)分含量接近的煤種，這2個參數(shù)也會有較大的差異，也說明了僅僅根據(jù)煤種或其揮發(fā)分含量來確定磨煤機出口溫度的上限有一定的局限性。因此，文獻[9]通過對70余種有代表性的煤樣的回歸分析，得出Ts和Tz與灰分、水分和揮發(fā)分的表達式，并以此為依據(jù)確定磨煤機出口溫度上限值。

影響煤的自燃傾向性的因素有煤質、硫含量、含水量、粒度、環(huán)境溫度、漏風強度、導熱系數(shù)等。煤自燃危險性由內因和外因共同決定，一般情況下，煤自燃的外因是可以通過技術手段控制的，故煤自燃危險性主要由內因決定。呂太等在文獻[10]中探究了干燥與褐煤爆炸危險性的關系，發(fā)現(xiàn)干燥會使褐煤煤粉樣品的小粒徑顆粒的數(shù)量增加；同時，干燥后的樣品的煤粉層最低著火溫度比干燥前低，且爆炸極限濃度也有所下降，因此表現(xiàn)得更容易發(fā)生著火和爆炸。

磨煤機內部實際工況比較復雜，如輥-盤式中速磨工作時，含水量大的原煤塊從上方進入磨盤中央，在離心力作用下逐漸往外移動并受到磨輥的擠壓研磨，在外邊緣與一次風混合；然后經過粗粉分離器，較細的煤粉最后隨一次風離開磨煤機，較粗的或黏著的煤粉返回磨盤重新研磨。根據(jù)著火和爆炸要素分析，制粉系統(tǒng)最可能著火和爆炸的過程應該是：干燥的煤粉長時間堆積蓄熱，熱量不斷積累、溫度升高，最終點燃懸浮在空氣中的煤塵(在爆炸濃度范圍內)。文獻[11-15]總結國內外火力發(fā)電廠發(fā)生各類制粉系統(tǒng)爆炸事故的主要原因有：

a)磨煤機內各種器件間的摩擦產生火花造成自燃或爆炸(點火源)；

b)磨煤機出口溫度過高，造成煤粉混合物中可燃氣體的析出，降低了著火和爆炸能量下限；

c)磨煤機入口、細粉分離器及入口和粗粉分離器的大間隙、低流速加上制造施工質量不高造成的壁面凹凸不平和煤粉管道布置不合理，導致積粉在較高的溫度下氧化自燃，形成點火源；

d)磨煤機長期處于運行狀態(tài)，造成密封和運動件的磨損，致使堵煤、漏入熱風等因素引起爆炸；

e)在磨煤機停機或啟動時，未進行充分的吹掃，致使磨煤機內殘留煤粉處于爆炸濃度范圍內；

f)磨煤機底部風環(huán)室的石子煤沒有及時清除或排石子煤二次門泄漏，殘留的石子煤長期受高溫煙氣烘烤而著火。

浙江大學趙虹等人對提高磨煤機出口溫度的安全性和經濟性進行了長期的研究，他們采用“熱重-紅外光譜”的方法分析實際煤種的揮發(fā)分(CO)析出規(guī)律，并在現(xiàn)場試驗中發(fā)現(xiàn)磨煤機出口溫度由75 ℃升至95 ℃，并不會導致磨煤機內產生CO析出的問題；同時還通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗相結合的方法，發(fā)現(xiàn)影響磨煤機運行安全性的關鍵因素不在于磨煤機出口溫度，而在于磨煤機內部一次風與煤粉的換熱過程[16]。浙江大唐烏沙山發(fā)電廠從長期提高磨煤機出口溫度運行的經驗中，發(fā)現(xiàn)文丘里套積粉或磨煤機入口一次風道積煤而引起的自燃是制粉系統(tǒng)5次爆燃的主要原因[17]。

本文主要是從提高磨煤機出口溫度的角度出發(fā)，選擇DL/T 5203—2005《火力發(fā)電廠煤和制粉系統(tǒng)防爆設計技術規(guī)程》中2個重要的煤粉爆炸感度指標：煤粉層最低著火溫度Tc和煤粉云最低著火溫度Ty，模擬更接近實際磨煤機壁面上煤粉積累造成自燃著火以及煤粉云著火的情況；同時對沿海電廠常用的5種煙煤或褐煤，進行最低著火溫度的實驗和分析，并與熱重分析的結果進行對比，探討灰分、水分、揮發(fā)分和粒徑對煤粉爆炸感度特性的影響。

1 實驗與方法

1.1 實驗原材料

由于極少發(fā)現(xiàn)因磨制無煙煤而導致制粉系統(tǒng)發(fā)生著火和爆炸的情況，所以行業(yè)內普遍認為在現(xiàn)有熱一次風溫度下磨制無煙煤的制粉系統(tǒng)不存在爆炸的可能性。因此，本文選取5種具有代表性的煙煤或褐煤作為試驗樣本(分別為S1、S2、S3、S4、S5)，5種煤的工業(yè)、元素分析和熱值指標見表3。

本文實驗分為2組，第一組是基礎實驗，比較同一狀態(tài)下(粒徑小于100 μm，空氣干燥基)不同煤種的爆炸感度特性；第二組是對照實驗，比較樣品S2在不同含水量(干燥基和空氣干燥基)和不同粒徑(粒徑在100～200 μm范圍內和小于100 μm)下的爆炸感度特性。

表3 5種煤樣的工業(yè)、元素分析和熱值(空氣干燥基)Tab.3 Industrial analysis, elemental analysis, calorific values of five coal samples (air dry basis)

1.2 煤粉層最低著火溫度實驗

磨煤機運行過程中，當原煤水分過大時，黏性增加；或者磨煤機內部結構的流通面積變大導致流速下降，可能引起內部發(fā)生煤粉堆積的現(xiàn)象，形成煤粉層。煤粉層在高溫壁面或者熱風的作用下有可能緩慢自燃，熱量逐漸積累導致進一步的反應[18]。本文根據(jù)GB/T 16430—1996《粉塵層最低著火溫度測定方法》進行實驗，測定裝置如圖1所示。

實驗時將5 mm厚的煤粉層置于可控溫的金屬平板表面上，通過改變金屬平板表面的溫度使煤粉層著火。煤粉層著火的定義為符合以下3種情況之一：出現(xiàn)有焰或者無焰燃燒；煤粉層溫度高于450 ℃；煤粉層溫度高于熱平板溫度50 ℃。

1—盛粉環(huán)；2—熱板；3—加熱器；4—加熱器控溫用熱電偶；5—熱板溫度記錄用電偶；6—粉塵層溫度記錄用電偶

圖1 煤粉層最低著火溫度測定裝置示意圖
Fig.1 Schematic diagram of the minimum ignitiontemperature measuring device for coal dust layer

1.3 煤粉云最低著火溫度實驗

磨煤機工作時，工作腔內充滿煤粉氣流，當含有滿足著火甚至爆炸濃度的煤粉氣流遇到自燃的煤粉或者高溫壁面等火源時，存在著火甚至爆炸的可能性；因此，需要對煤粉云的最低著火溫度進行測定[18]。實驗根據(jù)標準GB/T 16429—1996《粉塵云最低著火溫度測定方法》進行，測定裝置如圖2所示。實驗時，將煤粉置于儲塵器內，隨后打開電磁閥通入壓縮空氣，形成煤粉云，最后通入預熱到一定溫度的爐體，觀察其是否發(fā)生著火。依據(jù)國標GB/T 16429—1996《粉塵云最低著火溫度測定方法》著火的判定依據(jù),結論為“加熱爐管下端有火焰噴出或火焰滯后噴出”。

1—加熱爐；2—連接頭；3—儲塵器；4—電磁閥；5—儲氣罐；6—閘閥；7—U型管；8—穩(wěn)壓電源；9—溫度控制儀；10—溫度記錄儀

圖2 煤粉云最低著火溫度測定裝置示意圖
Fig.2 Schematic diagram of the minimum ignitiontemperature measuring device for coal dust cloud

1.4 熱重分析

Tc、Ty是煤粉爆炸感度特性參數(shù)，為補充說明并嘗試解釋上述實驗中各煤種所表現(xiàn)出的不同的性質，本文利用熱重分析方法，測試各煤種的著火溫度Ti、最大反應速率的對應溫度Tmax等參數(shù)，具體的參數(shù)含義及讀取方法，參見文獻[19]。

采用德國耐馳STA409C熱重分析儀，每次實驗稱取10 mg樣品，在模擬空氣氣氛下，升溫速率設置為：首先以25 ℃/min從室溫升到110 ℃進行干燥，然后以20 ℃/min的速率從40 ℃升到1 100 ℃，最后在恒溫1 100 ℃持續(xù)20 min。將所得熱重曲線轉換為干燥無灰基后再進行分析。

2 結果及分析

2.1 煤粉層最低著火溫度和煤粉云最低著火溫度

表4為測得各樣品的Tc和Ty。

表4 各煤粉樣品Tc和TyTab.4 Tc and Ty of pulverized coal samples ℃

從表4中可知，各煤種的Tc在250～330 ℃之間[20]，與磨煤機入口的熱風溫度范圍一致。但從有關的模擬和實測結果來看，一次風與煤粉的激烈換熱過程集中在風煤混合接觸后很小的一塊區(qū)域內，之后粉溫會迅速降低至接近磨煤機出口溫度[16]。從煤堆自燃模擬結果[21-22]可知，最易發(fā)生自燃的位置既不在煤堆的表面，也不在最深處，而是在相對中間的供氧條件較好、而散熱條件較差的位置，從而促進氧化反應以及熱量的積聚。因此，若可以及時清除煤粉的積聚，盡量減少煤粉層的積聚量和積聚厚度[18]，即使對于揮發(fā)分極高的煤種，其自燃和引起爆炸的風險還是較小的。

2.2 不同煤種的爆炸感度特性對比分析

由不同煤種與揮發(fā)分、灰分含量的關系圖(圖3)可以看出，所選的4種煤(S2—S5)，揮發(fā)分含量分別為41%、33%、14%、13%，而灰分含量分別為5%、14%、13%、26%。大體上，揮發(fā)分含量依次降低，而灰分含量依次升高。隨著揮發(fā)分含量的逐漸降低，Tc和Ty基本上同步升高，因此可以認為，以揮發(fā)分含量高低來表征煤粉的爆炸感度特性和制定相關的磨煤機出口溫度上限有其合理性；另外，從總體變化趨勢上看，Tc和Ty隨灰分含量的升高而升高，即灰分含量越高，煤粉爆炸的敏感度越低。故綜上所述，煤粉的爆炸感度特性參數(shù)是受揮發(fā)分和灰分含量的綜合作用影響的。煤粉受熱時，揮發(fā)分首先析出，因此揮發(fā)分含量高的樣品揮發(fā)分析出的濃度也高，在較低溫度時更容易達到著火濃度，且揮發(fā)分的著火溫度比固定碳低，因此該樣品首先著火；而灰分在著火初期會吸收一部分熱量，延遲煤粉的著火。另外，需要注意的是，S3與S2相比，其揮發(fā)分含量低而灰分含量高，但是其Tc也低，與總趨勢不符；S5與S4相比，也是在含有較低揮發(fā)分和較高灰分的情況下具有較低的Ty，因此必定存在除揮發(fā)分/灰分含量外的其他影響因素。

圖3 不同煤種Ty、Tc與揮發(fā)分、灰分含量的關系Fig.3 Relationship between Ty and Tc and volatile matter and ash content in different coal types

為更直觀地觀察煤粉爆炸感度特性和著火特性與揮發(fā)分的關系，從上述煤種樣中選出S3和S4兩個灰分含量接近、揮發(fā)分含量不同的樣品進行對比，結果如圖4所示?？梢钥闯觯瑩]發(fā)分含量高的S3，其爆炸感度特性和著火特性都更強。

圖4 煤種樣品S3和S4的爆炸感度特性和著火特性的對比Fig.4 Comparison of explosion sensitivity characteristics and ignition characteristics of samples S3 and S4

2.3 不同煤種的熱重分析指標對比

不同煤樣的熱重分析指標與揮發(fā)分、灰分含量的關系如圖5所示。從圖5中可以看出熱重Ti和Tmax變化趨勢是一致的，這表明Tmax的高低可以間接表征煤粉著火的難易程度。從總體趨勢上看，Ti和Tmax也都是隨著揮發(fā)分含量的降低和灰分含量的升高而升高。

2.4 粒徑、水分含量和灰分的影響

對比粒徑在100～200 μm之間和100 μm以下的S2，實驗發(fā)現(xiàn)粒徑小的樣品的Tc和Ty要高約50 ℃，而Ti和Tmax要高約10 ℃(見圖6)，因此粒徑較大的煤粉的爆炸感度特性和著火特性都比粒徑較小的煤粉弱。煤粉在受熱到著火的過程中，首先是水分的蒸發(fā)，接著是揮發(fā)分析出后燃燒，最后才是固定碳的反應。粒徑較大的煤粉，其比表面積較小，因此與空氣接觸的面積較小，且其內部空間較大，水分的蒸發(fā)和揮發(fā)分的析出的行程更長，因此所需的著火時間更長、著火溫度更高。故本文認為粒徑是煤粉爆炸感度特性的影響因素之一，粒徑越大，煤粉爆炸感度越弱。

圖5 樣品熱重分析指標與揮發(fā)分、灰分含量的關系Fig.5 Relationship between thermogravimetric analysis index and volatile matter and ash content

圖6 不同粒徑的樣品S2的爆炸感度特性和熱重分析的對比Fig.6 Comparison of explosion sensitivity characteristics and thermogravimetric analysis of sample S2 with different particle sizes

水分與爆炸感度特性、熱重著火特性的關系如圖7所示，干燥基的S2與空氣干燥基的S2相比，其Tc低10 ℃、Ty低20 ℃、Ti低10 ℃、Tmax高5 ℃。顯然，經過干燥的煤粉的爆炸感度特性要強于沒經過干燥的煤粉，但當前條件下兩者的著火特性的差異較小。主要原因是進行煤粉層實驗時使用煤粉的量比較多(約為50 g)，而且煤粉層的厚度有5 mm。只在正下方加熱，含水量高的煤粉層整體水分的蒸發(fā)需要更高溫度和更長時間，因此含水量越高的煤種的Tc越高。進行煤粉云實驗時，煤粉云大概只在加熱爐內停留1 s，受熱時間短,而只有更高的溫度才能在短時間內把含水量較高的煤粉充分干燥并使其著火，因此含水量越高的煤種Ty越高。進行熱重實驗時，使用煤粉的量很少(約10 mg)，且加熱速率較慢(20 ℃/min)，到達著火溫度附近時，2種樣品的水分含量基本上一致，因此其著火特性相差無幾。綜上所述，本文認為水分含量是煤粉爆炸感度特性的影響因素之一，水分含量越大，煤粉爆炸感度越弱。

圖7 不同水分的煤樣S2的爆炸感度特性和熱重分析的對比Fig.7 Comparison of explosion sensitivity characteristics andthermogravimetric analysis of coal sample S2 with different moisture

以S1和S2為樣品，對比其爆炸感度特性和著火特性受灰分含量的影響，結果如圖8所示。由于2種煤的揮發(fā)分含量相差無幾(S2的為41%，S1的為43.6%)，且元素分析和熱值也基本一致，兩者差別最大的就是灰分含量。其中S1的灰分含量(10.39%)是S2的(4.7%)2倍，但是兩者都屬于灰分含量較小的煤種。從圖8可以看出，S1的Tc和Ty與S2的是一致的，但是S1的Ti和Tmax比S2的要高，即高灰分含量的S1更難著火，因此灰分含量對著火是起抑制作用的，即灰分含量越高，著火溫度越高。雖然這一趨勢在本實驗條件下的煤粉爆炸感度特性上沒有體現(xiàn)出來，但是有理由相信當灰分含量的差距達到一定值后，灰分的抑制作用就會有所體現(xiàn)。

圖8 不同灰分含量煤的爆炸感度特性和熱重分析指標的對比Fig.8 Comparison of explosion sensitivity characteristics andthermogravimetric analysis indexes of coal with different ash contents

3 結論與討論

眾多實驗研究已經表明，利用系統(tǒng)熱風余量提高磨煤機出口粉溫，在安全運行的前提下可以創(chuàng)造出可觀的經濟效益，達到節(jié)能降耗的目的。本文從提高磨煤機出口溫度的角度出發(fā)，測定了5種不同煙煤或褐煤的煤粉層的Tc和煤粉云的Ty，并與熱重分析結果進行對比，結果表明：

a)5種煤粉(粒徑小于100 μm)的煤粉層的Tc在250～330 ℃之間，煤粉云的Ty在540～620 ℃之間，兩者的變化趨勢一致，表明煤粉爆炸感度特性測試的一致性。建議電廠可以根據(jù)該分析的最低溫度去控制磨煤機運行的最高點溫度。

b)熱重著火特性Ti和Tmax的結果和Tc、Ty的結果變化趨勢基本上一致，表明利用熱重分析代替煤粉層和煤粉云最低著火溫度的測試，來區(qū)別不同煤種的煤粉爆炸感度特性，是具有一定價值的。

c)隨著揮發(fā)分含量的增加、粒徑的減小、水分含量的降低和灰分的減少，煤粉越容易著火，煤粉爆炸感度特性增強。煤粉爆炸感度特性不僅僅與揮發(fā)分含量有關，需要進一步地深入研究，才能確定影響煤粉著火和爆炸特性的因素，從而制定出更加科學的磨煤機出口溫度規(guī)則，確保在安全運行的前提下提高電站鍋爐的經濟性。