某磨煤機爆燃原因分析及控制措施

摘要：某電廠600 MW機組燃用印尼煤的磨煤機在啟動過程中出現(xiàn)爆燃事故，造成磨煤機一次風(fēng)入口防爆門撕裂，嚴重威脅機組運行安全。通過對磨煤機出口溫度、排渣箱漏風(fēng)、粉管堵塞、一次風(fēng)室堵煤等因素進行分析，得出原煤攜帶的金屬與磨盤發(fā)生摩擦產(chǎn)生火花點燃煤粉造成爆燃的結(jié)論，并提出了相應(yīng)的控制措施，為制粉系統(tǒng)的運行調(diào)整提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：磨煤機;制粉系統(tǒng);爆燃;揮發(fā)分;出口溫度;控制措施

0 引言

制粉系統(tǒng)是燃煤電廠主要輔機之一，其運行穩(wěn)定性直接影響著鍋爐的燃燒工況，其中直吹式制粉系統(tǒng)爆燃不僅會造成磨煤機及其附件損壞，還會威脅鍋爐安全，所以，防止爆燃成為磨煤機運行主要的防控項目。基于煤種的多樣性、煤熱解的不確定性以及磨煤機內(nèi)熱風(fēng)與煤粉復(fù)雜的換熱情況，為防止出現(xiàn)爆燃事故往往以降低磨煤機的出口溫度為主，但過低的出口溫度會限制制粉系統(tǒng)的靈活性和經(jīng)濟性，且防爆燃效果并不明顯[1]。本文以某廠600 MW機組燃用印尼煤的磨煤機爆燃事故為例，具體分析磨煤機內(nèi)部煤粉爆燃與磨煤機出口溫度等要素的相關(guān)性，查找發(fā)生爆燃的直接原因，并提出有效的控制措施。

1 系統(tǒng)介紹及煤種參數(shù)

某廠600 MW機組鍋爐型號為DG1920/25.4-π6型，制粉系統(tǒng)采用ZGM113型中速磨煤機，一次風(fēng)正壓直吹系統(tǒng)，對后墻對沖燃燒。磨煤機系統(tǒng)如圖1所示。設(shè)計煤種為神華煙煤，為降低燃料成本摻燒印尼煤，工業(yè)分析全水30.9%，內(nèi)水10.08%，灰分2.27%，揮發(fā)分43.09%，固定碳43.69%。

2 事故過程及原因分析

某日20：31，F(xiàn)給煤機減速箱檢修后啟動F制粉系統(tǒng)，20：36吹掃5 min后啟動磨煤機運行，此時出口溫度72 ℃，風(fēng)量77 t/h，20：44運行8 min后磨煤機入口溫度208 ℃，風(fēng)量80 t/h，出口溫度80 ℃。磨煤機發(fā)生巨響，出口溫度快速升高，運行人員迅速判斷為磨煤機爆燃，投入消防蒸汽系統(tǒng)，急停磨煤機。就地檢查發(fā)現(xiàn)入口一次風(fēng)防爆門動作，焊接處撕裂。

磨煤機爆燃時的參數(shù)變化如表1所示。從爆燃時磨煤機進出口差壓的變化可以看出，差壓先上升后下降，且入口一次風(fēng)壓力的變化先于磨煤機上下碗差壓以及磨煤機分離器出口壓力，可以判斷爆燃發(fā)生在磨碗附近，產(chǎn)生的壓力波傳遞到磨煤機出口使得出口壓力上升，同時將磨煤機出口空氣送進爐膛，磨煤機出口溫度下降，隨后磨碗處煤粉被點燃使得磨煤機出口溫度快速上升。

通過對磨煤機爆燃后的現(xiàn)場進行檢查，我們主要發(fā)現(xiàn)以下幾點：

（1）一次風(fēng)道干凈，并未發(fā)現(xiàn)有大量堵煤情況;

（2）排渣箱也并未有大量煤渣;

（3）磨煤機內(nèi)有1根直徑4 mm、長約1 m的不規(guī)則形狀鋼筋。

按照《電站磨煤機及制粉系統(tǒng)選型導(dǎo)則》（DL/T 466—2017）關(guān)于限制磨煤機出口溫度的規(guī)定，直吹式制粉系統(tǒng)燃用干燥無灰基揮發(fā)分大于40%煤時，分離器后溫度控制在60～70 ℃。因此認為磨煤機分離器出口溫度過高是爆燃發(fā)生的主要原因。以下針對幾個重點要素逐一進行分析。

2.1 ? ?磨煤機出口溫度過高

根據(jù)煤粉爆炸機理，熱風(fēng)進入磨煤機內(nèi)后與原煤接觸導(dǎo)致原煤熱解析出包括CO、CH4、H2等在內(nèi)的氣體，此時遇到足夠能量的火源就會引起燃燒，繼而加速揮發(fā)分析出造成連鎖反應(yīng)產(chǎn)生爆炸，煤粉爆炸實際就是析出氣體的快速氣相燃燒。出口溫度越高預(yù)示磨煤機內(nèi)部溫度越高，揮發(fā)分析出越多，越容易造成爆炸。在磨煤機粉管無堵塞的情況下，煤的堆積起燃溫度與干燥基灰分、可燃基揮發(fā)分以及煤粉水分置信相關(guān)關(guān)系公式為[2]：

tz=203.176 2-1.827 4Vr+1.690 1Ar+0.979 2Wmf（1）

式中：tz為堆積起燃溫度;Vr為可燃基揮發(fā)分;Ar為干燥基灰分;Wmf為煤粉水分。

根據(jù)公式（1）代入煤種數(shù)據(jù)進行計算，無積粉直吹式制粉系統(tǒng)出口防爆上限溫度為126.95 ℃，在磨煤機運行過程中，安全裕度應(yīng)設(shè)置為30 ℃。磨煤機內(nèi)部工況復(fù)雜，高溫一次風(fēng)從風(fēng)環(huán)進入磨煤機內(nèi)會迅速與磨煤機進行換熱，在短時間內(nèi)降低到煤粉流的出口溫度，磨煤機風(fēng)環(huán)附近外壁面的溫度分布情況是：磨煤機在風(fēng)環(huán)處的外壁面溫度最高，沿著垂直向上的方向，外壁面溫度會快速下降[3]，所以在研磨區(qū)域，原煤溫度極難接近一次風(fēng)的溫度。煤熱解過程中CO為首先析出的氣體，溫度約200 ℃，CH4在300 ℃左右析出，H2在400～600 ℃析出[4]。爆燃時磨煤機入口風(fēng)溫僅為208 ℃，由以上分析可知，磨煤機內(nèi)部只有在風(fēng)環(huán)處溫度可能短暫達到200 ℃，大部分區(qū)域溫度未能達到氣體析出的水平。同時根據(jù)《石油化工企業(yè)可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》（SH 3063—1999），CO氣體常溫下爆炸極限的體積濃度為12.5%～74%，引燃溫度609 ℃，CH4爆炸極限的體積濃度為5%～15%，引燃溫度540 ℃，在80 t/h的風(fēng)量條件下，要使CO達到爆炸極限濃度，那么CO析出質(zhì)量占煤量質(zhì)量約62.5%，所以在啟磨初期高通風(fēng)量的情況下，煤粉析出的可燃氣體不足以引起爆燃。

2.2 ? ?其他原因分析

（1）磨煤機內(nèi)部金屬摩擦產(chǎn)生高溫火花，局部溫度急劇升高直接點燃煤粉。

（2）磨煤機通流部分阻力過大，如一次風(fēng)道入口、分離器間隙、出口分管彎頭等造成煤粉阻塞堆積，導(dǎo)致煤粉自燃[5]。

（3）磨煤機某些密閉空間如排渣箱、風(fēng)環(huán)室等因為密封元件損壞導(dǎo)致可燃物被長期加熱而著火。

（4）磨煤機啟停過程中，因為有煤粉殘留，長期緩慢析出揮發(fā)分導(dǎo)致磨煤機內(nèi)部煤粉濃度在爆炸極限內(nèi)，因未經(jīng)充分吹掃及采取降溫措施導(dǎo)致爆炸。

（5）一次風(fēng)室刮板的損壞會導(dǎo)致煤渣無法被刮入排渣箱而掉落在一次風(fēng)室中逐漸堵滿風(fēng)室，磨盤與煤之間不斷摩擦產(chǎn)生大量熱量從而使煤發(fā)生爆燃[6]。

事故發(fā)生后通過檢查發(fā)現(xiàn)，排渣箱沒有大量煤渣，啟動過程中排渣口也未出現(xiàn)嚴重漏風(fēng)的現(xiàn)象，所以可以判斷爆燃并非由于一次風(fēng)室堵煤或者排渣箱漏風(fēng)造成。在啟動磨煤機前經(jīng)過了較長時間的吹掃，且運行8 min后才發(fā)生爆燃，可以認為不是殘留煤粉所析出的揮發(fā)分導(dǎo)致爆燃。

結(jié)合以上分析，在排除相關(guān)因素后可以認為此次爆燃的原因在于磨煤機試運行的過程中，煤層較薄，鋼筋在磨碗中一直與磨輥和煤攪動，金屬材料間發(fā)生摩擦火花溫度遠高于CO等氣體點燃溫度，造成了煤粉氣流的爆燃。

3 原因總結(jié)

由以上分析可知，磨煤機出口溫度高導(dǎo)致煤粉爆燃的原因在于過高的一次風(fēng)溫度加速了原煤中揮發(fā)分的析出，降低了煤粉氣流的爆炸極限導(dǎo)致爆燃。但是在通風(fēng)良好無阻塞的制粉系統(tǒng)中，正在啟動的磨煤機整個區(qū)域溫度不高，煤粉氣流中可燃性氣體體積分數(shù)較低，發(fā)生爆燃的可能性極低。通常應(yīng)該存在另外的熱源包括機械碰撞或者靜電火花，瞬間引爆煤粉氣流，這些常見的爆燃原因可以通過數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場分析得出。所以在燃用低揮發(fā)分煤種時，在啟動磨煤機或低負荷運行時應(yīng)避免長時間在低給煤率狀況下運行，適當(dāng)降低磨煤機加載力，加大通風(fēng)量以防止煤層較薄出現(xiàn)磨輥磨盤空磨產(chǎn)生火花點燃煤粉造成爆燃。

4 結(jié)語

鑒于控制磨煤機出口溫度并非防爆燃必要措施，而提高磨煤機出口溫度一方面可以縮短煤粉在爐膛內(nèi)燃燒時間，提高煤粉燃盡率，減少過熱器和再熱器超溫現(xiàn)象，另一方面能提高磨煤機干燥出力，降低制粉電耗。根據(jù)經(jīng)驗估計，磨煤機出口溫度提高10 ℃，排煙溫度可降低2 ℃，減少煤耗0.35 g/kWh。為了防止磨煤機爆燃，需及時了解煤種參數(shù)變化，保證輸煤設(shè)備可靠，避免在低給煤率下長期運行，減少磨煤機通道堵塞以及防止排渣箱漏風(fēng)等。

[參考文獻]

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[3] 呂洪坤，常毅君，裘立春，等.提升1 000 MW機組磨煤機進出口溫度的措施研究[J].浙江電力，2013，32（4）：30-34.

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[5] 張亮杰.大型電站鍋爐燃用印尼煤的爆燃問題分析和治理經(jīng)驗探索[J].機電信息，2017（21）：146-147.

[6] 唐忠順，王海秀.磨煤機一次風(fēng)口爆燃原因及控制措施[J].中國電力，2011，44（5）：49-51.

收稿日期：2020-08-13

作者簡介：梁遠（1992—），男，廣東茂名人，助理工程師，研究方向：熱能與動力工程、熱力發(fā)電。