煤粉鍋爐粉倉爆炸的原因分析及防治措施研究

馬 洪 洲

(中煤科工清潔能源股份有限公司，北京 100013)

0 引 言

煤炭仍是我國最主要的一次能源，在發(fā)電、工業(yè)生產(chǎn)及民用取暖等領(lǐng)域，煤磨制成粉進行燃燒是利用效率最高、使用最廣泛的一種方式。為保證煤粉鍋爐穩(wěn)定生產(chǎn)運行，燃用不同煤種的煤粉鍋爐通常均配有大型的爐前煤粉倉，以滿足鍋爐一定時間燃燒的需要。細粉狀的煤活性高、極易自燃，煤粉倉中大量的煤粉如發(fā)生燃燒極易引發(fā)煤粉倉的爆炸，導致設(shè)備損壞和人員傷亡等重大事故。如廣州市旺隆熱電廠DG420/9.8-II2型高溫高壓自然循環(huán)煤粉爐粉倉爆炸事故[1]、淮南洛河發(fā)電廠二期2×300 MW機組粉倉爆炸事故[2]及德州晶華集團2 550 t/d干法生產(chǎn)線二號線煤粉倉自燃事故[3]等。因此，煤粉倉爆炸原因、如何防范煤粉倉的爆炸以及爆炸發(fā)生后采取何種最佳處理方法將爆炸的危害降至最低一直是相關(guān)學者和專家重點研究的內(nèi)容。蔣冬青等人[4]對煤粉爆炸的必要條件進行了系統(tǒng)分析并針對風掃磨煤系統(tǒng)提出了改進措施。Cashdollar[5]在實驗室內(nèi)采用20 L爆炸測試爐對煤粉倉內(nèi)的最大壓力升高速率、最小氧氣濃度和惰化劑最低用量等與煤粉倉爆炸相關(guān)的參數(shù)進行了測定，其研究發(fā)現(xiàn)煤粉顆粒的粒徑對煤粉爆炸有很大的影響。肖翠微[6]對煤粉爆炸的參數(shù)進行了實驗室測量，并且依據(jù)其測量結(jié)果，結(jié)合煤粉工業(yè)鍋爐煤粉倉的特征給出了限制煤粉倉內(nèi)煤粉濃度和氧氣濃度、火源控制和設(shè)置泄爆裝置等防止煤粉倉爆炸的措施。錢詳鵬[7]結(jié)合姚孟電廠及南京熱電廠煤粉倉爆炸的事故對煤粉倉爆炸的原因進行了分析，提出了惰性化在煤粉倉爆炸預防中相對重要的作用。

筆者在總結(jié)前人在煤粉倉爆炸方面的研究基礎(chǔ)上，對煤粉倉爆炸的原因進行分類分析，對預防煤粉倉爆炸事故所做的各類改進措施進行了整理分析。以期對今后煤粉倉爆炸事故的預防和處理措施起到理論支撐的作用。

1 粉倉爆炸主要原因分析

煤粉是含碳量極高的有機混合物，影響粉倉內(nèi)煤粉自燃爆炸的主要原因包括煤的揮發(fā)分、粒徑、煤粉倉內(nèi)氣氛和溫度等原因。

1.1 煤的揮發(fā)分

煤粉倉內(nèi)的煤粉長期處于堆積狀態(tài)下，一旦發(fā)生自燃現(xiàn)象極易導致煤粉倉爆炸。經(jīng)研究，揮發(fā)分的高低不僅關(guān)系到煤的爆炸特性，還影響到煤在堆積狀態(tài)下的自燃指數(shù)，自燃溫度與煤的揮發(fā)分的關(guān)系[8]見表1。揮發(fā)分越高，自燃溫度越低，說明較高揮發(fā)分的煤種活化能低，越容易在煤粉倉中出現(xiàn)自燃的現(xiàn)象。

表1 自燃溫度與煤的揮發(fā)分的關(guān)系[8]Table 1 Relationship between the volatility and autoig-nition temperature of coal[8]

研究表明，煤的揮發(fā)分含量越高，越容易發(fā)生爆炸，按照煤的揮發(fā)性對其爆炸指數(shù)和爆炸等級(見表2)進行分析后發(fā)現(xiàn)，隨著揮發(fā)分含量的升高，爆炸指數(shù)和爆炸等級都逐漸升高。究其原因是由于揮發(fā)分較高的煤在受熱達到活化能之后能夠迅速釋放出大量的氣態(tài)產(chǎn)物，如CO、CH4等，導致煤粉倉內(nèi)壓力急劇升高引發(fā)爆炸。同時，揮發(fā)分含量越高，煤粉倉發(fā)生爆炸時產(chǎn)生的爆炸壓力越高，溫度也越高，破壞力更強[9]。

表2 煤的爆炸特性[10]Table 2 Explosion characteristics of the coal[10]

1.2 煤粉的粒徑

當前工業(yè)應用中燃用的煤粉通常粒徑小于500 μm，小型煤粉工業(yè)鍋爐的常用煤粉顆粒則更細，通常粒徑小于100 μm。煤粉倉中的煤粉通常以氣力輸送的形式，由壓縮空氣攜帶進入煤粉倉內(nèi)。而煤粉顆粒的粒徑越小，其比表面積越大，更利于和氧氣接觸。因此煤粉的粒徑越小，煤粉倉內(nèi)煤粉發(fā)生自燃爆炸的概率越將顯著提高，爆炸的破壞力也同樣有所提高，煤粉粒徑導致火災爆炸的危險系數(shù)見表3。研究顯示，當煤粉粒徑大于1 000 μm時，煤粉爆炸的可能性很低[11]。何琰儒等人[12]針對煤粉粒徑對發(fā)生爆炸影響的實驗和模擬研究工作進一步證實了煤粉粒徑與煤粉倉爆炸之間的關(guān)系。

表3 煤粉粒徑與導致火災爆炸的危險系數(shù)的關(guān)系Table 3 Relationship between coal particle size and the risk factor of explosion

1.3 煤粉倉內(nèi)氣氛

粉倉內(nèi)的煤粉發(fā)生爆炸需要在一定的粉塵濃度范圍內(nèi)(爆炸極限)才能發(fā)生，研究表明，煤粉與空氣混合后，只有在煤粉濃度大于30 g/m3，小于7 000 g/m3的范圍內(nèi)時，爆炸才會發(fā)生[4]。實際煤粉倉中下部堆實的煤粉濃度是明顯大于該范圍的，因此煤粉打粉時，粉倉中上部空間的煤粉濃度才是需要重點測量的位置?？扇嘉铩⒀趸蜓趸瘎?、火源是煤粉燃燒發(fā)生的必要條件。在煤粉倉爆炸的防治工作中，除煤粉濃度外，煤粉倉中氧氣濃度是對煤粉自燃和爆炸起到?jīng)Q定性作用的因素，以上也是很多煤粉倉布置惰化劑噴入裝置的原因，其目的是降低煤粉倉中的氧氣和揮發(fā)性可燃物濃度。

1.4 煤粉倉內(nèi)溫度

煤粉倉內(nèi)溫度升高是導致煤粉出現(xiàn)自燃和爆炸的重要因素之一。我國常用煤的著火溫度通常高于300 ℃，但處于堆積狀態(tài)的細顆粒煤粉其發(fā)生自燃的溫度要更低。并且，隨著揮發(fā)分含量的升高和煤粒徑的減小，煤粉自燃所需的最低自燃溫度和最低氧氣濃度都會出現(xiàn)降低的趨勢[9]。

造成煤粉倉內(nèi)溫度超溫的原因是多種多樣的，比較常見的是帶入性熱源導致的煤粉倉內(nèi)超溫和煤粉倉內(nèi)部積粉結(jié)皮導致對外傳熱能力下降所導致的煤粉倉內(nèi)超溫。由于水分對于煤粉的氣力輸送和燃燒都有很大的影響，因此通常用于氣力輸送煤粉的空氣和煤粉本身都要經(jīng)過烘干的過程，一旦烘干溫度過高，輸送管路過短就容易造成帶入性溫度超溫。而煤粉倉內(nèi)部尤其是下部如存在下粉不暢的滯止區(qū)就容易造成積粉、結(jié)皮等現(xiàn)象，從而打破原有煤粉倉內(nèi)的熱力平衡，造成煤粉倉超溫爆炸。

2 煤粉倉爆炸的預防措施

2.1 避免燃用不適宜的煤種

燃煤鍋爐的設(shè)計通常是在一定的適用煤種范圍完成的。通過分析可知，煤種的變更不僅將對燃煤鍋爐的燃燒產(chǎn)生影響，也會成為煤粉倉發(fā)生爆炸的重要原因。因此，在更換鍋爐燃用煤質(zhì)前，對燃用的煤種進行充分的煤質(zhì)分析和燃爆性分析，避免使用不適宜的煤種是防控煤粉倉爆炸的重要手段之一。

2.2 改進煤粉倉結(jié)構(gòu)

煤粉倉的順利進粉和下粉對煤粉倉的正常工作和爆炸事故預防具有非常重要的意義。如改善煤粉倉下端錐度、避免出現(xiàn)漏斗流和起拱、維持倉內(nèi)整體流(如圖1所示)、改良煤粉倉下粉管路中的易堵粉部件都能夠有效地預防煤粉倉中出現(xiàn)滯止區(qū)，防止煤粉倉內(nèi)結(jié)皮的產(chǎn)生。同時需認識到煤粉倉雖然為煤粉的貯存設(shè)施，但其容易發(fā)生爆炸危險，因此煤粉倉的設(shè)計需要考慮倉壁和各個部件的承壓能力[11]，較高的承壓能力是在爆炸事故發(fā)生時挽救生命的最直接手段。

圖1 煤粉倉流態(tài)Fig.1 Flow patterns of pulverized coal bunker

2.3 設(shè)置爆炸應急措施

煤粉倉事故一旦發(fā)生，其造成的危害將非常嚴重，因此，在煤粉倉上設(shè)置必要的應急措施尤為重要。應急措施包括煤粉倉上的防爆泄壓門、惰化劑和冷卻劑噴入裝置[13]、煤粉倉內(nèi)消防設(shè)施及與后端鍋爐相連的全系統(tǒng)聯(lián)動報警裝置等。噴入惰性劑除了作為煤粉倉常用的應急處理手段以外其實也可以作為煤粉倉正常使用的常規(guī)運行手段，氮氣、CO2等常見惰化劑的噴入能夠顯著降低煤粉倉內(nèi)氧氣含量，預防煤粉倉自燃和爆炸的發(fā)生。目前煤粉倉防爆泄壓門的設(shè)置已經(jīng)是最常用的煤粉倉設(shè)計，合理的泄壓閥值需要經(jīng)過嚴格精準的計算，同時，定期對防爆泄壓裝置進行檢查也是必須嚴格執(zhí)行的運行程序。

2.4 制定嚴格的運行管理規(guī)程

總結(jié)大量事故的發(fā)生發(fā)現(xiàn)，很多事故的發(fā)生都是由于運行人員對設(shè)備不熟悉、未按運行規(guī)程操作或疏忽操作造成的[14]。因此，制定嚴格的運行管理規(guī)程，避免不當操作，實現(xiàn)嚴格的定時檢控制度是避免煤粉倉爆炸事故發(fā)生的有效方法之一。

2.5 加強煤粉倉內(nèi)的測控

煤粉倉內(nèi)部的料位、溫度、壓力和濕度等參數(shù)也是煤粉倉安全使用的重要參數(shù)。常見的煤粉倉裝設(shè)的料位計如螺旋料位計、音叉料位計和重錘探測式料位計等均存在一定的測量誤差，因此定期對煤粉倉內(nèi)料位計進行檢查是非常必須的。同時，針對不同的工況條件和煤種條件，應對煤粉倉內(nèi)的溫度、壓力和濕度等重要參數(shù)進行嚴格的監(jiān)控和使用范圍限定，煤粉倉內(nèi)部測控點布置如圖2所示。生產(chǎn)運行中應使得粉倉內(nèi)各項數(shù)據(jù)參數(shù)均處于安全使用范圍之內(nèi)，以實現(xiàn)煤粉倉爆炸事故的防患于未然。

圖2 煤粉倉內(nèi)測控點布置Fig.2 Layout of measurement and control points in pulverized coal bunker

3 結(jié) 論

(1)粉倉內(nèi)煤粉的揮發(fā)分含量越高，發(fā)生自燃的溫度越低，發(fā)生爆炸的可能性越高，其破壞力也越大。同時，煤粉粒徑越小，煤粉倉內(nèi)溫度越高，煤粉倉發(fā)生爆炸的可能性也越高，破壞力越大。

(2)嚴格把控鍋爐燃用的煤種，改進優(yōu)化煤粉倉內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)置防爆泄壓門和惰化劑、冷卻劑噴入裝置，執(zhí)行嚴格的運行管理規(guī)程，對煤粉倉內(nèi)料位、溫度及壓力等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控均是預防煤粉倉爆炸和降低粉倉爆炸后危害程度的有效措施。