火電站煤粉爐爆破除焦

林代恒，張忠祥，張余中，曾飛翰，馬 濱

(1.貴州中天爆破有限公司，貴陽 550081；2.貴州省金沙縣金鉆爆破工程服務(wù)有限公司，金沙縣 551800；3.四川省攀枝花市公安局，攀枝花 617000；4.雅化集團(tuán)攀枝花鑫祥化工有限公司，攀枝花 617100)

煤粉爐結(jié)焦是燃煤工業(yè)鍋爐中比較普遍的現(xiàn)象。由于火電煤粉爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性，國內(nèi)外采用爆破方式除焦很少見，在查詢相關(guān)文獻(xiàn)中，國內(nèi)僅見呂小師在焦作電廠采用電雷管爆破的方式除焦[1]，其它多為電冶爐、煉鐵煉鋼高爐拆除或爐瘤爆破,如林代恒在易燃磷化工電冶爐的耐火磚拆除中[2]，基于磷的特性，采用爐內(nèi)蓄水的方式進(jìn)行爐內(nèi)結(jié)構(gòu)鉆孔爆破,還有何賢輝、成永華在不停爐情況下[3,4]，通過爆破對爐內(nèi)空氣沖擊波的擾動影響分析，利用超壓對爐壁的極限破壞，確定了一次爆破使用最大藥量，璩世杰等在某高爐大修中對爆破劈裂進(jìn)行了試驗研究[5]。

火電煤粉爐結(jié)焦焦體是附著在爐膛水冷壁上，煤粉爐爐膛是煤粉燃燒的場所，它的四周爐壁上布滿了蒸發(fā)受熱面即水冷壁，在爐膛中通過水冷壁進(jìn)行熱交換。爐膛為鋼架結(jié)構(gòu)，由里向外結(jié)構(gòu)布置有膜式水冷壁、保溫材料層和煤粉爐外殼體。在煤粉爐爐膛中爆破除焦，相對于化工、金屬冶煉高爐爐內(nèi)爆破，難度較大，其不但要考慮爆破炸焦的效果，同時還要保證爆破有害效應(yīng)不對爐膛及水冷壁造成破壞。

2022年1月中旬，貴州金沙黔北發(fā)電廠由于3#鍋爐結(jié)焦，致使發(fā)電站停產(chǎn)。為盡快恢復(fù)生產(chǎn)，該廠在從未采用爆破除焦先例的情況下，基于理論計算和多次小藥量試爆，最終順利完成3#鍋爐爆破除焦任務(wù)。

1 結(jié)焦清除方法

1.1 煤粉爐結(jié)焦產(chǎn)生的原因

火電煤粉爐結(jié)焦有兩個條件，一是煤粉燃燒后產(chǎn)生的灰粒呈熔融狀態(tài)，二是熔融狀態(tài)的灰粒與壁面發(fā)生碰撞。煤粉爐內(nèi)的顆粒隨氣流運動，氣流場決定氣流向壁面的沖刷程度，決定灰粒與壁面碰撞的機(jī)率。如果運行中的煤粉爐氣流沖刷水冷壁、灰熔點溫度過低、爐膛溫度過高、缺氧燃燒、不及時清除結(jié)焦、煤質(zhì)不穩(wěn)定等因素都會造成鍋爐結(jié)焦。

1.2 煤粉爐結(jié)焦成分分析

結(jié)焦是煤炭中灰分的熔融特性決定的。煤灰中難熔成分多為酸性氧化物，熔點多在1500～2000℃之間，如SiO2為1470℃，Al3O2為2015℃；煤灰中易熔的主要是堿性金屬化合物，它們的熔點多在1000℃以下，如KO2、NaO2為700℃，F(xiàn)eS的軟化溫度為1194℃、FeS2的軟化溫度為750℃。煤灰在鍋爐中燃燒時，高溫中的灰分一般呈融化或軟化狀態(tài)，具有黏性，黏度越大越容易結(jié)焦[6]。鍋爐結(jié)焦的主要成分是堿性金屬化合物。

1.3 煤粉爐結(jié)焦清除方法

煤粉爐結(jié)焦清除方法有以下幾種：①在鍋爐每個灰斗設(shè)置打焦人工孔，采用長金屬管人工打焦，這只能對附著于水冷壁較薄的結(jié)焦或焦塊掉入灰斗的結(jié)焦，在生產(chǎn)中及時清理；②利用蒸汽吹灰器或水力吹灰器對大型煤粉爐水冷壁結(jié)焦進(jìn)行吹掃；③對于厚大鍋爐結(jié)焦體，以上二種辦法都將無能為力，只有采用爆破除焦的方法才可“多、快、好、省”地清除鍋爐結(jié)焦。

2 工程概況

該發(fā)電廠300 MW機(jī)組3#煤粉爐是東方鍋爐廠引進(jìn)美國CE公司技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品。鍋爐為雙拱型單爐膛平衡通風(fēng)、露天布置、全鋼架結(jié)構(gòu)，固態(tài)連續(xù)排渣，中間一次再熱、亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)單氣泡鍋爐。鍋爐型號為DG1025/18.2-Ⅱ15，采用四臺FW雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，“W”型火焰燃燒方式，并配置雙旋風(fēng)分離式煤粉燃燒器，尾部雙煙道結(jié)構(gòu)，采用煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱器出口汽溫，過熱蒸汽溫度采用兩噴水減溫調(diào)節(jié)[6]。該煤粉爐爐膛水冷壁是一排并列波紋面的25MnG無縫鋼管組成，崁入爐墻內(nèi)壁，管壁厚9 mm。3#煤粉爐在生產(chǎn)過程中，結(jié)焦體卡結(jié)在爐膛B(出渣觀察口一側(cè))側(cè)7.3 m收腰處上下人工孔之間，由于燃料特性、燃煤煤種、生產(chǎn)系統(tǒng)等種種原因，爐膛水冷壁結(jié)焦體越積越大，結(jié)焦體長寬高尺寸約為5 m×4.5 m×5.3 m，已經(jīng)嚴(yán)重影響了鍋爐的正常運行，需停爐檢修，對結(jié)焦體采用爆破除焦。煤粉鍋爐結(jié)焦見圖1、圖2。

3 爆破除焦方案

3.1 爆破除焦工程的難點

1)該超大結(jié)焦體附著于煤粉爐水冷壁上，采用爆破清除鍋爐結(jié)焦的同時，需考慮爆破沖擊波對9 mm厚的水冷壁和鍋爐設(shè)施的影響。

圖 1 煤粉鍋爐結(jié)焦示意圖Fig. 1 Coking diagram of pulverized coal furnace

圖 2 煤粉鍋爐結(jié)焦環(huán)境照片F(xiàn)ig. 2 Picture of coking environment of pulverized coal furnace

2)雖然煤粉爐已經(jīng)停爐，并采取了灑水降溫措施，但爐膛結(jié)焦核溫度還很高，結(jié)焦體內(nèi)部可能還有紅火，應(yīng)考慮高溫對起爆器材的影響。

3)爐膛是煤粉燃燒的空間，在鍋爐生產(chǎn)運行中因設(shè)備不正常時有煤粉爆燃、爆炸的現(xiàn)象發(fā)生。在爐膛中進(jìn)行爆破作業(yè)，需考慮爐膛殘留煤粉的影響。

3.2 爆破除焦方案

該電廠300 MW機(jī)組自2004年投產(chǎn)以來，3#煤粉爐一直存在鍋爐結(jié)焦的問題，主要在鍋爐的A、B(觀察口側(cè))側(cè)墻和翼墻，經(jīng)常因結(jié)大焦造成鍋爐熄火停產(chǎn)。據(jù)文獻(xiàn)[6]統(tǒng)計，自3#鍋爐投產(chǎn)后5年間，年平均結(jié)大焦52次之多。除焦一般采用人工打焦，從未采用爆破方法除焦，今年這次鍋爐結(jié)焦體比較大，決定采用爆破的方法除焦。

鍋爐結(jié)焦爆破有兩種爆破方法，一是鉆孔爆破，主要適用于鍋爐大修或爐膛的清除[2]；二是裸露爆破，主要適用于鍋爐爐膛高溫環(huán)境的結(jié)焦清除[1-5]。該鍋爐水冷壁結(jié)焦清除采用裸露爆破方案。

3.3 爆破參數(shù)確定

當(dāng)高溫結(jié)焦體厚度大于1.5 m時，藥量Q的計算[1]

Q=0.8W

(1)

式中:Q為裸露藥包重量,kg;W為最小抵抗線,m。同樣條件下，文獻(xiàn)[7]提出藥量計算

Q=ABR3

(2)

式中:Q為裸露藥包重量,kg;R為破壞半徑,m;A為炸藥性質(zhì)系數(shù)，一般乳化炸藥取1.8;B為裝藥和覆蓋密實系數(shù)，鍋爐結(jié)焦爆破取9。每次破壞半徑按0.5 m計算，上式(1)計算藥量Q=0.8×0.5=0.4 kg，(2)計算藥量Q=1.8×9×0.5=8.1 kg。(1)和(2)式計算藥量相差20倍。由于該發(fā)電站從未采用過爆破除焦的方式清焦，并且煤粉爐結(jié)構(gòu)的特殊性，在清除水冷壁上結(jié)焦的同時，還要保證水冷壁不被爆破沖擊波的破壞，裝藥時需控制裸露爆破藥包藥量，通過小藥量試炮，試炮藥包每次增加藥量按0.3 kg遞增，將一次爆破藥量控制在2.0 kg以內(nèi)。

3.4 藥包的制作

爆破器材選用φ32-300巖石乳化炸藥，起爆采用雙發(fā)并聯(lián)煤礦許用瞬發(fā)電雷管。將乳化炸藥用石棉布或保溫棉浸濕包裹2～3層，雷管腳線和進(jìn)入爐膛段連接母線也需包裹石棉布或保溫棉進(jìn)行耐火處理，導(dǎo)通的藥包用細(xì)鐵絲綁扎在φ20的吹氧鋼管或竹竿端部，母線采用阻燃母線。藥包加工制作如圖3、圖4所示。

圖 3 藥包加工示意圖Fig. 3 Schematic diagram of cartridge processing

圖 4 現(xiàn)場藥包制作照片F(xiàn)ig. 4 Photos of on-site charge bag making

3.5 起爆網(wǎng)路

在高溫鍋爐環(huán)境中爆破，因2008年取消火雷管生產(chǎn)后，大多采用雙發(fā)電雷管并聯(lián)單個藥包起爆。在這次3#鍋爐爆破除焦中，也是采用雙發(fā)電雷管并聯(lián)單藥包爆破，但隨著數(shù)碼電子雷管的推廣使用，將逐步取締普通電雷管和煤礦許用電雷管，到時候在高溫鍋爐爆破中，數(shù)碼電子雷管將是唯一的選擇。利用數(shù)碼電子雷管進(jìn)行高溫鍋爐爆破，可采用“數(shù)碼電子雷管-導(dǎo)爆索混合”起爆網(wǎng)路，數(shù)碼電子雷管在爐膛外引爆導(dǎo)爆索起爆藥包，可以克服因數(shù)碼電子雷管起爆繁瑣引起的盲炮事故。

3.6 藥包位置布置方式

厚大結(jié)焦體爆破，藥包布置是關(guān)鍵。由于在爆破除焦的同時需保護(hù)煤粉爐水冷壁不被破壞，要求裸露爆破藥量要小。按藥包破壞半徑0.5 m布置藥包，每次爆破藥包盡量布置于大塊結(jié)焦體的邊緣遠(yuǎn)離水冷壁側(cè)，爆破逐步“切削”焦體的同時，爆破沖擊波頻繁沖擊焦體，使焦體與水冷壁因振動脫離。藥包的布置方式有3種：一是水平支撐即在人工孔用竹竿或金屬鋼管將藥包放置在結(jié)焦體上，該方法適用于人工孔附近接近于水平方向上的結(jié)焦體；二是用預(yù)放滑竿[4]，將經(jīng)過耐熱處理的藥包由母線或其它耐火導(dǎo)線通過預(yù)放滑竿，牽引滑至結(jié)焦體上，該方法適用于人工孔下方，距離較遠(yuǎn)處的結(jié)焦體；三是鋼繩牽引，采用在下方人工孔用竹竿或金屬鋼管支撐藥包，上方人工孔下放細(xì)鋼繩綁扎在竹竿或鋼管前端，通過牽引、支撐固定藥包在結(jié)焦體上，此方法適用于清除在上下人工孔之間的遠(yuǎn)距離結(jié)焦體。

4 爆破危害效應(yīng)分析

由于煤粉爐結(jié)構(gòu)的特殊性，對于結(jié)焦爆破，爆破危害效應(yīng)主要是爆破對鍋爐水冷壁的直接破壞，爐內(nèi)爆破空氣沖擊波擾動對爐體的影響，爐內(nèi)爆破空氣沖擊波通過人工孔泄壓對附近人員設(shè)備的影響[4]。

文獻(xiàn)[8]分析在艙室封閉的環(huán)境，炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波在艙室內(nèi)的作用機(jī)理與在敞開環(huán)境下的作用機(jī)理有很大不一樣，爆炸沖擊波在艙室內(nèi)反射明顯，艙室板架承受沖擊波多次反射作用，會加大密閉艙室的破壞。裸露接觸爆破鍋爐結(jié)焦和密閉艙室內(nèi)爆破環(huán)境相似，產(chǎn)生破壞作用主要都是爆破沖擊波。采用裸露爆破，鍋爐內(nèi)爆炸空氣沖擊波超壓可按有限空間的隧道爆破產(chǎn)生的超壓公式ΔP=12(Q/V)×105計算爐膛中爆炸空氣沖擊波超壓[4]。鍋爐爐膛空間體積V=9000 m3、一次爆破使用炸藥Q=2 kg，計算炸藥爆炸空氣沖擊波對鍋爐水冷壁的超壓ΔP=0.0027×105Pa。而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在沖擊波超壓達(dá)ΔP=0.25～0.40×105Pa范圍才出現(xiàn)有裂縫破壞[9]，鍋爐水冷壁承受的沖擊波超壓僅是鋼筋混凝土達(dá)到破壞的1/92倍。雖然煤粉爐也是密閉空間，但該廠3#爐爐膛空間體積較大，有9000 m3，可以不考慮爆破沖擊載荷在爐膛內(nèi)反射疊加對爐膛水冷壁的破壞，只考慮爆破作用半徑內(nèi)沖擊波的直接破壞作用。采用裸露藥包，最大用藥量小于2.0 kg,爆破范圍限于爆破破碎圈范圍內(nèi)即焦體厚度0.5 m。只要藥包不直接接觸爐壁,距離不小于0.5 m，就不會破壞煤粉爐水冷壁。

5 安全措施

5.1 鍋爐環(huán)境檢查

一是鍋爐高溫環(huán)境的檢查。3#鍋爐這次爆破除焦是停爐檢修，溫度已降至80 ℃以下，無明火，爆破作業(yè)環(huán)境相對較好，降低了藥包的耐火處理要求；二是鍋爐空間環(huán)境的檢查。煤粉爐爐膛著火，是噴入煤粉燃燒形成的，鍋爐停爐檢修，爐膛內(nèi)還殘留部分煤粉，煤粉達(dá)到一定濃度，在炸藥爆炸作用下可能會引起爐膛煤塵爆燃或爆炸，所以停爐后需先進(jìn)行灑水降塵降溫、并對爐膛進(jìn)行煤塵濃度檢測，即可克服以上問題。

5.2 爆破裝藥應(yīng)急措施

在爆破裝藥時，如果2 min之內(nèi)藥包布置不到位，應(yīng)立即撤出藥包，并向起爆總指揮匯報，放棄此次爆破作業(yè)，并對藥包做冷卻處理，然后重新加工藥包。在裝藥過程中如果出現(xiàn)藥包與金屬鋼管或竹竿脫離，視情況采取以下應(yīng)急措施:1)藥包與金屬鋼管或竹竿分離，落在高溫結(jié)焦上，則加強(qiáng)警戒，靜等其在高溫環(huán)境中自燃或爆炸。2)藥包與金屬鋼管或竹竿分離，落到冷卻的爐渣上，則增加警戒，緩慢開動拉渣機(jī)，在出渣口位置找出藥包，將炸藥與雷管拆開，做回收處理。3)藥包與金屬鋼管或竹竿分開但未分離，時間在2 min之內(nèi)，則立即撤出藥包，并報起爆總指揮，放棄此次爆破作業(yè)。在爆破作業(yè)過程中，藥包的藥量要根據(jù)結(jié)焦的形狀、厚度及位置等情況確定，先取最小值，視爆破效果再逐漸增加。從藥包布置、撤離、起爆，這一系列操作必須在3 min內(nèi)完成，這就要求班組每位成員必須做到統(tǒng)一指揮、分工明確、操作熟練、配合默契。

6 爆破效果

依據(jù)爆破藥量理論計算，最小裝藥量0.4 kg與最大裝藥量8.1 kg,相差20倍，在試炮中，第一次制作藥包0.6kg,爆破效果不理想,后面按裝藥量0.3 kg遞增，直至增加裝藥1.5 kg時，焦體開始有少量脫落，為安全起見，將后面爆破藥量實際控制在1.2 kg以內(nèi)。從1月18日下午3：00時開始裝藥爆破，每天24 h爆破、清渣交替作業(yè)，到21日凌晨1:00時結(jié)束，連續(xù)爆破作業(yè)58 h，爆破藥包82個,使用炸藥86.7 kg,雷管164發(fā)。

鍋爐結(jié)焦體前期爆破，結(jié)焦體破碎不明顯，隨著爆破次數(shù)增加，焦體慢慢由厚變薄，最后剩下1/3結(jié)焦體時，在多次爆破作業(yè)下，剩余焦體幾乎整體掉落出渣槽中，由于出渣口拉渣機(jī)無法扒動最后脫落的大焦體，在渣槽中還進(jìn)行了5次二次破碎。在發(fā)電廠密切配合下，爆破作業(yè)單位精心組織施工，順利完成鍋爐除焦爆破，鍋爐、水冷壁和其他設(shè)施安全無損。爆破效果如圖5所示。

圖 5 爆破除焦效果照片F(xiàn)ig. 5 Photos of blasting coke removal effect

7 結(jié)語

1)由于煤粉爐結(jié)構(gòu)的特殊性，附著在煤粉爐水冷壁上的結(jié)焦體爆破清除，在沒有爆破除焦先例的情況下，宜采用小藥量多頻次爆破作業(yè)方式。

2)該電廠鍋爐除焦，采用爆破除焦這是第一次。電廠和專業(yè)爆破施工單位要加強(qiáng)溝通，協(xié)作完成相關(guān)工作。

3)在高溫鍋爐中，工人不能進(jìn)入爐膛作業(yè)的爆破除焦，只適用于裸露爆破，操作簡便、安全可靠。