锅炉制粉系统的防燃及防爆措施
制粉系统所用热风经锅炉尾部烟道空预期而来，分为二次风和一次风，再由一次风机送到磨煤机。制粉系统为正压直吹式，每台锅炉配三台（型号）中速磨煤机，每台磨煤机对应一层喷口，煤粉气流由分离器出口经四根分管进入燃烧器，分离器出口至分岔管管径为（）分岔管至燃烧器管径为（）材料为普通钢管，任意两台磨煤机同时运行可保证锅炉满负荷出力，炉膛下部装有刮板式捞渣机，采用水封结构，严密性好。
主要根据是,正压直吹系统使用一次风正压,可以避免空气向系统漏风,不至于稀释煤粉浓度,从而可以保持整个制粉系统内煤粉的浓度在火焰点燃爆炸浓度范围以上,使爆炸的可能性大幅度减少。但是,由于在制粉系统中煤粉沉积是不能完全避免的,而磨煤机采用热风干燥,其抗燃特性明显不足,所以容易发生着火。实际情况是,很多电厂在使用正压直吹制粉系统都发生过着火或爆炸。因此,再次有必要分析正压直吹制粉系统的着火和爆炸问题,以便装置采取必要的防范措施避免问题的发生。
1.着火和爆炸的情况
据美国电力科学研究院(EPRI)的统计,在美国361座火电厂中,平均每台机组每年着火1.26次,每年爆炸0.31次,其中有直吹式制粉系统的机组236台,平均每台机组每年着火1.3次,使用中速磨煤机的机组220台,其中使用烟煤175台,每台机组平均每年着火0.9次,使用次烟煤39台,每台机组平均每年着火2.6次,着火与爆炸的基本
比例是3∶1。统计表明,美国有差不多22%的燃煤机组存在着严重的着火或爆炸问题,其中约有18%的燃煤机组存在着严重的爆炸问题。根据美国电力科学研究院科断,实际的着火问题还可能比统计的问题更严重,因为在美国大约有85%的燃煤机组缺乏完善的着火探测手段。
国内制粉系统也存在着火和爆炸问题。据国内150台锅炉的统计,42%的锅炉制粉系统发生过爆炸,直吹式系统的爆炸率为31.1%。华北地区装有300MW以上机组的火电厂都曾经发生过着火和爆炸。
2.着火和爆炸的原因和过程
制粉系统的引燃源有机械引起的火花,有来自炉膛的回火,或由磨煤机或制粉管道积粉自燃。着火位置在磨煤机内的进风室、磨盘边缘死角、导风罩上部、分离器出口、煤粉管道的水平弯头下部及石子煤箱。
根据美国电力科学研究院的试验报告及英国中央电力研究所的研究,煤粉管道着火一般不是制粉系统爆炸的主要起因。通过静态和动态试验,发生在煤粉管道内部的强烈的但是短促的着火,并不能触发煤粉管道的爆炸,但是在水平煤粉管道内会出现煤粉锥铺在其底部的现象,这些煤粉可以引起较长时间的着火。尽管煤粉管道内着火不会在其着火处引起爆燃,但是,如果火焰蔓延或移动到磨煤机、分离器等开口容器内,则这样的着火也会成为爆燃的一个点燃源。应当注意爆燃是由煤粉管道上游侧一系列容器(磨煤机、分离器、风机)引起的;而燃烧器回火应该不是制粉系统爆燃的原因。尽管从爆燃结果看,被损害的
往往是煤粉管道,而不是磨煤机、分离器等。
根据试验报告,在爆炸的过程中,磨煤机的容积和煤粉管道起着关键作用。爆炸发生于磨煤机、分离器等容器内煤粉着火的时候,当煤粉开始燃烧时,从着火点火焰前沿向外扩散和移动,同时气体压力开始升高,形成压力波,压力波先于火焰前沿离开“容器”进入煤粉管,压力波导致煤粉管道内煤粉气流发生涡流,扰动增强,从而导致燃烧率增强,火焰前沿前进的速度加快,加快速度赶上压力波,火焰前沿速度从1m/s加速至接近音速,一般认为,其加速度a=D2
・L。其中 经验系数,D为煤粉管道直径,L为管道长度,这一过程称为“急燃”。火焰前沿与压力波聚合在一起产生燃烧激波,从而转为爆燃。其爆燃传播速度约为1120m/s。爆燃能产生的最大动压力理论值为1.4MPa,通过试验证明,在煤粉管道中爆燃最大极限为1.0MPa是切合实际的。
就煤粉本身来说,一般情况是,挥发份对制粉系统爆炸是必要条件,挥发份越高的煤,爆燃越容易发生。当煤可燃基挥发份大于35%时,具有最大爆炸压力;挥发份小于15%的煤,爆燃可能性很小。其他影响爆燃、着火的因素还有温度,对挥发份大于40%的煤种,130～170℃时,煤粉会发生阴燃;在空气中的煤粉浓度30～500g/m3可能发生爆炸;降低煤粉气流中的含氧量可以降低爆炸压力,根据试验,氧的体积浓度小于16%时可以避免爆炸。根据有关规程要求,设备出口气粉混合物中氧气的容积份额应控制在12%以下。
3 防爆、防着火措施和系统
3.1 防爆标准
一些国家制定了制粉系统的防爆标准,例如,美国国家防火协会批准的标准NFPA85F+988《煤粉系统安装和运行标准》中,第2-6.11条规定,所有正常压力不超过表压13.8kPa的有关设备及部件必须按照承受340kPa的内部爆炸压力进行设计,以抵御可能产生的爆炸压力。同时,在2-6.15条中规定,不准在这些设备和部件上装设爆炸排气设施(即防爆门)。我国引进的HP型中速磨煤机是按照此标准进行生产的。而德国蒸汽锅炉协会批准的标准TRD413《蒸汽锅炉煤粉燃烧系统》中6.2.1规定:有关设备及其附件必须按照“抵御爆炸冲击设计这一设计的承压数值为表压100kPa。而在该标准中定义“抵御爆炸冲击设计”是要求相关设备及其附件的强度要能够承受在爆炸期间产生的一定程度的压力冲击而不发生
破损,但会产生永久的变形”。另一种设计是“抵御爆炸压力设计”即相关的设备及其附件的强度,要能够承受爆炸波的压力而不出现永久变形。此种设计要求与美国标准基本一致,但是未规定具体数值。在德国标准中61.2条还规定了可以采用自动压力释放装置(防爆门)来降低爆炸波产生的压力。我国前期引进的MPS型中速磨煤机是按照此标准进行生产的。近期随着用户的要求和运行实际情况的发展,德国修订了其防爆标准,确定了“抵御爆炸压力设计”的具体数值与美国标准一致。我国MPS型磨煤机生产也随之可以按照用户要求提高磨煤机抵御爆炸压力而不产生永久变形。
3.2 防爆系统
由于磨煤机等“容器”的着火是制粉系统爆燃的根源,因此磨煤机的防爆系统是制粉系统的主要部分。磨煤机防爆系统可以分为磨煤机内燃探测系统和磨煤机消防、冷却系统两个部分。
(1)在制粉系统中着火探测设备有几个基本类型,包括一氧化碳监
测、氧量监测、温度监测。目前国内绝大部分电厂采用温度监
测方式,即在磨煤机出口通过热电偶或者半导体温度计监测介
质温度来判断磨煤机是否着火或者处于易爆的危险状态。但是,
此种方式有两个问题,第一,它不能及早发出警报,使运行人员
有充分的时间采取措施。这主要是因为,当磨煤机内刚发生内燃
时,磨煤机出口温升较小,自控系统是通过增加冷风量来调整的,直到在磨煤机内部发生大面积燃烧,调整冷风量无法控制磨煤
机出口温升时,才发出报警,而这时已经为时太晚。第二,磨煤机
出口温度并不能完全反映磨煤机内部是否处于危险状态。这是
因为爆炸与许多因素有关,包括氧气的浓度、煤粉的浓度以及可
燃气体浓度,尤其是当可燃气体浓度较高时,即使是较低的温度,也会发生爆炸。
(2) 氧量测量系统和红外测量系统,检测氧气可以提供磨煤机系统
排出的可用氧气的指标。有着火情况时,一些氧分子参加反应,生成二氧化碳,出口处的氧量也就相应减少,可以检测报警。此系统可以检测明火,但是,对于冒烟阴火则不易识别。红外线探测系统是利用红外线传感器来探测煤的着火发热产生预定波长红外辐射线。该方式对煤层内部阴火的探测能力较差。3)一氧
