制粉系统爆炸原因分析与控制讨论

1 概述
制粉系统是火力发电厂燃煤锅炉的主要运行系统之一，其运行的安全可靠性和经济性直接影响到锅炉机组的安全可靠性和经济性。制粉系统发生爆炸,既造成设备严重损坏，增加了检修人员的劳动强度和维护费用，又严重威胁人身及电厂生产的安全，还对生产环境造成严重污染。
现代大型电厂对制粉系统的要求越来越高。制粉系统运行的好坏，直接影响到锅炉的正常燃烧和电厂的安全经济运行。根据我国燃煤政策，火电厂是以燃煤为主，特别是燃用低热值煤。从发展看，今后燃用挥发分较高的、易爆的烟煤、褐煤仍会有相当大的比例。就目前燃煤的供应情况来看，很难做到严格按设计煤种分配，这样就出现了按贫煤设计的电厂，结果供给的是烟煤或者是褐煤，这些都对制粉系统的安全性带来不利的影响。因此，了解电厂发生制粉系统爆炸的起因，主要爆炸部位是至关重要的。
2制粉系统爆炸机理
燃烧是发热与发光的高速化学反应，是可燃元素与氧的化合过程。爆炸是一种特殊的燃烧过程，由于这一更急剧的化学反应所放出的热量加热生成的产物，而使压力上升比正常燃烧要快得多，所以爆炸是一种压力急剧上升的燃烧过程，它与正常燃烧的区别就是伴随着压力的上升。
制粉系统爆炸就是煤粉的爆炸，煤粉以一定的浓度分散在空气中，一旦遇到适当的点燃能，就会发生燃烧并迅速传播，导致连续不可控制的燃烧，同时压力急剧上升，上升速度比正常燃烧要快得多，这就是煤粉的爆炸。
当制粉系统内爆炸时，具体表现为：检查门处有火星，管壁温度异常升高，煤粉温度异常升高，制粉系统负压突然变为正压，爆炸时有响声，从系统不严密处向外冒黑烟，防爆门鼓起或损坏，炉膛内负压变正压，燃烧火焰发暗，严重时可能出现火焰跳动或灭火。
爆炸条件
对于可燃性粉尘，在空气中的浓度很低或很高时，一般是不会发生爆炸的。既然爆炸是一种特殊燃烧，那么爆炸过程中氧是不可缺少的，因为只有充足的氧才有可能发生连续的燃烧。但是可燃粉尘要发生爆炸只有粉尘浓度和氧是不够的，还需要有足够的点燃能，只有这三个条件同时具备才有可能发生爆炸。这三个条件并不是孤立的，它们是互相联系的。
可燃物浓度
对可燃性粉尘而言，它们的爆炸浓度都有一个上限浓度和下限浓度，即爆炸浓度范围。可燃物爆炸的浓度范围与很多因素有关，它一般不是定值，即与煤质、初温、初压等因素有关。这里可以把煤粉的爆炸当成可燃性粉尘的爆炸来进行研究，严格说来，它不仅只是粉尘的爆炸，确切地说是可燃性混合物的爆炸。在煤的磨制过程中，煤中的高挥发性混合物(CH4、H2等)的析出(析出的多少，因煤质而异，Vdaf愈高，析出的就愈高)，同时制粉过程中有一定的温度，煤中的水分、碳和氧会发生一系列化学反应。
C+H2O=CO↑+H2↑+热量
2C+O2=CO↑+热量
煤粉中可燃性气体含量的多少，对煤粉的爆炸浓度影响很大。从本夏特尔公式可以看出燃煤中可燃性气体对煤粉下限爆炸的影响。)
式中：E0—混合物爆炸的下限；
E1—煤粉爆炸的下限；
E2—可燃气爆炸的下限；
C—可燃气份额。
成分不同，爆炸的下限是不同的，并从公式中可以推论出在混合物中，当给定的煤粉浓度处于爆炸下限以下时，只要掺人少量可燃性气体，就可以完全改变煤粉的爆炸特性，使爆炸的下限下降，这样就有可能发生爆炸。
初温与初压对制粉系统爆炸也是有影响的。初温和初压愈高，分子的活化能就愈大。活化能的高低，直接决定了爆炸极限的大小和爆炸的强度。国外一些资料表明，初压越高，发生爆炸的浓度范围越高。温度越高，煤粉进行放热反应速度越快。由于煤具有一定的隔热性，热量的散发可能小于放热，这样温度升高，又进一步促进反应，有可能达到自燃的温度。
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[3制粉系统爆炸分析, w8 B1 @1 O; f. r
3. 1煤质对爆炸的影响分析
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制粉系统的爆炸与煤质的关系很大，特别是煤的挥发分的高低对制粉系统的爆炸起着决定性的作用。煤的挥发分越高，制粉过程中可燃性气体析出的越多。煤质中Vdaf含量不仅能改变煤粉的爆炸特性(改变爆炸压力和爆炸强度)，而且能使煤粉粉尘的爆炸下限明显下降，爆炸的范围加宽，即越容易爆，同时它所需要的最低、最小点燃能下降。这些充分说明了烟煤、褐煤比贫煤、无烟煤易爆的原因。
煤中碳元素的着火点很高，而挥发分气体的着火点很低，即煤中的挥发分越高，着火也就越容易，由于高挥发份的煤具有易燃的特性，所以它往往是引起爆炸的点火源。研究表明，当燃料的干燥无灰基挥发分Vdaf<10%时，一般没有自燃和爆炸的危险。当Vdaf>20%时，属于反应能力强的煤，其挥发分析出温度和着火温度较低，易自燃。因此，燃用烟煤和褐煤的锅炉制粉系统发生爆炸可能性较大，对此应特别予以注意。
煤中的水分与外界因素关系很大，所以一般不能准确地说多大的水分就易爆，但就所了解的电厂来看，对易爆煤，煤的水分大，流动的粘度就大，这就容易积煤或积粉。当然，积粉现象对于高挥发份的煤是产生爆炸的危险信号。
煤本身为多孔物质，不仅有隔热性，且分子内有不饱和键，这样释放热量不易排出，热量积聚必然提高煤粉温度，正是由于温度的上升又加快了放热反应的进行，同时也加快了可燃性气体的析出，当温度达到足以点燃可燃挥发时，这样就形成了爆炸的点燃源。
综上所述，Vdaf是煤质引起爆炸的一个重要参数，对于如何控制煤粉水分(主要控制外在水分)及煤粉细度是防爆的主要措施。1 H) s5 c6 f' ~7 B
3.2制粉系统运行参数对爆炸的影响分析
1）煤粉细度：细度愈细愈易发生爆炸。即使是易于:爆炸的煤种，当粉的粒径较大通常不易发生爆炸。如：烟煤，当其当量直径大于200µ m时一般没有爆炸危险。5 K5 t" g9 l8 U) K& ?( _3 \
对于电厂燃用的煤粉,由于考虑到燃烧方式、燃料特性、磨煤机和分离器型式,燃烧的经济因素,褐煤的煤粉细度R90在40%~60%范围,烟煤的煤粉细度R90在25%~40%范围,无烟煤、贫煤的煤粉细度R90在6%~14%范围,这样电厂所燃用煤粉粒度,都在爆炸危险区域内,特别对一些制粉系统在低出力运行时,其煤粉会更细,更易形成爆炸危险。2 W0 a4 K1 E8 g1 z* w
2)通风量：通风条件良好时，制粉系统爆炸的危险等级会降低，当通风不良时，爆炸的危险程* }/ R0 H# ~% z
度会增大。6 S, q: |) D  `2 r6 z4 a0 l
3)煤粉浓度：气粉混合物浓度只有在一定的范围内才有爆炸的危险。如烟煤，煤粉浓度只有在0.32～0.47 kg/m3或3～4 kg/m3范围内才会发生爆炸，而在1.2～2 kg/m3时，发生爆炸的危险性最大。制粉系统的所有元件通常都工作在有爆炸危险的煤粉浓度范围围内。; X& Y$ L, m* ~0 x: S2 M1 @
4）制粉系统气粉混合物温度：气粉混合物温度只有达到着火温度时才能燃烧，而制粉系统内混合物温度远低于着火温度，因此，着火危险只有遇到火源引发才能发生。当然混合物温度高，易导致沉积煤粉自燃，从这一角度看是易发生自燃燃爆。在火电厂煤粉锅炉燃烧室防爆规程 (DL466 -92)中规定了磨煤机出口允许的最高温度限额(见表1)。
表1规程中对磨煤机出口允许的最高温度限额
4 B% u5 `# j2 b; i8 Z/ l' r2 Y
磨煤机类型
用空气作干燥剂
用烟气空气混合物作干燥剂
* o3 X, j, y% c; A( ]  F
风扇磨 (直吹式制粉系统，在粗粉分离器后的温度)
1 l4 c) [& K; a' s" Q. Z- a
贫煤：150
烟煤：130
褐煤和页岩：100
烟煤、渴煤、页岩
* p. p- `- ]8 o9 s7 A3 y  c  @
180-200
7 Q+ N- z* D  W( p7 R' v( f
钢球磨(中储式制粉系统，在磨煤机出口的温度)
贫煤130
5 @: _) v- d4 H8 b2 P: O4 U! I
咽煤、褐煤：70
烟煤:120
1 E3 e; R, i/ t& f
褐煤:90
中速磨(直吹式制粉系统，在分离器后的渴度)
当干燥无灰基挥发分Vdar=12﹪～40﹪时 120～70
+ B2 R$ }% o( C5 G9 }
 
3. 3制粉系统对爆炸的影响$ H* E% S8 T' M( |
系统是否合理，对防止制粉系统爆炸起着重要的作用，表2是对燃烧易爆的烟煤和褐煤挥发份较高的电厂调查的结果。. e# r. R& |' V) Q" L4 u
表2 燃用烟煤、褐煤的锅炉爆炸情况
项目
热风送粉
乏气送粉
直吹系统
调查过的锅炉/台
38
583 J. |7 ^( @$ L
16: @9 Z. y3 ^2 |, o
爆炸过的锅炉/台- k% \& t2 y) w" |# a7 g! E
23
36
5
爆炸过的锅炉所占比例/﹪& ?( X4 |  E* ?  v6 {* G' p
60.53
62.12 I5 ?' J3 U$ i; @5 L
31.25" h  Z4 E2 c" U, Q) [
t( Q% Y" X% m
从表2可以看出，易燃易爆的烟煤、褐煤对制粉系统发生爆炸的影响程度，直吹系统中发生爆炸所占比例最小。当然，我们在设计中对电站磨煤机及制粉系统的选型要遵守国家电力行业标准(DL466-92)的规定。我们知道对一于挥发分Vdaf>20%的煤质，煤粉可形成易爆的气粉混合物，即制粉系统中有潜在的爆炸隐患，这就要求我们根据煤质特性，结合锅炉炉膛结构及电厂检修运行等因素，确定出科学的制粉系统，以达到磨煤机制粉系统与锅炉设计的匹配，保证机组的安全、经济运行。8 h8 B- o7 y) U
3. 4爆炸部位的分析* f# y% |. B- }
燃烧高挥发分煤的电厂，制粉系统虽然易爆，但不是其任何部位都会爆炸，有的部位多，有的部位少，甚至有的部位从来也不爆。5 E8 h7 E% P  ~0 n  f% J0 k# h( c
表3 爆炸部位统计
名称
磨入口1 p* Y; \* Y$ [: b
磨出口/ ]0 E* Q( Y( M# k, E1 K4 H
粗粉分离器, o; }: H' Z. \' b% a8 V4 ^
细粉分离器及入口" K4 k5 B8 T& U
粉仓( q/ K. c# C1 G1 b
排粉机入口2 x: ]* F5 Y* ^$ s
二次风分配箱* l8 i' p2 ^; ^& s: i) R7 U
总次数$ w: ]2 i! G# v7 m
数量/次1 X0 p% b- p2 @; E- Q& G
58
10
21
80( i' U5 W0 K  R( f
5
7
10" G- U. Q* T: G
191
比例% 30.37
5.24: G, l( J9 Z- S- I8 T# h
10.99
41.88
2.62
3.66* L# J! `1 l. C% T
5.24+ p2 [7 ^9 y4 }1 q- o
100  H2 Y5 I; m4 J- S! F) b
从统计数据来看，虽然不能完全代表各个电厂的情况，但它基本上反应了我国现有火电厂爆炸部位的特点。磨煤机进出口的防爆门爆炸的情况复杂、种类多，在起动、跳闸、停机、切换运行中都有可能发生。粗粉分离器本体倒锥体内不可避免地积粉，容易发生氧化反应，形成自燃，迅速着火，尤其是挥发分较高的烟煤、褐煤，一旦爆炸后果非常严重。细粉分离器本体内煤粉粒度较小，煤粉与氧的接触面较大，积粉时发生氧化反应快，当运行人员监视不及时，煤粉中还有些杂物，很容易堵住下粉管造成积粉，一般爆后细粉分离器上防爆门全开，严重时将整个制粉系统防爆门全震开。粉仓的爆炸这几年来时有发生，一旦发生，所造成的危害极大。
4制粉系统爆炸的控制措施
4. 1合理设计与安装
4.1.1原煤仓、粉仓; w+ u( v& U! U( }# b" o1 O
原煤仓的结构和材质要保证原煤形成连续的煤流，不至于产生搭拱和漏斗现象。煤粉仓应能使煤粉以一定的流速连续流出，其材料应用非可燃材料(通常用钢筋混凝土结构或钢结构)。粉仓内壁应光滑，没有使煤粉沉积的部位。煤粉仓装设吸潮管，防止结露，还要装灭火装置，且灭火介质流向要平行于粉仓顶盖，防止煤粉飞扬。同时煤粉仓应装有温度和料位测量装置，最好各有两套。煤粉仓应有放粉装置，防止锅炉紧急停炉后，煤粉沉积自燃。
4.1.2管道、阀门
煤粉管道在负荷较低时应仍能保持正常输粉，防止煤粉沉积，一般要求其流速为16一3 0m /s。除特殊情况外，输粉管道不允许水平布置。煤粉管道不得有袋形、盲肠及不光滑处，以防煤粉沉积。管道与设备、阀门的连接宜采用焊接方式。除无烟煤外，不允许制粉系统的气粉混合物与其它制粉系统相通(长期)。制粉系统中应尽量减少阀门，以防止煤粉沉积。磨煤机的热风管道必须有二道关断门，第一道为电动调节门，第二道为关断门。在两道门之间应装有冷风门，以控制磨的风温。' \- B( o, J* ?; d& U) m
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5 结束语
为确保制粉系统的安全运行,可靠地把燃烧所需要的，细度和干燥程度均符合要求的合格煤粉送入锅炉中燃烧，应严格控制制粉系统的事故发生，尤其是爆炸事故的发生。这就要从煤的质量上控制好,在结构上改造好，并从基本措施上预防好，从各个环节作好预防，消除遗患。从理论分析和实际经验说明，对于易燃易爆煤种，通过从设计上和运行调整中采取一定的措施，是可以克服不利因素，防止煤粉系统由于自燃而产生爆炸事故的。