安徽马鞍山万能达发电有限责任公司，安徽 马鞍山 243000
摘要：近年来，随着煤炭资源的日益紧张，火电厂为了扩大煤种适应性，对传统燃烧无烟煤、粉煤锅炉燃烧系统进行了改造，而传统一次风箱在在改造后，燃烧烟煤过程会出现自然、爆炸风险。本文介绍一种对常规乏气热风复合送粉系统一次风箱进行研究及应用情况。
关键词：烟煤改造、一次风箱、防爆
1 引言
贫煤、无烟煤等劣质煤曾经是我国动力用煤的重要组成部分，我国现役中储式热风送粉电站锅炉大多使用贫煤、无烟煤作为动力设计用煤。近年来，随着国内经济和煤炭能源技术的发展，我国煤炭资源的利用形势发生了较大变化，原来作为动力用煤的贫煤、无烟煤资源日益稀少，价格不断上涨，使得发电企业不得不更多的采购烟煤等高挥发分煤种作为动力用煤，以降低电厂的燃煤采购成本。
火力发电厂贫煤无烟煤机组燃用的煤种的挥发分一般在14%以下，携带煤粉进入炉膛的一次风温在300℃以上，由于设计送粉热风温度较高，且炉膛截面狭小，设计截面热负荷负荷和容积热负荷较高，直接燃用大比例掺烧或全烧烟煤存在较大安全风险，针对烟煤挥发分高且析出温度、着火温度较低，易燃烧的特点，需对采用中储式热风送粉制粉系统、燃用贫煤无烟煤的锅炉进行改造。
目前国内针对中储式制粉系统贫煤设计燃用贫煤无烟煤的锅炉进行掺烧或改烧烟煤的主要方法有进行中速磨直吹式制粉系统改造和采用抽炉烟制粉乏气热风复合送粉技术进行改造。前一种方法由于改造投资大、建设周期长，目前应用较少；后一种方法具有投资较少，建设周期短等优点，目前使用较为广泛。
1.1增加炉烟系统
系统设置两台炉烟风机，炉烟采用热炉烟，热炉烟抽取位置在省煤器出口过热器侧烟气挡板下方，经炉烟风机提压后进入磨煤机热风总管，为制粉系统提供干燥剂。由于炉烟氧量低，可以有效防止制粉系统自燃和爆炸。
1.2制粉系统改造
制粉系统采用炉烟、热风混合干燥，以达到防止制粉系统爆炸目的，每套制粉系统增加乏气转移系统，原乏气管上及乏气转移管上均设置两只气动截止门及一只电动调节门，制粉乏气可通过乏气转移管送到一次风箱，成为主要的煤粉输送介质。
1.3 送粉系统改造
改造后送粉系统是利用制粉乏气通过乏气转移管送到一次风箱，在一次风箱与少量一次风混合，做为主要的煤粉输送介质。为了保证燃烧器安全，防止煤粉气流提前着火，必须降低热风温度。方法是从两侧一次风机出口各引入一路压力冷风，分别送至两侧一次风主管道和一次风箱，用以降低携带煤粉的一次风温度。冷风量可调节，以达到调节一次风温度的目的。
1.4 其它
为了防止积粉自燃，炉管、喷燃器结焦和有效控制汽温，增加36只炉膛短吹、增加4只屏过长吹；燃烧器最上方设置2 层反切圆OFA喷口（二次风）和一层高速OFA（一次风）形成炉内空气整体分级燃烧，2 层燃尽风喷口按反切圆方式吹入炉膛，以调节燃尽风对烟气残余旋转的影响程度，减小炉膛出口两侧汽温偏差；在前屏过热器下方增加一层屏底风，以防止前屏结焦。值得一提的是，由于锅炉燃烧系统、风烟系统、制粉系统等原有结构没有改变，因此改造后的锅炉仍然适用贫煤无烟煤。
2烟煤改造后出现的主要问题
2.1 制粉系统积粉自燃、爆炸
煤粉堆积在某一死区里，与空气中的氧长期接触而氧化时，自身热分解释放出挥发分和热量，使温度升高，而温度升高又会加剧煤粉的氧化。若散热不良，会使氧化不断加剧，最后使温度达到煤的着火点而引起煤粉自燃。在制粉系统中，煤粉是由气体来输送的，气体和煤粉混合成云雾状的混合物，当在一定的浓度下遇到火花就会造成煤粉爆炸。由于烟煤挥发份高且析出温度较低，制粉系统、燃烧系统内煤粉浓度分布区间较大，无法绝对的避开爆炸极限区间，因而一旦煤粉积聚产生自燃，极易造成爆炸。
2.2一次风箱积粉爆炸
使用乏气热风复合送粉技术进行掺烧或改烧烟煤技术改造，其中一项重要的关键点就是将制粉乏气导入一次风风箱降低送粉介质温度，保证送粉管道安全和燃烧器喷口不被烧损，但乏气导入一次风风箱使得一次风风箱内煤粉等可燃物浓度升高，存在一定的爆炸风险。
综上所述，用中储式制粉系统传统锅炉的燃烧系统，经过烟煤改造后，虽然扩大了煤种的适应性，但锅炉运行中爆炸风险陡然增加，特别是一次风箱的爆炸风险。
一次风箱是保证机组正常输送煤粉，保证炉内稳定燃烧重要设备，对机组安全运行十分重要，一次风箱内的爆炸事故的发生将会严重危害机组的运行，导致机组甩负荷，严重时导致停炉事故的发生，甚至还存在极大的人身风险。
为了消除和降低一次风箱爆炸风险，神皖马鞍山公司研究和开发一种乏气热风复合送粉系统防爆型一次风风箱，通过风、粉分离，防止一次风风箱爆炸，对保证机组安全运行十分有益。
乏气热风复合送粉系统一次风箱的设计应遵循以下三个原则：（1）风箱内流场均匀，不应出现煤粉积存的死角和乏气死滞回流区；（2）风箱内乏气与热风应该均匀混合，保证送粉介质温度能够降低到烟煤安全送粉温度范围内；（3）风箱内的速度应满足风烟管道设计要求，不应低于煤粉和灰尘沉积速度。
3 煤粉爆炸机理分析
一次风箱是中储式制粉系统锅炉的主体设备之一，是通过煤粉管道向炉膛内煤粉输粉介质直接来源，对燃烧系统运行至关重要。乏气热风复合送粉系统的基本原理是将乏气作为冷介质，将一部分热风作为热介质，它们的混合物作为最终的送粉介质，完成煤粉的送粉过程。由于一次风热风温度较高，通常可以达到300℃，而乏气又带有一定浓度的煤粉，所如果两种之间的混合方法和混合过程控制不当，当混合物的可燃物浓度和温度达到煤粉云的爆炸极限，就容易产生爆炸事故。总体而言，煤质、风箱内的动力场及温度场对爆炸现象的发生具有决定性影响具体分析如下：
3.1 煤粉特性及自燃爆炸的条件
煤粉发生自燃和爆炸是由于煤的特性在加工成煤粉后所具有的特性以及煤粉所处的环境条件所决定的。
3.1.1煤粉的流动性
煤粉的尺寸一般为0~50微米，其中20~50微米的颗粒占多数。干的煤粉能吸附大量的空气，它的流动性很好，就像流体一样很轻易在管道内输送。由于干的煤粉流动性很好，它可以流过很小的空隙。
3.1.2煤粉的自燃与爆炸
积存的煤粉与空气中的氧长期接触氧化时，会发热使温度升高，而温度的升高又会加剧煤粉的进一步氧化，若散热不良时会使氧化过程不断加剧，最后使温度达到煤的燃点而引起煤粉的自燃。在制粉系统中，煤粉是由输送煤粉的气体和煤粉混合成的云雾状的混合物，它一旦碰到火花就会使火源扩大而产生较大的压力（2~3倍大气压），从而造成煤粉的爆炸。
影响煤粉爆炸的因素很多，如挥发分含量，煤粉细度，气粉混合物的浓度，温度湿度和输送煤粉的气体中氧的成分比例等。一般说来挥发分含量VR<10％(无烟煤)，是没有爆炸危险的。而VR>25％的煤粉（如烟煤等），很轻易自燃，爆炸的可能性也很大。
煤粉越细越轻易自燃和爆炸，粗煤粉爆炸的可能性较小。例如烟煤粒度大于0.1毫米几乎不会爆炸。因此，挥发分大的煤不能磨得过细。
煤粉浓度是影响煤粉爆炸的重要因素。实践证实，最危险得浓度在1.2~2.0kg/m3,大于或小于该浓度时爆炸的可能性都会减小。在实际运行中一般是很难避免危险浓度的。制粉设备中沉积煤粉的自燃性往往是引爆的火源。气粉混合物温度越高，危险性就越大。煤粉爆炸的实质是一个强烈的燃烧过程，是在0.01~0.15s的瞬间大量煤粉忽然燃烧产生大量高温烟气因急速膨胀而形成的压力波以及高速向外传播而产生的很大的冲击力和声音。
潮湿煤粉的爆炸性较小，对于褐煤和烟煤，当煤粉水分稍大于固有水分时一般没有爆炸危险。
3.1.3制粉系统爆炸原因分析
引爆点主要在轻易长期积煤或积粉的位置，制粉系统处于封闭状态，引爆的火源主要是磨煤机入口积煤，细粉分离器水平段入口管积粉，粗粉分离器积粉自燃，根据制粉系统的运行工况和爆炸情况分析，主要原因如下。
煤粉细度，风粉浓度及燃煤成分。煤粉爆炸的前期往往是自燃。一定浓度的风粉气流吹向自燃点时。不仅加剧了自燃，而且会引起燃烧，而接触到明火的风粉气流随时都会产生爆炸。造成流动煤粉爆炸的主要原因是风粉气流中的含氧量，煤粉细度，风粉混合物的浓度和温度。
煤粉越细，爆炸的危险性就越大。粗煤粉爆炸的可能性就小些，当煤粉粒度大于0.1mm时几乎不会爆炸。当煤粉浓度大于3~4kg/m3（空气）或小于0.32－0.47kg/m3时不轻易引起爆炸。因为煤粉浓度太高，氧浓度太小；而煤粉浓度太低，缺少可燃物。只有煤粉浓度为1.2~2.0kg/m3时最轻易发生爆炸。
制粉乏气中含有一定浓度的煤粉，当煤粉进入被加热时，将释放出煤中所含的CO、CO2、H2、CH4等可燃气体，且煤粉在一定温度气体中的弥散状态下，本身就具有较强的易燃易爆性能，这是带粉系统发生爆炸的根本原因。
煤粉因其表面积比原煤大的多，与空气中氧的接触面积及吸附氧的数量也相应大大增加，使煤粉在干燥过程、煤仓储存及入炉燃烧过程中存在自然与爆炸的可能性。特别是当煤粉状态处于浓相状态，即当煤粉浓度在30毫克/立方米以上时，及有可能爆炸。
3.2 气体动力场的影响
热一次风与乏气混合风箱内的流场对风箱的防爆能力影响较大，流场组织不好容易产生积粉和可燃气体聚集区，导致风箱内局部可燃物浓度过高，在变工况情况下易引发爆炸事故。
由于乏气热风复合送粉系统是分别通过管路将制粉乏气和一次风热风引入一次风箱，乏气温度约80℃，一次风温度约300℃，必须采取相应的技术措施，使得乏气和热风良好掺混之后降低温度，使得送粉介质的温度在制粉系统防爆规程允许的风粉混合物温度低于160℃的要求[3]。另一方面，乏气与热风的混合必须使得乏气在一次风箱内的流场顺畅，不应产生死区及较大的回流区。因为死区和大回流区分别会导致风箱内的积粉存在，回流区也会使得可燃气体聚集浓度升高。特别是在变工况条件下，一次风箱内的会场剧烈扰动，易造成积粉上扬，风箱内煤粉浓度迅速升高，引发一次风箱内的煤粉云和可燃气体爆炸，引发安全事故。
3.3 温度场的影响
煤粉云的爆炸达到其爆炸极限后发生，爆炸极限的三个重要条件一个是需要氧量，第二个是上文所述的可燃物浓度，第三个就是混合物温度。在较高的温度条件下，煤粉会发生热解反应，热解速率和挥发气体的释放量都有重要关系。风箱内的温度场的分布与流场组织具有重要关系，如果风箱内的温度场组织不合理，一方面容易导致乏气再过高的温度条件下产生爆炸，另一方面也使得一次风送粉管道内的一次风温分布不均，引发部分送粉管道内的风温过高，容易出现粉管和喷口烧损情况。
4 防爆技术探讨与应用
4.1 常规一次风箱
受到原有设备布局限制，一次风箱通常设计成如图4-1所示的结构。这种结构虽然能够满足乏气和热风通风和混合的基本需要，但风箱内的乏气与热风的预混段存在较多的死角和回流区，乏气中携带的煤粉会在风箱的角部大量积存，另一方面，预混段的收到通风管道连接的需要，截面积较大，风箱内流速较低，也容易为煤粉的沉积创造条件。故这种结构的一次风风箱防爆能力差，在变工况条件下，风箱内流场剧烈扰动，容易出现积存煤粉上扬，可燃物浓度迅速上升，引发一次风箱爆炸事故的发生。
4.2 防爆型一次风箱
通过改进一次风箱的结构和内部气流的混合方式，达到保证带有乏气送粉的介质在一次风箱内不沉积、不自燃、不爆炸的目的，从而提高一次风系统的送粉安全性。防爆型一次风箱结构如图4-2所示。
图中：1-热风管道；2-乏气管道A；3-乏气管道B；4-乏气风混合喷嘴B；5-乏气风混合喷嘴A；6-一次风箱预混合段；7-一次风送粉管道
本系通过将带粉乏气的乏气风管道A 2和乏气风管道B 3，通过乏气风混合喷嘴A 5、乏气风混合喷嘴B 4，直接送入一次风箱底部的一次风送粉管道7上游，避免了乏气风与热一次风管道1送入的热风在一次风箱预混段6内混合。
4.3技术改进
结合进行烟煤改造后的送粉系统的特点，对乏气转移相关管路到一次风箱段进行优化设计，对相关部件进行改进，包括：
热控设计范围为乏气转移系统、一次风系统、送粉系统和制粉系统的热控监测、控制和保护，新增的所有设备的控制由现有的机组DCS实现。
改造后的热风和乏气分别独立控制，并通过对应的乏气风箱和热一次风箱进行流量分配，在一次风支管风粉混合器上游进行混合。
正常运行时乏气支路风门全开，热一次风支路风门根据运行需要可进行适度调节，保证混合后一次风送粉管道风温和风速满足运行需要。
改造相关系统和设备情况说明如下：
（1）取消原有一次风旁路，取消一次风旁路电动调节门；
（2）新增A、B侧热一次风风箱及其对应温度测点和压力测点；
（3）新增A、B侧热一次风支管16条，分别设置热一次风支管调节门，两侧各8条对应原热一次风支管；
（4）原A、B侧热一次风箱更名为A、B侧乏气风箱；
（5）原A、B侧热一次风箱温度、压力测点更名为对应乏气风箱温度测点、压力测点；
（6）原A、B侧热一次风箱支管截止门更名为对应乏气支管截止门；
4.4蒸汽灭火系统设计
为了应对异常情况下乏气转移系统、送粉系统和一次风箱温度超限和防止参数超限的风、粉进入一次风箱，应对乏气转移管和乏气混合风箱增加蒸汽灭火系统，作为防爆的后备措施。如下图4-4所示：
改造后一次风箱既能有效防止乏气在一次风箱预混段6内沉积，也能防止乏气再一次风箱预混段因混合不均造成的局部温度过高引起自燃或爆炸。实际使用过程中单侧一次风管内的温度也得到均匀降低，满足高挥发分烟煤的送粉需要。结构简单，防积粉放爆炸效果明显，有效降低了烟煤改造后的一次风箱发生爆炸的风险。
5 结论
安徽马鞍山万能达发电有限责任公司通过对乏气热风复合送粉系统一次风箱爆炸发生的机理的分析，提出该类型制粉系统一次风箱设计中的防爆要点，研发了一种新型防爆型一次风箱的具体结构，并将该方案在无烟煤改烧神华烟工程中得到应用，应用取得圆满成功，保证了带有乏气送粉的介质在一次风箱内不沉积、不自燃、不爆炸的目的，从而提高一次风系统的送粉安全性，具有应用和推广价值，为同类型机组掺烧烟煤改造提供了宝贵经验。
参考文献
[1]DLT5203-2005 火力发电厂煤和制粉系统防爆设计技术规程。
[2]方文沐,杜惠敏,李天荣。燃料分析技术问答(第三版)[M]。中国电力出版社,2005。
论文作者:刘亚军
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第10期
论文发表时间:2019/9/25
标签：风箱论文; 煤粉论文; 制粉论文; 系统论文; 温度论文; 热风论文; 浓度论文; 《当代电力文化》2019年第10期论文;