摘要：随着煤炭市场的变化，发电企业不可避免地需要掺烧例如褐煤等高挥发分煤种。对于经过烟煤适应性改造后的中储式制粉系统，虽已具备掺烧部分高挥份煤种的能力，但中储式制粉系统本身结构较直吹式制粉系统仍存一些不利因素，例如系统容易积存煤粉、漏风点较多等，因此对制粉系统防爆工作提出了更高的要求。本文对于南京电厂中储式制粉系统掺配高挥发分煤种的安全性进行分析研究。
关键词：制粉系统;高挥发分;爆炸;预防
一、南京电厂制粉系统介绍
1.系统概述
1)南京厂制粉系统为钢球式磨煤机的中间储仓式制粉系统，采用热风和炉烟干燥送粉，将原煤经干燥、研磨、输送、分离后形成合格的煤粉送入煤粉仓，以备锅炉燃烧所需。制粉系统分离后的乏气可送入炉膛燃烧或通过乏气转移系统送入一次风系统再进入炉膛，目的是为了降低一次风温度，确保燃烧器安全。该系统的最大优点是对煤种的适应性较强，可磨制贫煤、烟煤、小比例掺配褐煤。制粉系统启动、停运等工况对锅炉负荷影响较小。
2)制粉系统由原煤仓、给煤机、磨煤机、炉烟风机、粗粉分离器、细粉分离器、粉仓、排粉机和木块分离器、木屑分离器、锁气器及防爆门、管道、阀门等组成。系统较为庞大，经烟煤适应性改造后，系统变得相对更复杂。1台机组的2套制粉系统共用1个粉仓，并有螺旋输粉机与相邻机组的制粉系统和粉仓相连，可以实现2台机组间的互相送粉。
3)原制粉系统设计为磨制贫煤，为磨制烟煤（Vdaf>20%），经制粉系统烟煤造应性改造后，现制粉系统适应煤种较为宽泛，Vdaf在10%~37%之间的煤种均可磨制。系统改造后设有2台炉烟风机，从2台引风机出口抽取冷炉烟，从省煤器出口抽取热炉烟，送至制粉系统以建立惰性氛围。在磨制贫煤时，系统采用热风干燥，控制磨煤机出口温度不超过130℃。在磨制烟煤时，采用热风、炉烟混合干燥，控制制粉系统氧量不高于14%，磨煤机出口温度不高于120℃。在小比例掺烧褐煤时，控制制粉系统氧量不高于12%，磨煤机出口温度不高于90℃。分别见表1与表2所列。
表1 不同干燥介质下的磨煤机出口温度允许值表
表2 惰性气氛的最高允许氧含量（体积份额）％
4)制粉系统设有乏气转移系统，将低温乏气送至一次风机入口，以降低一次热风温度。在燃烧Vdaf>20%的烟煤时，能控制一次风粉混合物温度不超过160℃，在掺烧褐煤时，控制一次风粉混合物温度不超过100℃。在一次风机入口平衡管上设置了事故冷风，当制粉系统发生跳闸，一次风系统没有乏气时，用事故冷风代替乏气将一次风温控制在合理范围。
2.制粉系统流程图，见图1。
图1 制粉系统流程图
二、中储式制粉系统爆炸的主要因素
1.高挥发分。制粉系统的爆炸与煤质的关系很大，特别是煤的挥发分高、低对制粉系统的爆炸起着决定性的作用。我厂在磨制低挥发分的贫煤历史上，从未发生过制粉系统的爆炸。煤的挥发分越高，制粉过程中可燃性气体析出的越多，越容易发生爆炸。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降低，爆炸的范围加宽，即越容易爆炸，同时它所需要的最低、最小点燃能下降。煤中碳元素的着火点很高，而挥发分气体的着火点很低，煤中的挥发分越高，着火也就越容易，由于高挥发分的煤种具有易燃的特性，所以它往往是引起爆炸的主要因素，这也是烟煤、褐煤比贫煤、无烟煤易爆的原因。
2.系统积粉。煤本身为多孔物质，有隔热性，因此释放热量不易排出，热量积聚必然提高煤粉温度，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分时，这样就形成了爆炸的点燃源。当制粉系统积存煤粉时，沉积的煤粉会与空气发生缓慢氧化并产生热量积聚，较长时间后便会使积粉层内温度升高，正是由于温度的上升又加快了放热反应的进行，当达到着火温度后便发生自燃。中储式制粉系统组成复杂，由于结构原因更容易发生积粉现象，因此积粉是制粉系统发生爆炸的主要原因。造成制粉系统积粉的主要原因有：
1)煤种的水分过大。一般不能准确定义多大的水分就易爆，但原煤的水分大，粉的流动性就差，系统中容易发生积粉自燃。
2)粗粉分离器内锥体的被磨穿后，煤粉进入内锥体，形成沉积而引爆。
3)木块分离器设计在磨煤机出口，用来过滤煤粉中的杂物。木块分离器清理不及时，加之杂物排放口不严密发生漏风，此处很容易积存杂物和煤粉并发生自燃，从而使制粉系统在启、停过程中发生爆炸。
4)细粉分离器下粉筛子堵塞。当原煤中含有的杂质较多，如筛子运转不正常时，堵塞的周期变短，堵塞的几率增加。当筛子完全堵死时，排粉机将大量带粉，造成制粉系统大量煤粉进入一次风系统，引起爆炸。
5)细粉分离器锁气器故障。细粉分离器锁气器的结构为顶针锥帽式，顶针与锥帽接触点小，很容易出现锥帽翻脱、倾斜的可能，导致下粉管堵塞，排粉机大量带粉进入一次风系统，造成爆炸。
6)粗粉分离器回粉管回粉不畅。由于粗粉分离器回粉锁气器重锤固定位置不合理，以及煤粉流动性差时，会造成系统停运时粗粉分离器回粉管仍然有部分煤粉未被抽净，系统停运后逐渐回流至磨煤机进口处，析出挥发分并发生自燃，当制粉系统再次启动时，从而引发爆炸事故。
3.系统漏风。对于处于惰性氛围的制粉系统来说，当系统存在漏风点时，负压系统会进入大量空气，引起系统氧量的升高，增大发生爆炸的可能性。常见的例如制粉系统膜片式防爆门，腐蚀后易发生膜片破裂，进而发生漏风，系统氧量过大，因此易发生爆炸。
4.制粉系统氧量控制不当。制粉系统导则规定，对于处于惰性气氛的制粉系统，在启、停及正常运行时都应保持系统氧量在规定范围之内，特别是制粉系统启、停以及异常工况下，若是系统发生积粉自燃，启动时系统未充分惰化，非常容易发生爆炸。
5.制粉系统温度控制不当。当磨煤机出口温度过高或过低都会增加爆炸的风险，出口温度过高容易造成爆炸是显而易见的，但磨煤机出口温度过低，同样存在潜在的风险。当制粉系统温度过低时，煤粉流动性差，容易造成系统积存煤粉发生自燃。
6.操作方式不合理。在制粉系统启动惰化时，制粉系统再循环门开启过早，炉烟未进入主系统，而是经过再循环门直接进入炉膛。由于制粉系统氧量表装在磨煤机进口，未能真实反应系统后部氧量，因而造成制粉系统启动前未充分惰化。因此操作不当也是造成制粉系统爆炸的一个因素。
综上所述，煤种挥发分高是引起爆炸的一个主要因素，系统积存煤粉发生自燃是爆炸的一个主要原因，制粉系统温度、氧量不在正常范围是发生爆炸的重要影响因素。
三、高挥发分煤（褐煤）特性
1.热值低。一般收到基低位发热值为8370~16750 kJ/kg，即2000~4000 kcal/kg，在锅炉保持同样蒸发量的条件下，褐煤的燃料消耗量要比烟煤更多。
2.水分大。一般收到基水分Mar为20~40%，在制粉系统中不易被干燥，要求干燥介质的输入热量高。由于褐煤水分大，锅炉烟气量增加，导致再热汽温上升较多，引风机电流有所上升。
3.挥发分高。一般干燥无灰基挥发分Vdaf为40~60%，容易着火燃烧，但也容易引起自燃。褐煤中挥发分析出温度点低，前期燃烧迅速，着火点前移相对较多。
4.灰熔点低，易结渣。 一般灰渣软化温度T2 在1200℃左右，大多为易结渣煤种。
5.自燃快。褐煤反应性强，孔隙率较高，氧含量较高，只要将褐煤暴露在空气中，就会开始氧化升温，当温度升高至燃点时就会自燃。
四、高挥发分煤种掺烧风险防控策略
1.严格控制高挥发分煤种的掺烧比例，掺混应相对均匀，不允许出现超比例运行，配比均匀性需要煤场进行精细化配煤工作，对于不同硫份煤种掺配，均匀性也可以通过脱硫塔入口原烟气二氧化硫浓度得到体现。
2.对于消除系统积粉应采取如下措施：
1)利用检修期间，对粗粉分离器内锥进行检查，确保设备可靠性。
2)针对水分大的煤种，应提高制粉系统热风量，尽可能使磨煤机出口温度保持在70℃左右。如给煤机满出力运行时，不能保证磨煤机出口温度的要求，应适当减低出力运行。结合燃烧器的安全，也更倾向于将磨煤机出口温度控制在70℃左右。以使一次风混合物温度控制在100℃左右。
3)对于木块分离器易积粉与漏风情况，应增加清理次数同时消除杂物排放口漏风的缺陷。
4)加强对细粉分离器筛子的检查清理，确保其转动灵活，下粉正常。褐煤成煤年限短，可能含有大量的纤维，在磨制过程中会形成的大量杂物，随煤粉进入细粉分离器筛子，极易造成筛网堵塞，乏气带粉量增加，最终导致一次风系统爆炸。因此进行褐煤掺烧，应加强细粉分离器筛子检查，确认煤粉中杂物情况，如数量上升应增加清理次数。
5)对粗粉分离器以及细粉分离器锁气器应重点检查，发现重锤移位或锁气器卡涩等异常时及时停用制粉系统进行处理。
6)当煤种的水分较大时，风粉混合物温度低，粗粉分离器回粉不畅的现象会加剧，因此制粉系统停用时的操作必须提高要求，应手动活动粗粉分离器回粉管锁气器，帮助其回粉，确保系统抽净。
3.中储式制粉系统属于负压系统，因氧量表布置在磨煤机入口，氧量表前的系统氧量可以通过调整炉烟掺入量进行控制，而从磨煤机出口开始至排粉机入口和粉仓的通道，任何部位漏风都会造成系统氧量上升，因氧量无法检测，当漏风量较大时，制粉系统必然存在爆炸风险。因此运行中必须对系统各部位进行认真检查，尤其是防爆门、木块分离器、粗粉分离器、细粉分离器、粉仓等，发现漏风点及时消除。
4.制粉系统氧量在启动、停止及异常情况下均应根据所磨煤种严格控制系统氧量。制粉系统启动前，系统应通入大量炉烟和消防蒸汽，粉仓充入二氧化碳，降低系统氧量至规定值以下。
5.磨煤机出口温度严格按导则要求进行调整，在给煤机断煤时及其它系统异常时，必须及时进行调整，以确保温度在可控范围。预防温度过高时也要注意避免磨煤机出口温度过低，特别是煤种水分大时，系统易积粉，同时风粉混合物温度低，煤粉进入粉仓后易析出潮气造煤粉结块粘结在壁板上，形成自燃，最终导致粉仓爆炸。
6.粉仓宜采用低粉位运行方式，粉仓吸潮管应经常检查保持可靠开启，同时应按导则要求执行定期降低粉位的工作，最低粉位可降至1米左右，降粉位的同要关注给粉机能下粉情况，避免下粉不均。严密监视粉仓温度，若发现某个测点温度不正常升高时，应及时充入二氧化碳进行惰化。
7.制粉系统爆炸通常发生在制粉系统启、停阶段，制粉系统停用时，系统内存粉未被抽净造成挥发分析出、煤粉发生自燃后再次启动通风时系统扰动造成爆炸。因此启、停操作应严格规范，在惰化系统时，制粉系统再循环门应关闭，以防炉烟将从再循环门短路，不经过主系统，起不到到惰化作用。停用制粉系统时应保证积粉被抽尽，只有在磨煤机电流达空载电流时，方可停用磨煤机，排粉机在磨煤机停用后仍应保持运行一段时间进行抽粉，以确保系统清洁。
8.制粉系统正常停用后，给煤机皮带上仍有大量的煤块，积存的煤与空气中的氧气接触氧化，加上制粉系统入口热风门可能存在不严密的现象，会导致原煤挥发分析出， 因此制粉系统停用期间，应走空给煤机上的存煤。
五、总结
对于中储式制粉系统磨制高挥发分煤种，制增加了煤粉爆炸的可能性，对防爆工作也提出更高要求。这就要求我们必须严格执行运行导则及运行规程的要求，加强设备的检查维护、加强制粉系统启、停的精细化操作，从消除系统积粉、严控制粉系统运行参数两个主要方面入手，从根本上避免或减少制粉系统的爆炸几率。
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论文作者:魏剑
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
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