靳昆玉1 向军2 孙学信2
1.山西省电力勘测设计院 山西太原 030001 2.华中科技大学 湖北武汉 430074
电站锅炉制粉系统在高温空气及可燃煤粉介质的工况下运行，如果系统设计或运行调整不当，可能产生热爆等安全隐患，严重影响着电厂的安全经济运行。据国内150台运行锅炉调查统计，约有42%的燃煤锅炉发生过热爆问题。据美国EPRI统计，在美国的361台燃煤锅炉中，平均每台锅炉每年发生制粉系统着火1.26次，每年爆炸0.31次，美国有差不多22%的燃煤机组存在着着火或爆炸问题，其中有18%的燃煤机组存在着严重的爆炸问题。因此，制粉系统的热爆问题引起了各发电厂商的高度重视。
一次风管内流动的是风粉混合物，由于各种各样的原因，近几年一次风管热爆问题时有发生，有的烧毁火嘴，有的靠近火嘴的一次风管管段烧红、变形，甚至爆裂 ，导致机组非计划停机，危及机组的安全经济运行。本文结合某厂一台670 t／h锅炉,对一次风管煤粉爆燃问题展开实验及理论分析研究。
1 锅炉概况及研究方案
该锅炉型号为HG-670／140-9，锅炉本体采用单炉膛П型布置，炉膛宽度13.66 m，深度11.66 m，其设计煤种为开滦洗中煤，制粉系统为中储式，燃烧器采用四角布置切圆燃烧方式。每组燃烧器由6层二次风喷嘴、4层一次风喷嘴和2层三次风喷嘴组成。
该锅炉自1997年以来，主要燃用山西贫煤与烟煤的混煤，由于所燃用的煤种有所变化，锅炉燃烧的稳定性变差。燃用某些煤种(或混煤)时，炉内发生灭火，与此同时 ，在燃用另一些煤种时，又出现一次风管爆燃的事故。主要表现：火嘴烧坏，与火嘴连接的一次风管发生振动，甚至一次风管烧红而爆裂，煤粉泄漏。出现上述情况，故障停机，造成巨大的经济损失。
根据事故的特点以及该锅炉燃烧的历史状况，初步认为，造成一次风管爆燃的根本原因是，该锅炉所燃用的煤种发生了变化，而由于锅炉结构的限制，锅炉运行无法根据煤种的变化作出相应调整，导致煤质特性与当前炉型及制粉系统不相适应，从而产生烧毁喷嘴及一次风管爆燃的事故。根据上述初步分析，有必要首先将该锅炉目前所用煤种的燃烧特性(尤其是煤的着火特性)研究清楚，为此，本论文将开展如下实验研究：
(1) 对该锅炉目前燃用的三种典型煤种进行常规特性分析，主要是煤的工业分析和元素分析；
(2) 对上述三种煤种进行热失重分析，主要了解其着火燃烧性能；
(3) 在实验室小型实验炉(一维炉)进行热态实验，进一步了解上述三种煤的着火性能。
在上述实验研究的基础上，进行理论分析，提出推荐煤种，指导电厂锅炉运行。
2 实验设备及煤质特性
煤质特性分析采用的是LECO公司生产的MA-500型工业分析仪，以及CHNS-600型元素分析仪。
煤的热重分析(TGA)采用德国NETSCH公司的STA-409热重分析仪，气氛为空气，温度范围为0～1 000℃，升温速率为20℃／min，样品为煤粉。
热态燃烧实验在实验室一维炉上进行，一维炉的结构及流程示意图参见图1。实验系统由给粉机、燃烧器、燃烧室、尾部烟道、烟气净化装置及烟囟组成，燃烧器为同心套管直流燃烧器，内管为一次风口，外管为顶二次风口，燃烧室侧面布置三层二次风口。燃烧室由6段炉体组成，每段炉体上布置有取样孔及热电偶温度测点。通过改变给粉机的振动频率来改变给粉量，给粉量可在1～3 kg／h范围内无级调整，以适应不同工况、不同煤种的实验要求。燃烧室的温度由敷在保温砖上的耐高温电阻丝加热维持，实验过程中由控制盘上程序自动控制加热温度。在炉体的每个取样孔及燃烧室尾部均可抽取烟气进行烟气分析，并可获取固体灰样，考察其燃尽性能。
3 实验结果及分析
三种典型煤的煤质分析结果参见表1，热失重实验获得的燃烧分布曲线的特征参数参见表2。
煤粉着火稳定性指数FI表征燃料着火的难易程度，定义如下：
FI＝a/Ti+b/T1max+c(dw/dt)max
式中Ti ——着火温度，℃；
T1max ——最大燃烧速度所对应的温度，℃；
(dw/dt)max ——煤的最大燃烧速度，mg／min；
a、b、c ——根据煤种不同而不同的计算常数。
式中的Ti、Tmax、(dw/dt)max可从热重分析曲线获得。
一般而言，煤粉着火稳定性指数FI越大，煤粉的着火性能越好。由实验结果可看出，三种煤的着火性能高低排列为：煤2→煤3→煤1，可见，在其它条件相同的情况下，煤2较其它两种煤更容易着火，也就是说，在爆燃的外部条件具备的情况下，煤2较其它两种煤在一次风管内更具有潜在的爆燃危险性。
三种典型煤的一维炉实验结果参见图2～5。由不同煤种沿燃烧室纵向温度分布曲线图可看出：
(1) 各燃烧工况下炉内气相温度分布各不相同，对于煤1和煤3，在700、800℃ 炉温下，其炉内气相温度分布趋于平坦，虽然有放热反应发生，但不明显，当炉温控制在900、1 000℃时，才有明显的燃烧放热曲线；对于煤2，在所有的实验炉温下,都呈现明显的燃烧放热过程，说明煤2较煤1和煤3有着较好的着火性能。
(2) 各燃烧工况下炉内最高气相温度各不相同，由高到低排序为煤2→煤3→煤1，说明在同样的外部条件下，煤2更容易着火燃烧。
(3) 不同煤种不同加热温度的燃尽性能以飞灰含碳量表示，其实验结果如图5所示。由图5看出，炉温越高，燃烧室出口的飞灰含碳量越小；在相同的炉温、相同的停留时间及配风工况下，燃用煤2时，其炉膛出口飞灰含碳量较低，说明煤2着火及燃烧性能明显优于其它两种煤。
(4) 上述分析表明，煤2着火点明显低于其它两种煤，着火性能优越，考虑到该锅炉一次风管的结构特点及运行情况，为防止一次风管爆燃的频繁发生，在该锅炉选用煤种时，建议不选用煤2，优先燃用煤1，慎用煤3，如燃用煤2，必须同时实施其它防爆燃措施。
4 结束语
本文从煤粉着火燃烧的角度出发，采用实验的方法，分析了三煤种的着火性能,为预防一次风管爆燃，提出了建议采用的煤种。应该强调的是，为彻底解决一次风管的爆燃问题，除了燃用优化煤种以外，还有以下几个方面需要考虑：
(1) 合适的煤粉细度；
(2) 恰当的风粉比(煤粉浓度)；
(3) 适宜的一次风温度；
(4) 合适的一次风速，避免一次风管道内煤粉沉积，同时避免喷口处产生回火；
(5) 适当控制一次风中的氧浓度等。
限于篇幅，上述问题将另文阐述。
参考文献
［1］Xiang Jun,Sun Xuexin,Hu Song,Yu Dunxi.An Experimental Research on Boiler Combustion Performance.Fuel Processing Technology,2000,68(2):139-151.
［2］Unsworth J.F.and Roberts P.T..Coal Quality and Combustion Performance .Elsevier,Amsterdam,1991.
［3］孙学信，陈建原.煤粉燃烧物理化学基础.华中理工大学出版社，1990.
［4］孙学信，向军.一次风管内煤粉着火爆燃问题的分析与解决.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,2000.
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