正壓直吹制粉系統(tǒng)的防爆分析

1、正壓直吹制粉系統(tǒng)的防爆分析北京電力高等?？茖W(xué)校( 北京 100044) 楊飛explosionprevention of pressurized direct feed pulverized coal systemyang feiadvanced electric power college of beijingbeijing 100044關(guān)鍵詞 磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)防爆摘要 收集和分析了有關(guān)磨煤機(jī)著火、爆炸的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、 試驗(yàn)報(bào)告和防范措施;對(duì)防止磨煤機(jī)和正壓直吹制粉系統(tǒng)著火和爆炸提出了建議。我國(guó)火電廠大型機(jī)組( 300 mw 以上 ) 一般配用的制粉系統(tǒng)是正壓直吹系統(tǒng)。關(guān)于磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)著火、 爆

2、炸問(wèn)題有相當(dāng)部分在理論上不是非常明確。主要根據(jù)是 , 正壓直吹系統(tǒng)使用一次風(fēng)正壓 , 可以避免空氣向系統(tǒng)漏風(fēng),不至于稀釋煤粉濃度 , 從而可以保持整個(gè)制粉系統(tǒng)內(nèi)煤粉的濃度在火焰點(diǎn)燃爆炸濃度范圍以上, 使爆炸的可能性大幅度減少。 但是 , 由于在制粉系統(tǒng)中煤粉沉積是不能完全避免的, 而磨煤機(jī)采用熱風(fēng)干燥, 其抗燃特性明顯不足 , 所以容易發(fā)生著火。實(shí)際情況是,不論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的使用正壓直吹制粉系統(tǒng)的電廠都發(fā)生過(guò)著火或爆炸。因此 , 有必要分析正壓直吹制粉系統(tǒng)的著火和爆炸問(wèn)題, 以便采取必要的防范措施避免問(wèn)題的發(fā)生。1著火和爆炸的情況據(jù)美國(guó)電力科學(xué)研究院( epri) 的統(tǒng)計(jì) , 在美國(guó) 361

3、座火電廠中 , 平均每臺(tái)機(jī)組每年著火1. 26次, 每年爆炸0. 31 次, 其中有直吹式制粉系統(tǒng)的機(jī)組 236 臺(tái), 平均每臺(tái)機(jī)組每年著火1. 3次 , 使用中速磨煤機(jī)的機(jī)組220 臺(tái), 其中使用煙煤175 臺(tái) ,每臺(tái) 機(jī)組平均每年著火0. 9 次, 使用次 煙煤 39臺(tái), 每臺(tái)機(jī)組平均每年著火2. 6 次,著火與爆炸的基本比例是31。統(tǒng)計(jì)表明 , 美國(guó)有差不多22%的燃煤機(jī)組存在著嚴(yán)重的著火或爆炸問(wèn)題, 其中約有 18% 的燃煤機(jī)組存在著嚴(yán)重的爆炸問(wèn)題。根據(jù)美國(guó)電力科學(xué)研究院科斷, 實(shí)際的著火問(wèn)題還可能 比統(tǒng) 計(jì)的問(wèn) 題更嚴(yán) 重, 因 為在美 國(guó)大約 有85% 的燃煤機(jī)組缺乏完善的著火探測(cè)

4、手段。國(guó)內(nèi)制粉系統(tǒng)也存在著火和爆炸問(wèn)題。據(jù)國(guó)內(nèi) 150 臺(tái)鍋爐的統(tǒng)計(jì), 42% 的鍋爐制粉系統(tǒng)發(fā)生過(guò)爆炸 , 直吹式系統(tǒng)的爆炸率為31. 1% 。華北地區(qū)裝有300 m w 以上機(jī)組的火電廠都曾經(jīng)發(fā)生過(guò)著火和爆炸。2著火和爆炸的原因和過(guò)程制粉系統(tǒng)的引燃源有機(jī)械引起的火花, 有來(lái)自爐膛的回火, 或由磨煤機(jī)或制粉管道積粉自燃。著火位置在磨煤機(jī)內(nèi)的進(jìn)風(fēng)室、磨盤(pán)邊緣死角、 導(dǎo)風(fēng)罩上部、分離器出口、 煤粉管道的水平彎頭下部及石子煤箱。根據(jù)美國(guó)電力科學(xué)研究院的試驗(yàn)報(bào)告及英國(guó)中央電力研究所的研究, 煤粉管道著火一般不是制粉系統(tǒng)爆炸的主要起因。通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn),發(fā)生在煤粉管道內(nèi)部的強(qiáng)烈的但是短促的著火,并不

5、能觸發(fā)煤粉管道的爆炸,但是在水平煤粉管道內(nèi)會(huì)出現(xiàn)煤粉錐鋪在其底部的現(xiàn)象, 這些煤粉可以引起較長(zhǎng)時(shí)間的著火。盡管煤粉管道內(nèi)著火不會(huì)在其著火處引起爆燃, 但是 , 如果火焰蔓延或移動(dòng)到磨煤機(jī)、 分離器等開(kāi)口容器內(nèi), 則這樣的著火也會(huì)成為爆燃的一個(gè)點(diǎn)燃源。應(yīng)當(dāng)注意爆燃是由煤粉管道上游側(cè)一系列容器( 磨煤機(jī)、分離器、風(fēng)機(jī) )引起的 ; 而燃燒器回火應(yīng)該不是制粉系統(tǒng)爆燃的原因。盡管從爆燃結(jié)果看,被損害的往往是煤粉管道 , 而不是磨煤機(jī)、 分離器等。根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告 , 在爆炸的過(guò)程中, 磨煤機(jī)的容22華東電力1999 年第 11 期積和煤粉管道起著關(guān)鍵作用。爆炸發(fā)生于磨煤機(jī)、分離器等容器內(nèi)煤粉著火的時(shí)候,

6、當(dāng)煤粉開(kāi)始燃燒時(shí) , 從著火點(diǎn)火焰前沿向外擴(kuò)散和移動(dòng), 同時(shí)氣體壓力開(kāi)始升高, 形成壓力波 , 壓力波先于火焰前沿離開(kāi)“容器” 進(jìn)入煤粉管, 壓力波導(dǎo)致煤粉管道內(nèi)煤粉氣流發(fā)生渦流, 擾動(dòng)增強(qiáng) ,從而導(dǎo)致燃燒率增強(qiáng) , 火焰前沿前進(jìn)的速度加快,加快速度趕上壓力波 , 火焰前沿速度從1m/s加速至接近音速, 一般認(rèn)為 , 其加速度 a=d2? l。 其中為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),d為煤粉管道直徑,l為管道長(zhǎng)度 , 這一過(guò)程稱為“ 急燃” 。火焰前沿與壓力波聚合在一起產(chǎn)生燃燒激波 ,從而轉(zhuǎn)為爆燃。 其爆燃傳播速度約為1120 m/ s。爆燃能產(chǎn)生的最大動(dòng)壓力理論值為1. 4m pa, 通過(guò)試驗(yàn)證明 , 在煤粉管道

7、中爆燃最大極限為 1. 0m pa是切合實(shí)際的。就煤粉本身來(lái)說(shuō), 一般情況是 ,揮發(fā)份對(duì)制粉系統(tǒng)爆炸是必要條件, 揮發(fā)份越高的煤, 爆燃越容易發(fā)生。當(dāng)煤可燃基揮發(fā)份大于35% 時(shí), 具有最大爆炸壓力; 揮發(fā)份小于15%的煤 , 爆燃可能性很小。其他影響爆燃、 著火的因素還有溫度, 對(duì)揮發(fā)份大于40%的煤種 , 130170 時(shí) ,煤粉會(huì)發(fā)生陰燃 ;在空氣中的煤粉濃度30500g/m3可能發(fā)生爆炸 ; 降低煤粉氣流中的含氧量可以降低爆炸壓力 , 根據(jù)試驗(yàn) , 氧的體積濃度小于16%時(shí)可以避免爆炸。 根據(jù)有關(guān)規(guī)程要求,設(shè)備出口氣粉混合物中氧氣的容積份額應(yīng)控制在12% 以下。3防爆、防著火措施和系統(tǒng)

8、3. 1防爆標(biāo)準(zhǔn)一些國(guó)家制定了制粉系統(tǒng)的防爆標(biāo)準(zhǔn), 例如 ,美國(guó)國(guó)家防火協(xié)會(huì)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)nfpa 85f+ 988 煤 粉系統(tǒng)安裝和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn) 中, 第 2-6. 11 條 規(guī)定, 所有正常壓力不超過(guò)表壓13.8kpa的有關(guān)設(shè)備及部件必須按照承受340 kpa 的內(nèi)部爆炸壓力進(jìn)行設(shè)計(jì) ,以抵御可能產(chǎn)生的爆炸壓力。同時(shí), 在2-6. 15 條中規(guī)定 , 不準(zhǔn)在這些設(shè)備和部件上裝設(shè)爆炸排氣設(shè)施 ( 即防爆門(mén) ) 。我國(guó)引進(jìn)的hp 型中速磨煤機(jī)是按照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)的。而德國(guó)蒸汽鍋爐協(xié)會(huì)批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)trd413 蒸汽鍋爐煤粉燃燒系統(tǒng)中 6. 2. 1 規(guī)定 : 有關(guān)設(shè)備及其附件必須按照“ 抵御爆炸沖擊設(shè)計(jì)這

9、一設(shè)計(jì)的承壓數(shù)值為表壓 100 kpa。而在該標(biāo)準(zhǔn)中定義“ 抵御爆炸沖擊設(shè)計(jì)” 是要求相關(guān)設(shè)備及其附件的強(qiáng)度要能夠承受在爆炸期間產(chǎn)生的一定程度的壓力沖擊而不發(fā)生破損 ,但會(huì)產(chǎn)生永久的變形” 。 另一種設(shè)計(jì)是“ 抵御爆炸壓力設(shè)計(jì)” 即相關(guān)的設(shè)備及其附件的強(qiáng)度, 要能夠承受爆炸波的壓力而不出現(xiàn)永久變形。此種設(shè)計(jì)要求與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)基本一致, 但是未規(guī)定具體數(shù)值。在德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中61. 2 條還規(guī)定了可以采用自動(dòng)壓力釋放裝置( 防爆門(mén) ) 來(lái)降低爆炸波產(chǎn)生的壓力。我國(guó)前期引進(jìn)的mps 型中速磨煤機(jī)是按照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)的。近期隨著用戶的要求和運(yùn)行實(shí)際情況的發(fā)展, 德國(guó)修訂了其防爆標(biāo)準(zhǔn), 確定了“ 抵御爆炸壓力設(shè)

10、計(jì)”的具體數(shù)值與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)一致。我國(guó)m ps型磨煤機(jī)生產(chǎn)也隨之可以按照用戶要求提高磨煤機(jī)抵御爆炸壓力而不產(chǎn)生永久變形。3. 2防爆系統(tǒng)由于磨煤機(jī)等“ 容器” 的著火是制粉系統(tǒng)爆燃的根源 , 因此磨煤機(jī)的防爆系統(tǒng)是制粉系統(tǒng)的主要部分。磨煤機(jī)防爆系統(tǒng)可以分為磨煤機(jī)內(nèi)燃探測(cè)系統(tǒng)和磨煤機(jī)消防、 冷卻系統(tǒng)兩個(gè)部分。(1) 在制粉系統(tǒng)中著火探測(cè)設(shè)備有幾個(gè)基本類型 ,包括一氧化碳監(jiān)測(cè)、 氧量監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)。目前國(guó)內(nèi)絕大部分電廠采用溫度監(jiān)測(cè)方式, 即在磨煤機(jī)出口通過(guò)熱電偶或者半導(dǎo)體溫度計(jì)監(jiān)測(cè)介質(zhì)溫度來(lái)判斷磨煤機(jī)是否著火或者處于易爆的危險(xiǎn)狀態(tài)。 但是 , 此種方式有兩個(gè)問(wèn)題,第一 , 它不能及早發(fā)出警報(bào) , 使運(yùn)

11、行人員有充分的時(shí)間采取措施。這主要是因?yàn)? 當(dāng)磨煤機(jī)內(nèi)剛發(fā)生內(nèi)燃時(shí), 磨煤機(jī)出口溫升較小, 自控系統(tǒng)是通過(guò)增加冷風(fēng)量來(lái)調(diào)整的 ,直到在磨煤機(jī)內(nèi)部發(fā)生大面積燃燒, 調(diào)整冷風(fēng)量無(wú)法控制磨煤機(jī)出口溫升時(shí),才發(fā)出報(bào)警 , 而這時(shí)已經(jīng)為時(shí)太晚。 第二 , 磨煤機(jī)出口溫度并不能完全反映磨煤機(jī)內(nèi)部是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)。這是因?yàn)楸ㄅc許多因素有關(guān),包括氧氣的濃度、 煤粉的濃度以及可燃?xì)怏w濃度, 尤其是當(dāng)可燃?xì)怏w濃度較高時(shí) , 即使是較低的溫度,也會(huì)發(fā)生爆炸。( 2) 氧量測(cè)量系統(tǒng)和紅外測(cè)量系統(tǒng), 檢測(cè)氧氣可以提供磨煤機(jī)系統(tǒng)排出的可用氧氣的指標(biāo)。有著火情況時(shí), 一些氧分子參加反應(yīng), 生成二氧化碳 ,出口處的氧量也就

12、相應(yīng)減少, 可以檢測(cè)報(bào)警。此系統(tǒng)可以檢測(cè)明火, 但是 ,對(duì)于冒煙陰火則不易識(shí)別。紅外線探測(cè)系統(tǒng)是利用紅外線傳感器來(lái)探測(cè)煤的著火發(fā)熱產(chǎn)生預(yù)定波長(zhǎng)紅外輻射線。該方式對(duì)煤層內(nèi)部陰火的探測(cè)能力較差。231999 年第 11 期華東電 力( 3) 一氧化碳監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 是目前國(guó)內(nèi)采用比較廣泛的系統(tǒng), 其原理是利用煤粉發(fā)生氧化情況( 即一氧化碳產(chǎn)生) 與燃燒成正比 , 即陰燃、冒煙情況, 測(cè)定一氧化碳濃度就可以預(yù)報(bào)磨煤機(jī)著火情況。 在發(fā)生明火燃燒之前, 一般是有產(chǎn)生冒煙條件的, 但問(wèn)題是 , 如果是具有足夠的過(guò)量空氣, 一氧化碳將變?yōu)槎趸? 煤粉陰燃變成明火, 則由于一氧化碳監(jiān)測(cè)系統(tǒng)探測(cè)不到二氧化碳,而

13、不能發(fā)出報(bào)警。此外 , 由于空預(yù)器漏風(fēng)中夾帶一氧化碳,或者來(lái)煤系統(tǒng)冒煙有一氧化碳, 都可能使探測(cè)器發(fā)生混亂。3. 3磨煤機(jī)的冷卻系統(tǒng)根據(jù)國(guó)外電廠的運(yùn)行情況, 在磨煤機(jī)緊急停機(jī)的時(shí)候 , 有部分煤粉通過(guò)風(fēng)環(huán)下落到磨煤機(jī)底板上 , 底板上的溫度接近磨煤機(jī)入口一次風(fēng)溫度,使這部分煤粉很容易著火, 甚至引起爆燃 , 因此有必要采取安全措施。 德國(guó)在 1991 年標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了在磨煤機(jī)緊急停機(jī)后, 對(duì)磨煤機(jī)的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行冷卻。德國(guó)巴威公司已經(jīng)為一些電廠設(shè)置了磨煤機(jī)底板冷卻系統(tǒng), 該系統(tǒng)在底板下面安裝了冷卻風(fēng)室 , 由風(fēng)機(jī)就地吸風(fēng), 吸熱后排出。3. 4磨煤機(jī)的消防、 惰化系統(tǒng)為了防止磨煤機(jī)著火引起制粉系統(tǒng)

14、的爆燃,有必要使用消防、 惰化系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)滅火介質(zhì)一般使用蒸汽 ,其次是二氧化碳, 國(guó)外使用較多的是氮?dú)?。使用消防蒸汽設(shè)備簡(jiǎn)單, 投資較少。 發(fā)生著火時(shí)恰當(dāng)使用150170 左右蒸汽可以收到良好的效果 ,在我國(guó)電廠中使用效果不錯(cuò)。但是蒸汽在備用時(shí)容易變成疏水, 如果疏泄不及時(shí), 使用時(shí)就不能以蒸汽的狀態(tài)投入, 而以不足量的水噴入燃燒的煤粉中時(shí) , 會(huì)產(chǎn)生水煤氣 , 制造了更為危險(xiǎn)的環(huán)境 ;若 以足量的水噴入磨煤機(jī), 煤粉 變成水煤漿, 著火可能被撲滅, 但金屬部件遇冷可能產(chǎn)生裂紋, 此外水煤漿容易結(jié)塊和結(jié)垢, 污染磨煤機(jī) , 在拐角的結(jié)塊會(huì)縮短下一次發(fā)生著火的時(shí)間, 所以磨煤機(jī)必須退出運(yùn)行,

15、進(jìn)行干燥和清理。 即使完全使用蒸汽、二氧化碳、 氮?dú)庖灿锌赡芪廴灸ッ簷C(jī)。因此 , 國(guó)外機(jī)組除較多使用二氧化碳、氮?dú)鉃榻橘|(zhì)外, 在惰化系統(tǒng)中也附有清洗系統(tǒng),北侖港電廠2號(hào)爐 m ps 磨就擁有完整的水清洗系統(tǒng)。4磨煤機(jī)運(yùn)行中的防爆應(yīng)該認(rèn)識(shí)到 , 當(dāng)鍋爐正常運(yùn)行突然發(fā)生m ft時(shí) ,為了鍋爐的安全, 磨煤機(jī)的出口被突然關(guān)閉,此時(shí)磨煤機(jī)內(nèi)的煤粉逐漸沉降使?jié)舛冗M(jìn)入爆燃區(qū)域 ,如果進(jìn)行磨煤機(jī)吹掃或者有火花產(chǎn)生, 則容易發(fā)生爆燃 , 因而有必要進(jìn)行系統(tǒng)隔離, 同時(shí)投入惰化氣體。當(dāng)磨煤機(jī)著火時(shí)也應(yīng)該采取同樣的步驟,則可以比較好地避免爆燃。另外當(dāng)鍋爐非正常停爐或磨煤機(jī)緊急停機(jī)時(shí) ,由于失去輸送煤粉的一次風(fēng),

16、大量的煤粉沉積在磨煤機(jī)和制粉系統(tǒng)內(nèi),據(jù)國(guó)外試驗(yàn) , 在較高負(fù)荷時(shí) ,約占其產(chǎn)出率10%的煤粉沉積在磨煤機(jī)內(nèi)。沉積部位主要在碾磨區(qū)、分離器區(qū)、送粉管道和一次風(fēng)進(jìn)入磨煤機(jī)入口區(qū)域。因此在磨煤機(jī)啟動(dòng)和停運(yùn)過(guò)程中要進(jìn)行吹掃和通入惰化氣體。對(duì)于裝有一氧化碳探測(cè)系統(tǒng)的磨煤機(jī)內(nèi)一氧化碳濃度超過(guò)定值時(shí), 就發(fā)出警報(bào) , 運(yùn)行人員可以連續(xù)跟蹤一氧化碳的濃度變化, 并且采取滅火措施 ,例如加大給煤量, 投入惰化系統(tǒng), 磨煤機(jī)隔離運(yùn)行等。 由于報(bào)警到著火一般有1 h 的時(shí)間 , 運(yùn)行人員可以采取各種措施,即使是磨煤機(jī)停運(yùn), 也可以采用正常停運(yùn)方式, 避免由于緊急停機(jī)而帶來(lái)的不利影響。5綜合分析和建議( 1) 制粉系統(tǒng)的爆燃一般是由磨煤機(jī)、分離器等“容器”內(nèi)著火引起 , 燃燒器回火一般不會(huì)引起制粉系統(tǒng)爆燃。(2) 正壓直吹制粉系統(tǒng)的著火和爆燃在我國(guó)電廠中嚴(yán)重存在,但是在我國(guó)電廠中一些磨煤機(jī)沒(méi)有任何消防系統(tǒng), 一部分磨煤機(jī)安裝有蒸汽消防系統(tǒng)不完全, 有二氧化碳、 氮?dú)舛杌到y(tǒng)的磨煤機(jī)更少 , 安裝有一氧化碳探測(cè)系