煤粉氣流爆燃安全性分析

煤粉氣流爆燃安全性分析

1點(diǎn)火油釋放的熱量傳遞等溫體計(jì)算在磨損煤機(jī)的啟動(dòng)過程中，作為相應(yīng)燃燒機(jī)構(gòu)的加熱源，火油槍將部分煤粉氣流加熱，通過火火管的傳播，碳粉氣的其他部分將成為火火炮。理論研究表明,無論是受熱著火或強(qiáng)制點(diǎn)火,煤粉氣流的溫度都是一個(gè)非常重要的條件,煤粉氣流溫度達(dá)到或超過其著火溫度,煤粉氣流就著火。否則,強(qiáng)制點(diǎn)火也會(huì)失敗。目前磨煤機(jī)啟停過程采用的是磨煤機(jī)啟停投油方式,點(diǎn)火油槍的出力My為250kg/h。根據(jù)油和煤粉的燃燒速度差異以及點(diǎn)火用油的實(shí)際,假定點(diǎn)火油的燃燒過程在瞬間完成,且其燃燒效率為100%,點(diǎn)火用油的發(fā)熱量Qy為50MJ,其燃燒釋放的熱量全部用來加熱一次風(fēng)粉,且一次風(fēng)粉在瞬間完成其溫升,成為等溫體。根據(jù)300MW等級(jí)機(jī)組墻式燃燒鍋爐的實(shí)際情況,一次風(fēng)粉流量Vi1根據(jù)一次風(fēng)粉速度和噴口尺寸計(jì)算,煤粉濃度C取值為0.15kg/m3,一次風(fēng)粉的比定壓熱容cp根據(jù)風(fēng)粉溫度變化范圍取其平均值。根據(jù)上述假定和熱量平衡原理得出兩者之間的熱平衡方程如下：式中:ΔT為一次風(fēng)粉在時(shí)間t內(nèi)獲得的溫升,℃。進(jìn)一步對(duì)式(1)整理后得:由公式(2)計(jì)算得出一次風(fēng)粉的溫升ΔT為796℃。實(shí)際上,點(diǎn)火油燃燒釋放的熱量并不可能在瞬間全部傳遞給一次風(fēng)粉,而只能加熱一次風(fēng)粉中的某一部分,促使該部分煤粉氣流先著火,然后使其余部分著火。假定點(diǎn)火油燃燒釋放的熱量在瞬間全部傳遞給一次風(fēng)粉或其中一部分,一次風(fēng)粉或其中一部分在接受該熱量后瞬間完成其溫升,成為均勻的等溫體。按此假定計(jì)算得出80%的一次風(fēng)粉加熱后的溫升為995℃,大于煙煤和貧煤的著火溫度。2安全分析2.1爆燃可控氣體氣體煤粉氣流爆燃實(shí)際上是一種預(yù)混型可燃?xì)怏w的爆炸。煤粉氣流在噴入爐內(nèi)后,由于受到快速加熱而產(chǎn)生熱解反應(yīng),釋放出大量的可燃?xì)怏w(揮發(fā)分),這些可燃?xì)怏w與煤粉氣流中的空氣充分混合,形成可燃預(yù)混氣體當(dāng)此預(yù)混氣體中的可燃物濃度氧濃度壓力和溫度達(dá)到其爆燃條件后,就會(huì)迅速燃燒。由于其燃燒反應(yīng)速度極高,幾乎在瞬間完成,因此被稱之為爆燃。爐內(nèi)煤粉氣流發(fā)生較大爆燃的條件是煤粉氣流噴入爐內(nèi)足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)還未正常著火燃燒。此種情況下,煤粉氣流溫度較高(600℃左右),有大量的可燃?xì)怏w產(chǎn)生,極易發(fā)生爆燃。爆燃對(duì)爐內(nèi)的壓力擾動(dòng)很大,對(duì)鍋爐設(shè)備破壞亦很大。2.2爆燃煤粉氣流爆燃后氣體溫度、容積以及壓力變化規(guī)律在磨煤機(jī)啟動(dòng)過程中,當(dāng)一次風(fēng)和二次風(fēng)調(diào)整到位后,鍋爐容積、煙氣容積、送入爐膛的風(fēng)粉量,以及通過引風(fēng)機(jī)排出爐膛的煙氣流量基本不變,最多只有加煤過程對(duì)爐內(nèi)產(chǎn)生擾動(dòng),該過程對(duì)爐內(nèi)的煙氣容積影響非常小。假定煤粉氣流噴入爐內(nèi)足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍未正常著火,且在爐內(nèi)發(fā)生爆燃,由于爆燃過程放出的熱量來不及向外傳播,爆點(diǎn)壓力隨之發(fā)生變化。由于反應(yīng)物在爆燃前后的溫度都比較高,因此可視為理想氣體,其過程遵守如下熱力學(xué)方程:為了得出爆燃時(shí)爆點(diǎn)氣體的壓力擾動(dòng),仍然將爐內(nèi)氣體看作是由2個(gè)不同的氣體組分混合而成。由吉博達(dá)爾頓(GibbsDalton)混合氣體定律可知,混合氣體的總壓強(qiáng)等于各組分壓強(qiáng)之和:式中:下標(biāo)1、2是指混合氣體中的兩種組分煤粉氣流與高溫?zé)煔?P為混合氣體的總壓強(qiáng),pi是i組分的分壓強(qiáng)。由于是理想氣體,按理想氣體狀態(tài)方程可得出爆燃前后煤粉氣流的狀態(tài)。式中:下標(biāo)id0、id分別為煤粉氣流爆燃前后的狀況。為了能夠計(jì)算出煤粉氣流爆燃后爐內(nèi)氣體的溫度、容積以及壓力變化,根據(jù)磨煤機(jī)啟動(dòng)過程中爐內(nèi)的實(shí)際情況假定如下:(1)煤粉氣流在時(shí)間t內(nèi)到燃燒器出口假想距離x≥2.0m處仍未著火(以高估爆燃的危害性),然后突然爆燃,假定4只啟動(dòng)磨煤機(jī)燃燒器噴入爐內(nèi)的全部煤粉顆粒均參與了爆燃而在煤粉氣流爆燃前全部煤粉顆粒均有30%的可燃物質(zhì)已釋放出來,且釋放出的可燃物質(zhì)在爆燃時(shí)全部燃盡,熱量全部釋放;(2)假定爆燃前煤粉氣流的絕對(duì)壓力值pid0=100000Pa,爆燃后煤粉氣流的絕對(duì)壓力值為pid;(3)煤粉氣流爆燃后放出的熱量全部用來加熱煤粉氣流自身,且在爆燃前后煤粉氣流渾然一體,可視為溫度相同的等溫氣體;(4)參與爆燃的煤粉氣流體積流量為V2,假想平均溫度Tid0為600℃(否則無足夠可燃?xì)怏w揮發(fā)),爆燃后煤粉氣流的假想平均溫度為Tid;(5)啟動(dòng)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)的一次風(fēng)粉體積流量為Vi1,濃度C為0.15kg/m3。在此假定條件下,根據(jù)熱平衡原理可推出煤粉氣流爆燃后爐內(nèi)爆燃產(chǎn)物氣體的溫升,其計(jì)算公式如下:式中:f為煤粉氣流釋放出的可燃?xì)怏w占給煤量的份額,在此取為0.3;Qnet.ar為可燃?xì)怏w的發(fā)熱量,取值為20000kJ/kg。以300MW機(jī)組墻式鍋爐為例,一次風(fēng)粉的體積流量按4個(gè)對(duì)應(yīng)燃燒器的實(shí)際流量計(jì)算,煤粉氣體爆燃時(shí)的體積流量V2假定為2Vi1。按照上述假定,由公式(4)～(7)計(jì)算出磨煤機(jī)啟動(dòng)過程中煤粉氣流爆燃距離和爆點(diǎn)壓力擾動(dòng)以及爐膛總壓力變化之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1和表2。從以上分析及計(jì)算結(jié)果可以看出,煤粉氣流爆燃后產(chǎn)生的爆點(diǎn)壓力擾動(dòng)Δpidnax與爆燃距離X無關(guān),但與爆燃時(shí)的一次風(fēng)粉濃度、爆燃?xì)怏w的體積流量V2等有關(guān)。在一次風(fēng)粉流量和濃度(即爆燃時(shí)的有效放熱)一定的情況下爆燃?xì)怏w的體積流量越大即二次風(fēng)和高溫?zé)煔饣烊胍淮物L(fēng)粉的量越大),爆燃?xì)怏w的溫升就越小,由此引起的爆燃產(chǎn)物氣體的體積膨脹就小,對(duì)爆點(diǎn)的壓力擾動(dòng)也小。2.3爆燃?jí)毫_動(dòng)爐膛煙氣總壓力變化與煤粉氣流濃度和爆燃距離有關(guān),但與煤粉氣流的體積流量無關(guān)。在相同煤粉濃度下,爆燃距離X越遠(yuǎn),時(shí)間越推后,其爆燃產(chǎn)生的壓力擾動(dòng)對(duì)爐膛負(fù)壓Δp的影響也就越大。相同爆燃距離下,氣流中煤粉濃度越大,其爆燃產(chǎn)生的壓力擾動(dòng)就越大,對(duì)爐膛負(fù)壓的影響就越大。需要說明的是:(1)表1、表2中給出的pidmax和Δpidnax值是把爆燃過程視為定容過程(即公式(4)中m趨于負(fù)的無窮大)計(jì)算得出的,它是理論上煤粉氣流爆燃后在爆點(diǎn)所能產(chǎn)生的最大絕對(duì)壓力。而實(shí)際過程為多變過程,更接近定壓過程(即公式(4)中的m值趨近0),煤粉氣流爆燃后在爆點(diǎn)的壓力應(yīng)小于表1和表2中的計(jì)算值。(2)上述局部壓力擾動(dòng)計(jì)算是按爆燃?xì)怏w體積為2倍的一次風(fēng)粉體積計(jì)算的,而實(shí)際上在爆燃前,由于V2≥2Vi1,爆燃?xì)怏w的實(shí)際容積比計(jì)算選取值大。由于爆燃放熱量不變,其對(duì)爆點(diǎn)擾動(dòng)會(huì)減小,但對(duì)爐膛高溫?zé)煔饪倝毫Σ划a(chǎn)生影響。(3)表1、表2中數(shù)值是按4只燃燒器的煤粉氣流同時(shí)參與爆燃計(jì)算的,如果啟動(dòng)磨煤機(jī)燃燒器中間2只投入點(diǎn)火油槍,發(fā)生爆燃的幾率更小,程度也更輕,對(duì)爐膛負(fù)壓擾動(dòng)程度將減小一半。由上述分析可見,爆燃過程對(duì)爆點(diǎn)壓力擾動(dòng)實(shí)際上是有限度的,對(duì)爐膛總壓力的影響更小。2.4爆燃煤粉氣流的影響磨煤機(jī)啟動(dòng)過程中,煤粉氣流的濃度一般維持在0.15kg/m3左右。在一定條件下,煤粉氣流離開燃燒器噴口0.05s后,僅從爐膛高溫?zé)煔馕盏臒崃烤妥阋允蛊渥陨頊囟壬叩?000℃以上。因此,啟動(dòng)磨煤機(jī)燃燒器的煤粉氣流噴入爐膛后在0.05s的時(shí)間內(nèi)就能夠著火并穩(wěn)定燃燒。由表1可知,即使煤粉氣流在離開燃燒器出口1s時(shí)發(fā)生爆燃,濃度為0.15kg/m3的煤粉氣流爆燃時(shí)所能產(chǎn)生的爆點(diǎn)最大壓力波動(dòng)Δpimax為16313Pa,爐膛壓力波動(dòng)Δp為173Pa。當(dāng)煤粉濃度增大時(shí),著火距離更短,發(fā)生爆燃現(xiàn)象的幾率更小。由表2計(jì)算結(jié)果可知,即使煤粉濃度達(dá)到了0.6kg/m3,爆燃依然按推遲到1s計(jì),其爆燃后所能產(chǎn)生的爆點(diǎn)最大壓力波動(dòng)Δpimax為65256Pa,爐膛壓力波動(dòng)Δp為694Pa,根本不會(huì)影響鍋爐的安全運(yùn)行。因此,在一定條件下,直吹式墻式鍋爐在磨煤機(jī)啟動(dòng)全過程中采用不投油方式是安全的,采用少投油方式更安全。3燃用煙煤或貧煤的啟停不投或少投油方式是可行的(1)啟動(dòng)磨煤機(jī)燃燒器與正常運(yùn)行燃燒器的一次風(fēng)粉氣流在爐內(nèi)輻射換熱過程中的吸熱量不同,兩者氣流煤粉濃度的差異導(dǎo)致其輻射吸熱量相差30%左右;兩者在爐內(nèi)與高溫?zé)煔獾幕熨|(zhì)換熱過程基本相同,其煤粉氣流單位物質(zhì)的吸熱量以及煤粉氣流獲得的溫升在此過程中相同。(2)煤粉氣流離開燃燒器0.1s之前,與高溫?zé)煔廨椛鋼Q熱所得到的熱量不及總吸熱量的5%;與高溫?zé)煔獾幕熨|(zhì)換熱所得到的熱量占總吸熱量的95%以上。后者對(duì)煤粉氣流的著火過程起決定性作用。(3)計(jì)算結(jié)果表明,在一定條件下,啟動(dòng)磨煤機(jī)燃燒器煤粉氣流僅僅從爐內(nèi)高溫?zé)煔馑盏臒崃烤妥阋栽?.05s時(shí)間內(nèi)將其自身溫度加熱到1000℃以上,超過了其煤粉氣流的著火溫度,按照Semenov的熱著火理論,該煤粉氣流能夠著火燃燒。這說明燃用煙煤或貧煤的直吹式墻式鍋爐采用磨煤機(jī)啟停不投油方式是可行的。(4)燃燒器對(duì)比分析結(jié)果表明,啟動(dòng)磨煤機(jī)燃燒器與正常運(yùn)行燃燒器煤粉氣流在著火前從爐內(nèi)高溫?zé)煔馑盏臒崃肯嗖畈蛔?.2%,在考慮并放大煤粉濃度對(duì)著火溫度的影響后,兩者煤粉氣流著火距離的最大差距也在55mm以內(nèi),燃燒器之間的引燃作用可以忽略或消除。由此推斷,在正常運(yùn)行燃燒器能及時(shí)著火穩(wěn)定燃燒的條件下,啟動(dòng)磨煤機(jī)燃燒器在無點(diǎn)火油槍投入或只投2只點(diǎn)火油槍的條件下就能夠及時(shí)著火穩(wěn)定燃燒。(5)燃用煙煤或貧煤的直吹式墻式鍋爐磨煤機(jī)啟停過程采用不投或少投油是安全的。在此啟停方式下,對(duì)爐膛負(fù)壓的擾動(dòng)在≤50Pa的正常范圍內(nèi),爐內(nèi)不會(huì)發(fā)生影響鍋爐安全運(yùn)行的煤粉氣流爆燃現(xiàn)象。(7)我國數(shù)臺(tái)燃用煙煤和貧煤的直吹式墻式鍋爐在磨煤機(jī)啟停過程中已采用了不投油方式。實(shí)踐及理論分析表明,現(xiàn)行的磨煤機(jī)啟停投油方式及其規(guī)程已不適應(yīng)目前中大型直吹式墻式鍋爐的磨煤機(jī)啟動(dòng)過程,建議盡快建立與磨煤機(jī)啟停不投或少投油方式相適應(yīng)的新規(guī)程。隨著新規(guī)程的建立