楊峻峰，郭洋洲，劉家利，高子軍，李 炎

(1.遼寧華電鐵嶺發(fā)電有限公司，遼寧 鐵嶺 112000；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

煤粉爆炸特性直接影響電站鍋爐制粉系統(tǒng)運行安全，是鍋爐燃用特定煤種前必須明確的煤質(zhì)特性。電力行業(yè)相關(guān)技術(shù)標準已對煤粉爆炸特性的判別及應用方法進行說明[1-3]，主要是基于煤的常規(guī)化驗分析結(jié)果，包括工業(yè)分析、元素分析和發(fā)熱量分析所得數(shù)據(jù)。我國煤炭種類極其豐富，不同煤種煤質(zhì)參數(shù)差異較大?；诠I(yè)分析指標的煤粉爆炸性判別標準對于某些特殊煤種可能不適用，這在實踐中會影響電站鍋爐制粉系統(tǒng)的設計及運行防爆措施的制定，并可能增大排煙熱損失，進而制約火電廠節(jié)能降耗。煤粉爆炸試驗是判別煤種爆炸性的可靠方法[4-5]。

鐵法煤是遼寧北部地區(qū)主要動力煤種，為高灰分(收到基灰分(Aar)為30%±10%)、高揮發(fā)分(干燥無灰基揮發(fā)分(Vdaf)為42%±3%)、中低水分(全水分(Mt)為10%±3%)、中低熱值(收到基低位發(fā)熱量(Qnet,v,ar)為17±3 MJ/kg)煤。通常，煤的揮發(fā)分高、水分低，爆炸風險大；而煤的灰分高、熱值低，則有利于抑制煤粉爆炸。鐵法煤則二者兼有，給定性、定量預判爆炸帶來了一定的不確定性，需要通過爆炸試驗裝置才能準確判別鐵法煤爆炸特性。而目前尚未見到專門針對鐵法煤或高灰分煤影響煤粉爆炸特性的試驗測試與研究報道。

為了火電廠更安全、高效地燃用鐵法煤或者高灰分煤，優(yōu)化鍋爐運行參數(shù)，并向設備的改造設計提供支撐依據(jù)，本文通過測試試驗研究鐵法煤爆炸特性，結(jié)合工業(yè)分析指標、爆炸試驗數(shù)據(jù)和工程實踐經(jīng)驗總結(jié)了鐵法煤鍋爐防爆注意事項。

1 煤粉爆炸特性測試方法

1.1 煤樣制備及工業(yè)分析

采集鐵法大平、鐵法大隆、鐵法曉南3個礦點的入廠煤樣。作為試驗對比樣，還采集了白音華褐煤和神華煙煤煤樣。首先，按照相關(guān)國家標準縮分、制備了分析用煤樣，開展工業(yè)分析、元素分析和發(fā)熱量分析。然后，利用二分器和干燥箱制備1 kg左右空氣干燥基煤樣；最后將空氣干燥基煤樣磨制成R90為20%的爆炸特性試驗煤粉樣并密封保存。

1.2 熱重分析試驗方法

按國家標準《煤炭燃燒特性試驗方法 熱重分析法》(GB/T 33304—2016)[6]，依次測試5種煤粉樣的著火溫度。煤粉樣選擇爆炸特性試驗煤粉樣。熱重分析儀為WRT-1D型微機熱天平。

1.3 爆炸試驗方法

采用可調(diào)溫煤粉/空氣混合物爆炸試驗臺開展爆炸試驗，試驗臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。該爆炸試驗臺工作原理是：構(gòu)建一個體積為20 L、環(huán)境溫度可控的密閉空間(爆炸罐)，然后利用壓縮空氣將爆炸罐底部的煤粉噴入密閉空間，煤粉呈彌散懸浮狀態(tài)，對電極通電形成電火花；若煤粉濃度及環(huán)境條件滿足爆炸條件，則發(fā)生爆炸；通過監(jiān)測密閉空間的最高壓力和最高溫度表征爆炸烈度，通過變化煤粉濃度(每次增減0.5～1 g煤粉)可以測試出煤粉發(fā)生爆炸的最高爆壓(表壓)、最高爆溫、爆炸下限質(zhì)量濃度和爆炸下限熱量濃度[4-5]。

圖1 可調(diào)溫煤粉/空氣混合物爆炸試驗臺

每次試驗前，將爆炸罐、煤粉及壓縮空氣的初始溫度調(diào)節(jié)至355±2 K、罐內(nèi)表壓設置為0，壓縮空氣表壓設置為180 kPa。電極點火能量設置為15 J左右，試驗過程通過傳感及自動控制系統(tǒng)記錄容器內(nèi)溫度和壓力的變化過程。每個相同工況重復2～4次，取有效試驗結(jié)果的算數(shù)平均值作為最終測試結(jié)果。圖2給出了一個典型工況下密閉容器內(nèi)溫度和壓力的變化過程。

圖2 典型測試工況爆炸壓力和溫度曲線

1.4 爆炸特性評價方法

參考揮發(fā)分(Vdaf)、工業(yè)指標(Bc)、熱重分析著火溫度(Ti)、煤粉爆炸指數(shù)(Kd)和爆炸試驗臺爆炸熱量下限濃度(ELHC)等指標綜合評價煤粉爆炸特性。計算方法參考文獻[4]。Bc按式(1)計算：

Bc=(Var+St,ar)/(FCar+Mt+Aar)×100%

(1)

式中：Var、St,ar、FCar、Aar分別為煤的收到基揮發(fā)分、收到基全硫、收到基固定碳、收到基灰分含量，%；Mt為煤的全水分，%。

Kd值的計算和爆炸性評價按照文獻[7]推薦方法進行：

(2)

式中：Vd為煤的干燥基揮發(fā)分，%；Qnet,daf為煤的干燥無灰基低位發(fā)熱量，kJ/kg。

煤質(zhì)參數(shù)不同基準間的換算見文獻[8]。爆炸熱量下限濃度是以爆炸下限煤粉質(zhì)量濃度與空氣干燥基煤粉低位發(fā)熱量的乘積算得。

2 試驗結(jié)果

2.1 基本煤質(zhì)參數(shù)

5種煤樣的基本煤質(zhì)參數(shù)化驗結(jié)果見表1。5種煤均為高揮發(fā)分煤，神華煤Vdaf為35%左右，其余4種煤Vdaf均高于40%。鐵法大平煤、鐵法大隆煤和鐵法曉南煤Aar大于20%，為高灰分煤種，而白音華褐煤和神華煙煤Aar小于10%，為低灰分煤種。白音華褐煤水分高達27.6%，為高水分煤，其余4種煤為中-低水分煤。神華煤為中高熱值煤，其余4種煤為中-低熱值煤。

表1 5種煤樣煤質(zhì)參數(shù)檢測結(jié)果

2.2 煤粉爆炸試驗結(jié)果

表2給出了5個煤樣的爆炸測試結(jié)果。從熱重分析著火溫度看，白音華煤著火溫度最低，僅為484 K，說明其反應性最高；而神華煤著火溫度最高，為549 K，說明其反應性最低。鐵法煤著火溫度介于白音華和神華煤之間。從熱重分析結(jié)果可知，煤粉著火溫度和反應性與煤的Vdaf對應關(guān)系明顯，即Vdaf越高，著火溫度越低，反應性越高。但著火溫度只能代表煤種反應性，不能準確預測煤種爆炸特性。爆炸試驗中，鐵法大平和鐵法大隆煤樣在試驗條件范圍內(nèi)逐漸增大煤粉濃度，均不發(fā)生爆炸；其余3個煤樣中，白音華煤爆炸下限熱量濃度最低，相對最容易爆炸，但是爆炸后最高溫度、壓力相對最低，這是由于其空氣干燥基水分對溫度、壓力的上升起到了一定的抑制作用。鐵法曉南煤雖然爆炸后溫度最高，但是其爆炸下限熱量濃度最高、最大壓力也較低，說明并不易爆炸。而神華煤爆炸下限熱量濃度接近于白音華褐煤，但其爆炸后溫度較高、壓力最高，說明爆炸迅猛、烈度更大。從爆炸難易而言，5種煤爆炸由難至易順序為：鐵法大平/鐵法大隆→鐵法曉南→神華→白音華。結(jié)合煤質(zhì)參數(shù)和熱重分析結(jié)果，說明鐵法煤的高灰分特征對煤的爆炸性起到了顯著的抑制作用。

2.3 煤粉爆炸特性綜合評定

現(xiàn)有文獻報道了多種煤粉爆炸性指數(shù)。為全面分析爆炸特性，這里依據(jù)文獻計算了5種煤樣不同的爆炸特性指數(shù)，見表3。按揮發(fā)分或熱重分析著火溫度，5種煤均為極易或易爆炸。按工業(yè)指標Bc，鐵法大平和鐵法大隆屬中等爆炸性煤種，其余3種煤為易爆炸性煤種。Kd廣泛用于制粉系統(tǒng)設計。按Kd指標，鐵法大平煤屬于難爆性煤，其余4種煤均屬于易爆或極易爆炸性煤種。爆炸試驗可直接、可靠地表征煤粉爆炸性，這里按照文獻[4]所述方法獲得5種煤粉爆炸性傾向判別結(jié)果。結(jié)果顯示，鐵法大平、鐵法大隆和鐵法曉南均屬于低爆炸性煤種，而白音華和神華煤屬于易爆炸性煤種。依據(jù)爆炸試驗結(jié)果，并參考實際鍋爐燃用這些煤種的工程經(jīng)驗，綜合評定了5種煤的爆炸性。鐵法煤屬于難爆炸或較難爆炸煤種，而白音華煤和神華煤屬于極易爆炸煤種。

從以上結(jié)果可知，Kd值與以工業(yè)分析或熱重分析為基礎的其他指標相比，能可靠地判別出煤粉爆炸性趨勢，特別是爆炸難易程度與爆炸試驗所得難易序列一致。但在準確預測煤粉爆炸性方面，高灰分具有顯著抑制煤粉云爆炸的作用，目前的Kd值判別標準對鐵法煤這類高灰分、高揮發(fā)分特征煤種適應性不夠，需結(jié)合爆炸試驗才能更為準確地判別煤粉爆炸特性。

表2 煤粉爆炸特性試驗數(shù)據(jù)

表3 煤粉爆炸性綜合評價結(jié)果

3 制粉系統(tǒng)爆炸風險分析

3.1 燃用鐵法煤制粉系統(tǒng)運行情況

鐵嶺發(fā)電廠4×300 MW和2×600 MW機組鍋爐設計煤種均為鐵法煤。鐵法煤Vdaf≥40%，若按照現(xiàn)有技術(shù)標準和機組設計值，則磨煤機出口風粉溫度需嚴格控制在343 K以下。

鐵法煤灰分高，可磨性指數(shù)HGI為60左右，較難磨。為預防磨煤機堵塞，運行中經(jīng)常采用偏大的通風量。同時，電站鍋爐節(jié)能提效極為重要，鍋爐效率是電站鍋爐能效的核心指標，排煙溫度是鍋爐效率最顯著的影響因子。為盡可能降低排煙溫度，鍋爐運行中需要關(guān)小甚至完全關(guān)閉磨煤機入口熱一次風的旁路冷風門，使一、二次風盡可能流經(jīng)空氣預熱器，將煙氣熱量更多地回送至燃燒系統(tǒng)。鐵法煤水分屬中-低水平，在上述一次風量偏大、入磨風溫較高的工況下，磨煤機出口溫度升至358 K左右，遠超設計值(343 K)。然而，從長期運行情況看，燃用鐵法煤時制粉系統(tǒng)爆炸風險處于可控狀態(tài)，這驗證了前文爆炸試驗顯示的鐵法煤較難爆炸的結(jié)論。因此，在充分確認煤粉爆炸風險較低、防爆措施執(zhí)行較好的情況下，可適度提高鍋爐磨煤機出口一次風粉溫度，以減小排煙熱損失，降低發(fā)電煤耗。

3.2 鐵法煤鍋爐摻燒其他煤種

近年煤炭市場供需緊張，上述鍋爐開始混燒鐵法煤和其他煤種。運行中，鐵法煤爆炸風險較低，在摻燒低熱值煙煤、高水分褐煤時，制粉系統(tǒng)均較為安全。然而，在摻燒揮發(fā)分低于鐵法煤的高熱值煙煤時，卻發(fā)生了多次制粉系統(tǒng)爆燃、爆炸，其原因主要是高熱值煙煤(類似神華煤)爆炸性遠強于鐵法煤，若采用鐵法煤工況下的制粉系統(tǒng)運行參數(shù)，則磨制高熱值煤時發(fā)生爆燃、爆炸概率會陡增。此外，制粉系統(tǒng)積粉及不適當?shù)膯⑼Ｄゲ倏胤椒赡軙M一步提高爆燃、爆炸概率[9-11]。因此，明晰上述作用機制后，鐵法煤鍋爐燃用高熱值高揮發(fā)分煙煤需嚴格控制磨煤機出口風粉溫度，必要時可開啟冷一次風門，兼顧節(jié)能降耗與制粉系統(tǒng)安全。在降低磨出口風溫并嚴格執(zhí)行防爆操作規(guī)程后，制粉系統(tǒng)爆燃、爆炸得到了有效抑制。

4 結(jié)論

a.鐵法煤較難爆炸，高灰分對煤粉爆炸具有顯著的抑制作用。對于高灰分煤種，揮發(fā)分、熱重分析著火溫度只能代表煤種反應性，用于預測爆炸特性偏差較大。工業(yè)指標Bc、Kd可預測爆炸性相對強弱程度，但對于高灰分、高揮發(fā)分煤，判別煤粉爆炸性準確度不足，建議結(jié)合更多爆炸試驗數(shù)據(jù)和工程應用完善相關(guān)判據(jù)。

b.工程應用中燃用鐵法煤，建議將磨煤機出口風粉溫度控制在358 K以下，爆炸風險相對較低，與現(xiàn)有技術(shù)標準對應的343 K左右相比，可降低排煙溫度，進而實現(xiàn)節(jié)能降耗。

c.設計煤種為鐵法煤的鍋爐混燒高揮發(fā)分、高熱值煙煤時，可能導致混燒煤種爆炸，因此需特別重視制粉系統(tǒng)防爆，降低磨出口風溫，并嚴格執(zhí)行防爆安全措施，以更好兼顧節(jié)能降耗與制粉系統(tǒng)安全。