电站锅炉一次风管内煤粉爆燃问题的实验研究

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 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。