某磨煤机爆燃原因分析及控制措施

摘要：某电厂600 MW机组燃用印尼煤的磨煤机在启动过程中出现爆燃事故，造成磨煤机一次风入口防爆门撕裂，严重威胁机组运行安全。通过对磨煤机出口温度、排渣箱漏风、粉管堵塞、一次风室堵煤等因素进行分析，得出原煤携带的金属与磨盘发生摩擦产生火花点燃煤粉造成爆燃的结论，并提出了相应的控制措施，为制粉系统的运行调整提供了依据。

关键词：磨煤机;制粉系统;爆燃;挥发分;出口温度;控制措施

0 引言

制粉系统是燃煤电厂主要辅机之一，其运行稳定性直接影响着锅炉的燃烧工况，其中直吹式制粉系统爆燃不仅会造成磨煤机及其附件损坏，还会威胁锅炉安全，所以，防止爆燃成为磨煤机运行主要的防控项目。基于煤种的多样性、煤热解的不确定性以及磨煤机内热风与煤粉复杂的换热情况，为防止出現爆燃事故往往以降低磨煤机的出口温度为主，但过低的出口温度会限制制粉系统的灵活性和经济性，且防爆燃效果并不明显[1]。本文以某厂600 MW机组燃用印尼煤的磨煤机爆燃事故为例，具体分析磨煤机内部煤粉爆燃与磨煤机出口温度等要素的相关性，查找发生爆燃的直接原因，并提出有效的控制措施。

1 系统介绍及煤种参数

某厂600 MW机组锅炉型号为DG1920/25.4-π6型，制粉系统采用ZGM113型中速磨煤机，一次风正压直吹系统，对后墙对冲燃烧。磨煤机系统如图1所示。设计煤种为神华烟煤，为降低燃料成本掺烧印尼煤，工业分析全水30.9%，内水10.08%，灰分2.27%，挥发分43.09%，固定碳43.69%。

2 事故过程及原因分析

某日20：31，F给煤机减速箱检修后启动F制粉系统，20：36吹扫5 min后启动磨煤机运行，此时出口温度72 ℃，风量77 t/h，20：44运行8 min后磨煤机入口温度208 ℃，风量80 t/h，出口温度80 ℃。磨煤机发生巨响，出口温度快速升高，运行人员迅速判断为磨煤机爆燃，投入消防蒸汽系统，急停磨煤机。就地检查发现入口一次风防爆门动作，焊接处撕裂。

磨煤机爆燃时的参数变化如表1所示。从爆燃时磨煤机进出口差压的变化可以看出，差压先上升后下降，且入口一次风压力的变化先于磨煤机上下碗差压以及磨煤机分离器出口压力，可以判断爆燃发生在磨碗附近，产生的压力波传递到磨煤机出口使得出口压力上升，同时将磨煤机出口空气送进炉膛，磨煤机出口温度下降，随后磨碗处煤粉被点燃使得磨煤机出口温度快速上升。

通过对磨煤机爆燃后的现场进行检查，我们主要发现以下几点：

（1）一次风道干净，并未发现有大量堵煤情况;

（2）排渣箱也并未有大量煤渣;

（3）磨煤机内有1根直径4 mm、长约1 m的不规则形状钢筋。

按照《电站磨煤机及制粉系统选型导则》（DL/T 466—2017）关于限制磨煤机出口温度的规定，直吹式制粉系统燃用干燥无灰基挥发分大于40%煤时，分离器后温度控制在60～70 ℃。因此认为磨煤机分离器出口温度过高是爆燃发生的主要原因。以下针对几个重点要素逐一进行分析。

2.1    磨煤机出口温度过高

根据煤粉爆炸机理，热风进入磨煤机内后与原煤接触导致原煤热解析出包括CO、CH4、H2等在内的气体，此时遇到足够能量的火源就会引起燃烧，继而加速挥发分析出造成连锁反应产生爆炸，煤粉爆炸实际就是析出气体的快速气相燃烧。出口温度越高预示磨煤机内部温度越高，挥发分析出越多，越容易造成爆炸。在磨煤机粉管无堵塞的情况下，煤的堆积起燃温度与干燥基灰分、可燃基挥发分以及煤粉水分置信相关关系公式为[2]：

tz=203.176 2-1.827 4Vr+1.690 1Ar+0.979 2Wmf（1）

式中：tz为堆积起燃温度;Vr为可燃基挥发分;Ar为干燥基灰分;Wmf为煤粉水分。

根据公式（1）代入煤种数据进行计算，无积粉直吹式制粉系统出口防爆上限温度为126.95 ℃，在磨煤机运行过程中，安全裕度应设置为30 ℃。磨煤机内部工况复杂，高温一次风从风环进入磨煤机内会迅速与磨煤机进行换热，在短时间内降低到煤粉流的出口温度，磨煤机风环附近外壁面的温度分布情况是：磨煤机在风环处的外壁面温度最高，沿着垂直向上的方向，外壁面温度会快速下降[3]，所以在研磨区域，原煤温度极难接近一次风的温度。煤热解过程中CO为首先析出的气体，温度约200 ℃，CH4在300 ℃左右析出，H2在400～600 ℃析出[4]。爆燃时磨煤机入口风温仅为208 ℃，由以上分析可知，磨煤机内部只有在风环处温度可能短暂达到200 ℃，大部分区域温度未能达到气体析出的水平。同时根据《石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》（SH 3063—1999），CO气体常温下爆炸极限的体积浓度为12.5%～74%，引燃温度609 ℃，CH4爆炸极限的体积浓度为5%～15%，引燃温度540 ℃，在80 t/h的风量条件下，要使CO达到爆炸极限浓度，那么CO析出质量占煤量质量约62.5%，所以在启磨初期高通风量的情况下，煤粉析出的可燃气体不足以引起爆燃。

2.2    其他原因分析

（1）磨煤机内部金属摩擦产生高温火花，局部温度急剧升高直接点燃煤粉。

（2）磨煤机通流部分阻力过大，如一次风道入口、分离器间隙、出口分管弯头等造成煤粉阻塞堆积，导致煤粉自燃[5]。

（3）磨煤机某些密闭空间如排渣箱、风环室等因为密封元件损坏导致可燃物被长期加热而着火。

（4）磨煤机启停过程中，因为有煤粉残留，长期缓慢析出挥发分导致磨煤机内部煤粉浓度在爆炸极限内，因未经充分吹扫及采取降温措施导致爆炸。

（5）一次风室刮板的损坏会导致煤渣无法被刮入排渣箱而掉落在一次风室中逐渐堵满风室，磨盘与煤之间不断摩擦产生大量热量从而使煤发生爆燃[6]。

事故发生后通过检查发现，排渣箱没有大量煤渣，启动过程中排渣口也未出现严重漏风的现象，所以可以判断爆燃并非由于一次风室堵煤或者排渣箱漏风造成。在启动磨煤机前经过了较长时间的吹扫，且运行8 min后才发生爆燃，可以认为不是残留煤粉所析出的挥发分导致爆燃。

结合以上分析，在排除相关因素后可以认为此次爆燃的原因在于磨煤机试运行的过程中，煤層较薄，钢筋在磨碗中一直与磨辊和煤搅动，金属材料间发生摩擦火花温度远高于CO等气体点燃温度，造成了煤粉气流的爆燃。

3 原因总结

由以上分析可知，磨煤机出口温度高导致煤粉爆燃的原因在于过高的一次风温度加速了原煤中挥发分的析出，降低了煤粉气流的爆炸极限导致爆燃。但是在通风良好无阻塞的制粉系统中，正在启动的磨煤机整个区域温度不高，煤粉气流中可燃性气体体积分数较低，发生爆燃的可能性极低。通常应该存在另外的热源包括机械碰撞或者静电火花，瞬间引爆煤粉气流，这些常见的爆燃原因可以通过数据采集和现场分析得出。所以在燃用低挥发分煤种时，在启动磨煤机或低负荷运行时应避免长时间在低给煤率状况下运行，适当降低磨煤机加载力，加大通风量以防止煤层较薄出现磨辊磨盘空磨产生火花点燃煤粉造成爆燃。

4 结语

鉴于控制磨煤机出口温度并非防爆燃必要措施，而提高磨煤机出口温度一方面可以缩短煤粉在炉膛内燃烧时间，提高煤粉燃尽率，减少过热器和再热器超温现象，另一方面能提高磨煤机干燥出力，降低制粉电耗。根据经验估计，磨煤机出口温度提高10 ℃，排烟温度可降低2 ℃，减少煤耗0.35 g/kWh。为了防止磨煤机爆燃，需及时了解煤种参数变化，保证输煤设备可靠，避免在低给煤率下长期运行，减少磨煤机通道堵塞以及防止排渣箱漏风等。

[参考文献]

[1] 熊楚林.提高磨煤机出口温度对锅炉安全性的影响及应对措施[J].应用能源技术，2018（7）：32-34.

[2] 张肃.根据煤质特性确定磨煤机出口温度的防爆上限[J].电站系统工程，1991（1）：48-55.

[3] 吕洪坤，常毅君，裘立春，等.提升1 000 MW机组磨煤机进出口温度的措施研究[J].浙江电力，2013，32（4）：30-34.

[4] 崔银萍，秦玲丽，杜娟，等.煤热解产物的组成及其影响因素分析[J].煤化工，2007，35（2）：10-15.

[5] 张亮杰.大型电站锅炉燃用印尼煤的爆燃问题分析和治理经验探索[J].机电信息，2017（21）：146-147.

[6] 唐忠顺，王海秀.磨煤机一次风口爆燃原因及控制措施[J].中国电力，2011，44（5）：49-51.

收稿日期：2020-08-13

作者简介：梁远（1992—），男，广东茂名人，助理工程师，研究方向：热能与动力工程、热力发电。