褐煤纯烧致灰库自燃的分析与防治

章 鹏，丁海雷，吴跃森，韩 平

（杭州意能电力技术有限公司，杭州 310012）

0 引言

目前，中国煤炭消费约占一次能源消费的70%，已探明的褐煤储量占煤炭总储量的13%［1］。因优质煤炭资源供应日趋紧张，价格节节攀升，电力生产企业纷纷增加褐煤采购量，以掺烧的方式代替部分烟煤［2］，进而减轻燃料成本压力。出于安全考虑，国内发电企业褐煤掺烧居多，少见褐煤纯烧机组。褐煤属高水分、高挥发分煤种，极易自燃。当机组处于热态调试初期或长期运行于低负荷阶段时，炉膛火焰温度低，煤粉燃尽率较低，致使部分未燃烧的粉煤灰经输灰系统输送至灰库堆存，增大了灰库发生自燃的风险。此外，燃用褐煤还会引起磨煤机爆燃、原煤仓自燃等事故。

华电昆明发电厂将一台300 MW 烟煤机组改造为褐煤纯烧机组后，出现磨煤机堵塞、燃烧器喷口结焦以及机组带负荷能力较差等问题［3］，通过提高一次风母管压力、调整配风方式以及技术改造提升制粉系统出力等方法系统性地解决了上述问题。另外，通过炉外预混方式，以50%的掺烧比例对某600 MW燃煤机组进行褐煤掺烧试验，结果发现飞灰可燃物含量降低约1.59%［4］。浙能温州发电厂通过分仓掺烧低水奥优煤试验发现，掺烧会导致NOX生成量大幅增加约50%［5］。而印尼某1 050 MW褐煤纯烧机组基建调试期间发生严重灰库自燃事故。

虽然国内对于褐煤纯烧已有较多的研究，但对于炉后设备尤其是灰库安全的影响则少有研究报道。灰库自燃会限制机组高负荷运行，影响调峰，严重时造成长时间停机。为增强机组煤种适应性，提高经济效益，有必要对灰库自燃的影响因素进行分析，进而制定应对措施。

鉴于此，本文以某纯烧褐煤机组为例，对启动调试期间发生灰库自燃的原因进行分析，设计了相关试验并提出实践可行的方法。经验证，所采用的方法极大降低了灰库发生自燃的可能性，为褐煤掺烧及纯烧机组的安全运行提供了参考依据。

1 机组概况

该燃煤机组为1 050 MW 超超临界燃煤机组，微油点火方式，设计煤种为褐煤，设计额定工况煤量507 t/h。共设置2 个Φ12 m 的钢筋混凝土灰库，每个灰库的总容积为1 300 m3。2 座灰库可贮存2 台机组在BMCR（锅炉最大连续出力）工况下燃用设计煤种时约32 h 的排灰量。灰库底部设置有矩形气化槽，气化槽结构分布如图1所示，中部3处圆孔为放灰卸料口，气化槽表面覆盖碳化硅材质气化板，具有良好的透气性和耐磨性。为防止储灰板结、便于卸料，设计3台气化风机向灰库气化槽提供气化风，气化风母管配置1台气化风电加热器，库气化风系统如图2所示。

图1 灰库内部气化槽分布

图2 灰库气化风系统示意图

在1号机组冲管前期，锅炉进行了所有微油枪和大油枪点火调试。机组采用稳压冲管方式，总耗时14天，耗煤3 050 t，期间停炉2次，共投用4组制粉系统，磨煤机启停多次，低负荷时投运大油枪助燃。

2 原因分析

2.1 煤种因素

资料表明，曾有发电厂在启动调试期间燃用表1中所列的煤种3时，发生了严重的灰库着火事故［8］。从灰库人孔处可见火星及火苗，局部结焦，如图3所示。并造成内部气化风系统烧毁，如图4所示。而本机组燃用的印尼煤煤种1、煤种2挥发分更高，属于典型褐煤，因褐煤极易自燃［9］，生产过程中需采取煤场喷淋措施，但堆存1周左右仍会发生自燃，如图5所示。另外，在机组启动调试初期，全过程磨煤机启停、跳闸多次，产生了大量未燃烧的煤粉，经电除尘收集后，通过输灰系统送入相对密闭的灰库内堆存。随着褐煤挥发分的逐渐析出，加剧了储灰的升温氧化过程，最终导致灰库发生自燃。

图3 灰库内部阴燃现场

图4 灰库底部烧毁现场

图5 褐煤煤场自燃现场

表1 煤种工业分析结果

2.2 燃料未完全燃烧

除上述煤种原因外，锅炉长期低负荷运行导致燃料未完全燃烧是另一诱发因素。

该燃煤机组为适应褐煤纯烧设计而采用巴威HPAX-X型低NOX双调风旋流燃烧器，增设乏气风喷口。利用分级送风方式，将主燃烧器的一部分风粉分流至乏气风喷口，以降低NOX的排放。具体而言，即气流进入一次风浓缩装置之后，有40%左右的一次风量和10%～15%煤粉量分离出来，经乏气管引到乏气喷口直接喷入炉膛燃烧。实际运行中，通过观火发现当入炉总煤量小于等于80 t/h 时，这部分乏气风所携带煤粉并未被引燃，乏气风喷口燃尽率低，如图6所示。当煤量加大后，燃烧状况才明显好转。此时，在低负荷运行阶段，乏气风中的未燃尽煤粉将被直接带入灰库。

图6 燃烧器运行状况

此外，锅炉助燃油枪所用的柴油中掺混20%的生物质成分。如表2所示，助燃柴油中十六烷指数比重较大，因此其自燃性好、易着火，但滞燃期太短，燃料未能及时与空气混合即着火自燃，裂化分解产生的游离炭来不及燃烧，产生黑烟。长时间的油粉混烧带来了大量的未燃尽油粉混合物，最终在灰库内粘结，积聚燃烧，停炉检查发现空预器内部和电除尘一电场极板上的油雾也印证了这点。为进一步验证，对灰库内的焦块取样（图7）进行成分分析，发现其含碳量竟高达60.6%，明显高于正常水平，可判断其是灰库内阴燃的主要可燃物［10］。

图7 灰库内部取出的焦块

表2 助燃柴油与0号柴油十六烷指数对比

另有浙江某供热机组在启动调试期间，燃用了挥发分不高的煤种4，但因处理设备缺陷，锅炉在单磨投油枪的低负荷阶段运行时间过长，冲管首次停炉期间放灰时，灰库内部也发现自燃现象，事故调查发现灰库内储灰含碳量高达53.9%。

2.3 卸灰不及时

钢筋水泥灰库底部气化风板一般设计坡度平缓［11］，造成底部相当一部分粉煤灰无法排出而滞留灰库，留下隐患。

此外，因该厂未及时取得当地环保排放许可证，卸灰拖延至冲管结束后才进行。以首次投磨算起，出灰在灰库内存放达15 天，这为灰库内的氧化放热反应提供了充足的时间。及时卸灰以排出可燃物，可在极大程度上降低自燃风险。

2.4 气化风助燃

为防止空气中的水和灰混合后堵塞气化面板的气孔，进入气化槽箱体的空气会经过电加热器预热，但这部分热空气同时也提供了燃烧所需要的氧气［11］，反而起到助燃效果。气化风温设计值在170 ℃。运行中控制电加热温度在100±10 ℃，在启动调试初期以及低负荷运行期间，此温度依旧偏高，会加快未燃尽燃料内挥发分的析出，且持续运行时大量的热空气促进了挥发分的氧化放热，使灰库温度进一步升高。

3 试验结果及分析

针对上述原因分析，利用CO2阻燃法成果遏制灰库内部阴燃，并通过热水暖炉启动、分层储灰以及对灰库料位进行合理控制，辅以试验论证，后续调试过程中灰库自燃问题得到有效避免，对燃用褐煤机组灰库的自燃防治具有重要参考意义。

3.1 CO2阻燃

灰库进行内部清理前，需消除内部阴燃。若直接用压缩空气吹扫有可能导致爆燃，而水冲洗会造成严重的环境污染。因此，选择通入CO2隔绝氧气的方法控制阴燃。

图8为集中向灰库缓慢注入压力为0.1 MPa的CO2气体后，利用红外点温计实测灰库各标记点温度与时间的变化关系，共注入20 瓶，注入温度约-10 ℃。从图8可以看出，注入CO2后，灰库各点温度均出现明显下降，表明灰库内阴燃得到了有效控制，且6 h后，灰库各点温度基本降至正常水平，表明灰库阴燃得到了有效控制。

图8 灰库各点温度随时间变化

3.2 灰库储灰的影响

为了探究灰库本体储灰特性对灰库自燃的影响，进行试验来测试气化风均匀性、灰库料位深度及飞灰挥发分含量与灰库储灰的相互影响。

首先研究运行灰库的料位深度对灰库气化风均匀性的影响，试验结果如图11 所示。在灰库正常料位上涨过程中，在0.5～3 m区间每隔0.5 m对运行灰库储灰层的气化风风速进行测量，计算其标准差，绘制拟合曲线，如图9所示。可知，随着灰库料位深度的提高，气化风的均匀性也逐渐提高。

图9 灰库料位深度对气化风均匀性的影响

一方面，气化风均匀性越好，越有助于防止灰堆板结，避免局部超温，因此灰库内应铺设适量存灰。而另一方面，存灰过多，高温的气化风将增加灰库蓄热，助燃灰库粉煤灰。

为研究灰库料位对蓄热的影响，设计验证试验。以含有少量柴油的未燃尽煤粉为试验材料，测试其挥发分含量为60%，从中随机取3 份，每份1 kg，布置在直径为1 m的试验用钢灰库内，钢灰库底部分别储存1 m、2 m、3 m 的飞灰，试验过程中底部持续注入风温为110 ℃的气化风，每隔半小时测量试样的温度变化，作拟合曲线，如图10 所示。过程中，发现当试样温度升高至280 ℃左右时，发生阴燃现象，料位为3 m 时，2 h 左右试样即发生阴燃，而料位为1 m 时，需约4.2 h。试验结果表明：灰库料位深度越深，灰库内部蓄热越大，越容易发生自燃。

图10 灰库料位深度对局部温度的影响

由此，在锅炉低负荷运行期间需综合考虑灰库料位对气化风均匀性和灰库蓄热量的影响，使灰库料位处于1/3～1/2区间。

此外，为降低灰库蓄热，除控制灰库料位外，还可通过降低气化风电加热温度至约80 ℃，并保持间断运行，进而兼顾气化效果［12-13］。在低负荷阶段，采取电除尘只投用一电场，控制高频电压不超过3 kV，降低电除尘振打频率和灰斗电加热温度，防止电除尘内打火［14-15］等措施，也可以控制灰库料位和局部温度的影响。

为探究启炉过程中产生的未燃尽煤油对粉煤灰稳定性的影响，在未燃尽粉煤灰中添加适量的柴油，并测定其挥发分成分在20%、30%、40%、50%和60%。分别取1 kg试样置于试验钢灰库1m深度位置，测定其温度变化，结果如图11 所示。飞灰挥发分越高，对应温度升高也越快，当挥发分成分在30%以下时，温度可以维持在较低水平。

图11 飞灰挥发分对局部温度的影响

因此，为了减少未燃尽油雾的积累，初次启炉投用微油助燃，大油枪调试可在中负荷阶段进行；也可先进行粗调，确保系统无泄漏、火检正常、雾化片无堵塞后，在后续低负荷阶段再进行精调。另外，将部分主、再热器压力表计首次投运、低负荷燃烧调整试验等工作后移，有利于锅炉启动初期负荷的尽快提升。通过调试顺序优化，可实现负荷灵活变换。

3.3 分层储灰

根据上述灰库储灰特性的研究，对该机组锅炉各负荷段飞灰取样分析，飞灰含碳量结果见表3。当单磨煤量达到75 t/h 时，飞灰含碳量明显减少；当煤量为100 t/h以上时，飞灰含碳量在10%以内，此时产生的粉煤灰相对要稳定得多。因此在机组运行过程中，通过优化各机组间的配合来实现变负荷分层储灰，可大大降低自燃风险。

表3 锅炉各负荷段飞灰含碳量

具体地，可在同一灰库定期堆存相邻炉高负荷时产生的飞灰，再通入一段时间本炉低负荷产生的粉煤灰，通过对灰库存灰来源的多次切换，实现高、低飞灰含碳量的储灰分层堆存。特殊地，对于首台启动调试机组而言，飞灰来源无法切换，可采用变负荷方式，切换本炉高、低负荷运行，以达到分层储灰的目的。

实践中对该机组采取上述措施后，停炉检查发现储灰呈现分层，温度为28.5 ℃，堆存稳定，粉煤灰无法自燃，如图12所示。

图12 灰库储灰情况

3.4 启炉方式

根据前文分析，低负荷阶段产生的未燃尽煤粉及油雾是导致灰库自燃的主要原因。为减少飞灰中未燃尽燃料占比，在锅炉启动初期，采取缩短低负荷运行时间的措施可有效抑制灰库自燃。

热水暖炉启动可有效缩短锅炉低负荷运行时间。即在锅炉启动前，首先利用辅汽加热除氧器给水至150 ℃再小流量上水，对整个锅炉进行循环预热，至分离器出口温度达到110 ℃以上时，再进行点火启动。参照锅炉启动曲线，如图13 所示，相比常规的冷水40 ℃直接点火启炉，热水暖炉法可缩短54%的低负荷暖炉时间。

图13 锅炉启动初期点火升温曲线

为探究2 种起炉方式下，飞灰中挥发分的变化，2种方式下锅炉点火成功后，每隔10 min取一次飞灰样，利用智能马弗炉进行工业分析。得知利用热水暖炉法启动时，飞灰中挥发分含量在启炉40 min 后已降至较低水平。作为对比，若以冷炉启动方式运行，40 min 时，飞灰挥发分仍居高不下，此时灰库已经积累了大量未燃尽油粉混合物。

4 结语

对燃用高挥发分褐煤机组在启动和低负荷运行期间灰库发生自燃的原因进行了分析和试验，结果表明：

1）通过热水暖炉方式启动可减少54%的低负荷运行时间，大大减少未燃尽燃料量的积累。

2）采用分层储灰的方法，通过切换飞灰来源或变负荷的方式，使含碳量较高的未燃尽粉煤灰和负荷较高时产生的含碳量较低的飞灰分层堆存，进而避免大量未燃尽煤粉的集中堆积。

3）粉煤灰所含高挥发分是灰库发生自燃的主要原因，且灰库料位越深，储灰蓄热越大，同时将加快挥发分的析出和氧化。因此，需对灰库进行及时排灰，保持灰库1/3～1/2额定料位运行。