摘要: 针对某台220t/ h 循环流化床锅炉在整定安全门期间所发生的水冷壁蠕胀、炉膛爆燃事故进行了分析,并从运行角度提出了预防措施,对该类型锅炉的安全运行具有重要意义。

1 前言

循环流化床锅炉由于煤种适应性广、污染物排放量低等优势在短短十几年内发展迅速,得到了广泛应用。但是,也由于其广阔的市场需求,在某种程度上,有时实践的发展超过了理论的发展。以前,人们普遍认为循环流化床锅炉爆燃的可能性极小,可是据资料显示,近几年来已有数台循环流化床锅炉发生了一次风室内CO 爆燃事故,导致一次风道撕裂。其原因是压火操作后,一次风室内的空气通过布风板窜入底料内,缺氧燃烧产生大量CO ,虽然其密度略小于空气密度,但由于扩散作用,逐渐在一次风室内沉积。如果所铺煤层太厚、压火时间过长,一次风室内的CO 浓度将达到爆燃极限,当再次启动风机、准备恢复锅炉运行时,大量空气进入一次风室,从而引发CO 爆燃,并将强度较为薄弱的一次风道撕裂。为了避免此类事故发生,可以在一次风室底部加装排气管,在启动风机之前将沉积的CO排尽。也可以给一次风室配置防爆门,以便发生爆燃时有效泄压。在近期投产的济南锅炉厂生产的循环流化床锅炉上,已经给一次风室加装了防爆门。最近,某热电公司的循环流化床锅炉发生了炉膛爆燃事故,同时发现水冷壁局部蠕胀变形,并有2 处爆口。本文就其蠕胀、爆燃原因作一扼要分析。

2 设备简介

该炉为燃用烟煤的220t/ h 高温高压循环流化床锅炉,采用了Alstom 公司的循环流化床锅炉技术。蒸发受热面采用膜式水冷壁,自然循环,燃烧室内布置翼墙式水冷屏来增加蒸发受热面,同时还布置屏式Ⅰ、Ⅱ级过热器。尾部对流烟道中布置Ⅲ级过热器、省煤器、空气预热器。水冷布风板上布置306个钟罩式风帽,炉膛宽度8610mm ,炉膛深度4770mm , 炉膛标高31000mm,布风板标高6700mm ,炉膛内标高15000mm以下敷设浇筑料,构成密相区。二次风口全部位于密相区,前、后墙布置,每侧三层、8只喷口。使用2个直径约5m 的高温汽冷分离器进行物料分离,外壁由膜式壁制成,作为过热器的一部分。回料器采用自平衡式“U”型阀,返料口位于后墙,距布风板300mm。2 台冷渣器为风水联合选择性冷渣器。配备4 只埋刮板式给煤机,给煤口在前墙一、二层二次风口之间。炉膛正压系统运行。采用水冷风室床下点火方式,配有2 只0.75t/h 的点火油枪。燃用平均直径6mm 以下烟煤颗粒, 要求100mm 以下颗粒小于10%,设计燃煤量8.7kg/s ,收到基低位发热量 19 679kJ/kg。一次风量26.7 ,二次风量23.3 ,最低流化风量12.5 。

3 事故综述

由于在低负荷时锅炉的蒸发受热面相对过大,蒸汽吹管时,为加强吹管效果又要求较高的蒸汽温度,如果床温低一些、风量大一些,则可以达到要求。所以,在操作时,一次风量为12.5 ,二次风口冷却风量为8.4 ,给煤量为1.1kg/ s左右,单台给煤机运行,床温为700℃左右。为避免灭火,床下2 只油枪投入,一次风温650℃左右。在锅炉吹管、安全门整定期间均计划按此方式运行。上午8 :00 ,吹管结束、开始升压、准备整定安全门。15 :15 汽包压力升至10MPa ,对空排汽门开度60% ,给煤机转速维持35% ,床温在750℃左右, 给水流量约为8～9t/ h , 炉膛压力维持1000Pa左右,汽包水位正常。约15:50 ,汽包安全门整定结束,对空排汽门开至72 %进行降压,即将开始整定过热器安全门。16:13 ,左侧1号、2号给煤机切换运行(右侧2台给煤机故障) ,为防止堵塞,需要清空原给煤机内的存煤,所以实际此时有2台给煤机在运行,出力约2.2kg/s。随后发现床温有上升趋势,于是二次风量加至16. 7 ,又继续增大到22. 2 。约16 :16 ,发生炉膛局部超压爆破,导致炉膛水冷壁变形及尾部烟道护板角部撕裂。随即锅炉灭火停炉。事后专业人员进入炉膛进行了内部宏观检查,发现左半侧水冷壁大面积蠕胀超标,在弯曲变形部位有2 处爆口,需更换水冷壁管205 根。

4 事故分析

燃料加入床中之后,颗粒被加热、析出挥发分,同时产生一级破碎,并在随后的燃烧过程中,由于颗粒间的磨损而产生二级破碎,煤粒在炉内的破碎程度主要取决于一级破碎,破碎有利于提高传热传质速率,使炉内热负荷更均匀。在挥发分析出期间,煤粒从给煤点播散开来,其轴向传播快、径向传播慢,所以煤粒是在以给煤口为轴线的圆柱体区域内燃烧。在锅炉吹管及安全门整定期间,平均床温基本维持700 ℃左右。低温燃烧使挥发分的析出速度变缓,导致煤粒的破碎程度和燃烧失重程度降低,进而使颗粒的径向扩散系数大幅度降低。颗粒被加热到350～400℃时即可析出挥发分并开始燃烧,析出时间为1～10s ,燃烧时间约需1s ,发热量约为煤粒总发热量的40% ,炉内热负荷均匀程度主要取决于挥发分的燃烧。低温燃烧对颗粒径向扩散的不利影响超过了对挥发分析出、燃烧的不利影响,加剧了炉内热负荷的不均匀程度。当单台给煤机运行时,对床层温度沿炉膛宽度方向的分布情况分析,床层温度的不均匀表明:低温燃烧和给煤的不均匀造成了炉内局部热负荷过高和煤粒在炉膛局部区域内的积聚。循环流化床锅炉的设计床层温度一般均在850～950℃之间。根据文献[ 3～4 ] ,炭粒燃尽时间的计算可以使用如下关联式: 式中, 为炭粒燃尽时间, 为床温, 为炭粒直径。由此可见,床温为700 ℃时,同粒径煤粒的燃尽时间约为900℃时的12.7倍;床温为750℃时,同粒径煤粒的燃尽时间约为900 ℃时的6.8倍。例如,3mm 粒径的煤粒,床温为900℃时,燃尽时间为3.3s ,床温为750℃时,燃尽时间为22.3s ,床温为700℃时,燃尽时间为42.0s。燃烧速度的急剧降低使炉膛上部的燃烧份额加大。该炉进行蒸汽吹管和安全门整定时,平均床温维持700℃,而左侧床温已达800℃,炉膛出口温度为870℃。所以,在单台给煤机运行、低温燃烧情况下,该炉形成了一个炉膛上部左侧区域的高热负荷区。在整定安全门期间,给水流量为8～9t/h ,蒸发量较小;排烟温度设计为130℃,实际运行在150℃,省煤器设计出口水温为285℃,实际已达290℃;当进行给煤机切换操作、发现床温上升而将二次风量由8.4 增至16.7 时,省煤器出口水温超过300℃,屏式过热器金属温度已超标。在这种运行工况,水冷壁内质量流速较低,由于省煤器中给水已开始沸腾,水冷壁入口给水欠焓降低,沿炉膛高度方向管内含汽率不断上升,于是在炉膛上部左侧区域的高热负荷区,壁面热负荷超过了临界热负荷,发生第一类传热恶化,导致左半侧炉膛的上部区域从31～15m 的全部水冷壁管因蠕胀超标而更换。当床温为850～950 ℃时,煤粒中粒径小于200mm和大于400mm的粒子,由于其燃尽时间小于炉内停留时间,所以在炉内完全燃烧,只有200～400mm的粒子在离开炉膛时含有残碳,经分离器分离后,由返粒器再次进入炉膛二次燃烧。低温燃烧时,燃烧速度急剧下降,离开炉膛时含有残碳的粒子的粒径范围更广泛,使通过返料器进入炉膛内的可燃物含量急剧增高。该炉在整定安全门期间切换给煤机时, 给煤量为2.2kg/s ,燃油量为0.75t/h ,总风量为20.9 ,若完全燃烧,过量空气系数为1.45 ,但是床温为750℃时同粒径煤粒的燃烧速度约为900℃时的6.8 倍,当通过给煤机和返料器进入炉膛的可燃物含量达到完全燃烧时的1.5倍后,将会发生缺氧燃烧。另外由于炉内热负荷的不均匀,此时炉膛左侧的缺氧现象更为严重,将产生大量的CO。在锅炉吹管、安全门整定期间,氧量表损坏,无法投用,使得缺氧燃烧现象不能及时觉察,所以当发现床温上升、急速加大二次风量时,由于达到了爆燃极限,从而产生炉膛爆破事故。

5 结论及建议

(1) 低温燃烧导致的热负荷不均、缺氧燃烧以及安全门整定期间锅炉蒸发量较小的运行工况,是产生水冷壁蠕胀、爆燃事故的直接原因。

(2) 循环流化床锅炉的炉内传热系数,不仅与炉膛温度有关,而且与炉内截面平均颗粒物浓度的0.5 次方成正比。建议在进行循环流化床锅炉吹管、安全门整定这些热负荷较少、蒸发量较低、蒸汽参数较高的特殊操作时,床温保持850～950℃,全停油枪,增大给煤量,避免单台给煤机运行,提高炉内热负荷均匀程度;同时,通过排放返料器内的物料、降低循环倍率,减少炉膛内的传热系数,从而使压力与温度参数相匹配。若返粒器没有设计放渣管,建议改用定压法吹管。正常运行时,应尽量避免锅炉机组在低负荷下长期停留。

(3) 该炉的主燃料跳闸(MFT) 保护中最低运行床温定为650℃,这是指油枪全停、正常运行情况下床温发生波动时所允许达到的最低温度。无论是否投用油枪,都不应允许在此低温下长期运行。考虑到煤的最佳着火温度为850～950℃,该定值显然偏低,有关文献资料推荐值为760℃,比较合理。

参考文献:

[ 1 ]于照清、鞠德明. 循环流化床锅炉爆燃原因及解决办法[J ] .华东电力,2002 , (6) .

[ 2 ]岑可法,等. 循环流化床锅炉理论设计与运行[M] . 北京:中国电力出版社,1998.

[ 3 ]常弘哲,等. 燃料与燃烧[M] . 上海:上海交通大学出版社.

[ 4 ]徐旭常,等. 燃烧理论与燃烧设备[M]. 北京:机械工业出版社.