循环流化床锅炉启动时爆燃原因分析及预防措施

时间：2024-07-28

吴明立，刘正，陈超伟，李建军，谭荣国

(安徽华电六安发电有限公司，安徽六安 237126)

0 引言

循环流化床(CFB)锅炉是20世纪80年代发展起来的新一代采用洁净煤燃烧技术的锅炉，因其具有燃料适应性广、燃烧效率高、负荷调节范围大、燃料制备系统简单、易于实现灰渣综合利用等优点，在生产用汽、供热、热电联产等工业领域被广泛采用。进入21世纪以来，我国对环境保护的要求日益提高，CFB锅炉以其能实现在炉内直接脱硫及低NOx排放等优势获得人们的青睐。但CFB锅炉易发生爆燃等事故，存在极大的安全隐患。

锅炉爆燃是指当炉膛内可燃物堆积且浓度在爆燃极限范围内，遇到明火或温度达到燃点时所发生的剧烈燃烧，燃烧产物能在瞬间向周围空间快速扩散，具有较强的破坏性和危险性。在冷态启动过程中，由于循环流化床锅炉的内外循环还未建立，炉膛内物料少，流化不良，最易发生爆燃事故，因此，探讨锅炉爆燃的原因并制订相应的预防措施是十分必要的。

1 锅炉设备概况

某电厂2×135 MW机组锅炉为DG440/13.8－II5型自然循环、单汽包、一次中间再热、超高压循环流化床锅炉，岛式半露天布置，该锅炉与东方汽轮机厂生产的N135－13.24/535/535型汽轮机和山东济南发电设备厂生产的 WX21Z－OJS.461.401型密闭循环式空气冷却发电机配套。

2 启动过程中发生爆燃的现象

图1是该厂2008年某次冷态启动时发生爆燃的过程。床温升至500℃左右时，开始脉冲投煤，煤量约为7 t/h，90 s后停运给煤机。10 min后床温上升至527℃，氧量下降;床温达534℃时，氧量上升，开始脉冲投煤，90 s后停止给煤;10 min后，床温由529℃开始上升，氧量下降，如此反复3次，连续给煤。床温达560℃左右后开始快速上升，12 min后即达到最高点1065℃，温升速率为62℃/min，此后床温逐渐下降至正常值830℃，氧量从14.5%下降至11.5%，11 min后逐渐上升至18.0%，炉膛负压为－150～+200 Pa，随着投入给煤的燃烧，床温平稳维持在850℃左右。

图1 爆燃时床温随时间的变化曲线

由图1可知，560℃左右时床温出现跃升，这是由于煤粒达到了着火温度，积存的煤粒爆燃引起床温跃升，最高可达1065℃。

3 爆燃原因分析

3.1 煤种及煤的燃烧过程分析

3.1.1 煤种分析

无烟煤俗称白煤，表面呈明亮的黑色，密度较其他煤种大，质地坚硬、不易破碎，便于运输和贮存。无烟煤是埋藏年代最久、炭化程度最深、挥发分最低、着火困难、燃尽困难的煤种。我国无烟煤储量丰富且价格低廉，并且无烟煤燃烧时无烟，对空气造成的污染小。

但CFB锅炉在用无烟煤启动时，如果控制不当，易造成大量未燃尽的煤在炉内积聚，一旦床温升至残余煤的着火温度，则会出现床温突升的现象，引发爆燃。

该厂主要燃用山西晋城的无烟煤，其工业分析见表1。

表1 无烟煤的工业分析

3.1.2 煤的燃烧过程分析

由图1可知，CFB锅炉点火过程中煤粒的燃烧可以分为3个主要阶段:

(1)挥发分的析出随煤炭化程度的加深而减少，地质年龄最长的无烟煤挥发分很小，因此，这个阶段主要是煤炭的干燥和加热。

(2)当床温达450℃时，挥发分析出。

(3)当床温达560℃左右时，出现床温跃升，温升率可达62℃/min，床温最高达1065℃，这是由于床温达到了煤粒的着火温度，积存的煤粒爆燃。

3.2 启动床料分析

图2是筛选了一部分锅炉启动床料的燃烧试验结果。对图2进行分析可知，床层中存在大量可燃物是造成启动过程中床温突变的主要原因之一。床料内未燃尽的炭达到着火温度后快速燃烧，导致床温在短时间内快速升高。床层中的炭主要来自2个方面:一是启动前添加的床料中含有大量的可燃物;二是启动初期投煤未充分燃烧，未燃尽的炭在炉内积聚。

图2 可燃物燃烧份额

综合判断，在启动前要严格控制启动床料中炭的质量分数，启动过程中也要严格控制入炉煤量。

3.3 投入燃料过程分析

3.3.1 投油阶段分析

大型CFB锅炉的主要点火方式分为床下点火和床上点火，该厂为床下点火，并配备了2个点火油燃烧器，油燃烧器技术特性见表2。

表2 油燃烧器技术特性

CFB锅炉一般采用柴油点火，点火过程中常会发生油枪灭火，灭火后如果没有及时关闭油阀，被雾化的燃油会继续喷进炉膛内，从炉膛到尾部烟道甚至到烟囱出口都充满了油雾。这时若遇到明火(如再次点火)，就会使炉膛和尾部烟道发生爆燃。

油枪雾化不合格是油枪灭火的主要原因，而油枪雾化不合格的常见原因有燃油中含有杂质、点火风调配不当和油压低。

3.3.2 投煤阶段分析

在投煤过程中，给煤时机的把握非常关键，如果床温未达到煤的燃点就开始投煤，当燃料加得多时，未燃煤就会在料层中大量积聚，容易在床温上升后出现爆燃。

在投煤阶段，燃烧调整和配风也非常重要。若燃烧调整不当或配风不合理，燃料中的炭在缺氧状况下燃烧不充分会产生大量的CO，进入烟道后在遇到明火或达到着火温度时就会瞬间发生燃烧，如果此时可燃物浓度在爆燃极限范围内，就会发生爆燃。

4 爆燃的预防措施

4.1 启动前的准备工作

在添加床料时静止料层高度应控制在650～800 mm，保证床料粒度在9 mm以下，以便炉内物料循环尽快建立起来，促使燃烧系统进入稳定工况。

锅炉在启动前严格控制启动床料中炭的质量分数(小于1%)，同时充分做好启动时入炉煤的工业分析，了解煤的特性，以便在启动时能严格控制升温升压曲线，以防大量未燃尽的炭在床层中堆积，留下不安全因素。

点火前应严格按炉膛吹扫程序进行充分吹扫，防止炉膛和烟道有可燃气体积聚。

4.2 启动过程中防止爆燃的措施

4.2.1 投油阶段防止爆燃的措施

采用1.25 t/h的油枪点火前要进行油枪雾化试验并保证达到合格标准，点火初级阶段采取A，B油枪交替投入的方法控制床温的升温速率，防止升温速率超出正常范围。油枪投入时，应加强对火焰监视仪和就地着火情况的监视，发生闪火现象时应及时查明原因并联系相关人员进行处理。床温在400～450℃时，稳定燃烧不少于1 h，使锅炉受热面缓慢升温、升压，锅炉本体得到缓慢膨胀，直至汽包压力接近1 MPa，促使炉水循环初步建立。锅炉本体在充分预热后，即使发生爆燃，也不至于在受热面上产生大的应力。床温超过450℃后，加大一次风量至12万m3/h以上，保证充分流化;在床温均匀的情况下，逐渐升温至550℃，并密切监视所有床温测点，对床温控制应该以最高点为准，参考平均床温。床温在540～550℃维持运行至少0.5 h，使床料中的可燃物充分燃烧，并维持如下运行参数:一次风量12万m3/h，氧量15%左右，采取大风量过氧燃烧的燃烧方式。床温达550℃后，通过调整油枪出力，进一步提高床温，尽可能采取高的投煤温度。

4.2.2 投煤阶段防止爆燃的措施

若使用油枪无法使床温进一步上升，可以采用脉冲法“点动”投煤。在点火过程中，给煤时机的把握是非常关键的，如果在床温未达到煤的燃点就开始投煤，这些未燃煤会在料层中大量积聚，这不但无助于提高床温，而且容易在床温上升后引起爆燃。点动投入无烟煤时，应严格控制床温在550℃以上，并遵循少量多次的原则，同时要留意氧量变化情况，每次投煤要控制煤量在3～7 t/h，防止投煤过量造成燃料积聚。床温达到600℃后，若出现床温变化过快(升温速率达5℃/min)的情况，应及时降低油枪出力，必要时可先停用油枪并迅速加大一次风量，直到床温的升温速率降低并稳定后再次投入油枪。若升温速率严重超出正常范围(20℃/min以上)，且加大一次风量和停用油枪仍不能消除，持续时间达5 min以上时，应果断停运各风机并关闭挡板，做闷炉处理，以防止恶性爆燃事故的发生。

图3是正常启动过程中床温随时间的变化曲线。通过对比试验可知，启动时最容易发生强烈爆燃的温度范围为580～600℃和770～790℃，在此阶段要密切注意床温的变化，必要时可采取上述措施降低床温。在投煤阶段，要建立床温升温速率的概念，特别是床温两次跃升时，流化风量不宜减得过快，且当床温的升温速率有下降趋势时，应注意补充煤量。

图3 正常启动时床温随时间的变化曲线

4.2.3 出现爆燃后的处理措施

一旦出现爆燃，可通过炉膛负压、氧量、煤量和油量等参数综合判断是否是炉内积煤造成的。如果是，应立即停止油枪(如果投煤则尽量减少煤量)，加大一次风量降低床温，等到确定可燃物燃尽后(氧量降至5% ～10%)，可投煤稳定床温，防止床温下降较快而造成床温多次大幅度波动，同时要防止床温过高或过低而造成结焦。炉膛发生剧烈爆燃时，应根据情况果断停运所有风机，待床温降到较低温度时，重新置换床料，点火升压，以防炉膛发生严重结焦。

实施上述措施后，该厂至今未再发生过爆燃事故。