甘若谷，覃健彬，榮 楠，李思儀，潘琳晶

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西 南寧 530299）

0 引言

循環(huán)流化床（Circulating Fluidized Bed， CFB）鍋爐技術(shù)是一種較為成熟的清潔燃燒技術(shù)，與常規(guī)燃燒方式相比它具有燃料適應(yīng)性廣、燃燒效率高、燃燒污染排放量低、燃燒強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。通過直接向爐內(nèi)添加石灰石，可脫除90%以上的SO2，投資相對(duì)較低；采取較低的燃燒溫度（850～920 ℃）和空氣分級(jí)燃燒，可使NOx排放濃度大大降低；循環(huán)流化床鍋爐具有極佳的燃料適應(yīng)性，幾乎可以燃用任何石化燃料和生化燃料等。近年來，為了滿足環(huán)保方面的要求，循環(huán)流化床鍋爐得到了廣泛的應(yīng)用。近年來在區(qū)內(nèi)廣泛興建的生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目中，無一例外地采用CFB鍋爐。

近年來，區(qū)內(nèi)多臺(tái)CFB鍋爐在點(diǎn)火投運(yùn)過程中，發(fā)生了爐膛爆炸事故。其中有生物質(zhì)發(fā)電用的CFB鍋爐，也有大型的CFB鍋爐。如前不久區(qū)內(nèi)某造紙廠的一臺(tái)670 t/h循環(huán)流化床鍋爐在點(diǎn)火啟動(dòng)過程中發(fā)生爐膛爆炸，造成懸吊于爐膛上部的過熱器管子彎曲變形、焊縫拉裂，經(jīng)濟(jì)損失巨大。

綜上所述，目前循環(huán)流化床鍋爐失效的研究方法未對(duì)失效受損部件進(jìn)行理化分析或?qū)嶒?yàn)表征分析，進(jìn)而推斷事故原因，此種研究方法缺乏事故現(xiàn)場數(shù)據(jù)支撐。本文針對(duì)一臺(tái)670 t/h循環(huán)流化床鍋爐，從現(xiàn)場的運(yùn)行參數(shù)、事故結(jié)果進(jìn)行綜合分析，探討循環(huán)流化床鍋爐爐膛爆炸的原因，針對(duì)事故結(jié)果提出相應(yīng)防范措施。

1 循環(huán)流化床鍋爐的主要技術(shù)特點(diǎn)

循環(huán)流化床鍋爐的本體包括燃燒系統(tǒng)和汽水系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)主要由爐膛（流化床燃燒室）、旋風(fēng)分離器、回料閥、空氣預(yù)熱器組成（圖1）。

圖1 CFB鍋爐燃燒系統(tǒng)示意圖

燃料經(jīng)過磨煤機(jī)粉碎至一定顆粒度，通過螺旋給料機(jī)或者播料機(jī)送入爐膛，石灰石顆粒則通過石灰石給料機(jī)從爐膛適當(dāng)位置送入。燃料與爐膛內(nèi)熾熱的、處于“流化狀態(tài)”的床料混合，被迅速加熱，燃料迅速著火燃燒。石灰石顆粒在爐膛內(nèi)被煅燒分解，分解產(chǎn)物與燃料燃燒產(chǎn)生的SO2化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)生成CaSO4，因此煙氣中的硫元素則從該過程中脫除出來，從而起到脫硫作用[1]。爐膛溫度控制在850～920℃會(huì)比較有利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行，脫硫反應(yīng)的化學(xué)方程如下。

一次風(fēng)從鍋爐底部的流化風(fēng)室送入，保證流化床上的物料處于均勻的流化狀態(tài)。二次風(fēng)則從燃燒室的適當(dāng)位置送入，實(shí)現(xiàn)分級(jí)送風(fēng)，以提高燃燒效率并為脫硝提供有利的溫度條件。在爐膛內(nèi)高速氣流的作用下，燃料與空氣、石灰石顆粒充滿整個(gè)爐膛，在密相區(qū)劇烈摻混燃燒。其中，煙氣從爐膛攜帶大量固體顆粒來到水平煙道，通過水平煙道經(jīng)旋風(fēng)分離器分離后，顆粒度較大的固體送回流化床再次摻混燃燒，從而達(dá)到物料循環(huán)流化的作用。夾帶細(xì)微顆粒的高溫?zé)煔鈩t從旋風(fēng)分離器排出，流至尾部煙道，與尾部對(duì)流受熱面換熱后，由靜電除塵器或布袋除塵器除去煙氣中的細(xì)微顆粒，在引風(fēng)機(jī)的作用下，潔凈的煙氣最終由煙囪排出。

2 循環(huán)流化床鍋爐爐膛爆炸事故過程

2.1 鍋爐結(jié)構(gòu)布置

鍋爐外形布置如圖2所示。爐膛寬、深、高分別為18 280 mm、8 132 mm、46 933 mm，爐膛頂部46．9 m。該鍋爐采用超高壓不帶再熱、爐水自然循環(huán)汽包爐、平衡通風(fēng)、鋼結(jié)構(gòu)承重、部件布置于鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)、循環(huán)流化床鍋爐。鍋爐前部是由膜式水冷壁組成的爐膛，中部為兩臺(tái)氣冷式旋風(fēng)分離器，后部由一個(gè)氣冷包墻包覆的豎井煙道組成。爐膛內(nèi)部沿寬度方向布置有8片水冷蒸發(fā)屏管屏和6片屏式過熱器管屏。鍋爐共布置有6個(gè)燃煤給料口和3個(gè)石灰石床料給料口，其中在爐膛下部水冷壁收縮區(qū)域，6個(gè)燃煤給料口沿寬度方向在爐前均勻布置。在兩側(cè)墻分別布置了8只床上穩(wěn)燃用燃燒器（左右各4個(gè)），所有燃燒器均配有高能點(diǎn)火裝置。爐膛底部由彎制的水冷壁管包圍成水冷風(fēng)室，點(diǎn)火風(fēng)道布置在水冷風(fēng)室后部，點(diǎn)火風(fēng)道內(nèi)布置有4臺(tái)床下風(fēng)道點(diǎn)火器，燃燒器配有高能點(diǎn)火裝置。風(fēng)室底部布置有5根219 mm的落渣管，其中4根與冷渣管相接，另外1根作為事故放渣管。

圖2 鍋爐外形示意圖

爐膛與尾部豎井煙道之間，沿鍋爐寬度方向布置有兩臺(tái)氣冷式旋風(fēng)分離器，每臺(tái)旋風(fēng)分離器下部各布置一臺(tái)“J”形回料器，每臺(tái)回料器擁有2只回料管，所有4只回料管在后墻水冷壁下部收縮段沿寬度方向均勻布置，確保將高溫物料均勻地送進(jìn)爐膛。尾部對(duì)流煙道分上部和下部，上部由包墻過熱器包覆，其內(nèi)部從上到下依次布置有高溫過熱器受熱面、低溫過熱器受熱面。尾部對(duì)流煙道下部由鋼板包覆，在其中布置有螺旋鰭片管式省煤器和臥式空氣預(yù)熱器，空氣預(yù)熱器采用光管式，沿鍋爐寬度方向雙進(jìn)雙出。三級(jí)過熱器系統(tǒng)之間的連接管分別設(shè)有兩級(jí)噴水減溫器。

為保證鍋爐鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)、管道及受熱面吊掛系統(tǒng)在鍋爐正常運(yùn)行過程中各部件可以合理膨脹，整臺(tái)鍋爐共設(shè)置了5個(gè)膨脹中心，分別位于鍋爐前、中、后部，前部膨脹中心位于爐膛后墻中心線，中部膨脹中心位于兩臺(tái)旋風(fēng)分離器與兩臺(tái)“J”形回料器的中心線（兩個(gè)），后部膨脹中心位于后豎井煙道前墻中心線和空氣預(yù)熱器支座中心。

鍋爐的爐膛水冷壁、旋風(fēng)分離器及尾部煙道包墻過熱器皆懸吊在頂部吊梁上，由上向下膨脹；爐膛以鍋爐對(duì)稱中心線為零點(diǎn)，通過剛性梁的限位裝置使其向兩側(cè)膨脹?；亓掀?、空氣預(yù)熱器的膨脹方向有3個(gè)：以各自的支撐面為基準(zhǔn)向上膨脹，并分別以前-后和左-右為對(duì)稱膨脹。

爐膛和分離器壁溫較為均勻，為保證爐膛和旋風(fēng)分離器的密封和運(yùn)行的可靠性，兩者之間采用非金屬膨脹節(jié)連接?；亓掀髋c爐膛、分離器的溫差較大，且三者結(jié)構(gòu)形式不同，故而單獨(dú)支撐于鋼梁構(gòu)架上，回料器采用金屬膨脹節(jié)分別與爐膛回料口、分離器錐段出口連接，由于回料器與爐膛、分離器的溫差較大，采用金屬膨脹節(jié)相連也可以有效隔離相互間的脹差。分離器出口煙道與尾部豎井煙道間的脹差較大，且出口煙道儲(chǔ)存龐大，采用非金屬膨脹節(jié)，確保連接的可靠性；吊掛的對(duì)流豎井與支撐的空氣預(yù)熱器間因脹差及尺寸較大，采用非金屬膨脹節(jié)。

所有穿墻管束均與該處管屏之間采用封焊密封固定，或通過膨脹節(jié)形成柔性密封，以適應(yīng)熱膨脹和變負(fù)荷的要求。

除汽包、水冷壁前墻、水冷壁及水冷蒸發(fā)屏上集箱、旋風(fēng)分離器及其進(jìn)出口煙道、包墻上集箱和前、后包墻、省煤器吊掛管這些承壓部件的共同點(diǎn)如下：①部件沿鍋爐縱深跨度較大；②除省煤器吊掛管和汽包外，受熱面皆為膜式壁包覆結(jié)構(gòu)。此類部件縱深跨度較大，運(yùn)行過程中與鍋爐整體結(jié)構(gòu)一起膨脹，故吊點(diǎn)采用剛性吊架。蒸汽系統(tǒng)的其他集箱和連接管在運(yùn)行過程中不受輻射換熱，起到介質(zhì)傳輸?shù)淖饔?，爐膛膨脹對(duì)它們的膨脹影響較小，故采用彈吊或通過夾緊、支撐、限位裝置固定在相應(yīng)的水冷壁和包墻管屏上。

2.2 鍋爐爐膛爆炸事故過程

事故過程如下：鍋爐B班組接班后，對(duì)鍋爐進(jìn)行檢查正常后，于9點(diǎn)23分啟動(dòng)兩臺(tái)高壓流化風(fēng)機(jī)、一臺(tái)引風(fēng)機(jī)、一臺(tái)二次風(fēng)機(jī)和兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)，一次風(fēng)總風(fēng)量為143 kNm3/h（冷態(tài)最低臨界流化風(fēng)量為130 kNm3/h），鍋爐總風(fēng)量為190 kNm3/h，爐膛壓力維持在-80 Pa，各參數(shù)均控制在正常范圍內(nèi)。10點(diǎn)01分點(diǎn)床下2#油槍著火，由于火檢信號(hào)未傳輸至中控DCS，油槍自動(dòng)順停，吹掃油槍后再次點(diǎn)床下2#油槍不著火，再次順停吹掃油槍。10點(diǎn)06分點(diǎn)床下4#油槍成功。由于床溫上升緩慢，11點(diǎn)33分投入鍋爐左側(cè)的床下2#油槍，11點(diǎn)52分班組現(xiàn)場人員聽到異響，DCS出現(xiàn)爐膛壓力高高上限警告，系統(tǒng)自動(dòng)停一次風(fēng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)，一次風(fēng)機(jī)全停導(dǎo)致鍋爐連鎖保護(hù)動(dòng)作，鍋爐燃油系統(tǒng)跳閘。檢查DCS畫面，除爐膛壓力高外，燃燒系統(tǒng)各項(xiàng)檢測參數(shù)均正常，其余參數(shù)均無異常報(bào)警，其中，汽包溫度為99 ℃，汽包壓力為0．15 MPa?，F(xiàn)場檢查確認(rèn)鍋爐發(fā)生正壓，并同時(shí)發(fā)現(xiàn)鍋爐本體有損壞且有水汽泄露，當(dāng)值司爐工立即向相應(yīng)管理部門報(bào)告并對(duì)現(xiàn)場采取相關(guān)措施。

2.3 鍋爐爐膛爆炸事故后果

爐膛爆炸事故導(dǎo)致鍋爐本體受損有以下幾個(gè)方面：①爐膛內(nèi)耐火材料一定程度的受損，爆炸產(chǎn)生的沖擊力及正壓對(duì)爐膛轉(zhuǎn)角部位、衛(wèi)燃帶區(qū)域的耐火泥造成沖擊，導(dǎo)致部分耐火泥脫落，受損面積大概為8 m2。②循環(huán)流化床鍋爐水冷壁一般采取膜式壁結(jié)構(gòu)，即前、后、左、右四面墻水冷壁之間均采用鰭片密封連接，此次事故導(dǎo)致后墻與右墻角水冷壁連接鰭片開裂，后墻與右墻角水冷壁管也同樣開裂。③剛性梁作為一種導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，在鍋爐運(yùn)行中給受熱面提供膨脹限位的作用，此外剛性梁的作用還有加固水冷壁和爐墻，防止?fàn)t膛壓力突然增大時(shí)，水冷壁和爐墻產(chǎn)生過大的結(jié)構(gòu)變形或者損壞。由于此次爐膛爆炸產(chǎn)生的壓力過大，超過了剛性梁所能承受的載荷，導(dǎo)致水冷壁剛性梁脫落，使得鍋爐水冷壁受熱面失去了膨脹限位功能。④旋風(fēng)分離器是循環(huán)流化床鍋爐的核心部件之一，其主要作用是將大量的高溫固體物料從爐膛出口的氣流中分離出來，再通過返料裝置送回爐膛，以維持燃燒室快速流態(tài)化或擾流流態(tài)化狀態(tài)，維持整個(gè)過程燃料和脫硫劑多次循環(huán)，反復(fù)燃燒并參與反應(yīng)。爐膛爆照事故導(dǎo)致旋風(fēng)分離器膨脹節(jié)變形損壞，使鍋爐旋風(fēng)分離器部分失效，鍋爐床料循環(huán)利用功能失效。⑤由于鍋爐的爐膛水冷壁、旋風(fēng)分離器及尾部包墻全部懸吊在頂板上，膨脹方向由上向下，鍋爐爐膛產(chǎn)生爆炸時(shí)，加劇頂板所承受的載荷，導(dǎo)致頂板變形。

3 循環(huán)流化床鍋爐爐膛爆炸原因分析

燃燒的三要素是燃料、空氣和著火必要的溫度，在存在空氣的情況下，燃料溫度只有達(dá)到其著火溫度才能燃燒起來，不同燃料的著火溫度是不同的，褐煤為350～450 ℃，煙煤為450～550 ℃，貧煤和無煙煤為550～650 ℃，甚至高達(dá)700 ℃才能著火，其他有機(jī)燃料則視其水分、揮發(fā)分的不同而各異。如果流化床溫度還未達(dá)到著火溫度就投入大量的燃料，燃料不能及時(shí)著火而先析出揮發(fā)分，就會(huì)造成揮發(fā)分中可燃?xì)怏w的大量積聚。當(dāng)可燃?xì)怏w達(dá)到爆炸極限的濃度時(shí)遇到明火就極易發(fā)生爐膛爆炸[2]。除此之外，如果鍋爐點(diǎn)火油槍在使用過程中存在泄露，可燃?xì)怏w會(huì)通過一次風(fēng)帶入到爐膛空間里面，當(dāng)可燃?xì)怏w達(dá)到一定濃度的時(shí)候，遇到明火則會(huì)產(chǎn)生爐膛爆炸。

經(jīng)過事故調(diào)查組的分析確定，事故受損鍋爐的油槍，并沒有發(fā)現(xiàn)有泄露的痕跡。由于此次事故鍋爐燃燒使用的床料是該廠區(qū)內(nèi)其他正常運(yùn)行鍋爐所排出的底渣，這些底渣中混有木屑、漿渣，未完全燃燒的煤。鍋爐在啟動(dòng)過程中，床溫較低，11時(shí)33分，左、右側(cè)床溫分別為121 ℃和166 ℃，直到11時(shí)52分事故發(fā)生時(shí)，左、右側(cè)床溫也僅為304 ℃和242 ℃。此溫度尚未達(dá)到床料中木屑、漿渣、煤的燃點(diǎn)，在鍋爐啟動(dòng)過程不斷析出可燃?xì)怏w揮發(fā)分，直至揮發(fā)分達(dá)到一定濃度并且遇到明火之后發(fā)生爐膛爆炸[3]。

綜上所述，造成該鍋爐爐膛爆炸主要原因有兩點(diǎn)：①床料中混入了可燃物，如木屑、漿渣、未完全燃燒的煤；②啟動(dòng)過程中鍋爐床溫設(shè)置太低，床料中的可燃物未達(dá)到燃點(diǎn)燃燒并且析出揮發(fā)分，揮發(fā)分中含有可燃?xì)怏w。次要原因有運(yùn)行人員疏于管理，未及時(shí)吹掃爐膛或加大引風(fēng)機(jī)風(fēng)量，從而降低爐膛內(nèi)可燃?xì)怏w的濃度等。

4 防止循環(huán)流化床鍋爐爐膛爆炸的措施

循環(huán)流化床鍋爐的點(diǎn)火，是指通過外部熱源加熱，使最初加入流化床內(nèi)的物料溫度提升到投煤（或其他燃料）運(yùn)行所需的最低水平，從而實(shí)現(xiàn)投煤（或其他燃料）著火后的正常穩(wěn)定運(yùn)行過程。循環(huán)流化床鍋爐的點(diǎn)火有床上點(diǎn)火和床下點(diǎn)火之分。所謂床上點(diǎn)火，就是在流化床布風(fēng)板以上的爐膛密相區(qū)布置點(diǎn)火油槍，通過油槍加熱床料而完成點(diǎn)火。床下點(diǎn)火則將油槍布置在布風(fēng)板以下或在風(fēng)室之前布置風(fēng)道燃燒器（熱煙爐），燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔獯┻^布風(fēng)板與流化床的風(fēng)粉混合而實(shí)現(xiàn)對(duì)床料進(jìn)行加熱點(diǎn)火。

由于床上點(diǎn)火時(shí)，加熱床層的熱效率不高，會(huì)造成點(diǎn)火燃料的浪費(fèi)，因此大型循環(huán)流化床鍋爐多采用床下點(diǎn)火[4]。

顯然，要預(yù)防循環(huán)流化床鍋爐爐膛爆炸，向爐內(nèi)初次投煤（或其他燃料）的最低溫度是關(guān)鍵。該數(shù)值定得太低，會(huì)造成燃料著火不穩(wěn)定，床料內(nèi)容易聚集大量的可燃物，最終導(dǎo)致爆燃。該值定得太高，則點(diǎn)火時(shí)間過長，浪費(fèi)燃料。床溫達(dá)到燃料著火溫度后才投燃料就能保證燃料入爐后會(huì)迅速著火，有效避免爐膛爆炸。

點(diǎn)火過程中，應(yīng)采取間歇投入燃料的方式。當(dāng)床溫升到預(yù)定的投入燃料溫度后，適當(dāng)投入少量燃料，密切注視爐內(nèi)的著火狀況。同時(shí)注意觀察爐內(nèi)床溫和鍋爐尾部煙道煙氣含氧量的變化。繼續(xù)投入燃料的條件時(shí)，床溫升高，煙氣含氧量降低。如果短時(shí)間沒有出現(xiàn)著火現(xiàn)象，應(yīng)立即停止給入燃料。

點(diǎn)火期間，停油要十分謹(jǐn)慎，一般床溫達(dá)到700～800 ℃時(shí)才試退油槍。確定停油后燃料仍穩(wěn)定著火，才能停油運(yùn)行。

除此之外，啟動(dòng)前和一次點(diǎn)火失敗后，司爐工打算重新啟動(dòng)鍋爐前應(yīng)對(duì)爐膛進(jìn)行充分吹掃，充分吹掃爐膛可以很大程度上防止?fàn)t膛因?yàn)榭扇嘉餁怏w或者可燃物堆積遇明火產(chǎn)生爆燃或爐膛爆炸事故。

啟動(dòng)加熱過程中，通風(fēng)梁不足也會(huì)導(dǎo)致爐膛稀相區(qū)可燃物或可燃?xì)怏w堆積，在啟動(dòng)過程中，引風(fēng)量不能太小，一次風(fēng)量控制在臨界流化風(fēng)量的80%，適當(dāng)開啟上二次風(fēng)，以保證稀相上部的通風(fēng)，防止可燃物積累，同時(shí)對(duì)二次風(fēng)口進(jìn)行保護(hù)。

除此之外，司爐工在鍋爐啟動(dòng)前應(yīng)做好鍋爐巡檢工作，檢查鍋爐油槍是否有泄露情況也是預(yù)防爐膛爆炸的措施之一。

5 結(jié)語

循環(huán)流化床鍋爐由于具有諸多優(yōu)點(diǎn)， 越來越廣泛被運(yùn)用。在啟動(dòng)階段，在其床溫設(shè)置合理、爐膛可燃?xì)怏w濃度較低且正常運(yùn)行的情況下，一般不會(huì)發(fā)生爐膛爆炸事故。如果床溫設(shè)置太低并且爐膛內(nèi)可燃?xì)怏w不能保證處于較低濃度，此類事故則有可能發(fā)生。預(yù)防的措施是科學(xué)規(guī)范投入燃料的溫度和數(shù)量， 并嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。在點(diǎn)火過程中，密切關(guān)注燃料的著火情況和相關(guān)參數(shù)的變化， 確保燃料處于穩(wěn)定的著火狀態(tài)。文章未對(duì)鍋爐受損部件進(jìn)行微觀分析，僅通過鍋爐事故現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)及事故后果進(jìn)行理論分析，為防范此類事故再次發(fā)生，研究方向?qū)睦碚摲治龅贸龅慕Y(jié)果有針對(duì)性地對(duì)鍋爐受損部件進(jìn)行金屬材料微觀分析，其中包括無損檢測、理化檢測、力學(xué)性能等。