馬 記，李 昂，張建立，何建樂，吳桂福，劉法志

（1.華電萊州發(fā)電有限公司，山東 萊州 261441；2.華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

0 引 言

2020年我國煤炭消費占能源消費總量的56.8%，比2019年增長0.6%[1，2]，其中動力煤消費總量為34.4億t，電力行業(yè)消費占總量的61%。在燃煤電廠中，通常需要將原煤通過燃煤鍋爐制粉系統(tǒng)研磨成粉，然后送入爐膛燃燒，在輸送過程中，若煤粉在空氣中達到一定濃度，并接觸到足夠的熱量，便會燃燒并逐步蔓延，導致燃燒劇烈從而引發(fā)爆炸事故[3]，燃煤鍋爐事故通常是由粉塵引發(fā)的爆炸事故。

為了實現(xiàn)鍋爐全時段脫硝的目的，啟停機及低負荷運行時需采用外部燃料燃燒產(chǎn)生高溫煙氣摻混提溫技術(shù)，以提高SCR（selective catalytic reduction）入口溫度，使脫硝系統(tǒng)正常使用。輕柴油中的烷烴類會在燃燒過程中發(fā)生碳氫鍵斷裂、碳碳鍵斷裂，形成短鏈烷烴、烯烴、氫氣等可燃成分，芳烴可能會發(fā)生脫氫縮合反應，生成焦炭，形成高溫煙氣。由于燃煤電廠鍋爐在停機或低負荷運行時，鍋爐尾部煙道會有原煤未充分燃燒留下的可燃煙氣及飛灰，成分主要為CO、烴類以及碳顆粒等[4-6]。當鍋爐尾部管道中的烴類、及未燃盡的碳顆粒遇到高溫煙氣時，可能會引發(fā)劇烈燃燒甚至爆炸[7]，損壞設備，影響鍋爐安全生產(chǎn)，造成損失。基于上述原因，有必要開展啟停機過程中尾部煙氣遇高溫煙氣的再燃甚至爆炸風險的研究。眾多學者對粉塵的爆炸特性進行了研究，一般使用爆炸敏感性參數(shù)和爆炸強度參數(shù)衡量粉塵爆炸特性，爆炸敏感性為粉塵云最低著火溫度、爆炸下限濃度和爆炸極限氧濃度[8，9]。

王秋紅等[10]對四種不同揮發(fā)分含量的煤粉進行最低著火溫度測試，研究發(fā)現(xiàn)隨著煤塵云濃度增大，四種煤粉的最低著火溫度均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，其中在最佳濃度1500 g/m3時，煤揮發(fā)分含量為10.89%的煤樣的煤塵云的最低著火溫度約為620℃。Mishra和Azam[11]測試了樣品煤樣（揮發(fā)分含量17.73%）煤塵云在不同濃度時的最低著火溫度，發(fā)現(xiàn)粒徑為38～74 μm、74～212 μm時，最佳濃度為2564 g/m3（最低著火溫度分別為460℃、470℃），粒徑小于38 μm煤樣的最佳濃度為3419 g/m3，最低著火溫度為415℃。姜海鵬等[12]的研究結(jié)果表明，揮發(fā)分含量為7.09%～37.45%的煤塵云的最低著火溫度為580～730℃。趙丹等[13]測試了10種粒徑小于75 μm的煤樣（揮發(fā)分含量6.10%～42.70%）的煤塵云最低著火溫度范圍為412～851℃。Wang等[14]測試了三種不同煤樣的最低著火溫度，其揮發(fā)分含量分別為11.19%、32.45%、42.26%，煤塵云對應最低著火溫度分別為880、580、520℃。

氧氣濃度會影響煤灰爆炸特性，這是由于火焰?zhèn)鞑バ枰鯕?，若氧氣濃度過低，則不利于燃燒以及火焰?zhèn)鞑?，無法引起爆炸[15]；同時，粉塵濃度與氧濃度是緊密相關(guān)的，若是空間中粉塵濃度過高，則氧濃度過低，也無法引起爆炸[16]。Mittal[17]研究了兩者不同煤的極限氧濃度，結(jié)果表明，煤樣粒徑較大時，揮發(fā)分含量為27.18%煤樣爆炸的極限氧濃度為7%，揮發(fā)分含量為19.69%的煤樣為8%；粒徑為38 μm時，揮發(fā)分含量為27.18%煤樣爆炸的極限氧濃度為6%，揮發(fā)分含量為19.69%的煤樣為7%。Cashdollar[15]研究發(fā)現(xiàn)某煤樣（揮發(fā)分含量37%）的爆炸極限氧濃度隨粒徑變化不大，當粒徑減小時，該煤樣爆炸極限氧濃度僅從11%降低到10.5%。Wilen等[18]測得某德國褐煤（揮發(fā)分含量46.10%，平均粒徑70 μm）的爆炸極限氧濃度為10%。

綜上所述，目前研究多集中于鍋爐制粉系統(tǒng)等環(huán)境粉塵的爆炸特性，未有關(guān)于煙氣中飛灰爆炸特性的研究。因此，為規(guī)避SCR尾部煙道高低溫煙氣相遇時的飛灰爆炸風險，本文著重于飛灰爆炸敏感性參數(shù)，通過采集萊州電廠鍋爐啟機過程中SCR入口處飛灰，并測試SCR入口煙氣中的可燃氣體以及烴類成分，參考煤粉等粉塵的爆炸特性[19-21]，測試飛灰的燃燒特性，探究煙氣中飛灰的爆炸敏感特性。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

研究所用飛灰取自萊州電廠鍋爐啟機過程中SCR入口煙道。其中，“嶗應-3”飛灰碳含量與揮發(fā)分含量Vad是所有工況中最低的，分別為12.04%、3.71%；碳含量與揮發(fā)分含量最高的是工況“萊州-3”，分別為30.63%與13.20%，各工況飛灰的碳含量與揮發(fā)分含量見表1。

表1 各工況飛灰揮發(fā)分和碳含量

1.2 可燃性氣體濃度測試

對萊州電廠鍋爐啟機過程中SCR入口煙氣中可燃性氣體（H2、CO、C1-C4烴類）用氣袋進行采集，采集后48小時內(nèi)用氣相色譜儀（GC）對氣袋進行分析。為確保氣袋中可燃性氣體全部析出（防止烴類冷凝未析出），利用有機溶劑（二氯甲烷）對氣袋進行淋洗萃取、凈化、濃縮和定容后，利用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）進行分析。

煙氣中可燃性氣體濃度如表2所示，SCR入口煙氣中總烴含量極低，相對含量為0.001%～0.004%；煙氣中CO、H2、CH4等可燃性氣體含量也很低，H2的體積濃度為0.001%～0.002%；CO的體積濃度稍高，為0.1%～0.3%；氣態(tài)烴類CH4、C2H4、C2H6的體積濃度范圍為0.001%～0.003%；可冷凝總烴的濃度為0.001%～0.004%。因此，SCR入口煙氣中的烴類等可燃性氣體含量極低，可排除煙氣中可燃氣體引起燃燒及爆炸的風險。此外，檢測到SCR入口煙氣中的NOx含量為120～160 mg/m3。

表2 煙氣中可燃性氣體濃度

1.3 飛灰燃燒特性

實驗將采集所得各工況下的飛灰與一定量空氣混合，采用加熱爐從室溫加熱到1000℃，升溫速率均分別為10、20、30℃/min，然后計算飛灰的燃燒特性。

燃燒特性參數(shù)主要為最大失重速率對應溫度Tmax、著火溫度Ti、燃盡溫度Th，從而進一步求得可燃性指數(shù)（d w/d t）max/Ti2、燃盡指數(shù)（d w/d t）mean/Th，以及兩者的乘積S（綜合燃燒特性指數(shù)）。其中，d w/d t表示失重速率，（d w/d t）max表示最大失重速率，（d w/d t）mean表示平均失重速率。最大失重速率對應溫度Tmax即為飛灰反應失重速率最大時對應的溫度；著火溫度Ti為衡量飛灰著火特性的重要特征溫度，能夠直觀地反映出飛灰燃燒的難易程度，當飛灰開始著火便引發(fā)失重速率的加速。本文用求切線法解飛灰的燃盡溫度Th?？扇夹灾笖?shù)（d w/d t）max/Ti2主要反映飛灰在燃燒反應前的反應能力，可燃性指數(shù)越大，可燃性越好；燃盡指數(shù)（d w/d t）mean/Th越大，表示物料燃盡時間越短，綜合燃燒特性指數(shù)S越大，表明物料綜合燃燒反應性越佳。切線法求解著火溫度以及燃盡溫度如圖1所示，選取DTG最大處的溫度，在該溫度處做TG曲線的切線，該切線與失重開始時平行線的交點所對應溫度定義為著火溫度Ti，與失重基本結(jié)束時平行線M的交點對應的溫度定義為燃盡溫度Th[22]，得到不同工況下飛灰的燃燒特性參數(shù)，如表3所示。

表3 各樣品燃燒特性參數(shù)

圖1 著火溫度以及燃盡溫度確定示意圖

2 研究結(jié)果與討論

2.1 飛灰燃燒特性分析

結(jié)合表1以及表3，發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分含量大的飛灰，著火溫度更低。“萊州-3”飛灰與“嶗應-3”飛灰的揮發(fā)分和碳含量差異較大，“萊州-3”飛灰的平均著火溫度為417℃，“嶗應-3”飛灰的平均著火溫度為438℃，且“萊州-3”飛灰的各項燃燒指數(shù)（可燃性指數(shù)、燃盡指數(shù)、綜合燃燒指數(shù)）明顯更高，說明“萊州-3”飛灰更易著火，更易燃盡，具有更加優(yōu)良的燃燒特性?！叭R州1-5”飛灰的揮發(fā)分差異較小，但仍可看出，揮發(fā)分更高的飛灰具有更好的燃燒特性。且由表3發(fā)現(xiàn)，揮發(fā)分較高的飛灰往往含碳量也較高，這是因為飛灰的未完全燃燒程度更高。

通過不同升溫速率，將實驗飛灰與空氣混合物加熱至1000℃，得到TG-DTG曲線，通過分析并比較不同工況下飛灰的燃燒特性，見圖2。

由圖2可見，以“萊州-1”飛灰和“嶗應-1”飛灰為例，隨著升溫速率的增加，DTG曲線失重峰變寬，燃燒曲線向高溫區(qū)移動。且由表3可見，飛灰的最大失重速率對應溫度Tmax、著火溫度Ti、燃盡溫度Th基本升高。原因在于當升溫速率過快時，熱量無法及時從表飛灰顆粒的表面?zhèn)鬟f到內(nèi)部，導致內(nèi)外溫差，產(chǎn)生熱滯后現(xiàn)象[1]。如圖2c、d所示，隨著升溫速率的增加，最大失重速率（d w/d t）max增加，飛灰的失重時間縮短，且由表3可見，飛灰的燃燒特性參數(shù)（可燃性指數(shù)、燃盡指數(shù)以及綜合燃燒特性指數(shù)S）增大，這表明升溫速率的提高，飛灰燃燒更加劇烈、迅速，飛灰能夠更快燃盡。因此，從著火溫度角度來看，適當提高升溫速率則能提高飛灰的著火溫度，煙道中的飛灰更不易發(fā)生著火。

圖2 飛灰TG-DTG曲線圖

2.2 飛灰燃燒及爆炸風險分析

燃煤電廠中，煤塵爆炸多發(fā)生于制粉、儲粉設備這些密閉或半密閉的有限空間內(nèi)，當煤粉形成煤塵云，達到一定溫度（最低著火溫度）或者由外部點燃的情況下，則會發(fā)生爆炸[23]。煤塵云最低著火溫度（MIT）是衡量煤塵爆炸著火敏感特性的重要參數(shù)，煤塵云著火是發(fā)生煤塵爆炸的關(guān)鍵前提條件，也是發(fā)生煤塵爆炸的初始階段。而最低著火溫度主要受揮發(fā)分含量、粉塵濃度、粒徑的影響[23，24]。

2.2.1 粉塵濃度的影響

萊州電廠投煤量50 t/h，煙氣量106m3/h，煤粉濃度為50 g/m3，煤燃燒變成飛灰，質(zhì)量減小，飛灰粉塵云濃度小于50 g/m3，遠低于文獻[10，11]中煤塵云最低著火溫度的最佳濃度1500～3500 g/m3，則飛灰粉塵云的最低著火溫度相對較高，飛灰粉塵云更不易著火。

2.2.2 揮發(fā)分和粒徑的影響

目前的研究結(jié)果表明，揮發(fā)分含量越髙，著火溫度越低，越容易被點燃，危險性越大[13，24，25]。何朝遠和張引合[26]研究了煤塵爆炸特性與煤樣揮發(fā)分含量的關(guān)系，其中，揮發(fā)分含量為16.82%～46.14%的煤樣（粒徑≤68 μm），煤塵云最低著火溫度為720～900℃，并求得煤塵最低著火溫度Tmin與揮發(fā)分Vx含量之間的定量關(guān)系見式（1）：

對于煤塵云而言，煤樣品的粒徑越小，則著火溫度越低。Mishra和Azam[11]測試了揮發(fā)分含量為17.73%的煤樣的煤塵云的最低著火溫度發(fā)現(xiàn)，當煤粒徑從＜38 μm增加到425～850 μm時，最低著火溫度從420℃升高到730℃。Cao et al.[27]對不同粒徑的某種煤樣進行煤塵云最低著火溫度測試，結(jié)果為粒徑2～500 μm時，最低著火溫度對應為527～755℃。

劉天奇[24]測試了揮發(fā)分含量7.65%～36.88%的8種煤的煤塵云的最低著火溫度（590～880℃），研究了煤塵云最低著火溫度Tc與揮發(fā)分Vad、煤樣半徑r之間的關(guān)系，并建立了Tc與Vad、半徑r的三維模型見式（2）：

本文中萊州-3飛灰的揮發(fā)分含量以及碳含量最高，該飛灰最易著火，將該飛灰的揮發(fā)分含量13.2%代入式（1）和式（2），由式（1）得最低著火溫度為1002℃，取粒徑為68 μm，由式（2）得最低著火溫度為803℃，若取粒徑為25 μm，則由式（2）得最低著火溫度為740℃，因此，為了避免飛灰分粉塵云在煙道中發(fā)生著火，應控制高溫煙氣溫度不超過740℃。此外，對比發(fā)現(xiàn)，代入公式求得的飛灰粉塵云著火溫度，遠高于熱重實驗求得的著火溫度（407～450℃），因為粉塵云處于分散狀態(tài)，分子間間距較大，熱傳遞的效率較低，而熱重實驗時飛灰處于堆積狀態(tài)，分子間間距遠小于分散狀態(tài)（煤塵云）時的分子間間距，熱傳遞率較高[10]，因而著火溫度降低。

2.2.3 高溫煙氣摻混的熱力學計算

在高溫煙氣摻混時，兩股不同溫度、不同物性的煙氣混合，可用熱力學方法求解兩股煙氣混合后的溫度。設高溫煙氣的溫度為Tg，煙氣流速為vg，比熱容為cg，密度為ρg，高溫煙氣管道橫截面積為Sg，低溫煙氣的溫度為Td，煙氣流速為vd，比熱容為cd，密度為ρd，低溫煙氣管道橫截面積為Sd，并假設煙氣混合的過程中沒有向外散熱，兩股煙氣混合后達到熱平衡時的溫度為Tm，根據(jù)能量守恒定律，則高溫煙氣放出的熱量與低溫煙氣吸收的熱量相等，得到：

SCR脫硝系統(tǒng)運行溫度一般為300～400℃，鍋爐啟機過程中的，SCR入口煙溫為150～200℃，為使SCR入口煙溫達到300～400℃，可通過調(diào)整高溫煙氣的溫度以及煙氣流量來實現(xiàn)。假設高低溫煙氣流量相同，即vgSg=vdSd，設高溫煙氣溫度為740℃，低溫煙氣溫度（SCR入口煙溫）取175℃，煙氣的物性參數(shù)取同溫度下空氣的物性參數(shù)，則低溫煙氣的密度和比熱容分別為0.798 kg/m3、1.090 kJ/（kg·K），740℃高溫煙氣的密度和比熱容分別為0.350 kg/m3、1.249 kJ/（kg·K），代入式（4），求得Tm為364℃，即用740℃的高溫煙氣與SCR入口的低溫煙氣混合后，SCR的入口煙溫可達到364℃，達到了SCR脫硝系統(tǒng)催化劑的工作溫度。若將高溫煙氣溫度降低到700℃，高溫煙氣的密度和比熱容分別為0.363 kg/m3、1.239 k J/（kg·K），求得摻混后SCR的入口煙溫Tm為354℃，同樣達到SCR催化劑的工作溫度。

2.3 爆炸極限特性研究

2.3.1 爆炸極限氧濃度

煤粉爆炸極限氧濃度和煤樣的揮發(fā)分與粒徑有關(guān)，揮發(fā)分含量越高，極限氧濃度越低；煤粉粒徑越細，爆炸極限氧濃度越低[7，15-17]，爆炸極限氧濃度最低為6%。Wilen等[18]測得某德國褐煤（揮發(fā)分含量46.10%，平均粒徑70 μm）的爆炸極限氧濃度為10%。因此，為減小飛灰爆炸的風險，應控制氧濃度處于較低水平，最好氧濃度低于10%。

2.3.2 爆炸下限濃度

對比Liu等[28]在臥式管式爐中進行煤粉/空氣的爆炸性研究，沿管傳播爆炸的煤粉（揮發(fā)分含量36%，粒徑45～70 μm和90～105 μm）爆炸濃度下限為120 g/m3。Cashdollar[12]測得不同粒徑下，37%揮發(fā)分含量的煤的濃度下限為60～130 g/m3，37%揮發(fā)分含量的煤的濃度下限為80～130 g/m3，且粒徑較小的煤爆炸下限濃度更低。通常，煤塵爆炸的濃度下限為30～50 g/m3，上限為1000～2000 g/m3，爆炸威力最強的濃度范圍為300～500 g/m3[3]。

本項目電廠鍋爐運行時，煤粉的投粉量為50 g/m3，則煙氣中飛灰濃度小于50 g/m3，可見飛灰濃度很低，接近或小于煤塵云爆炸下限，發(fā)生爆炸的可能性不大。此外，飛灰處于煙道中，煙氣流動性大，不屬于像制粉、儲粉設備這樣的封閉空間，因此不易發(fā)生爆炸。

2.3.3 飛灰爆炸特性

本項目揮發(fā)分較高的飛灰（揮發(fā)分含量13.2%）選取較細的粒徑25 μm代入公式（2）計算，得到最低著火溫度為740℃，為了安全起見，避免飛灰分粉塵云在煙道中發(fā)生著火，應控制高溫煙氣溫度不超過740℃。以往的研究結(jié)果表明，煤塵云爆炸的極限氧濃度一般在10%左右，雖然煙氣中氧濃度較高（＞20%），但煙氣中飛灰濃度小于50 g/m3，接近或小于煤塵云爆炸下限濃度，同時煙氣流動性大，不屬于像制粉、儲粉設備這樣的封閉空間，因此飛灰發(fā)生爆炸的風險很低。

3 結(jié) 論

（1）本文研究的鍋爐SCR入口煙氣中CO、H2、CH4等可燃性氣體含量也很低，H2的體積濃度為0.001%～0.002%；CO的體積濃度稍高為0.1%～0.3%；氣態(tài)烴類CH4、C2H4、C2H6的體積濃度范圍為0.001%～0.003%；可冷凝總烴的濃度為0.001%～0.004%。因此，SCR入口煙氣中可燃性氣體及烴類含量很低，降低了飛灰燃燒及爆炸的風險。

（2）在10、20、30℃/min的升溫速率下，飛灰（堆積狀）的著火溫度范圍為407～450℃。高揮發(fā)分含量的飛灰具有更低的著火溫度和燃盡溫度，且燃燒特性更為優(yōu)良。升溫速率的提高，著火溫度隨之提高，燃燒更為迅速，燃燒時間變短，因此適當提高升溫速率，可提高飛灰的著火溫度，使飛灰更不易著火。

（3）粉塵揮發(fā)分含量越高，粉塵粒徑越小，粉塵云的最低著火溫度更低。結(jié)合目前已有的研究，飛灰在粒徑為25 μm的情況下，粉塵云最低著火溫度在740℃及以上，因此，安全起見，高溫煙氣的溫度應控制在740℃以下，防止飛灰發(fā)生著火。對高溫煙氣摻混進行熱力學計算，結(jié)果表明，740℃/700℃高溫煙氣與低溫煙氣摻混，SCR入口煙溫可達到364℃/354℃，符合SCR系統(tǒng)工作溫度要求（300～400℃），說明當高溫煙氣溫度低于飛灰粉塵云著火溫度時，高低溫煙氣摻混也可使SCR系統(tǒng)有效工作。

（4）飛灰在煙道中的濃度小于50 g/m3，接近或低于煤塵云爆炸的濃度下限，發(fā)生爆炸的可能性較低。并且煙氣流動性大，不屬于像制粉、儲粉設備這樣的封閉空間，飛灰在煙道中不易發(fā)生爆炸。