12循环流化床锅炉的防爆及安全运行.docx

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12循环流化床锅炉的防爆及安全运行

12-循环流化床锅炉的防爆及安全运行

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循环流化床锅炉防爆及安全运行

审核：

吴利涛

校核：

唐兆芳

编写：

江蛟

1、前言

循环流化床（CFB）洁净煤燃烧发电技术近年来在国内得到了快速发展。

国内三大锅炉制造商生产的440t/h等级CFB锅炉均已有成功投运的经验。

然而，关于CFB锅炉防爆及安全运行方面的要求，国内尚未有较全面的论述，原国家电力公司研究院负责起草的《电站锅炉炉膛防爆过程》（报批稿）也只是简单涉及。

因此，有必要对CFB锅炉可能发生爆炸及事故的原因进行分析并提出预防措施。

本文结合NFPA8504（1996版）对该方面的内容进行阐述。

2、循环流化床锅炉发生爆炸的原因

循环流化床锅炉发生爆炸的主要由燃料爆燃或炉膛内外压差超过锅炉本身结构强度引起。

2.1由燃料爆燃引起的爆炸

同常规锅炉一样，CFB锅炉爆炸的基本原因是累积的可燃混和物发生了爆燃，这种混和物存在于炉膛的有限空间内或者是与之相关的将燃烧产物输送至烟囱的锅炉通道、烟道、风机内。

锅炉内危险的可燃混和物由过量的可燃物和一定比例的空气混和而成。

当有点火源存在时就有可能发生快速的或者无法控制的燃烧。

当可燃物的数量和空气的比例都达到一定程度时就可能发生锅炉爆炸。

爆炸的幅度和强度和所积累的可燃物的相对数量及点火瞬间的空气对燃料的比例都有关。

爆炸（包括锅炉外喷）的原因主要是由于运行人员的不正确操作、设备或者控制系统的不正确设计及故障所引起。

在流化床锅炉的运行中有很多情况下可能产生爆炸性氛围。

常见的有：

（a）燃料、空气或燃烧器的点火能量的输送被打断而产生瞬间的熄火，随之又恢复输送并点火延迟；（b）辅助燃料泄漏至停运的锅炉中，累积的燃料被火花或其它火源点燃；（c）多次试图点燃辅助燃料而没有成功且没有得到正确的吹扫、清理，导致爆炸性混和物的积累；（d）主燃料进入床内时，床内温度低于主燃料的点火温度，从而导致爆炸性混和物的积累，并被火花或其它火源点燃；（e）气流速度太高，搅动可燃物在料斗中闷烧；（f）床内或部分床内小区空气量不足，导致燃烧不完全和可燃物的累积；（g）在一些特殊的操作情况下，如锅炉启动或者停机时，在风箱或者管道系统中可能会有可燃物的累积。

床料在锅炉停运后很长时间内仍然保持高温，并有可能成为这些可燃物的火源。

由于在正常运行情况下，大量的高温床料提供了更为一致的点火源，其热惯性能阻止炉内温度迅速降低或升高，所以流化床锅炉燃烧没有常规煤粉锅炉燃烧那么容易发生锅炉爆炸和熄火。

但在暖炉、压火或者在不充分的半流化状态下运行时（主要是启动、点火阶段），循环流化床就没有上述的有利因素了。

2.2由炉膛内外压差过大引起的爆炸

烟气侧压力过高或者过低都会对CFB锅炉的结构产生损害。

CFB锅炉由于其燃烧机理的特殊性，决定了炉膛内部承受正压力（主要是点火风室、布风板区域、密相区、稀相区下部等区域以及相连接的风、燃料、吸收剂接口）大大超过常规锅炉。

在流化床锅炉中很可能造成锅炉压力偏差的是对风机等气流调节设备（包括送风系统和引风系统）的不正确操作。

这有可能使锅炉受到风机过高的压头的损害。

由于燃料供给的锐减或者主燃料的切断导致炉膛内气体的温度和压力骤减是常规锅炉中发生内爆的主要原因之一，而在流化床锅炉中，由于高温床料和耐火材料抵制了温度的骤变，由这种情况引发炉膛结构破坏的现象就不会发生。

3、CFB锅炉防爆及安全运行对设备和系统设计的要求

3.1对锅炉本体承压能力的设计要求。

我们知道，常规煤粉锅炉炉膛结构的设计强度按±8.7kPa考虑，而循环流化床锅炉由于其下部承受的正压力较大，因此其结构强度大大超过常规锅炉。

按NFPA8504的规定，锅炉炉膛要能够承受瞬时压力并且不能由于任何支撑部件的屈服或挠曲而产生永久变形。

其最小设计压力必须为：

（a）所在区域工作压力的1.67倍与8.7kPa的正压，两者之间取较大值，但是不能超过风机在环境温度下的最大压头；（b）引风机在环境温度下的最大压头，但是不能超过-8.7kPa的负压。

一个典型的CFB锅炉结构强度的设计如下图所示。

（其中A、B、C、D区域的正常工作压力：

A=+1.0kPa，B=+5.0kPa，C=+12.4kPa，D=+17.4kPa）

因此，CFB炉膛的结构设计强度应为：

A区：

（a）+1.0×1.67=1.7kPa

（b）选择+8.7kPa与+1.7kPa中的大值

（c）选择（b）与大气条件下送风机最大压头中的小值

（d）A区的设计结沟强度为+8.7kPa（屈服值）

B区：

（a）+5.0kPa×l.67=+8.3kPa

（b）选择+8.7kPa与+8.3kPa中的大值

（c）选择（b）与大气条件下送风机最大压头中的小值

（d）B区的设计结构强度为+8.7kPa（屈服值）

C区：

（a）+12.4×kPa1.67=+20.8kPa（大于+3.7KPa）

（b）选择（a）与大气条件下送风机最大压头中的小值

（c）C区的设计结构强度为+20.8kPa（屈服值）

D区：

（a）+17.4kPa×1.67=+29.1kPa（大于+8.7kPa）

（b）选择（a）与大气条件下送风机最大压头中的小值

（c）D区的设计结构强度为+27.4kPa（屈服值）

3.2对系统设计的设计要求

在系统设计方面，大多数常规锅炉防爆规程对系统的设计要求同样适用于CFB锅炉，下面着重论述有关循环流化床锅炉系统设计的特殊要求。

（1）循环床料颗粒的分离。

颗粒从床中的扬析是流化床燃烧的一个特征。

虽然大部分的设计都使扬析出来的颗粒通过旋风分离器重新注入床内，但是如果旋风分离器设计或床料流化状态不尽合理的话，仍有一定量的未燃烬颗粒被烟气携带，通过锅炉的传热面和管道系统进入袋滤捕尘室或者其它的灰尘处理设备，从而易引发设备事故。

系统在设计时要考虑防止未燃烬物质在烟道、除尘设备中的累积。

（2）煤的燃烧。

在设计煤燃烧系统时以下几点需引起注意：

（a）煤的燃烧需要在几个独立的子系统中经历显著的过程，而这些过程需要协调处理。

煤在每个子系统中的处理不当都会增加发生爆炸事故的可能性。

（b）CFB锅炉的燃煤一般为一定粒径分布的煤颗粒。

煤颗粒在床内不断的撞击、破碎、裂解。

从刚刚粉碎的煤中释放出来的甲烷气体可能在封闭空间内累积，造成爆燃。

因此，应尽量避免不满足锅炉燃料粒径要求的大颗粒进入锅炉。

（c）提供给锅炉的煤粒中有可能含有异物，如废铁、木柱、破布、细刨花和石块等。

这些异物有可能妨碍煤的输送，破坏或者堵塞设备，或者成为给煤设备内的点火源。

异物的存在可能通过妨碍输煤造成事故。

湿煤在粗煤输送系统中可能导致障碍。

粗煤尺寸的大幅变化会导致煤的输送或燃烧非常不稳定而无法控制。

（d）正压热烟气或床料回流至给煤设备中会导致爆炸或者火灾。

设计时应当采取措施防止回流，对锅炉的进风口、吸收剂进口尤其是给煤口均应设置密封风或其他隔绝措施以防止正压热烟气反窜。

对前墙给煤方式而言，一般采用高压头的播煤风来达到播煤和密封的效果；对后墙给煤方式（回料阀给煤），ALSTOM公司一般推荐在给煤管道上设置旋转给煤密封阀来起到隔绝的作用。

（e）在对可燃物进行测量时应当格外留意。

多数的测量和采样系统仅对气体可燃物有效。

所以，测量不出可燃物的存在并不表明未燃碳颗粒或其它可燃物不存在。

（f）煤的挥发物和水分比例的变化会影响到煤的点火特性及允许煤进入床内的最低床温。

锅炉燃烧系统允许加煤的最低设计床温要能适应点火特性的变动范围。

实际燃烧煤质不应偏离设计煤质太大。

（g）对燃烧石油焦、垃圾等废燃料的CFB锅炉除注意上述各项外，还应考虑下列因素：

废燃料中可能还有挥发份或者可燃液体；所以在设计燃料处理和储存系统时要给予特殊考虑。

废燃料的成分分析和燃烧特性比起普通燃料可能变动幅度更大，所以需要对废燃料处理和防止燃烧进行特别的评估。

（3）其他方面

在系统设计上还需考虑以下方面的问题：

（a）在燃料供应切断后，如果空气供应没有间断将会使一个运行着的流化床锅炉不停的产出蒸汽。

其热源不是来自于床内剩余的燃料中，而是来自于粒状床料和难熔物质中。

经验证明：

在燃料供应切断后，锅炉产生的蒸汽量能连续几分钟保持在满负荷的50%以上。

然而，如果停止供应空气且流态化停滞时，从床上散发出去的热量非常低，这是因为床料是一个好的绝热体，这时产生的蒸汽量大约在几秒钟内就会降到满负荷的10%以下。

（b）在切断燃料供给或者对厂内所有的能源供给以后的一段时间内仍然要保证给水的延续。

（c）因为床提供了点火能量，流化床锅炉运行中所能维持的燃料/空气比要比常规煤粉锅炉的燃料/空气比高得多。

结果，未燃的燃料在床内可能累积到相当的数量，在床内燃料燃尽之前停止空气的供给可能会产生爆炸性气体。

这样，贸然向热床内重新供风时有可能发生爆炸。

（d）由于管道泄漏可能导致床内固化。

（e）对于锅炉炉膛内的灰渣和床料排放系统和固体循环回路，需要充分考虑其出力要求。

4.控制和联锁保护要求

采取有效的控制和联锁保护措施是有效避免CFB锅炉炉膛爆炸和发生事故的有效手段。

4.1炉膛压力控制系统

炉膛压力控制系统的目的是将燃烧室中的压力控制在所期望的状况下。

该控制系统原理与常规锅炉是一致的。

上图中所示的炉膛压力控制系统包括：

（A）炉膛压力控制子系统，用来指挥风量调节控制单元保持炉膛压力在预期状况下；（B）三个炉膛压力传感器，每个都位于一个分离的压力感受探头内，并由图中的C来进行监视，以免在测量炉膛压力时发生运行故障。

（C）传感器监控系统；（D）根据其它供给情况对锅炉风量的发出的命令信号。

它可能是根据燃料流量信号、锅炉主控信号或者其它的指令，但不能是风量的测量值；（P）自动/手动传输装置；（U）补偿或者直接切断装置；（H）风量调节控制单元（如风机入口节流阀、叶片倾斜角的控制机构、转速控制）。

4.2循环流化床的启动、正常运行及停机要求

4.2.1启动要求

循环流化床的启动过程中的要求一般如下：

（1）启动第一个预热燃烧器，按制造商的规定的速度进行床料和耐火材料的加热。

（2）增加预热燃烧器来维持和加快所需的加热速度。

（3）在平均床温达制造商要求以后加入主燃料。

这时，预热燃烧器必须保持运行直至燃料能够稳定点火为止。

（4）通过观察床温的稳定上升和氧量的下降来确认燃料点火成功

（5）通过减少预热燃烧器和增加燃料给入量来维持所推荐的床温。

必要时可增加空气流量来保持所需的氧量。

（6）在主燃料的给入已经超过90秒或者制造商指定的时间内，床温如果没有升高，必须立即停止供给燃料直至点火失败的原因被查明。

（7）在达到以下要求后，投入燃烧自动控制系统：

1）已经达到主燃料最小给入量；2）已经达到稳定的床温状况；3）所有的手动控制循环正常运行，过程中的反馈值和设定值之间没有明显的差异；4）空气流量控制自动运行。

4.2.2正常运行过程中的要求

（1）燃烧速度的调节必须通过对所有给料口或者床区同步地增加或者减少燃料和空气的给入量来进行，以便在所有的燃烧速度下保持正常的空气/燃料比。

改变燃料燃烧速度时不允许违反关于空气超前或者滞后的要求。

（2）给料速度和输送气流必须保持在一定的限度内，此限度由锅炉制造商指定，或者更为可靠的是通过试验来确定。

必须在以下条件下通过试验来确定稳定的床温、流化状况和合适的燃烧状况下的最小负荷：

（a）所有的给料装置投运，所有的燃烧控制自动进行；（b）在给料装置的不同组合下，燃烧控制自动进行；（c）在给料装置的不同组合下和不同的燃料状况下，测量结果与制造商所制定的限值不同时，必须进行附加的测试来确定新的限值。

（3）当所有给料装置都处在最低给料速度时的负荷仍大于要达到的最低负荷时，可以关闭一些给料装置。

剩余给料装置的给料速度要大于保持稳定运行的最低给料速度。

必须通过不同的给料分配和过量空气的组合来测试确定最低给料速度。

（4）保持流化床稳定运行的方法是保持高于760℃的床温，当所要求的预热燃烧器（油枪）不在运行时，在此温度以下就可以开始供给主燃料。

（5）空气总流量不能低于满负荷状态下的25%，以维持稳定的流化状态。

4.2.3正常停机过程中的要求

（1）机组停运时，必须将锅炉负荷降到最低点。

（2）锅炉负荷降到最低点以后，可按下列两种方式之一进行正常停机：

（a）如果机组将要长时间停运，切断主燃料以后送风机和引风机还要保持运行。

进行5分钟的吹扫以后，风机仍必须运行直至锅炉经过充分冷却后可以进行维修。

（b）如果机组很快将要重新启动，切断主燃料以后，风机再经过一段时间的运行待炉膛中的挥发分排除掉且残余燃料燃尽后即可关闭。

这可以从床温的掉落和氧量的增加来判断。

在确定燃料燃尽之前不允许关闭风机。

风机的关闭有利于保持床和耐火材料的温度从而有效地缩短重新启动的时间。

4.2.4紧急停机（总燃料切断）过程中的要求

在触发主燃料切断（MFT）时，必须停止所有燃料进入锅炉。

燃油供应必须切断。

燃料、吸收剂和排渣系统都必须切断。

总燃料切断必须在很短时间内停止所有的燃料进入炉膛以避免炉膛中发生危险的燃料累积。

引起总燃料切断的情况有：

（a）维持安全燃烧所需的任何引风机或者送风机停机；（b）炉膛压力超过正常运行压力的幅度达到制造商所指定的数值；（c）汽包水位过低（制造商所指定的短时延迟是允许的）；（d）锅炉流化风机或者流化气流停止；（e）空气流量低于吹扫空气量的幅度达到满负荷空气流量的5%；（f）联锁保护装置失电；（g）总燃料切断。

4.3MFT动作联锁保护框图

5.流化床燃烧系统中一些特殊的危害及注意事项

流化床锅炉在一些重要的特性上不同于常规锅炉。

这些不同的特性可能会对检修和运行维护人员带来特殊的危险。

这些危险包括大量的高温固体、固体中含有的高浓度活性化合物和一些特殊的有害气体。

5.1高温颗粒

流化床燃烧系统含有大量的粒状物料。

一个典型的100MW的流化床锅炉可能含有100t的温度为850℃或者更高的自由流动的固体颗粒。

由于设备缺陷、设计问题或者操作不当，这些高温固体可能溅出炉子或者其他设备。

在运行着的CFB电厂中就发生过这些事故。

在未受控制的高温物料飞溅事件中，可能会造成人员伤害或者设备损害。

因此，锅炉和有关的电厂设备的设计人员应认真考虑高温物料的潜在来源和相关的危害，并对人员的安全提出建议。

设计人员材料选择时应该仔细考虑，因为这些材料与高温物料是否可控有直接关系。

电厂安全运行需要的仪器和电缆布置不能靠近有可能存在高温物料的地方。

如果确实需要布置在那些地方，电缆应该被保护起来防止高温物料直接与其接触。

燃料管路不能布置在靠近有可能存在高温物料的地方。

燃料管路同样应该被保护起来防止高温物料直接与其接触。

应该对电厂人员在高温物料的潜在来源、相关的危害和相应的安全程序方面进行培训，并不时地对那些可能含有高温物料的设备进行检查。

5.2氧化钙

循环流化床锅炉是通过石灰石等吸收剂来减少二氧化硫的排放的。

为了达到排放浓度，实际上的Ca/S比理论值大的多。

大量的石灰石并不能转化成硫酸钙，它们以CaO的形式存在，也就是生石灰。

CaO与水或者水蒸汽反应会产生热量，CaO也能在皮肤或眼睛上与水分反应从而导致化学烧伤。

当石灰石被用作启动床料时，在大量石灰石反应生产CaSO4前它可能快速煅烧成CaO。

在这种情况下，在电厂最初启动调试期间，当运行出现问题需要人员进入流化床锅炉检修时，就有可能导致人身伤害。

因此，在条件许可时，尽量采取沙、煤灰或者其他惰性物质作为启动床料。

若必须采用石灰石，则应做好防护措施。

另外，当纯净的有活性的石灰石遇水在封闭的大空间内发生反应时，温度可以达到315℃。

这种温度足以导致电厂火灾。

因此，相关的石灰石储存及输送设备应该能够在高温情况下安全运行，且具备一定承压能力，同时有可靠的通风、防潮措施。

当对循环流化床锅炉灰渣进行综合利用时，也应考虑到氧化钙和水反应的可能性以及反应造成的影响。

CFB锅炉运行时，在某些死区，氧化钙和空气或烟气中的水份可能发生反应。

这些反应不一定引起局部超温，但常常导致严重的堵塞。

这些堵塞可能使安全仪表、除灰系统或其他设备失效。

设计人员应该能够预见这些问题，提供一些方法来发现和防止这些堵塞，尤其是在仪器管路中。

应该给检修维护人员提供一些处理氧化钙所需要的安全设备，包括防毒面具、防护服和眼睛防护罩。

同时应该要求检修维护人员在进入装满床料的炉膛之前先检测一下是否发生煅烧。

最简单的测试就是对床料进行取样分析。

5.3硫化氢

在流化床锅炉布风板附近的密相区，在硫完全氧化前可能产生中间产物——H2S。

由于该区域的工作压力较高，H2S有可能从炉膛中泄漏出，并进入人员工作的区域。

H2S比空气重，从而能够积聚在电厂通风条件较差的位置较低的地方，这样就有可能造成人员伤害。

因此建议对放置在密相区中的可打开或可拆卸的活动部件进行充分的密封，其余部件要焊牢。

在运行维护手册中要加入有关H2S的指导准则，以使检修维护人员能够预见H2S的存在。

同时，在锅炉房通风条件差的区域提供一些能够测量H2S浓度的手段。

5.4硫酸钙

来自流化床锅炉内的炉底渣可能含有一些硫酸钙，它们是H2S与石灰石反应后的最终产物。

硫酸钙能够与CO2和H2O反应（CO2和H2O是空气的组分），释放出H2S。

如反应发生在渣仓中，那么渣仓中H2S就会达到危险的浓度。