超臨界鍋爐爐膛內(nèi)爆和外爆

采用敷管式爐墻全懸吊結(jié)構(gòu)的大容量鍋爐的水冷壁能承受的壓力是較小的。正常運(yùn)行時，爐內(nèi)壓力一般維持在-50---120Pa。當(dāng)某個突發(fā)因素使?fàn)t膛壓力升高，超過爐膛能承受的壓力時，則可能使?fàn)t墻遭受破壞。這種現(xiàn)象稱為爐膛外爆。

對因某個突發(fā)因素使?fàn)t膛內(nèi)壓力聚然降低，因負(fù)壓過大造成爐墻向內(nèi)破壞的現(xiàn)象，稱為爐膛內(nèi)爆。

一、外爆

引起爐膛外爆的主要因素有煤粉爆燃、水冷壁爆管使大量外泄蒸汽進(jìn)入爐膛、析鐵氫爆等。鍋爐爐膛設(shè)計(jì)的承受壓能力為3000—7000Pa。上述任一原因引起爐膛內(nèi)壓力超過此范圍，就可能引起外爆。

1．燃料爆燃

爆燃是指爐膛內(nèi)積存的煤粉、油等可燃物質(zhì)與空氣的混合物突然同時點(diǎn)燃，煙氣容積突然增加，爐膛來不及排出這部分煙氣容積而使?fàn)t膛壓力突然升高。

鍋爐在正常運(yùn)行時很少發(fā)生爆燃。只有在鍋爐發(fā)生全熄火或部分熄火，又未及時切斷燃料供應(yīng)，使?fàn)t內(nèi)充滿未著火燃燒的燃料，即爐內(nèi)積存大量可燃物時，若馬上投入油槍點(diǎn)火，燃料就會突然著火燃燒，煙氣容積瞬間變大，使?fàn)t內(nèi)壓力突然升高而發(fā)生爆炸，即為爆燃。因此，熄火后操作不當(dāng)是造成爆燃的重要原因之一。

造成鍋爐熄火的原因是多方面的，如鍋爐啟動時投入燃料量少，而爐內(nèi)溫度較低時又未及時投入穩(wěn)燃油槍；鍋爐減負(fù)荷過快或發(fā)生負(fù)荷突變；燃料突變，揮發(fā)分和發(fā)熱量過低或灰分、水分含量過大；鍋爐配風(fēng)不合理，風(fēng)粉比不當(dāng)或風(fēng)速過高；爐膛負(fù)壓過大將火焰拉斷；制粉系統(tǒng)故障供粉過少或供粉中斷；鍋爐吹灰操作不當(dāng)或發(fā)生大面積塌灰掉焦；水冷壁爆管大量蒸汽噴入爐膛等。

當(dāng)鍋爐燃燒不穩(wěn)時，爐膛負(fù)壓將出現(xiàn)大幅度擺動。而當(dāng)鍋爐熄火時，爐膛負(fù)壓將明顯增大并超出正常范圍，一、二次風(fēng)壓不正常地降低，爐膛內(nèi)發(fā)黑看不見火焰，蒸汽溫度和壓力均下降，爐膛出口氧量驟增，機(jī)組功率急劇下降，各段煙氣溫度均下降，火焰監(jiān)測器無火焰信號。當(dāng)判明發(fā)生熄火時，應(yīng)立即停止一切燃料供應(yīng)手動MFT。調(diào)整引、送風(fēng)機(jī)擋板，維持在總風(fēng)量的25%，適當(dāng)加大爐膛負(fù)壓，通風(fēng)吹掃5-10min以上，排出爐膛和煙道內(nèi)可燃物，查明熄火原因并設(shè)法消除后，進(jìn)行檢查，確認(rèn)煙道內(nèi)物再燃燒現(xiàn)象、設(shè)備無損壞時，重新點(diǎn)火并逐漸待負(fù)荷至正常值。

大容量鍋爐自動控制系統(tǒng)在發(fā)生熄火時，火焰檢測器將自動啟動BMS或FSSS的熄火保護(hù)設(shè)施，將引起MFT啟動。保護(hù)將立即關(guān)閉輕、重油槍及燃?xì)獾目礻P(guān)門，停用所有磨煤機(jī)、給煤機(jī)、給粉機(jī)、一次風(fēng)機(jī)和排粉機(jī)，關(guān)閉給水及減溫水總門，自動對爐膛進(jìn)行吹掃后重新點(diǎn)火。故障嚴(yán)重時，則可橫向保護(hù)聯(lián)動停用汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和給水泵。

總之，爐膛內(nèi)可燃物質(zhì)的積存，是造成燃料爆燃的主要原因。在熄火后通風(fēng)吹掃和啟動鍋爐前的通風(fēng)吹掃，是防止爆燃的重要措施。

2．析鐵氫爆

當(dāng)大量熔渣落入渣井時，高溫爐渣中的游離鐵與水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量氫氣。這些氫氣與氧混合后，在爐內(nèi)發(fā)生爆炸。爆炸能量以超聲波形式向外釋放，壓力超過爐墻承受能力時造成外爆。析鐵一般發(fā)生在液態(tài)排渣中。對固態(tài)排渣爐，只有當(dāng)發(fā)生大面積熔渣塌落時才可能引起氫爆。

造成析鐵的主要原因是煤粉中含鐵，而鐵的來源主要有三個方面。其一是煤灰中所含的鐵化合物在高溫下迅速分解和氧化成各種形態(tài)的氧化鐵；其次是制粉系統(tǒng)中磨損下的鐵在爐膛高溫下熔化的鐵水；其三是原煤中未被磁鐵清楚的鐵件。而前兩個原因是主要鐵的來源，最后的原因數(shù)量極少。

爐內(nèi)熔渣溫度低于2000℃時，F(xiàn)eO單純受熱，不會分解出純鐵，只有發(fā)生煤粉離析時，落人熔渣中的未燃燒的煤與FeO發(fā)生如下反應(yīng)FeO+C→Fe+CO

當(dāng)析鐵嚴(yán)重時，大量鐵水與熔渣一起進(jìn)入?；洌ɑ蛟r，則發(fā)生如下反應(yīng)

3Fe+4H2O=Fe3O4+4H2↑

氫氣進(jìn)入爐膛與氧混合，就造成氫爆炸事故，嚴(yán)重威脅設(shè)備及人身安全。

為防止發(fā)生析鐵氫爆，運(yùn)行中應(yīng)盡量防止發(fā)生煤粉離析使之落入渣池，因?yàn)楣腆w碳是使FeO還原成純鐵的還原劑。這酒是要求在制粉時使顆粒盡可能均勻，減少容易發(fā)生離析的大顆粒煤粒。運(yùn)行中，組織合理的空氣動力工況，調(diào)整好最下排二次風(fēng)的風(fēng)量及風(fēng)速，減少煤粉離析數(shù)量。運(yùn)行中，還要防止負(fù)荷經(jīng)常波動。必要時，應(yīng)對燃燒器進(jìn)行改進(jìn)，強(qiáng)化燃燒，減少熔渣中的含煤量。對液態(tài)排渣爐，應(yīng)盡可能減少熔渣在爐內(nèi)停留時間，控制鐵還原反應(yīng)過程所需的時間。如將平爐底改為傾斜爐底；取消排渣口的渣欄；使?fàn)t底耐火材料層外表面平整光滑，讓鐵水與熔渣在爐內(nèi)停留時間很短，沒有足夠的時間進(jìn)行還原等。從而較徹底地防止析鐵發(fā)生。

3.水冷壁爆管大量蒸汽進(jìn)入爐膛

當(dāng)水冷壁管嚴(yán)重爆管，大量高壓蒸汽和水瞬時進(jìn)入爐膛，爐內(nèi)介質(zhì)容積驟然增加，造成爐膛壓力驟然上升，超過爐壁承受的壓力而引起爐膛外爆。當(dāng)發(fā)現(xiàn)水冷壁爆管后，應(yīng)加大引風(fēng)機(jī)擋板開度、增加負(fù)壓，防止?fàn)t內(nèi)壓力增加過快。而減少高溫腐蝕和管壁局部超溫，保證水冷壁管材和焊接質(zhì)量，是防止爆管的有效措施。

二、內(nèi)爆

造成內(nèi)爆的主要原因有三個方面，即燃料突然中斷、離心式風(fēng)機(jī)特性和運(yùn)行控制不當(dāng)。

燃料突然被切斷，是引起爐膛內(nèi)爆的主要原因。這是因?yàn)椋?dāng)燃料突然切斷后，原先爐膛內(nèi)維持的物質(zhì)平衡和熱量平衡被破壞，由原先的溫度和壓力保持不變而發(fā)生爐內(nèi)溫度和壓力均降低，使得送風(fēng)機(jī)至爐膛的壓差增加，送人的空氣量將瞬時增加，然后再減少。由爐膛至引風(fēng)機(jī)壓差增加，引風(fēng)機(jī)抽出的煙氣量將減少。大空氣流量和小煙氣流量又使?fàn)t內(nèi)介質(zhì)積存量增加，爐膛壓力又有所回升，最終爐膛壓力和溫度又趨于平衡。

在切斷燃料的最初幾秒內(nèi)，由于溫度降低而引起爐膛壓力降低，使?fàn)t墻承受大氣壓力的擠壓作用，造成爐壁內(nèi)凹變形即為內(nèi)爆，嚴(yán)重時可能造成管道裂縫而損壞設(shè)備。在切斷燃料初期，由溫度降低引起的壓力降低幅度要比積存引起的壓力升高幅度更大的緣故。內(nèi)爆可通過制訂合理的引、送風(fēng)機(jī)的連鎖動作條件以及鍋爐緊急停爐時引、送風(fēng)機(jī)風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置的超馳控制內(nèi)容來防止其發(fā)生。

引起爐膛內(nèi)爆的另一個原因是離心式風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)特性。離心式風(fēng)機(jī)特性是隨轉(zhuǎn)速、擋板式導(dǎo)葉的開度而變化的。流量減小時則壓頭升高，改變擋板開度，特性曲線將隨著擋板開度變小而變徒。在流量接近零時壓頭值趨于最大值，這是在不論擋板開度如何條件下的結(jié)果。

這種風(fēng)機(jī)特性容易產(chǎn)生負(fù)壓波動。流量小時擋板開度也小，風(fēng)機(jī)特性曲線變徒，只要流量稍有變動，則壓差將有較大改變。當(dāng)流量接近零時，擋板的漏風(fēng)會使風(fēng)機(jī)不穩(wěn)而難于控制，在低流量時容易引起內(nèi)爆。運(yùn)行中發(fā)生熄火時，若引風(fēng)機(jī)進(jìn)口擋板開度不變，由于煙氣量減少，風(fēng)機(jī)壓頭沿特性曲線上升，使?fàn)t膛內(nèi)負(fù)壓值增大，可能超過爐膛的承受極限而發(fā)生內(nèi)爆。

運(yùn)行中控制調(diào)節(jié)不擋也是發(fā)生內(nèi)爆的原因之一。在平衡通風(fēng)系統(tǒng)中，風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)是協(xié)調(diào)送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的擋板，以滿足空氣量、煙氣量及爐膛負(fù)壓的要求。若操作不當(dāng)，系統(tǒng)內(nèi)任一擋板關(guān)閉都將影響爐膛的負(fù)壓值。當(dāng)引風(fēng)機(jī)擋板全開時，任意關(guān)閉一次或二次風(fēng)擋板，即使鍋爐并為燃燒，由于大型鍋爐的引風(fēng)產(chǎn)生的負(fù)壓足以超過爐墻的承受限度，從而引起內(nèi)爆。嚴(yán)重時，內(nèi)爆可引起水冷壁管彎曲變形，甚至焊口拉裂，造成設(shè)備損壞并可能危及人生安全。