简析燃煤锅炉改变燃料及燃烧方式中的小问题

燃煤锅炉是指燃料燃烧的煤,煤炭热量经转化后,产生蒸汽或者变成热水,但并不是所有的热量全部有效转化,有一部分无工消耗,这样就存在效率问题,一般大些的锅炉效率高些,60%~80%之间。
目前在锅炉燃料中,烟煤仍占主导地位。近年来,随着煤炭价格的飞速上涨,随州地区绝大部分锅炉使用单位纷纷把燃煤锅炉进行改造,原本的燃煤锅炉改为烧生物质。因随州地区生物质资源丰富,木屑、疏林后的木柴、秸秆、稻壳等废弃物随处可见,把这些废弃物作为燃料,大大降低了生产成本,变废为宝,具有很好的节煤减排、环保效益。于是改烧现象愈来愈普遍,但在改烧的过程中,有的保留了链条炉排,仍然采用层状燃烧方式;有的则采用简单的风送方式,将燃料粉碎后吹入炉膛内,炉膛、炉拱未作任何改造,燃烧方式变为悬浮燃烧。
由于改烧不涉及锅炉受压元件及技术参数的改变,故无需向特种设备安全监察机构告知,使用单位往往自行其事,既不经锅炉设计制造单位设计审查,也没有由有资质的安装维修单位实施改造,更谈不上报检。改烧后,效果普遍反映良好。人们在得意改烧“成功”时,往往忽视了锅炉运行的安全可靠性问题,并由此而引发的锅炉故障或事故逐渐突现出来。
近几年,由于改烧造成锅炉磨损,腐蚀减薄,产生裂纹而造成的故障、事故,已有多起报道,笔者作为随州市某制药厂一台szl6-1.25-aⅱ型水管锅炉改烧生物质引发的撕裂事故技术分析组成员,对该起事故原因进行了认真调查分析,并对随州地区2t/h以上近30台改烧生物质锅炉进行内部检验发现的典型案例进行研究,分析事故或故障原因,提出了锅炉“改烧”需注意的事项及应对措施。
一、事故概况、成因与思考
随州某制药厂一台szl6-1.25-aii型水管锅炉,2004年2月安装并投入运行。属层燃式燃煤锅炉,因燃煤运行成本高,2008年11月改烧稻壳,其改造方法为:将稻壳(经过粉碎,已成为稻糠)经管道输入锅炉左侧炉膛内(专门挖设的直径为30公分的管状燃料通道),与鼓风机(专设的鼓风机)进口相通,鼓风机的出口安放在锅炉左炉门内,风机启动将稻壳喷入炉膛,稻糠在炉膛内呈悬浮状燃烧,除此之外锅炉的结构未作任何改变。
改烧稻糠后,燃烧效果相当好,生产成本降低了,生产效率提高了,稻糠供应充足,大家都觉得改烧很好。运行一段时间后,出现两个问题:一是锅炉内积灰增多(特别是尾部),需不断清除;二是上、下锅筒外表面磨损严重,有粉刺状坑凹,呈不规则不对称状分布,炉门右侧尤为严重;三是炉膛后墙易烧坏、倒塌,且倒塌越来越频繁,zui易倒塌的是后墙右侧部位,不得已,使用单位就在锅炉右侧开了一个与左侧同样尺寸的出口,而将左侧出口封起来,这样一来烟气流向就由左侧流出折入后烟室再折入对流管束改变为烟气从炉膛右侧直接进入后室对流管束,即烟气流向由“s”型变成了倒“l”型,后炉墙易倒塌的问题暂时得到缓解。
运行不到一个月,严重的问题发生了,2012年2月9日中午,在没有任何征兆的情况下,锅炉上锅筒突然发生撕裂,爆破造成锅炉房西侧(锅门右侧3米处)水泥砖墙整体被气浪推倒,自控室(距锅门4米处)10平方米12mm厚的玻璃幕墙被冲击波震击粉碎,三名司炉工被烫伤(轻微伤)。爆破撕裂部位为上锅筒与右侧水冷壁管下排管孔与上锅筒焊接连接带,撕裂口长约2.6米,纵向破口zui大开口约1米。经现场调查分析,排除了锅炉超压(事故时锅炉运行压力为0.5mpa)等因素,技术分析组一致认为这起撕裂事故主要原因是改烧引发的受压元件壁温升高,瞬间强度急剧下降,并与其他因素(侧烧、水量不足)共同作用的结果。关于改烧生物质燃料引起的诸如炉膛容积过小,炉膛热荷过大,炉膛出口温度过高,烟气量增加,流速过快,热交换过强等问题,国内已有多位专家在专业杂志上作了具体的分析,该“改烧”锅炉具备了上述各种问题,有些问题如炉膛热负荷过大,热交换过强等显得格外突出,一方面该锅炉燃料稻壳经过粉碎,燃烧非常充分,烟气流向改变后,炉膛内高温更加集中于炉膛右上部,这正是锅炉爆破的区域,该区域受热程度高于其他区域,金属壁温*处于过热超温状态。
从锅炉的运行情况看来,该锅炉事故前生产任务繁重,处于满负荷、超负荷运行状态,长时间率运行造成水循环系统损坏,水循坏损坏造成水冷壁管(高温处水冷壁管)损坏,从爆破口附近看,水冷壁管端口已有放射性裂纹,这些裂纹直接影响与之焊接相连的锅筒,即裂纹先从管端角焊缝处起源,从断口宏观观察,此处正是断口源头,另外,该锅炉未设自动给水调节器,采用手动调节,断续进水,在大负荷的情况下,角焊缝处应力交变频繁,与燃煤比较,稻壳升火升压、熄火封炉速度快,导致锅筒壁体温差应力变化速度快,从现场观察,撕裂锅筒直径900mm,水位表zui低处可见边缘距水冷壁管zui高处(即“zui高火界”)只有80mm,锅炉运行时,水位表水位比实际水位要高些,在超负荷运行的情况下,锅筒与水冷壁管连接处水位波动较大,虽不致失水(不到缺水程度),但已处于水面附近,锅水冷却效果差,此处壁温会超过正常值,极易产生温差应力疲劳。
从爆炸锅筒的强度计算得知,爆破撕裂处是锅筒zui脆弱的部位(开孔减弱系数zui小,开孔与管子角焊缝为单面焊),正是此处,由于“改烧”等因素导致脆弱部位变得更加脆弱,此处受冲刷磨损程度zui大,温度zui高,冷却zui差,壁温变化zui快,壁面过热,引起强度下降,加上各种应力作用产生的疲劳效应,使裂纹产生、扩展,到一定程度时发生爆破撕裂。稻糠悬浮燃烧,炉膛火焰中心上升后移,壁温升高、过热侧烧,元件强度下降等因素致使锅筒不能承受工作压力,是本次事故的主要原因,各种应力疲劳助推了裂纹的扩展,与元件强度下降一道造成了本次事故的发生。除去该公司安全管理上有漏洞以外,本起事故的主要诱因就是改烧,改变烟气流向。
前言:目前在锅炉燃料中,烟煤仍占主导地位。近年来,随着煤炭价格的飞速上涨,随州地区绝大部分锅炉使用单位纷纷把燃煤锅炉进行改造,原本的燃煤锅炉改为烧生物质。因随州地区生物质资源丰富,木屑、疏林后的木柴、秸秆、稻壳等废弃物随处可见,把这些废弃物作为燃料,大大降低了生产成本,变废为宝,具有很好的节煤减排、环保效益。于是改烧现象愈来愈普遍,但在改烧的过程中,有的保留了链条炉排,仍然采用层状燃烧方式;有的则采用简单的风送方式,将燃料粉碎后吹入炉膛内,炉膛、炉拱未作任何改造,燃烧方式变为悬浮燃烧。
由于改烧不涉及锅炉受压元件及技术参数的改变,故无需向特种设备安全监察机构告知,使用单位往往自行其事,既不经锅炉设计制造单位设计审查,也没有由有资质的安装维修单位实施改造,更谈不上报检。改烧后,效果普遍反映良好。人们在得意改烧“成功”时,往往忽视了锅炉运行的安全可靠性问题,并由此而引发的锅炉故障或事故逐渐突现出来。
近几年,由于改烧造成锅炉磨损,腐蚀减薄,产生裂纹而造成的故障、事故,已有多起报道,笔者作为随州市某制药厂一台szl6-1.25-aⅱ型水管锅炉改烧生物质引发的撕裂事故技术分析组成员,对该起事故原因进行了认真调查分析,并对随州地区2t/h以上近30台改烧生物质锅炉进行内部检验发现的典型案例进行研究,分析事故或故障原因,提出了锅炉“改烧”需注意的事项及应对措施。
一、事故概况、成因与思考
随州某制药厂一台szl6-1.25-aii型水管锅炉,2004年2月安装并投入运行。属层燃式燃煤锅炉,因燃煤运行成本高,2008年11月改烧稻壳,其改造方法为:将稻壳(经过粉碎,已成为稻糠)经管道输入锅炉左侧炉膛内(专门挖设的直径为30公分的管状燃料通道),与鼓风机(专设的鼓风机)进口相通,鼓风机的出口安放在锅炉左炉门内,风机启动将稻壳喷入炉膛,稻糠在炉膛内呈悬浮状燃烧,除此之外锅炉的结构未作任何改变。
改烧稻糠后,燃烧效果相当好,生产成本降低了,生产效率提高了,稻糠供应充足,大家都觉得改烧很好。运行一段时间后,出现两个问题:一是锅炉内积灰增多(特别是尾部),需不断清除;二是上、下锅筒外表面磨损严重,有粉刺状坑凹,呈不规则不对称状分布,炉门右侧尤为严重;三是炉膛后墙易烧坏、倒塌,且倒塌越来越频繁,zui易倒塌的是后墙右侧部位,不得已,使用单位就在锅炉右侧开了一个与左侧同样尺寸的出口,而将左侧出口封起来,这样一来烟气流向就由左侧流出折入后烟室再折入对流管束改变为烟气从炉膛右侧直接进入后室对流管束,即烟气流向由“s”型变成了倒“l”型,后炉墙易倒塌的问题暂时得到缓解。
运行不到一个月,严重的问题发生了,2012年2月9日中午,在没有任何征兆的情况下,锅炉上锅筒突然发生撕裂,爆破造成锅炉房西侧(锅门右侧3米处)水泥砖墙整体被气浪推倒,自控室(距锅门4米处)10平方米12mm厚的玻璃幕墙被冲击波震击粉碎,三名司炉工被烫伤(轻微伤)。爆破撕裂部位为上锅筒与右侧水冷壁管下排管孔与上锅筒焊接连接带,撕裂口长约2.6米,纵向破口zui大开口约1米。经现场调查分析,排除了锅炉超压(事故时锅炉运行压力为0.5mpa)等因素,技术分析组一致认为这起撕裂事故主要原因是改烧引发的受压元件壁温升高,瞬间强度急剧下降,并与其他因素(侧烧、水量不足)共同作用的结果。关于改烧生物质燃料引起的诸如炉膛容积过小,炉膛热荷过大,炉膛出口温度过高,烟气量增加,流速过快,热交换过强等问题,国内已有多位专家在专业杂志上作了具体的分析,该“改烧”锅炉具备了上述各种问题,有些问题如炉膛热负荷过大,热交换过强等显得格外突出,一方面该锅炉燃料稻壳经过粉碎,燃烧非常充分,烟气流向改变后,炉膛内高温更加集中于炉膛右上部,这正是锅炉爆破的区域,该区域受热程度高于其他区域,金属壁温*处于过热超温状态。
从锅炉的运行情况看来,该锅炉事故前生产任务繁重,处于满负荷、超负荷运行状态,长时间率运行造成水循环系统损坏,水循坏损坏造成水冷壁管(高温处水冷壁管)损坏,从爆破口附近看,水冷壁管端口已有放射性裂纹,这些裂纹直接影响与之焊接相连的锅筒,即裂纹先从管端角焊缝处起源,从断口宏观观察,此处正是断口源头,另外,该锅炉未设自动给水调节器,采用手动调节,断续进水,在大负荷的情况下,角焊缝处应力交变频繁,与燃煤比较,稻壳升火升压、熄火封炉速度快,导致锅筒壁体温差应力变化速度快,从现场观察,撕裂锅筒直径900mm,水位表zui低处可见边缘距水冷壁管zui高处(即“zui高火界”)只有80mm,锅炉运行时,水位表水位比实际水位要高些,在超负荷运行的情况下,锅筒与水冷壁管连接处水位波动较大,虽不致失水(不到缺水程度),但已处于水面附近,锅水冷却效果差,此处壁温会超过正常值,极易产生温差应力疲劳。
从爆炸锅筒的强度计算得知,爆破撕裂处是锅筒zui脆弱的部位(开孔减弱系数zui小,开孔与管子角焊缝为单面焊),正是此处,由于“改烧”等因素导致脆弱部位变得更加脆弱,此处受冲刷磨损程度zui大,温度zui高,冷却zui差,壁温变化zui快,壁面过热,引起强度下降,加上各种应力作用产生的疲劳效应,使裂纹产生、扩展,到一定程度时发生爆破撕裂。稻糠悬浮燃烧,炉膛火焰中心上升后移,壁温升高、过热侧烧,元件强度下降等因素致使锅筒不能承受工作压力,是本次事故的主要原因,各种应力疲劳助推了裂纹的扩展,与元件强度下降一道造成了本次事故的发生。除去该公司安全管理上有漏洞以外,本起事故的主要诱因就是改烧,改变烟气流向。

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