马 记，李 昂，张建立，何建乐，吴桂福，刘法志
（1.华电莱州发电有限公司，山东 莱州 261441；
2.华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030）
2020年我国煤炭消费占能源消费总量的56.8%，比2019年增长0.6%[1，2]，其中动力煤消费总量为34.4亿t，电力行业消费占总量的61%。在燃煤电厂中，通常需要将原煤通过燃煤锅炉制粉系统研磨成粉，然后送入炉膛燃烧，在输送过程中，若煤粉在空气中达到一定浓度，并接触到足够的热量，便会燃烧并逐步蔓延，导致燃烧剧烈从而引发爆炸事故[3]，燃煤锅炉事故通常是由粉尘引发的爆炸事故。
为了实现锅炉全时段脱硝的目的，启停机及低负荷运行时需采用外部燃料燃烧产生高温烟气掺混提温技术，以提高SCR（selective catalytic reduction）入口温度，使脱硝系统正常使用。轻柴油中的烷烃类会在燃烧过程中发生碳氢键断裂、碳碳键断裂，形成短链烷烃、烯烃、氢气等可燃成分，芳烃可能会发生脱氢缩合反应，生成焦炭，形成高温烟气。由于燃煤电厂锅炉在停机或低负荷运行时，锅炉尾部烟道会有原煤未充分燃烧留下的可燃烟气及飞灰，成分主要为CO、烃类以及碳颗粒等[4-6]。当锅炉尾部管道中的烃类、及未燃尽的碳颗粒遇到高温烟气时，可能会引发剧烈燃烧甚至爆炸[7]，损坏设备，影响锅炉安全生产，造成损失。基于上述原因，有必要开展启停机过程中尾部烟气遇高温烟气的再燃甚至爆炸风险的研究。众多学者对粉尘的爆炸特性进行了研究，一般使用爆炸敏感性参数和爆炸强度参数衡量粉尘爆炸特性，爆炸敏感性为粉尘云最低着火温度、爆炸下限浓度和爆炸极限氧浓度[8，9]。
王秋红等[10]对四种不同挥发分含量的煤粉进行最低着火温度测试，研究发现随着煤尘云浓度增大，四种煤粉的最低着火温度均呈现先降低后升高的趋势，其中在最佳浓度1500 g/m3时，煤挥发分含量为10.89%的煤样的煤尘云的最低着火温度约为620℃。Mishra和Azam[11]测试了样品煤样（挥发分含量17.73%）煤尘云在不同浓度时的最低着火温度，发现粒径为38～74 μm、74～212 μm时，最佳浓度为2564 g/m3（最低着火温度分别为460℃、470℃），粒径小于38 μm煤样的最佳浓度为3419 g/m3，最低着火温度为415℃。姜海鹏等[12]的研究结果表明，挥发分含量为7.09%～37.45%的煤尘云的最低着火温度为580～730℃。赵丹等[13]测试了10种粒径小于75 μm的煤样（挥发分含量6.10%～42.70%）的煤尘云最低着火温度范围为412～851℃。Wang等[14]测试了三种不同煤样的最低着火温度，其挥发分含量分别为11.19%、32.45%、42.26%，煤尘云对应最低着火温度分别为880、580、520℃。
氧气浓度会影响煤灰爆炸特性，这是由于火焰传播需要氧气，若氧气浓度过低，则不利于燃烧以及火焰传播，无法引起爆炸[15]；
同时，粉尘浓度与氧浓度是紧密相关的，若是空间中粉尘浓度过高，则氧浓度过低，也无法引起爆炸[16]。Mittal[17]研究了两者不同煤的极限氧浓度，结果表明，煤样粒径较大时，挥发分含量为27.18%煤样爆炸的极限氧浓度为7%，挥发分含量为19.69%的煤样为8%；
粒径为38 μm时，挥发分含量为27.18%煤样爆炸的极限氧浓度为6%，挥发分含量为19.69%的煤样为7%。Cashdollar[15]研究发现某煤样（挥发分含量37%）的爆炸极限氧浓度随粒径变化不大，当粒径减小时，该煤样爆炸极限氧浓度仅从11%降低到10.5%。Wilen等[18]测得某德国褐煤（挥发分含量46.10%，平均粒径70 μm）的爆炸极限氧浓度为10%。
综上所述，目前研究多集中于锅炉制粉系统等环境粉尘的爆炸特性，未有关于烟气中飞灰爆炸特性的研究。因此，为规避SCR尾部烟道高低温烟气相遇时的飞灰爆炸风险，本文着重于飞灰爆炸敏感性参数，通过采集莱州电厂锅炉启机过程中SCR入口处飞灰，并测试SCR入口烟气中的可燃气体以及烃类成分，参考煤粉等粉尘的爆炸特性[19-21]，测试飞灰的燃烧特性，探究烟气中飞灰的爆炸敏感特性。
1.1 实验材料
研究所用飞灰取自莱州电厂锅炉启机过程中SCR入口烟道。其中，“崂应-3”飞灰碳含量与挥发分含量Vad是所有工况中最低的，分别为12.04%、3.71%；
碳含量与挥发分含量最高的是工况“莱州-3”，分别为30.63%与13.20%，各工况飞灰的碳含量与挥发分含量见表1。
表1 各工况飞灰挥发分和碳含量
1.2 可燃性气体浓度测试
对莱州电厂锅炉启机过程中SCR入口烟气中可燃性气体（H2、CO、C1-C4烃类）用气袋进行采集，采集后48小时内用气相色谱仪（GC）对气袋进行分析。为确保气袋中可燃性气体全部析出（防止烃类冷凝未析出），利用有机溶剂（二氯甲烷）对气袋进行淋洗萃取、净化、浓缩和定容后，利用气相色谱质谱联用（GC-MS）进行分析。
烟气中可燃性气体浓度如表2所示，SCR入口烟气中总烃含量极低，相对含量为0.001%～0.004%；
烟气中CO、H2、CH4等可燃性气体含量也很低，H2的体积浓度为0.001%～0.002%；
CO的体积浓度稍高，为0.1%～0.3%；
气态烃类CH4、C2H4、C2H6的体积浓度范围为0.001%～0.003%；
可冷凝总烃的浓度为0.001%～0.004%。因此，SCR入口烟气中的烃类等可燃性气体含量极低，可排除烟气中可燃气体引起燃烧及爆炸的风险。此外，检测到SCR入口烟气中的NOx含量为120～160 mg/m3。
表2 烟气中可燃性气体浓度
1.3 飞灰燃烧特性
实验将采集所得各工况下的飞灰与一定量空气混合，采用加热炉从室温加热到1000℃，升温速率均分别为10、20、30℃/min，然后计算飞灰的燃烧特性。
燃烧特性参数主要为最大失重速率对应温度Tmax、着火温度Ti、燃尽温度Th，从而进一步求得可燃性指数（d w/d t）max/Ti2、燃尽指数（d w/d t）mean/Th，以及两者的乘积S（综合燃烧特性指数）。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。最大失重速率对应温度Tmax即为飞灰反应失重速率最大时对应的温度；
着火温度Ti为衡量飞灰着火特性的重要特征温度，能够直观地反映出飞灰燃烧的难易程度，当飞灰开始着火便引发失重速率的加速。本文用求切线法解飞灰的燃尽温度Th。可燃性指数（d w/d t）max/Ti2主要反映飞灰在燃烧反应前的反应能力，可燃性指数越大，可燃性越好；
燃尽指数（d w/d t）mean/Th越大，表示物料燃尽时间越短，综合燃烧特性指数S越大，表明物料综合燃烧反应性越佳。切线法求解着火温度以及燃尽温度如图1所示，选取DTG最大处的温度，在该温度处做TG曲线的切线，该切线与失重开始时平行线的交点所对应温度定义为着火温度Ti，与失重基本结束时平行线M的交点对应的温度定义为燃尽温度Th[22]，得到不同工况下飞灰的燃烧特性参数，如表3所示。
表3 各样品燃烧特性参数
图1 着火温度以及燃尽温度确定示意图
2.1 飞灰燃烧特性分析
结合表1以及表3，发现挥发分含量大的飞灰，着火温度更低。“莱州-3”飞灰与“崂应-3”飞灰的挥发分和碳含量差异较大，“莱州-3”飞灰的平均着火温度为417℃，“崂应-3”飞灰的平均着火温度为438℃，且“莱州-3”飞灰的各项燃烧指数（可燃性指数、燃尽指数、综合燃烧指数）明显更高，说明“莱州-3”飞灰更易着火，更易燃尽，具有更加优良的燃烧特性。“莱州1-5”飞灰的挥发分差异较小，但仍可看出，挥发分更高的飞灰具有更好的燃烧特性。且由表3发现，挥发分较高的飞灰往往含碳量也较高，这是因为飞灰的未完全燃烧程度更高。
通过不同升温速率，将实验飞灰与空气混合物加热至1000℃，得到TG-DTG曲线，通过分析并比较不同工况下飞灰的燃烧特性，见图2。
由图2可见，以“莱州-1”飞灰和“崂应-1”飞灰为例，随着升温速率的增加，DTG曲线失重峰变宽，燃烧曲线向高温区移动。且由表3可见，飞灰的最大失重速率对应温度Tmax、着火温度Ti、燃尽温度Th基本升高。原因在于当升温速率过快时，热量无法及时从表飞灰颗粒的表面传递到内部，导致内外温差，产生热滞后现象[1]。如图2c、d所示，随着升温速率的增加，最大失重速率（d w/d t）max增加，飞灰的失重时间缩短，且由表3可见，飞灰的燃烧特性参数（可燃性指数、燃尽指数以及综合燃烧特性指数S）增大，这表明升温速率的提高，飞灰燃烧更加剧烈、迅速，飞灰能够更快燃尽。因此，从着火温度角度来看，适当提高升温速率则能提高飞灰的着火温度，烟道中的飞灰更不易发生着火。
图2 飞灰TG-DTG曲线图
2.2 飞灰燃烧及爆炸风险分析
燃煤电厂中，煤尘爆炸多发生于制粉、储粉设备这些密闭或半密闭的有限空间内，当煤粉形成煤尘云，达到一定温度（最低着火温度）或者由外部点燃的情况下，则会发生爆炸[23]。煤尘云最低着火温度（MIT）是衡量煤尘爆炸着火敏感特性的重要参数，煤尘云着火是发生煤尘爆炸的关键前提条件，也是发生煤尘爆炸的初始阶段。而最低着火温度主要受挥发分含量、粉尘浓度、粒径的影响[23，24]。
2.2.1 粉尘浓度的影响
莱州电厂投煤量50 t/h，烟气量106m3/h，煤粉浓度为50 g/m3，煤燃烧变成飞灰，质量减小，飞灰粉尘云浓度小于50 g/m3，远低于文献[10，11]中煤尘云最低着火温度的最佳浓度1500～3500 g/m3，则飞灰粉尘云的最低着火温度相对较高，飞灰粉尘云更不易着火。
2.2.2 挥发分和粒径的影响
目前的研究结果表明，挥发分含量越髙，着火温度越低，越容易被点燃，危险性越大[13，24，25]。何朝远和张引合[26]研究了煤尘爆炸特性与煤样挥发分含量的关系，其中，挥发分含量为16.82%～46.14%的煤样（粒径≤68 μm），煤尘云最低着火温度为720～900℃，并求得煤尘最低着火温度Tmin与挥发分Vx含量之间的定量关系见式（1）：
对于煤尘云而言，煤样品的粒径越小，则着火温度越低。Mishra和Azam[11]测试了挥发分含量为17.73%的煤样的煤尘云的最低着火温度发现，当煤粒径从＜38 μm增加到425～850 μm时，最低着火温度从420℃升高到730℃。Cao et al.[27]对不同粒径的某种煤样进行煤尘云最低着火温度测试，结果为粒径2～500 μm时，最低着火温度对应为527～755℃。
刘天奇[24]测试了挥发分含量7.65%～36.88%的8种煤的煤尘云的最低着火温度（590～880℃），研究了煤尘云最低着火温度Tc与挥发分Vad、煤样半径r之间的关系，并建立了Tc与Vad、半径r的三维模型见式（2）：
本文中莱州-3飞灰的挥发分含量以及碳含量最高，该飞灰最易着火，将该飞灰的挥发分含量13.2%代入式（1）和式（2），由式（1）得最低着火温度为1002℃，取粒径为68 μm，由式（2）得最低着火温度为803℃，若取粒径为25 μm，则由式（2）得最低着火温度为740℃，因此，为了避免飞灰分粉尘云在烟道中发生着火，应控制高温烟气温度不超过740℃。此外，对比发现，代入公式求得的飞灰粉尘云着火温度，远高于热重实验求得的着火温度（407～450℃），因为粉尘云处于分散状态，分子间间距较大，热传递的效率较低，而热重实验时飞灰处于堆积状态，分子间间距远小于分散状态（煤尘云）时的分子间间距，热传递率较高[10]，因而着火温度降低。
2.2.3 高温烟气掺混的热力学计算
在高温烟气掺混时，两股不同温度、不同物性的烟气混合，可用热力学方法求解两股烟气混合后的温度。设高温烟气的温度为Tg，烟气流速为vg，比热容为cg，密度为ρg，高温烟气管道横截面积为Sg，低温烟气的温度为Td，烟气流速为vd，比热容为cd，密度为ρd，低温烟气管道横截面积为Sd，并假设烟气混合的过程中没有向外散热，两股烟气混合后达到热平衡时的温度为Tm，根据能量守恒定律，则高温烟气放出的热量与低温烟气吸收的热量相等，得到：
SCR脱硝系统运行温度一般为300～400℃，锅炉启机过程中的，SCR入口烟温为150～200℃，为使SCR入口烟温达到300～400℃，可通过调整高温烟气的温度以及烟气流量来实现。假设高低温烟气流量相同，即vgSg=vdSd，设高温烟气温度为740℃，低温烟气温度（SCR入口烟温）取175℃，烟气的物性参数取同温度下空气的物性参数，则低温烟气的密度和比热容分别为0.798 kg/m3、1.090 kJ/（kg·K），740℃高温烟气的密度和比热容分别为0.350 kg/m3、1.249 kJ/（kg·K），代入式（4），求得Tm为364℃，即用740℃的高温烟气与SCR入口的低温烟气混合后，SCR的入口烟温可达到364℃，达到了SCR脱硝系统催化剂的工作温度。若将高温烟气温度降低到700℃，高温烟气的密度和比热容分别为0.363 kg/m3、1.239 k J/（kg·K），求得掺混后SCR的入口烟温Tm为354℃，同样达到SCR催化剂的工作温度。
2.3 爆炸极限特性研究
2.3.1 爆炸极限氧浓度
煤粉爆炸极限氧浓度和煤样的挥发分与粒径有关，挥发分含量越高，极限氧浓度越低；
煤粉粒径越细，爆炸极限氧浓度越低[7，15-17]，爆炸极限氧浓度最低为6%。Wilen等[18]测得某德国褐煤（挥发分含量46.10%，平均粒径70 μm）的爆炸极限氧浓度为10%。因此，为减小飞灰爆炸的风险，应控制氧浓度处于较低水平，最好氧浓度低于10%。
2.3.2 爆炸下限浓度
对比Liu等[28]在卧式管式炉中进行煤粉/空气的爆炸性研究，沿管传播爆炸的煤粉（挥发分含量36%，粒径45～70 μm和90～105 μm）爆炸浓度下限为120 g/m3。Cashdollar[12]测得不同粒径下，37%挥发分含量的煤的浓度下限为60～130 g/m3，37%挥发分含量的煤的浓度下限为80～130 g/m3，且粒径较小的煤爆炸下限浓度更低。通常，煤尘爆炸的浓度下限为30～50 g/m3，上限为1000～2000 g/m3，爆炸威力最强的浓度范围为300～500 g/m3[3]。
本项目电厂锅炉运行时，煤粉的投粉量为50 g/m3，则烟气中飞灰浓度小于50 g/m3，可见飞灰浓度很低，接近或小于煤尘云爆炸下限，发生爆炸的可能性不大。此外，飞灰处于烟道中，烟气流动性大，不属于像制粉、储粉设备这样的封闭空间，因此不易发生爆炸。
2.3.3 飞灰爆炸特性
本项目挥发分较高的飞灰（挥发分含量13.2%）选取较细的粒径25 μm代入公式（2）计算，得到最低着火温度为740℃，为了安全起见，避免飞灰分粉尘云在烟道中发生着火，应控制高温烟气温度不超过740℃。以往的研究结果表明，煤尘云爆炸的极限氧浓度一般在10%左右，虽然烟气中氧浓度较高（＞20%），但烟气中飞灰浓度小于50 g/m3，接近或小于煤尘云爆炸下限浓度，同时烟气流动性大，不属于像制粉、储粉设备这样的封闭空间，因此飞灰发生爆炸的风险很低。
（1）本文研究的锅炉SCR入口烟气中CO、H2、CH4等可燃性气体含量也很低，H2的体积浓度为0.001%～0.002%；
CO的体积浓度稍高为0.1%～0.3%；
气态烃类CH4、C2H4、C2H6的体积浓度范围为0.001%～0.003%；
可冷凝总烃的浓度为0.001%～0.004%。因此，SCR入口烟气中可燃性气体及烃类含量很低，降低了飞灰燃烧及爆炸的风险。
（2）在10、20、30℃/min的升温速率下，飞灰（堆积状）的着火温度范围为407～450℃。高挥发分含量的飞灰具有更低的着火温度和燃尽温度，且燃烧特性更为优良。升温速率的提高，着火温度随之提高，燃烧更为迅速，燃烧时间变短，因此适当提高升温速率，可提高飞灰的着火温度，使飞灰更不易着火。
（3）粉尘挥发分含量越高，粉尘粒径越小，粉尘云的最低着火温度更低。结合目前已有的研究，飞灰在粒径为25 μm的情况下，粉尘云最低着火温度在740℃及以上，因此，安全起见，高温烟气的温度应控制在740℃以下，防止飞灰发生着火。对高温烟气掺混进行热力学计算，结果表明，740℃/700℃高温烟气与低温烟气掺混，SCR入口烟温可达到364℃/354℃，符合SCR系统工作温度要求（300～400℃），说明当高温烟气温度低于飞灰粉尘云着火温度时，高低温烟气掺混也可使SCR系统有效工作。
（4）飞灰在烟道中的浓度小于50 g/m3，接近或低于煤尘云爆炸的浓度下限，发生爆炸的可能性较低。并且烟气流动性大，不属于像制粉、储粉设备这样的封闭空间，飞灰在烟道中不易发生爆炸。
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