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从一起罕见的垃圾电站锅炉外连接管爆管事故中吸取的教训及思考

发布时间:2012-03-01

 

The Lesson and Analysis on a Rare Accident of
Boiler External Pipe Cracking of
Garbage Incineration Power Plant
摘 要:本文从全方面对一起十分罕见的垃圾电站锅炉外连接管爆管事故的原因调查进行了细致的分析,并由此从垃圾电站的安全环保设计、合理运行角度控制垃圾焚烧炉的稳定燃烧以及对垃圾电站锅炉的检验三个方面提出了确保垃圾电站锅炉安全运行的改进建议。
关键词: 垃圾电站 爆管事故 教训 思考
Abstract: Based on the investigation on the causes of a rare accident of the external junction pipe cracking of the boiler in a garbage incineration power plant, this article gives a detailed analysis and provides suggestions on the safe operation of boiler of garbage incineration power plant from three aspects: safe and environmental design of garbage incineration power plant, control of stable incineration through reasonable design of angle and testing to the boiler of garbage incineration power plant.
Keywords: Garbage Incineration Power Plant; Crack of External Pipe; Lesson; Analysis
一、事故简介
2007年5月22日傍晚19时30分左右,一声巨响后,杭州市某垃圾电站发生连接管爆破事故,所幸未造成人员伤亡。锅炉炉顶低温过热器和减温器左数第三根材质为20(GB3087)的Φ89×4mm的连接管爆管(共有六根)。事故发生时,锅炉蒸气压力为3.5Mpa左右,因爆
管蒸汽外泄所产生啸叫声十分巨大,前后持续了约四十分钟,造成周边居民一定的恐慌。采取紧急停炉等措施后,该锅炉停止运行等待事故分析。连接管爆破口位于低温过热器端侧(参见图1-1),在爆破力的巨大作用下,减温器侧的短管也被撕裂,连接管被弹至连接管上方挂杆处(参见图1-2)。此次爆管事故的位置与普通电站锅炉各类爆管事故均不同,十分少见,为此本文作者细致地进行了事故勘察和分析。
二、运行垃圾电站锅炉基本情况
发生事故的垃圾电站为2002年6月投入运行的,由国内著名大学热能工程研究所和国内著名锅炉制造厂联合设计的35T/h异重流化床垃圾焚烧锅炉,型号为LJ300-35-3.82/450。锅炉具体主要参数为:日处理垃圾300吨,额定蒸发量35T/h,过热蒸汽压力3.82MPa,过热蒸汽温度450℃,锅炉给水温度150℃,炉膛出口温度892.2℃,床层正常运行温度850~950℃,设计燃料为“垃圾+煤”。
三、事故调查及分析
3.1、过热器检查
事故锅炉炉采用的为纯对流型过热器,位于炉膛出口和一次分离器后的水平烟道上呈单管圈顺列布置,低温过热器设计烟气进口温度为653℃,出口蒸汽温度为376.9℃。顺烟气流动方向依次为Φ38×4mm的低温和Φ89×4.5mm的高温过热器,第一排低温过热器为15CrMoG,其余低温过热器材质为20(GB3087-82),高温过热器的材质均为15CrMoG,在两级过热器之间设有面世减温器用以调节汽温。低温过热器至面世减温器共有六根GB3087的Φ89×4mm的连接管。面式减温器为给水冷却并呈螺旋管式排列,减温冷却水循环回送至省煤器进口的混合集箱。
3.2、爆管分析
3.2.1、爆破口表面分析
爆管爆破特称呈粗糙脆性爆破,破口管壁有明显减薄,连接口经检测略有胀粗。经检查发现破管另一端的氧化铁层上有密集的纵向细裂纹,初步判断为在长时超温的基础上突然局部高温受热导致连接管爆破。
3.2.2、爆管材质分析
对爆破的连接管取样进行金属化学成分分析,材质的化学成分符合《低中压锅炉用无缝钢管》(GB3087)的要求。
3.2.3、爆破口取样金相组织分析
在连接口爆破点附近和未起爆点连接管上各取样一片试样送检,金相组织分别为:
起爆点试样:铁素体+较细块状石墨+少量碳化物,呈微观严重石墨化
未起爆点试样:铁素体+较粗块状石墨+少量碳化物,呈微观严重石墨化
长期高温运行造成石墨化现象的出现,石墨化使析出的碳聚集在一起,呈链状分布在晶粒的边缘,造成了此处的应力集中,强度和塑性显著下降,脆性增加。
3.3、垃圾电站锅炉运行调查
检查事故锅炉一个月以来的运行记录:蒸汽流量为30~35t/h,负荷正常;蒸汽压力3.5~3.7MPa,正常运行;蒸汽温度441℃~452℃,正常范围。锅炉凝渣管前烟气设计温度上限为787℃,低过出口设计烟气温度上限为653℃,高过出口烟气设计温度上限为569℃,实际发现一个月来二次出现烟气温度远远超过设计烟温的情况:一次持续时间长达9个小时,凝渣管前烟气温度为911℃~931℃,超过设计烟温144℃,低过出口烟气温度为639℃~689℃,最高超过设计值36℃,高过出口烟气温度为621℃~642℃,最高超过设计值73℃;另一次持续时间达7个小时,凝渣管前烟气温度最高达950℃,超过设计烟温163℃,低过出口烟气温度为925℃,严重超过设计值272℃,同时高过出口烟气温度为928℃,严重超过设计值359℃。
3.4、事故锅炉内外部检验情况
对事故电站锅炉内部进行检查后发现,低过烟气通道存在严重结焦现象,特别是在爆管侧位置下方的局部范围内,结焦现象十分严重,部分堵塞了通道,由此造成烟气流通横截面积减小,烟速增高,从而造成连接管温度超高。拆除外部保温层后,对所有外连接管进行了测量,发现部分Φ89×4mm的管径存在不同程度的胀粗。
外部检验时发现减温器流量记录仪表早已损坏停用,运行中无法通过对减温水流量变化的实时监测来判定低温过热器出口蒸汽温度是否在设计控制温度内。
四、垃圾电站锅炉爆管事故的原因分析
4.1、为了减少二恶英的排放提高垃圾高温持续燃烧时间
4.1.1、城市垃圾焚烧不彻底将释放大量至癌物质“二恶英”
二恶英是由二个苯环通过二个氧原子连接而生成的芳香烃族化合物,其结构式如图4-1所示。引人关注的是其1~9位置上被氯原子所取代的二恶英,称之为多氯二苯并二恶英简称PCDD,理论上PCDD共有75种同分异构体,每种都具有不同的物理和化学性质,毒性也不一样。其中四氯二苯并二恶英(2,3,7,8,2TCDD)被氯原子所替代的二恶英,这种物质常温下为无色晶体,只微溶于水及大多数有机溶液。根据美国环境保护署(EPA)1994年9月的报告,它是迄今为止,人类所发现的毒性最强的物质,其毒性相当于氰化钾(KCN)的1000 倍。
4.1.2、二恶英在垃圾焚烧电站垃圾焚烧过程中形成的机理
焚烧炉中二恶英的形成有两方面的原因: 一方面是混入垃圾中的二恶英类物质,另一方面是焚烧炉在燃烧垃圾过程中产生二恶英,并且这是二恶英产生的主要方面。有关研究认为焚烧垃圾时二恶英的形成机理有三种形式:(1)高温合成,即高温气相生成PCDD。在垃圾进入焚烧炉内初期干燥阶段,除水份外含碳氢成分的低沸点有机物挥发后与空气中的氧反应生成水和二氧化碳,形成暂时缺氧状况,使部分有机物同氯化氢(HCl)反应,生成PCDD;(2)从头合成,在低温(250~350℃)条件下大分子碳(残碳)与飞灰基质中的有机或无机氯生成PCDD。残碳氧化时,有65~75%会转变为一氧化碳,约1%转为氯苯再转变为PCDD,飞灰中碳的气化率越高,PCDD的生成量也越大;(3)前驱物合成,不完全燃烧及飞灰表面的不均匀催化反应可形成多种有机气相前驱物,如多氯苯酚和二苯醚,再由这些前驱物生成PCDD。高温燃烧产生含铝硅酸盐的原始飞灰中含有不挥发过渡金属和残碳。飞灰颗粒形成了大的吸附表面。飞灰颗粒在出炉膛冷却的同时,颗粒表面上的不完全燃烧产物之间,不完全燃烧产物与其它前驱物之间发生多种表面反应,另一方面与不挥发金属及其盐发生多种缩合反应,生成表面活性氯化物,再经过多种复杂的有机反应生成吸附在飞灰颗粒表面上的PCDD。焚烧垃圾温度为750 ℃且氧过剩时最易生成不完全燃烧物。
为了达到环保要求,减少PCDD的排放,事故电站持续保持850℃以上高温燃烧5秒以上,造成锅炉长时间高温过热。
4.2、生物质炉料结焦特性随机造成焚烧炉内局部高温过热
垃圾电站所采用的炉料是以城市固体垃圾(MSW)为主的生物质物质。生物质直接燃烧过程可分为三步:脱挥发分生成挥发分和炭、挥发分燃烧和炭的燃烧。其与煤燃烧过程不同之处是:因生物质的水分对燃烧过程影响很大,甚至主宰整个燃烧过程,所以将水分的干燥作为一个独立的过程。在生物质燃烧过程中,一个很重要的问题就是积灰结渣。积灰是指温度低于灰熔点的灰粒在受热面上的沉积,多发生在锅炉对流受热面上。结渣主要是由烟气中夹带的熔化或半熔化的灰粒接触到受热面凝结下来,并在受热面上不断生长、积聚而成,多发生在炉内辐射受热面上。
4.2.1、燃料元素对结焦的影响
事故垃圾电站炉料生物质中的灰分有两种主要来源:一是燃料本身固有的,即形成于植物生长过程中。本身固有的灰分是相对均匀地分布在燃料中,其中Si、K、Na、S、Cl、P、Ca、Mg、Fe是导致结渣积灰的主要元素;另一是城市固体垃圾(MSW)拌料过程中,燃料加工处理加入煤过程中带入的,如:砂子、土壤颗粒,其组分与燃料固有的灰分差别很大。
从对事故垃圾焚烧锅炉的内部检测,发现炉内结焦现象十分严重,结焦体十分坚固而且很难清理。城市垃圾电站焚烧过程中积灰结渣过程主要是生物质中的灰分在燃烧过程中的形态变化和输送作用的结果,也就是灰粒沉积的过程。影响灰粒沉积主要有四个方面:热迁移、惯性撞击、凝结、化学反应。这也可以分为与固体颗粒有关的因素(热迁移和惯性撞击)以及与气体有关的因素(凝结和化学反应)。
灰粒在管壁上沉积可以分为两个不同的过程:一个为初始沉积层的形成过程。初始沉积层由挥发性灰组分在受热面的壁面上冷凝和微小颗粒的热迁移沉积共同作用而形成。MSW焚烧过程中钾的凝结速度和钾的扩散速率对灰粒熔点和粘性有着决定作用。焚烧过程中决定生成碱金属蒸气总量的限制因素不是碱金属元素,而是氯元素。随着碱金属元素气化程度增加,沉积物数量和其粘性也增加。根据现场的运行实践碱金属含量高而氯含量低的燃料,其积灰结渣程度比较轻。在炉膛内的沉积物表面上,含碱金属元素的凝结物会与气相含硫物质发生反应生成稳定的硫酸盐,而且在沉积物表面温度下,多数硫酸盐是呈熔融状态,增加沉积层表面的粘性,加剧积灰结渣的程度。
4.2.2、不同高温焚烧温度下生物质炉料的结焦特性
生物质炉料燃烧非常容易发生结焦结渣现象。垃圾焚烧温度过高,易使碱金属盐类处于熔融态,造成焚烧炉的结焦结渣、流化失败;焚烧温度过低,则燃烧效率将大大降低。在750 ℃焚烧温度下,垃圾焚烧后炉壁结焦结渣不明显,炉壁渣样由许多大小不一、形状各异的块状晶粒组成;晶粒结构间边界比较明显,相互之间保持一定的距离,且晶粒的棱角分明;大部分晶粒保持独立的形态,极少晶粒有浑圆化迹象。床层渣样表面则呈比较致密的板状结构,部分晶粒的边界变得比较模糊,块状晶粒的棱角已基本消失,变得比较浑圆;渣样表面上有许多空隙和气孔。炉壁、床层渣样微观结构出现差异的原因是由于在焚烧过程中,垃圾中的有机成分在炉膛中燃烧,致使炉膛上部区域的温度较高,使得炉壁渣样的结构有异于床层渣样的结构。在850 ℃垃圾焚烧温度下,炉内床层流化不稳定,会出现比较严重的结焦结渣现象。而且渣样将有熔融流动趋势;炉壁、床层等区域有较多的难溶于水的灰白色渣样和块状黏结团,此时炉壁渣样由许多粒径较小的球形晶粒组成,晶粒之间相互搭桥相连,出现浑圆迹象,晶粒已熔融。床层结渣也由大小不一的椭形体组成,块与块之间有较大的间隙,且棱角浑圆;由于球形颗粒具有最小的表面积,表面自由能最小,处于最稳定的状态,所以其他形状的颗粒都有向球形转化的趋势。在950 ℃炉温下垃圾焚烧,炉内床层流化很不稳定,会出现严重的结焦结渣现象,床层渣样会呈现比较致密的玻璃状结构,发生玻璃体反应,结焦渣体表面有许多深入内部的空隙和气孔。渣样呈熔化态,大部分颗粒为熔融的球形,各晶粒相互熔融衔接,熔融的渣样包裹着床料,形成黏结物从而严重影响流化的稳定性,严重时就会导致流化床焚烧炉的流化失败。 
由于事故垃圾电站焚烧锅炉内初始沉积层中的碱金属类和碱土金属类硫酸盐含量较高,并与管壁金属反应生成低熔点化合物,强化了微小颗粒与壁面的粘接;较大灰粒在惯性力作用下撞击到管壁的初始沉积上,当初始沉积层具有粘性时,它能捕获惯性力输送的灰颗粒,并使渣层厚度迅速增加。由于初始沉积层主要是由挥发性灰组分的冷凝而引起。因而事故锅炉由于长期高温焚烧垃圾,并且操作人员未能对很难防止形成的初始沉积层引起足够的重视,提高清灰清渣频率,从而造成惯性沉积越积越后,从一定层面对锅炉的安全运行构成了此次罕见事故的安全隐患。
五、事故反思
5.1、从设计角度改善垃圾电站炉内燃烧条件控制二恶英排放
从垃圾电站设计角度控制焚烧二恶英的生成可以从三方面进行。推进低一氧化碳燃烧技术,达到完全燃烧状态,防止可能产生二恶英的有机挥发物的生成。对于炉排炉(马丁往复炉排,西格斯炉排,“W”型炉排等炉排炉),推广采用“3T”技术:即控制炉膛温度,延长气体在高温区滞留时间,在高温区送入二次空气,充分搅拌混合以增强湍流度。为达到这些目的,在设计炉型或运行时采取如下措施:
(1)设计较大炉膛容积热强度,焚烧炉与余热锅炉分开,即焚烧内不设置水冷壁管。当垃圾热值很低时,可用投油助燃等方法来保持炉温。
  (2)设计足够容积的气体燃烧区,扩大二次燃烧区。炉排炉设计成瘦高型,设计低而长的后拱,增长气体流通路径。
  (3)为了使气体与空气完全混合,在干燥带顶部相应设置二次高温燃烧空气进口,加强炉内气流的扰动,旋转。
5.2、从合理运行角度控制垃圾焚烧炉的稳定燃烧
(1)垃圾焚烧炉焚烧工况的好坏,关键在于垃圾焚烧操作技术和垃圾质量。科学合理的操作和管理经验,可以使垃圾焚烧达到安全、可靠、经济、稳定、高效、减量化的目的。垃圾质量是垃圾焚烧工况好坏的源头,因此要采取适当措施,做好垃圾中转工作,杜绝建筑垃圾混入生活垃圾。进厂后的生活垃圾必须经过垃圾贮存的工序,并需在垃圾贮坑对垃圾进行搅拌、混合、脱水等处理,以起到对垃圾数量和性质的调节作用。进厂垃圾要在贮坑内停留一定的时间,堆放翻松发酵3~5天,通过自然压缩及部分发酵作用,可降低垃圾含水量、提高垃圾热值、改善垃圾焚烧效果。要做到先期进料先焚、后期进料后烧。垃圾坑底部沉积的泥沙、石块等,应在停炉检修期,及时利用焚烧炉排系统,从出渣机排出处理。
(2)垃圾通过给料装置的往返运动进入焚烧炉,故给料装置的运动方式将会直接影响进炉的垃圾量,以及燃烧集中区域。因而选择合适的给料装置停留时间及合适的行程才能保证给料装置均匀地给料。抓入落料糟内的垃圾要平整松散,落料槽中垃圾堆放的高度要保持一致,防止出现中间高两侧低的状况,否则会使垃圾密度不均匀而影响垃圾给料量。给料的速度要参考锅炉的蒸汽出力,在任何情况下都不能突击给料,因为给料的不均匀会造成燃烧的不均匀,并且过快的给料会导致逆推炉排上部堵塞。
(3)逆推炉排和顺推炉排的一次风量分别占总风量的80%、20%。逆推炉排床面上是垃圾焚烧的主燃烧区,因而其是完成垃圾翻滚、搅拌、着火和燃烧全过程的重要装置,亦是运行操作的主要部位,所以其运行操作是否得当,会直接影响垃圾焚烧的效果。在运行操作上应注意以下几点:1、合理配置一次风的风压风量;2、做到薄料层、低风压、慢速度运行操作;3、冷炉启动投料要在炉膛烟温达到400℃以上且稳定2小时以后才可进行;热炉启动投料炉膛温度至少稳定1小时以后才可投料;4、合理调整料层厚度才能使垃圾稳定燃烧。料层厚度太大,可能会导致不完全燃烧和不稳定燃烧;料层厚度太小,又会减少焚烧炉的处理量;5、合理配风,选择合适的过量空气系数。通过空气动力场试验和总结焚烧经验,焚烧炉的过量空气系数应控制在1.6左右,以保持炉内氧量充足、减少二恶英的生成。在焚烧炉的上方,合理配置二次空气进风,避免垃圾燃烧和烟气流动出现死区;6、保持炉膛温度稳定并尽可能提高一次风风温;7、垃圾焚烧炉炉膛负压应控制在-20~-50Pa。
5.3、从检验技术层面确保垃圾电站锅炉的安全运行
根据此次事故来分析,建议相关检验部门针对以垃圾为主要燃料的大型电站锅炉,在执行国家质检总局颁布的《锅炉定期检验规则》(以下简称《规则》)时,作适当调整:
(1)《规则》第二章内部检验第二节电站锅炉内部检验第26条第6款中明确:对于运行时间超过5万小时的锅炉还应增加以下的无损探伤检验。建议根据实际情况适当缩短5万小时的监控周期。
(2)建议在《规则》的第28条、第30条、第32条中增加“根据实际检验情况,对集箱金相进行定点监测”的条文。
(3)建议在《规则》第三章外部检验中增加“流量计”定检的要求,要求“能够实时反应锅炉安全运行的流量计必须经法定计量单位校验,在校验有效期内可靠运行”。
(4)建议在《规则》第三章外部检验中增加对锅炉高温受压元件之间外部连接管的外径进行定期检测及金相分析的要求。

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