新型聲波脈沖清灰裝置

續(xù)笑祖（西北工業(yè)學(xué)校,陜西 興平 713100）

新型聲波脈沖清灰裝置

續(xù)笑祖
（西北工業(yè)學(xué)校,陜西 興平 713100）

摘 要：鍋爐燃燒積灰很大程度上影響鍋爐出力及效率，本文闡述了一種新型聲波清灰裝置在鍋爐系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鍋爐燃燒積灰；積灰分析；聲波清灰

1 概述

燃料燃燒時(shí)，尤其煤燃燒時(shí)，燃燒產(chǎn)物中有灰粒、氧化硫等物質(zhì)，這些物質(zhì)的數(shù)量很大。例如一臺(tái)300MW的鍋爐每晝夜的飛灰量可達(dá)到700～1200噸（視煤的含灰量而定），這么多的灰要流經(jīng)鍋爐的受熱面，其中有一部分以各種形式沉積在受熱面上，這就增加了傳熱熱阻，甚至使煙氣通道堵塞，造成引風(fēng)機(jī)壓頭不足而被迫降低鍋爐出力?？傊e灰會(huì)使鍋爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下降，浪費(fèi)能源，給企業(yè)帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，減少或杜絕鍋爐受熱面的結(jié)渣和積灰是對(duì)鍋爐工作安全性、經(jīng)濟(jì)性的保證。

2 積灰分析

目前鍋爐的積灰分為三種：疏松灰、高溫粘結(jié)灰、低溫受熱面的積灰。其中高溫粘結(jié)灰主要形成于1000℃左右，低溫受熱面的積灰主要在50℃～180℃范圍內(nèi)，這兩種積灰基本不屬于（或者很少部分屬于）新型聲波脈沖蒸汽清灰裝置應(yīng)用的范圍內(nèi)，因此我們?cè)诖酥饕治鍪杷苫业奶匦浴?/p>

所謂疏松灰是指積灰在形成的過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，灰層中沒(méi)有粘結(jié)成分，灰粒之間呈松散狀態(tài)，易于清除。這類灰主要沉積在對(duì)流過(guò)熱器、省煤器和空氣預(yù)熱器上，其導(dǎo)熱系數(shù)很小，熱阻大，形成后大大影響受熱面的傳熱性能，積灰嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致煙氣流通截面的堵塞。

疏松灰沉積的過(guò)程有兩個(gè)，其一為灰粒沉落在受熱面上，其二為更大直徑的灰粒對(duì)已經(jīng)沉落在受熱面上的灰粒的撞擊作用，使其脫落受熱面。疏松灰層情況和這兩個(gè)過(guò)程的綜合結(jié)果有關(guān)，最終表現(xiàn)結(jié)果為：我們觀察到的疏松灰主要為細(xì)灰粒。

我們對(duì)于積灰問(wèn)題的研究結(jié)論如下：

（1）積灰過(guò)程中存在三種力的存在：慣性力、重力和附著力。當(dāng)灰粒直徑大于某一尺寸時(shí)，使灰粒脫離的慣性力和重力占優(yōu)勢(shì)，反之，則附著力占優(yōu)勢(shì)。

燃煤機(jī)組煙氣中攜帶的飛灰一般均≤200μm，大部分都在30μm以下。經(jīng)過(guò)研究，我們發(fā)現(xiàn)：1）粒徑≤10μm的灰粒將在附著力的作用下吸附在管子壁面；2）粒徑≤3～5μm的灰粒，附著力大于灰粒的重量，重力和慣性力難以使其與管壁脫離；3）粒徑≤0.2μm的SiO2顆粒甚至可以穿過(guò)鋼管的氧化層而與金屬基材接觸。

（2）在煙氣流速很低時(shí)，管子的迎風(fēng)面才有少量積灰，而且是極細(xì)的灰，主要是在管子的背面積灰。

當(dāng)煙氣流速≥8～10m/s以上時(shí)，管子迎風(fēng)面就不會(huì)有積灰了。當(dāng)煙氣流速≤ 2.5～3m/s時(shí)，疏松灰沉積十分嚴(yán)重，甚至可以把煙氣通道堵塞。

（3）疏松灰的形成過(guò)程中，煙氣中的大灰粒對(duì)積灰層有磨蝕作用，因而積灰層在增長(zhǎng)到一定程度就會(huì)停止增長(zhǎng)，達(dá)到一種動(dòng)態(tài)的平衡。

（4）沉積疏松灰的情況和煙氣流速，管子直徑，管子節(jié)距及管子布置方式（順列布置或錯(cuò)列布置）有關(guān)。

（5）對(duì)于膜式受熱面，煙氣流速控制在7～7.5m/s，可以避免積灰，煙氣流速過(guò)低容易積灰甚至堵灰。

（6）煙氣中灰的濃度對(duì)穩(wěn)定時(shí)積灰層的形狀和大小沒(méi)有關(guān)系，只是影響達(dá)到此積灰層的時(shí)間。

3 目前市場(chǎng)上并存的三種清灰器比較

目前使用比較廣泛的清灰裝置有三大類：

3.1 伸縮式蒸汽吹灰器(包括短吹和長(zhǎng)吹)

原理：伸縮式蒸汽吹灰器是采用伸縮管形式將高壓蒸汽通入爐內(nèi)對(duì)積灰部位進(jìn)行直接吹掃。

優(yōu)點(diǎn)：在其有效作用范圍內(nèi)清灰力度強(qiáng)、當(dāng)時(shí)效果明顯。短吹適合爐膛水冷壁清灰，長(zhǎng)吹適合鍋爐尾部清灰。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜、安裝工作量大、故障率高、使用周期短、維護(hù)工作量大。由于吹掃蒸汽容易腐蝕、沖刷爐管，直接減少爐管壽命，易引起爆管事故。

3.2 激波式清灰器（包括燃爆式和空氣炮）

原理：燃爆式是將可燃?xì)怏w和氧氣在瞬間混合點(diǎn)火發(fā)生爆燃，利用爆炸沖擊波清灰；空氣炮是使用儲(chǔ)存壓縮空氣并瞬間釋放，以其噴發(fā)沖擊波進(jìn)行清灰。

優(yōu)點(diǎn)：在其有效作用范圍內(nèi)清灰力度強(qiáng)，能清理粘結(jié)性的結(jié)渣。適合用于粉倉(cāng)、管道的阻塞清理。

缺點(diǎn)：燃料與空氣的配比要求嚴(yán)格，意外時(shí)會(huì)造成很大事故。并且沖擊波受到阻擋之后衰減很快，對(duì)管壁背面很難清理，對(duì)設(shè)備造成損壞的機(jī)率大，應(yīng)用于鍋爐尾部復(fù)雜空間的受熱面積灰時(shí)時(shí)清灰效果受限，不適合應(yīng)用于爐膛部位。

3.3 聲波清灰器（包括旋片式和旋鼓式）。

原理：利用多種發(fā)聲原理產(chǎn)生較強(qiáng)低頻聲波，以聲能進(jìn)行清灰。

優(yōu)點(diǎn)：利用低頻聲波可以繞射的特點(diǎn)作用，可以應(yīng)用于復(fù)雜空間的清灰工作，在有效工作范圍內(nèi)無(wú)死角，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝及操作，維護(hù)工作量小，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。

缺點(diǎn)：不適合應(yīng)用于爐膛部位。

4 新型聲波脈沖式清灰器介紹

4.1 影響清灰效果的主要因素

我們研究了國(guó)內(nèi)外的各種聲波清灰器結(jié)構(gòu)，并對(duì)許多國(guó)內(nèi)使用該類清灰器的用戶進(jìn)行了咨詢后發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上應(yīng)用的聲波清灰器普遍存在要么不清灰，要么是清灰效果差的現(xiàn)象，均不能達(dá)到用戶期望的清灰效果。

經(jīng)過(guò)我們大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：聲波是完全可以用于積灰清理的，但是，清灰的效果取決于波形、頻率、聲強(qiáng)等要素，缺一不可，并不是所有的聲波都可以用于積灰清理。

我們研究發(fā)現(xiàn)：

（1）強(qiáng)在130 dB以下的聲波基本上不清灰，聲強(qiáng)小時(shí)清灰效果差。

（2）波形為圓弧形聲波不清灰，鈍角形聲波清灰效果差。

（3）不合適的聲波頻率難以與灰粒產(chǎn)生共振，清灰效果差。

在以上研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們對(duì)國(guó)內(nèi)的聲波清灰器的波形、頻率、聲強(qiáng)進(jìn)行了整定和優(yōu)化，開(kāi)發(fā)了新型聲波脈沖式清灰器（如圖1所示）。

4.2 新型聲波脈沖式清灰器主要特點(diǎn)

相比其它聲波清灰器，其特點(diǎn)為：

（1）完善至最佳的波形，使其更加接近陡直脈沖，達(dá)到良好的清灰效果。和其它聲波清灰器波形對(duì)比如圖2所示。

（2）采用了徑向進(jìn)氣以及旋鼓式切割發(fā)聲，并找到了發(fā)聲孔形狀和波形的關(guān)系以及最佳清灰波形。

（3）采用能量更大的高壓蒸汽作為發(fā)聲工質(zhì)，提高了聲強(qiáng)，經(jīng)測(cè)試：清灰器出口實(shí)測(cè)聲強(qiáng)為≥160dB，聲功率≥5000W，軸向有效清灰距離大于10m、徑向擴(kuò)散距離8m。

對(duì)鍋爐過(guò)熱器、省煤器及空氣預(yù)熱器以及鍋爐管束等復(fù)雜的換熱面積灰清理干凈、徹底，不留死角，可以使受熱面露出金屬顏色。有效的解決復(fù)雜受熱面和復(fù)雜空間積灰的清理這一難題。

（4）采用低頻聲波，其具有較強(qiáng)的繞射能力，能有效作用于清灰器有效范圍內(nèi)的拐彎邊角及多層管束空間（包括管子背面）。

對(duì)清除鍋爐過(guò)熱器及尾部受熱面的積灰，降低排煙溫度，提高鍋爐效率以及原鍋爐的可靠性，給企業(yè)帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益。

（5）采用調(diào)頻電機(jī)調(diào)頻，并程序設(shè)置其在一定的頻率范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)節(jié)，以尋求不同頻率的聲波和不同粒徑的灰粒產(chǎn)生共振，使其從管壁剝離并處于懸浮狀態(tài)被煙氣流帶走。

（6）號(hào)筒按照指數(shù)曲線設(shè)計(jì)，以便使發(fā)聲器件與自由空間之間得以匹配（阻抗匹配），從而使產(chǎn)生的聲音最有效地幅射到清灰空間去。

（7）聲波清灰器工作時(shí)，由于其主頻避開(kāi)了鍋爐設(shè)備的固有頻率和二次諧振，因此不會(huì)對(duì)鍋爐設(shè)備造成任何傷害。

（8）利用聲波來(lái)清灰，相對(duì)傳統(tǒng)蒸汽吹灰器減少了蒸汽量，消除了蒸汽直接吹灰對(duì)爐管的磨損和腐蝕等副作用，降低了爆管機(jī)率，提高了鍋爐可靠性，是傳統(tǒng)蒸汽吹灰器的理想換代產(chǎn)品。

（9）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于現(xiàn)場(chǎng)安裝操作，維護(hù)量小，自動(dòng)化程度及可靠性高。

（10）控制系統(tǒng)采用PLC控制，設(shè)有缺相、短路、過(guò)載等自動(dòng)保護(hù)，可自動(dòng)越過(guò)發(fā)生故障的清灰器而不影響其它在用設(shè)備的運(yùn)行，對(duì)故障設(shè)備控制柜進(jìn)行故障提示。

5 新型聲波脈沖式清灰器參數(shù)表

最大頻率　250Hz工作頻率　130～160Hz連續(xù)程控調(diào)節(jié)聲壓　≥160dB聲功　≥5000W爐外噪音　≤80dB軸向清灰距離　18米徑向擴(kuò)散距離　10米工作介質(zhì)　高壓蒸汽介質(zhì)壓力　1.5～3.8MPa介質(zhì)流量　200～800Kg/h最大外型尺寸　φ500x1670mm安裝開(kāi)孔尺寸　φ400mm電動(dòng)機(jī)　380V 1.1KW 3相4極整機(jī)單臺(tái)重量　170Kg控制柜　因控制清灰器數(shù)量而定功能　采用PLC程序控制與變頻調(diào)速技術(shù)，自動(dòng)運(yùn)行。電動(dòng)球閥電源　220V 180VA介質(zhì)　蒸汽電源條件　AC380/220V 25A

6 新型蒸汽脈沖式聲波清灰清裝置使用前后效果對(duì)比

通過(guò)以上現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用，對(duì)鍋爐過(guò)熱器、省煤器及空氣預(yù)熱器以及鍋爐管束等復(fù)雜的換熱面積灰清理干凈、徹底，不留死角，可以使受熱面露出金屬顏色，有效的解決復(fù)雜受熱面和復(fù)雜空間積灰的清理這一難題，提高鍋爐效率以及鍋爐的可靠性，給企業(yè)帶來(lái)較好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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