ENSG－30000－125可調頻高聲強聲波吹灰器除垢機理分析

劉宇清，嵇正毓，張榮初

(南京常榮噪聲控制環保工程有限公司，江蘇南京 210008)

ENSG－30000－125可調頻高聲強聲波吹灰器除垢機理分析

劉宇清，嵇正毓，張榮初

(南京常榮噪聲控制環保工程有限公司，江蘇南京 210008)

目前國內燃煤電廠濕法煙氣脫硫裝置常因為GGH堵塞而被迫停運，為了解決這個問題，介紹了一種利用高聲強聲波吹灰器結合高壓水沖洗，徹底解決GGH結垢堵塞的方法，并對高聲強聲波吹灰器的除垢機理進行了分析，認為高強聲波的推拉作用可使換熱器表面的硬垢因聲致疲勞而松動、脫落，同時，降低灰垢在換熱器表面的附著力。另外，針對強聲波對GGH的機械作用力進行了平衡分析，認為在強聲波環境下GGH運行是安全的。

高聲強;GGH;聲波吹灰器;結垢堵塞;力平衡

1 濕法煙氣脫硫工藝的困境

為了保護大氣環境質量，對燃煤電廠排放的煙氣進行除塵、脫硫處理具有十分重要的意義。目前，國內燃煤電廠均采用布袋除塵器或電除塵器，可以使煙氣中粉塵的去除率達到99%以上，效果顯著。但是燃煤電廠煙氣脫硫工作遠不及除塵順利，國內還有相當數量的電廠沒有采取脫硫措施，那些采取了脫硫措施的電廠大多數采用石灰石—石膏濕法煙氣脫硫工藝，雖然其脫硫效率高，工藝相對成熟，但經常因為GGH堵塞而被迫停運。

GGH是濕法煙氣脫硫系統中負責對原煙氣和凈煙氣進行熱交換的裝置。在濕法煙氣脫硫工藝中，未脫硫的原煙氣溫度較高，需將其溫度降低，以提高對煙氣中SO2的吸收效率;另一方面脫硫凈化后的煙氣溫度一般只有47～51℃，需要將煙氣溫度升高后才能從煙囪排放，否則低溫煙氣容易腐蝕煙道，且不利于煙氣擴散，造成近距離的大氣環境污染。但是，在熱交換過程中原煙氣中的MgO、ZnO等金屬氧化物會與附著于GGH壁面上的冷凝酸(SO2、SO3)反應生成MgSO4、ZnSO4等物質;凈煙氣中的石灰石漿液與煙氣中的SO2、SO3反應也會生成CaSO3、CaSO4物質。這些生成物沉積在換熱元件表面上，并結晶形成很難處理的硬垢，造成GGH換熱效率降低，能源消耗增加，嚴重時會造成煙道徹底堵塞，影響到系統的安全運行。

為了解決石灰石—石膏濕法脫硫系統運行中存在的GGH結垢堵塞問題，目前國內外燃煤電廠均采用高壓水沖洗或蒸汽吹掃［1］，但是這種處理方法只能起到延遲堵塞作用而不能根本解決GGH的堵塞問題。一般情況下，電廠濕法煙氣脫硫系統的GGH運行2～3個月就必須停機清洗，給電廠造成很大的經濟損失。鑒于這種情況，近年來國內部分已建和新建電廠不得不停運煙氣脫硫裝置，讓含高濃度的SO2煙氣直接由煙囪排放到大氣中，對大氣環境質量產生很大的危害。

2 高聲強聲波吹灰器的除垢機理

南京常榮噪聲控制環保工程有限公司利用其高聲強聲波吹灰器對GGH的換熱元件表面進行間斷性噪聲輻射，并適當結合高壓水沖洗，解決了GGH結垢、堵塞難題。2010年4月高聲強聲波吹灰器在河南裕中電廠2號機組GGH上試裝，由于除垢效果顯著，同年9月又在裕中電廠1號機組和沁北電廠4號機組GGH上安裝，3臺機組自安裝高聲強聲波吹灰器后從未發生過GGH堵塞事件。

傳統聲波吹灰器是用來對換熱元件進行清潔的聲學裝置，其吹灰的機理研究報道較多，主要是利用聲波的機械能使灰塵產生振蕩脫離換熱器表面［2］。但是GGH換熱元件表面是堅硬的CaSO4、MgSO4等物質，其與換熱器表面結合牢固，用高壓水、高熱蒸汽也不能將其沖落，一般的聲波吹灰器更是對之無能為力，ENSG－30000－125可調頻高聲強聲波吹灰器又是如何清除換熱元件表面上的硬垢呢?

2.1 聲波形成的力的推拉作用

高聲強聲波是一種機械波，空氣中的聲波使空氣分子產生振動，在邊界層振動的空氣分子必然帶動相鄰的介質分子振動，并產生兩種效果:一是聲能透射到相鄰介質中并使之形成固體聲波;二是由于空氣分子與相鄰介質分子之間的粘滯力，聲波相當于施加給相鄰介質一個作用力，使表面介質分子被聲波來回推拉［3－4］。

在高聲強聲波吹灰器除垢過程中，聲波對換熱器表面的硬垢也存在上述兩種效果，第一種效果并不能對除垢產生多大的積極作用，但第二種效果顯著。主要表現在兩方面，一方面是聲波吹灰器發出的壓力波周期性地改變換熱器表面的縱向壓力梯度，使微粒難以在管束表面沉積;另一方面使附著在換熱器表面的硬垢被來回地推拉，使其不斷地壓縮和伸張。設其某一時刻對表面上垢的作用力如圖1所示，經過半波長以后，力的作用方向就完全相反，表面硬垢的位移和堆積也完全相反。因為聲波對表面硬垢的反復作用，每秒鐘達數十次到數百次，使其因聲致疲勞而斷裂，并逐步松動、脫落。此外，當表面硬垢斷裂后，GGH中空氣和水分子就浸入到裂縫中，加速了垢的松動和脫落。

圖1 聲波對GGH表面硬垢的作用力示意曲線(T為聲波周期)

2.2 對結垢強度的影響

高強度的聲波能去除沉積在換熱器表面的大部分硬垢，但仍有部分硬垢不能清除，這部分不能清除的硬垢雖然附著在換熱器表面，但其附著力已經大大降低。這是因為硬垢的粘接強度與沉積時間的平方根成正比［5］，由于聲波不斷地對硬垢來回的作用力使其不能有足夠的時間沉積下來并與換熱器表面分子緊密結合，這就如同混凝土澆注后不經過足夠時間的保養其強度降低是一個道理。

MgSO4、ZnSO4、CaSO3、CaSO4等鹽類物質在沒有干擾的情況下可以牢固地貼附在金屬表面，用高壓水、蒸汽是不能去除它們的，但由于聲波的作用，使它們在沉積和固著過程中大部分被聲波來回振蕩而松動脫落，即使有少量勉強附著到換熱器表面上，其附著力的強度已經大大降低，只要用高壓水一沖洗，污垢就從表面脫落下來，這就是聲波吹灰器降低結垢強度所產生的效果。

2.3 強大的機械作用力

ENSG－30000－125可調頻高聲強聲波吹灰器發聲功率達30000W，其聲功率級在165dB。聲波經過特制的指數形喇叭傳送到GGH內，到達換熱器上的聲壓級雖然經過幾何擴散衰減仍然高達150dB左右，換算成壓力約為316Pa，這相當于作用在換熱器表面硬垢上的作用力達到31kg/m2。換熱元件表面上的硬垢是慢慢沉積下來的，硬垢的厚度很薄，在受到如此大的力來來回回地推拉，必然會因聲疲勞而斷裂、松動，以至脫落。

目前，市場上一般的聲波吹灰器的聲功率級都小于150 dB，其聲波通過一段圓管向換熱器表面傳輸，沒有經過專門的聲學設計，聲波傳輸過程中除幾何擴散衰減外，還存在截面突變衰減，聲波到達換熱器表面時的聲壓級在120～130dB之間，換算成壓力為1～10Pa，約0.1～1.0kg/m2。這樣的作用力吹掃干灰是可以的，但去除硬垢就力不從心了。

3 高聲強聲波吹灰器對設備安全的影響

由上述分析可知，高聲強聲波吹灰器發出的聲波對GGH表面的機械力達到31kg/m2，這么大的力作用于GGH設備上是否會對設備產生損壞?下面我們對聲波的作用力作進一步的分析。

圖2是ENSG－30000－125可調頻高聲強聲波吹灰器的聲波傳輸過程示意。

圖2 高聲強聲波吹灰器對換熱片的作用力分析

高聲強聲波通過指數形喇叭進入換熱器內，該指數形喇叭可以將聲波近似以平面波的形式送達換熱器表面，使GGH內同一高度上聲波的相位相同，瞬時聲壓相等。處于高聲強聲場中的換熱片任何點，有時處于高聲壓聲場中，有時處于低聲壓聲場中，由于聲壓是標量，它作用于換熱片表面形成的力的方向就是換熱片表面的方向，由于換熱片是對稱的，因此聲波對換熱片的作用力相等，方向相反。因此，無論何時聲波作用在換熱片表面的力是對稱的，整個換熱片所受到的高聲強聲波的總作用力為零，因此GGH中的換熱片或整個換熱器不會因高聲強聲波的作用力而損壞。這就象人處于大氣壓包圍中感覺不到大氣壓力一樣，但是如果存在側面風，人就感覺到風壓的力量了。同樣對于GGH圓形外殼，其相對于高聲強發生器基本上也是對稱的，高聲強聲波對其產生的總作用力也很小。

對于單一頻率的聲波而言，其作用于換熱片或GGH圓形外殼不同高度處的聲壓是不一樣的，可能位于聲壓峰值與谷值的聲壓差高達85kg/m2，但是該壓差不會引起換熱片或GGH圓形外殼整體振動，只會引起結構內部的應力變化，一般的換熱片和外殼強度足以承受得起。如果考慮到整個頻率范圍的聲壓作用，因不同頻率之間的相位差而引起結構內應力變化在很大程度上會相互抵消。

高聲強聲波吹灰器通過指數形喇叭使聲波以平面波的形式傳播，確保作用于換熱器上的力相互平衡，正常情況下不會對設備產生破壞作用。但是如果聲壓作用于GGH某個零部件上的力存在不平衡，且聲波頻率與該零部件的固有頻率相同，就可能產生共振。為了防止這種情況對設備的破壞，ENSG型高聲強聲波吹灰器可以通過調頻的手段避開該部件的共振頻率，保證設備的安全運行。

4 結語

高聲強聲波吹灰器能夠徹底清除GGH換熱器表面的硬垢，解決了燃煤電廠濕法煙氣脫硫中GGH堵塞問題，確保系統安全運行，對我國的燃煤電廠污染物治理工作具有一定的意義。

［1］佟小朋，安連鎖，胡海燕.鍋爐聲波吹灰技術的應用探討與展望［J］.電力科學與工程，2002，(4):58－61.

［2］КЯАР Х А，王秉治.用聲波清除鍋爐受熱面的松散粘著物［J］.鍋爐技術，1987，(3):15－21.

［3］姜根山，辛曉東，田 靜.聲波除灰的能量傳播優勢［J］.中國電力，1999，32(9):32－33.

［4］趙玉坤.鍋爐聲波吹灰器應用探討［J］.電站系統工程，1998，14 (9):33－35.

［5］邱立新.低頻聲波在鍋爐中清灰、除渣的應用技術研究［D］.北京:華北電力大學，2001.

Analysis of dust－cleaning mechanism of high intensity sonic soot blower

At present，due to gas heat exchanger(GGH)blocked，the wet flue gas desulfurization systems of coal－fired power plant in domestic are often forced outages.The production of using high intensity sonic soot blower combined with high－pressure water washing which can completely solve the problem is introduced.The dust cleaning mechanism of high intensity sonic soot blower is analyzed and it is concluded that，due to ceaseless pushed and pulled by the strength of high intensity sound waves，the hard scale of heat exchange become loose and finally dislocated.The other side，by the effect of high intensity sound，the adhesion between scales with the heat exchanger reduced greatly.In addition，It is analyzed that the mechanical forces on the GGH of high intensity sound are balanced and the GGH is safe when operating in strong acoustic environment.

high intensity sound;GGH;sonic soot blower;scale blockage;equilibrium

X701.3

B

1674－8069(2012)01－060－03

2011-10-20;

2011-12-14

劉宇清(1979-)，男，江西新余人，工程師，碩士，主要從事噪聲與振動控制方面研究工作。E－mail:lyq197965@yahoo.com.cn