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，尤其煤燃燒時，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300MW的鍋爐每晝夜的飛灰量可達到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)機壓頭不足而被迫降低鍋爐出力。總之，積灰會使鍋爐技術(shù)經(jīng)濟指標下降，浪費能源，給企業(yè)帶來極大的經(jīng)濟損失。因此，減少或杜絕鍋爐受熱面的結(jié)渣和積灰是對鍋爐工作安全性、經(jīng)濟性的保證。

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)，因此我們在此主要分析疏松灰的特性。

所謂疏松灰是指積灰在形成的過程中沒有進行化學(xué)反應(yīng)，灰層中沒有粘結(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流過熱器、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，積灰嚴重時甚至導(dǎo)致煙氣流通截面的堵塞。

疏松灰沉積的過程有兩個，其一為灰粒沉落在受熱面上，其二為更大直徑的灰粒對已經(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過程的綜合結(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灰粒。

我們對于積灰問題的研究結(jié)論如下：

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

燃煤機組煙氣中攜帶的飛灰一般均≤200μm，大部分都在30μm以下。經(jīng)過研究，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顆粒甚至可以穿過鋼管的氧化層而與金屬基材接觸。

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

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

（3）疏松灰的形成過程中，煙氣中的大灰粒對積灰層有磨蝕作用，因而積灰層在增長到一定程度就會停止增長，達到一種動態(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（順列布置或錯列布置）有關(guān)。

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

（6）煙氣中灰的濃度對穩(wěn)定時積灰層的形狀和大小沒有關(guān)系，只是影響達到此積灰層的時間。

3 目前市場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)對積灰部位進行直接吹掃。

優(yōu)點：在其有效作用范圍內(nèi)清灰力度強、當時效果明顯。短吹適合爐膛水冷壁清灰，長吹適合鍋爐尾部清灰。

缺點：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：燃爆式是將可燃氣體和氧氣在瞬間混合點火發(fā)生爆燃，利用爆炸沖擊波清灰；空氣炮是使用儲存壓縮空氣并瞬間釋放，以其噴發(fā)沖擊波進行清灰。

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

缺點：燃料與空氣的配比要求嚴格，意外時會造成很大事故。并且沖擊波受到阻擋之后衰減很快，對管壁背面很難清理，對設(shè)備造成損壞的機率大，應(yīng)用于鍋爐尾部復(fù)雜空間的受熱面積灰時時清灰效果受限，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)生較強低頻聲波，以聲能進行清灰。

優(yōu)點：利用低頻聲波可以繞射的特點作用，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)無死角，結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝及操作，維護工作量小，運行維護費用低。

缺點：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

我們研究了國內(nèi)外的各種聲波清灰器結(jié)構(gòu)，并對許多國內(nèi)使用該類清灰器的用戶進行了咨詢后發(fā)現(xiàn)，目前市場上應(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，均不能達到用戶期望的清灰效果。

經(jīng)過我們大量的試驗研究發(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）強在130 dB以下的聲波基本上不清灰，聲強小時清灰效果差。

（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，我們對國內(nèi)的聲波清灰器的波形、頻率、聲強進行了整定和優(yōu)化，開發(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

相比其它聲波清灰器，其特點為：

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

（2）采用了徑向進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，經(jīng)測試：清灰器出口實測聲強為≥160dB，聲功率≥5000W，軸向有效清灰距離大于10m、徑向擴散距離8m。

對鍋爐過熱器、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）。

對清除鍋爐過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)帶來較好的經(jīng)濟效益。

（5）采用調(diào)頻電機調(diào)頻，并程序設(shè)置其在一定的頻率范圍內(nèi)自動調(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）號筒按照指數(shù)曲線設(shè)計，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，由于其主頻避開了鍋爐設(shè)備的固有頻率和二次諧振，因此不會對鍋爐設(shè)備造成任何傷害。

（8）利用聲波來清灰，相對傳統(tǒng)蒸汽吹灰器減少了蒸汽量，消除了蒸汽直接吹灰對爐管的磨損和腐蝕等副作用，降低了爆管機率，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)簡單、易于現(xiàn)場安裝操作，維護量小，自動化程度及可靠性高。

（10）控制系統(tǒng)采用PLC控制，設(shè)有缺相、短路、過載等自動保護，可自動越過發(fā)生故障的清灰器而不影響其它在用設(shè)備的運行，對故障設(shè)備控制柜進行故障提示。

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安裝開孔尺寸　φ400mm電動機　380V 1.1KW 3相4極整機單臺重量　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)，自動運行。電動球閥電源　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比

通過以上現(xiàn)場實際實驗及應(yīng)用，對鍋爐過熱器、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)帶來較好的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

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