空氣型干涉激波在余熱鍋爐上的應用

何志鋒

（江西銅業（德興）化工有限公司，江西 德興 334224）

1 引言

我國是硫酸生產和消費大國，從制備方式大致有三類：硫鐵礦制酸、冶煉煙氣制酸、硫磺制酸。我國硫鐵礦資源豐富，可穩定供應，對硫酸工業的穩定發展具有重要作用。硫鐵礦制酸過程中每生產1噸硫酸，產生的廢熱量為7.1x106kJ［1-2］。為了有效回收制酸過程中釋放的大量熱能，減少能源浪費，通常使用余熱鍋爐來回收這部分熱量［3］。

在實際生產中，硫鐵礦沸騰焙燒爐出口溫度在800～900℃。高溫含塵煙氣進入余熱鍋爐與受熱面進行熱交換，煙氣中粉塵與受熱面之間易黏附，逐漸積累，形成積灰層。積灰層的存在會大大降低鍋爐的熱效率，灰垢的熱系數約為0.1W/(m.K)，當鍋爐換熱面積灰增加1 mm時，熱效率就會下降4%～5%［4］。不僅如此，余熱鍋爐的積灰問題，會導致鍋爐出口溫度升高，系統負荷加重，造成不必要的停機，并且會增加企業維護成本，降低了企業的經濟效益。因此及時清除余熱鍋爐換熱面上的積灰，是提高余熱鍋爐熱回收，增加發電量，維護設備正常穩定，安全運行，提高企業經濟效益的重要手段［5］。

2 國內常用清灰方式

目前，國內采用的清灰方式主要有以下幾種：（1）機械振打；（2）聲波清灰；（3）爆燃清灰；（4）空氣激波清灰（空氣炮）；（5）蒸汽吹灰［6-7］。

（1）機械振打的原理：通過電動機作為動力，借助變速器帶動曲軸，通過反復的機械錘擊，使黏附的積灰碎裂脫落。其優點是結構簡單，成本低，且不會對爐內煙氣增加額外介質。但是，由于其頻繁對鍋爐管道進行沖擊，會對鍋爐管道和焊口等位置產生影響，減少使用壽命。傳動連桿布置在煙道內，空間狹小，脫鉤、脫焊無法維護，并且這種方法對黏附性的積灰清除效果不理想。

（2）聲波清灰原理：聲場中的煙塵始終處于懸浮流化狀態，避免煙塵與管壁粘附，生成積灰層。由于聲波屬于微弱擾動波，處于聲場中的質點僅產生有限震動，不能產生位移，因此無法清除管壁逐漸生長的積灰層，特別是黏結性積灰。在實際使用中，聲波清灰對于鍋爐換熱面積灰有一定的預防作用，其優點是對鍋爐內管道沒有機械性損傷。聲波設備安裝在鍋爐外部，便于維護。

（3）爆燃清灰是利用乙炔，天然氣等可燃氣體，與空氣按一定比例混合，通過爆燃罐瞬時燃燒產生的沖擊波和高速氣流，對積灰層產生作用，達到清灰效果。爆燃清灰效果比較理想，但存在以下不足：1.因采用可燃氣體，存在安全隱患，增加一線管理成本，特別是高腐蝕行業，爆燃罐泄露燃燒、噴火現象時有發生，威脅現場巡視人員生命安全；2.安裝數量大、運行費用高，后期維護成本也較高。

（4）空氣激波清灰（空氣炮）利用破膜效應，即壓力罐出口閥門采用機械控制，理論上實現瞬時開啟，高壓氣體噴出與前鋒低壓氣體瞬時接觸生成一道激波，對積灰層產生作用。在實驗室條件下，破膜原理是指在高壓管一端采用膜片封閉，當氣體壓力達到一定閥值，膜片瞬時（1～2μs）破碎生成激波。實際應用中，機械開啟閥門方式很難達到微妙級時間，產生的激波較弱且為一次噴吹，清灰效能有限，設備安裝數量大。其優點是設備結構簡單，安裝方便。

（5）蒸汽吹灰是采用過熱蒸汽為介質的一種機械清灰方式。其吹灰介質壓力高，噴射速度快，對黏附性積灰可以較好的清除，但是設備結構復雜，吹灰有死角，清灰不完全。在硫酸生產工藝中，由于蒸汽中有水汽存在，會與三氧化硫反應產生硫酸，對設備產生腐蝕，對生產設備帶來損害。

3 空氣型同頻干涉激波

激波是一種劇烈的壓縮波，空氣在經過激波面后會受到急劇壓縮，對積灰產生一種先壓后拉的作用，使積灰面上的灰垢因瞬間沖擊而破碎。導入積灰中的折射波，在基底與灰層零界面處受阻，與入射波相互作用產生剪力，使積灰與基底分離，達到徹底清灰效果。

空氣型同頻干涉激波清灰技術根據以上原理研發而成。激波發生器將壓縮空氣(氮氣) 勢能轉化為連續周期脈沖射流，通過二次加速并瞬時同步壓縮，生成數道壓縮波/激波。同頻、同相、同向壓縮波/激波在干涉管干涉疊加生成每秒46 道強激波，并輸送至積灰空間內，連續激波在有限空間內反射疊加，形成模糊等效激波場。在有效激波場內，清除積灰結渣不留死角死區［8］。

3.1 空氣型同頻干涉激波系統構成

同頻干涉激波系統由激波發生器主機、干涉管、PLC 控制柜、電磁閥、壓縮空氣氣源組成，見圖1。

圖1 空氣型同頻干涉激波系統圖

其中激波發生器主機可以瞬時將壓縮空氣轉化為連續周期性超音速射頻，同步壓縮生成向前運動的數組壓縮波。干涉管將同頻、同相、同向的數組運動壓縮波干涉疊加，生成連續激波。PLC 控制柜對激波發生器進行程序化，實現自動化控制。

3.2 空氣型同頻干涉激波系統優勢

（1）空氣型同頻干涉激波系統通過使用壓縮空氣進行轉化，無安全隱患，運行可靠。

（2）形成模糊等效激波場，在有效激波場內，清除積灰結渣不留死角死區。

（3）安裝簡單，直接安裝在鍋爐外部，布局靈活，可根據現場實際情況對激波發生器位置進行調整，使清灰效果最大化。

（4）設備主機采用免維護設計，在鍋爐計劃運行周期內無需維護保養。

（5）激波發生器實現自動控制。在現場通過可編程序邏輯控制器（PLC）可以實現對多臺激波發生器的同時自動控制，簡化了外部系統的結構，保證設備的全自動運行。

（6）運行成本低廉。每臺年運行成本1100～1500元。

4 空氣型同頻干涉激波清灰技術在余熱鍋爐上的使用

江西銅業（德興）化工有限公司#1硫鐵礦制酸裝置設計能力為100 kt /a，余熱回收采用15 t /h立式W型鍋爐。該鍋爐設計為一組過熱器，兩組蒸發器。在二煙道、三煙道、四煙道中部均配備機械振打清灰裝置。在運行過程中，機械振打效果不理想，鍋爐系統阻力增大，鍋爐出力不足，過熱蒸汽溫度下降至350～370℃，排煙溫度據高不下，致使發電能力降低，熱能浪費。停爐檢修時發現，過熱器、蒸發器積灰結渣嚴重，特別是二煙道上部出口及三煙道入口基本完全堵塞，形成灰墻。由于堵塞導致煙氣偏流，過熱器、蒸發器磨損嚴重。2019年11月該鍋爐進行了技改，依據積灰空間部位，布置安裝了6臺BCJK 型同頻干涉激波發生器主機，配置1臺PLC 控制柜。

4.1 安裝位置

二煙道（過熱器）布置3臺清灰設備主機，過熱器入口1臺，中部1臺，出口1臺；三煙道入口1臺，出口1臺；四煙道出口1臺；見圖2。干涉激波輸送管與鍋爐膜式壁采用軟聯接，避免震動。

圖2 激波發生器安裝位置示意圖

4.2 運行模式

6臺干涉激波發生器沿煙氣流方向依次編號#1-#6，儲氣罐氣源壓力保持在0.65 ～0.7 MPa。

該干涉激波系統采用自動化間歇式運行方式，逆向依次單臺清灰。首先，儲氣罐氣源壓力達到0.65 MPa閥值時，#6干涉激波發生器自動運行，清灰4s后停止；當儲氣罐氣源壓力再次達到0.65 MPa閥值時，#5干涉激波發生器自動運行，清灰4s后停止，逆向依次到#1干涉激波發生器運行清灰結束。再間隔1h后，#6干涉激波發生器重新啟動清灰，第二個清灰周期開始，循環往復清灰。

4.3 應用效果與分析

2019年11月#1制酸系統停機檢修，期間安裝了干涉激波清灰裝置。本年11月底制酸系統開車，同頻干涉清灰系統隨即投入運行。2020年2月底臨時停車，工作人員穿隔熱服進入余熱鍋爐內部檢查，過熱器受熱面清潔無積灰現象，三煙道蒸發器無新積灰現象，多年板結積灰層脫落。

在4個多月投運中，干涉激波清灰系統運行穩定可靠。余熱鍋爐蒸汽溫度保持在410℃以上，煙道壓損穩定。余熱鍋爐排煙溫度曲線見圖3。

圖3 近期排煙溫度變化圖

從圖中可以看出，技改后系統運行四個多月，相比較安裝激波清灰系統之前，排煙溫度穩定在320℃左右。證明安裝激波清灰系統后鍋爐內部積灰結渣得到有效清除，換熱效率提高，鍋爐系統保持穩定運行。

5 結論

空氣型同頻干涉激波清灰系統能夠產生連續干涉激波，在非自由場內生成激波場，能有效清除黏結性積灰，保持鍋爐效率。該系統采用壓縮空氣為介質，安全可靠，運行費用低廉；免維護設計，故障率低，在檢修期內基本無維護。采用PLC控制系統，實現全自動化運行減少人力成本。鍋爐設備外部安裝，布局靈活。