聲波吹灰技術在電廠鍋爐中的應用

黨高峰

（中煤能源新疆煤電化有限公司，新疆 昌吉 831799）

0 引言

長期以來，鍋爐、加熱器的積灰、結焦是困擾鍋爐受熱表面換熱效率的難題，是造成工作效率降低的重要因素。如果積炭達到了一定規模，就會導致爐身腐蝕，導致意外停機，導致巨大的經濟損失。為此，開發和應用了蒸汽吹灰器、高壓水力吹灰器、鋼珠（振動）除灰器。但是，這些裝置都有一定的局限性，如清除面積小、死角大、能源消耗大、維護成本高。

鍋爐積炭是由多種因素引起的，其中的燃料組成、鍋爐的物理、化學性質、鍋爐負荷和燃燒條件等因素都會對鍋爐的積灰造成一定的影響。具體來說，有高溫粘結灰、低溫粘結灰、松散灰。高溫粘結灰主要出現在高溫區和高溫對流面，尤其是在重油燃燒過程中，由于燃料中的鈉、鉀、硅、鈣、磷等元素在燃燒過程中升華，遇到低溫管壁，會產生凝結，并與煙氣中的SO 結合，產生不同的熔鹽，捕獲大量的灰燼。

低溫粘結灰通常出現在氣流預熱器和冷卻階段，因為灰渣顆粒中含有大量的碳顆粒，將煙氣中的硫酸根、亞硫酸根和水吸收，在受熱面上沉積或凝結，產生強腐蝕性，如硫酸亞鐵。松散灰主要分布于對流段、氣流預熱器、節煤器、集塵機等各個部分，占總積灰總量的60%，且容易清理，但其熱阻較大，對熱效率的影響尤其顯著。

1 聲波吹灰的概念

聲波吹灰技術是利用聲場的能量，對鍋爐換熱器表面積灰、結焦進行凈化。該裝置是將某一強度的聲波送入正在運轉的爐膛，利用聲能作用，引起氣流分子和塵埃的振動，破壞并阻礙粉末在管壁表面或顆粒間的粘附，使其始終保持懸浮狀態。

聲波能傳遍整個空間，將爐身所有地方的灰塵全部清理干凈，不會對設備造成腐蝕，也不會造成管道表面的磨損和破損[1]。

根據對氣流的調節，聲波的產生可以分為笛形氣流聲源、諧振腔和圓板哨。其中國外的聲波除灰設備多為圓盤型，而我國的消音器則以低頻率的旋笛型吹灰器為主。

2 吹灰器類型

2.1 蒸汽吹灰器

2.1.1 工作原理

蒸汽吹灰器采用高溫、高壓的水蒸氣經過連續改變的噴嘴，以極高的速度噴射，將受熱面上的積灰吹走，并隨著煙塵被吹走，使積存的灰渣破裂掉落。

2.1.2 主要型式

蒸汽吹灰系統包括三大系統：吹灰管、吹灰器、程序控制系統；吹灰器有：爐膛吹灰器、長伸縮吹灰器、氣流預吹灰器。蒸汽吹灰器采用電傳動，氣門采用機械方式打開，并設有調節蒸氣壓力及流量的調節，吹灰管道采用高強度的合金鋼。

2.1.3 技術性能特征

蒸汽吹灰器是傳統的吹灰器，其高溫、高壓蒸汽直接吹掃受熱表面，對灰渣、灰熔點高、灰熔點高的灰渣具有良好的清洗效果。它的主要優點和不足較為明顯，其中優點：①能夠安裝在鍋爐的所有部分，能夠對爐膛、水平煙道和尾井的受熱表面進行直接吹灰。②對結渣、灰熔點低、粘性灰渣有良好的作用。③從鍋爐直接引入蒸汽，按照設置的流程進行吹灰。④短吹灰裝置工作穩定，長吹灰裝置的可靠性更高。缺點：①吹灰消耗蒸汽，降低煙氣露點，增加鍋爐補給水；②吹灰僅可除去被吹入的受熱表面，且存在死角。③伸長型吹灰器的伸縮部件容易發生變形、卡滯、受熱表面被蒸汽吹傷而爆裂，維修工作量大、結構尺寸大、占地面積大。

2.2 燃氣脈沖激波吹灰器

2.2.1 工作原理

燃氣脈沖激波吹灰器的工作原理是采用氣流與可燃氣體（例如：氫氣、乙炔氣、煤氣）等；液化氣體、天然氣等）按一定比例混合，用專用容器攪拌，并用高溫點燃，使其發生爆炸；瞬時產生的巨大聲能和大量高溫、高速的氣體，以激波形式震蕩、撞擊、沖刷著受熱面的管束，將其表面的灰塵吹散，并隨煙塵而去。

2.2.2 燃氣脈沖激波吹灰器的不足

然而，這種技術也有一些缺陷，首先，它適用于鍋爐，因為燃燒后容易產生的高溫煙霧和氣體泄露，所以目前它僅適用于尾煙管的下部，例如氣流預熱器。其次，由于工作介質是易燃易爆氣體，如果設計結構不當，會造成產品質量問題；這些都容易導致易燃性氣體的泄露，對爐膛和周圍環境產生危害。再次是比較復雜的，需要更高的控制系統。最后，無穩定的氣體來源，需要經常替換。優勢：①沖擊波能量大，適用于疏松的泥沙和粘性的泥沙。②整個系統具有結構簡單、不需要旋轉的機器、操作程序、維護工作量少的特點。③體積小，占地面積少。缺點：①吹灰需要使用氣體，需要定期進行氣流供給。②吹灰對豎向沖擊面的影響較大，且吹灰存在盲區。③長時間的吹灰會對固定的受熱表面造成侵蝕，所以要注意煤氣的安全。

2.3 聲波吹灰器

工作原理，聲波吹灰器有雙音雙頻聲波吹灰器和單音單頻聲波吹灰器兩種，它們的聲音原理不同，雙音雙頻聲波吹灰器是將高壓氣流通過一高音高頻發聲哨所產生的高音高頻聲波與一低音低頻聲波發生罩所形成的低音低頻音波進行耦合疊加，產生一種雙音雙頻帶狀頻率聲波；單音單頻率聲波吹灰器是通過金屬薄膜、喇叭、發聲共振腔或其他聲學部件的壓縮氣流或蒸汽發出強烈的聲響[2]；聲波在煙道或爐膛中傳播，引起煙塵中的粉塵顆粒同步振動，由于聲波振動，使得粉塵顆粒很難接近積灰表面，同時還能將積存在加熱表面的粉塵進行分解，以實現清灰。優點：①利用聲波與灰渣、灰渣產生振動、諧振，適用于疏松的粉塵。②吹灰裝置結構簡單、可靠、不需要旋轉的機械、操作程序、維護工作量小。③聲波能到達其他吹灰器所不能到達的地方，而不會留下任何盲點。④不吹損、不腐蝕、不影響受熱表面的管壁，降低了操作費用。缺點是產生的聲能能量有限，影響了其使用范圍。

根據三種吹灰器工作原理、技術特點及實際應用情況，其主要技術性能比較如下：①蒸汽吹灰器，吹灰介質為蒸汽，每隔8h 吹灰一次，設備系統較為可靠。系統復雜，吹灰有死角運行費用高。長吹灰器易受熱變形卡死引起爆管，維護量大，裝置占地面積大，運行費用較高。②燃氣脈沖激波吹灰器，吹灰介質為乙炔或液化，每隔7～15d 運行一次，一般為0.5h，設備系統簡單，功率大。運行成本高，吹灰有死角，燃氣有安全問題，設備運行費用適中。③聲波吹灰器，吹灰介質為壓縮氣流或蒸汽，每隔2～4h 發聲—次，每次發聲30～60s，設備系統簡單，使用安全，維護量較小，成本低。能量低，運行費用最低。

從三種吹灰器的技術特點看，在鍋爐爐膛、屏式受熱表面吹灰除焦時，蒸汽吹灰器仍然是首選，與聲波吹灰器搭配使用，效果更好。三種類型的噴灰器都可以用于尾部加熱（低溫過熱器，省煤器，管式氣流預熱器），對于粘性粉塵，宜選用脈沖氣體吹灰器。對于旋轉式氣流預熱器，宜選用聲波吹灰和氣體脈沖激波吹灰，或使用蒸汽吹灰，前者在啟動階段就能使用。

3 鍋爐吹灰系統的組成部分

采用不同的鍋爐和不同的燃煤，設置吹灰器的數量、種類、方式和吹灰參數都是不一樣的。但是，通常情況下，鍋爐的吹灰器包括三個部件。吹灰介質管閥部分，主要由主汽源閥、副汽源閥、降溫降壓站、分支式疏水閥門組成、檢測吹灰介質溫度，壓力，流量等檢測裝置。吹灰清掃設備部分，包括安裝在不同型號、不同行程和不同行程的鍋爐各受熱表面上的吹灰器。例如湖北鍋爐輔助設備廠的L 型爐子、G 型固定轉動系列、C型長伸縮式系列等吹灰設備。吹灰系統程控裝置部分，包括控制柜，電源柜。吹灰程序控制設備在鍋爐吹灰系統中起著舉足輕重的作用，是保證鍋爐吹灰系統安全、可靠的關鍵。中央控制器采用PLC，實現了吹灰流程的柔性，可以根據鍋爐制造商所提供的吹灰流程，實現了整個吹灰系統的協調；實現了鍋爐吹灰設備的自動、遠程、就地電動操作，并具有狀態顯示、故障報警、聯鎖保護等功能，可滿足吹灰作業的需要。吹灰控制系統中控制箱的構成：包括可編程控制器，電源，顯示板；由小型繼電器、接線端子排構成，與動力箱連接，由端子排、電纜連接，維修人員可利用編程器對操作程序進行修正。吹灰控制系統的動力箱體結構，包括一組交流接觸器，氣流開關，中間繼電器；由熱繼電器和接線端子構成，用于對各種類型的吹灰和各種電氣閥門進行控制。

4 電廠聲波吹灰系統改造應用方案

鍋爐水平煙道改造方案。鍋爐機組的水平煙管位于爐膛出口，此位置煙溫高，通常（900～1300℃），煙塵中含有大量的灰分，大顆粒的灰分很容易在這個位置堆積，導致了煙道內的灰塵堆積，導致了不少問題。

案例：華能玉環電廠2 號機組1000MW（機組）水平煙道改造方案

工程概況：哈爾濱鍋爐廠根據三菱重工股份有限公司的技術，研制成功了1000MW 超臨界變壓運行的華能玉環電站。采用П 型布置、單爐膛、反向雙切式循環燃燒，爐膛采用內螺旋管豎直向上膜式水冷壁，循環泵啟動系統，一次中間再熱；在控制溫度的同時，還采取了煙道分配擋板、燃燒器擺動和噴水等方法。采用平衡通風，露天布置，固體排渣；全鋼框架，全懸掛式。每個鍋爐配備56 個RL-SL 型長伸縮式吹灰裝置，在高重區AB 的兩邊分別設置6 個長吹灰器[3]。

存在問題：在機組歷次調停及檢修中發現，在高過與高再之間折焰角上、水平煙道高再中間區域普遍存在積灰，高再中間區域積灰尤為嚴重，存在寬度約4～5m、高度高達3～5m 的灰堆。

改造計劃：在2 號機組進行維修或調停的時候，將原有的2 個水口和2 個擴張式的聲波吹灰裝置拆除，2個擴張式的聲波吹灰器設置在一個擴張式的音波吹灰器的上方1m 處；原未拆卸的蒸汽吹灰器可以作為后備（此次改造以蒸汽吹灰器取代，四個尚未拆卸的蒸汽吹灰器可以臨時作為備用，根據使用條件是否投入使用）。

鍋爐空預器改造方案。氣流預熱器是電廠鍋爐中的一種重要設備，其主要原因是常規煙氣的低溫腐蝕和氨氣泄漏引起的硫酸氫銨腐蝕。在低溫煙氣中，氣流預熱器很容易出現低溫腐蝕、結渣等問題。由于氣流預熱器阻塞，導致鍋爐運行阻力增加，煙氣排放超過標準；另外，還會使風機的流道阻力增大，提高風機的功率消耗。如果出現堵灰現象，就需要采取停機措施，這會導致機組的非正常停機次數，對企業的經濟效益造成很大的影響[4]。

電廊坊熱電廠2×350MW 機組空預器的技術改造。

工程概況：北京巴威公司生產的國電廊坊熱電廠2×350MW 機組，鍋爐B&WB-1130/25.4-M。平衡通風，固體排渣，全鋼結構；半開放排列的一種類型的鍋爐。

問題：鍋爐是一種煤粉加熱爐。停爐后，現場對鍋爐空預器進行了現場檢查，結果表明，在煙氣一側的冷端，有較大的積灰。由于大量的積灰，導致了空預器的冷端出現了嚴重的低溫腐蝕。

改造計劃：利用機組維修或調停的時機，在爐膛A、B 兩側煙氣進口和二次風口分別設置一個渦輪聲波吹風機，并在煙氣進口和二次風口的殼壁處設置有聲波吹灰器，采用型鋼支承和螺旋式擴壓器，采用8mm耐熱、耐磨的合金鋼制成。在煙氣進口和二次風進口處新設一個安裝孔。

5 改造后的經濟效益分析

聲波吹灰器采用全息吹灰，實時在線操作?？蓮氐兹〈Ｒ幍恼羝祷移?。采用聲波吹灰器后，吹灰區域內不會有明顯的灰塵堆積，不會發生坍塌?？梢詮氐椎胤乐褂捎谡羝祾咴斐傻墓鼙谧儽《斐傻木植抗軆缺苁鹿?，防止非計劃停電，改善設備的安全。本發明的吹灰器無須維護，長時間運行不需調整、檢修、維護，可大大減少檢修工作量，節約檢修維護成本，并可較大幅度降低發電煤耗[5]。經濟效果，①節省蒸氣：采用聲速吹灰裝置，可取代蒸氣吹灰裝置，節省蒸氣。②可避免粉塵堆積，減少煙氣的升溫，增加鍋爐的效能，節約煤炭。③節能：采用超聲吹灰器實現了實時在線工作，可有效地減少鍋爐受熱面上的灰塵，減少煙氣的阻力，減少排氣扇的輸出功率，并能有效地降低排氣扇的流量。④維修費節省：因為有受熱表面的管子有吹蝕和容易卡堵的現象，所以維修成本會提高，所以要在管子的內壁處安裝一個防波片，以避免管道的風蝕。⑤防止蒸汽吹灰導致的安全問題，如蒸汽吹灰、機械泄漏等。⑥節能和減排：與原來的操作模式相比，使用聲速吹灰裝置能夠降低CO2和SO2的排放。

6 結語

由于氣流預熱器結垢的嚴重，會使煙氣系統的阻力增大，出口的壓差、漏風系數變大，鍋爐的整體風量和爐膛的負壓發生明顯的波動，使送風機的單耗增大，排煙熱耗增大，降低了鍋爐的效率以及機組的安全性和經濟性，嚴重時會造成煙氣溫度升高，使脫硫系統不能正常工作。所以，如何有效地解決氣流預熱器的堵塞問題就變得非常重要。