注汽锅炉弱爆吹灰技术的研究与现场应用

苗浩然

（南阳市锅炉压力容器检验所，河南 南阳 473000）

注汽锅炉弱爆吹灰技术的研究与现场应用

苗浩然

（南阳市锅炉压力容器检验所，河南 南阳 473000）

通过对我国各种吹灰方法进行分析调研比较，通过研究注汽锅炉积灰的组分和形成，本文阐述了我厂研究设计弱爆炸波清灰的工作原理和工艺流程，现场使用情况及效果效益分析，提出了下步推广应用的目标。

锅炉；弱爆；节能；降耗；研究；应用

1 目的和意义

河南油田第二采油厂目前已有八座注汽站，在用注汽锅炉共有25台，除5台9.2T/H活动锅炉烧烯原油外，其余20台均烧渣油与稀油混合的乳化油。其中渣油由河南油田精蜡厂提供，由于渣油提炼较深，其沥青及灰份较多，注汽锅炉对流段积灰较快且不易清除，排烟温度达到230℃左右。目前采用的锅炉蒸汽吹灰方式，一是劳动强度大、二是浪费一定的高温高压蒸汽源，且锅炉所排烟气中含有较多的细小灰尘颗粒。

清除受热面上的积灰和结渣，维持其清洁，是保证锅炉安全经济运行的一种手段。燃烧中不可燃的矿物质在炉内燃烧后成为灰渣，一部分细小的灰粒随烟气一起流动到空气中，其中大部分沉积于对流段的翅片管内，并逐渐地增厚成为积灰层或结渣层，影响受热面的传热。如不及时吹掉，则积灰和结渣将日益严重，导致对流段传热效率急剧下降直至暴废。目前还没有任何有效的防止对流段积灰的方法，唯一的手段是采用吹灰装置定期的吹灰，它能改善锅炉受热面的换热条件，降低锅炉排烟温度，从而提高锅炉效率，对保证锅炉出力和连续运行均有重要作用。

2 研究与推广的主要内容

2.1 对我国各种吹灰方法进行分析调研比较。为有效解决锅炉积灰问题，我国先后陆续研制了蒸汽吹灰、高压水力除灰、钢珠吹灰、压缩空气吹灰、机械振打等除灰方法，吹灰介质常用空气、蒸汽和水。

2.1.1 蒸汽吹灰。蒸汽吹灰是目前国内使用最广的一种除灰方法。其结构型式和种类很多，最常用的是喷嘴式。但蒸汽吹灰有许多不足之处：1)高温高压蒸汽成本比较高。2)蒸汽吹灰增加了排烟中水蒸汽含量，增加了对流段低温腐蚀和堵灰的可能性。3)效果不理想，不能吹除粘结灰和灰垢。

2.1.2 声波吹灰。声波吹灰器是瑞典于1968年首先研制成功的，其原理是通过声能转化机构（声波发生器）将压缩空气分子与灰尘颗粒产生振荡，破坏和阻止灰尘粒子在换热表面或粒子之间的结合，使之始终处于悬浮流化状态，以便烟气将其带走。其缺陷为：1）对换热表面已有结灰的没有效果。2）不能清除硬质灰和粘结灰。3）使用过程中维修工作量大、故障较多。

2.1.3 水力吹灰。与气体相比具有更高的冲击力，但是长期使用，管子金属会经常受到交变热应力的作用而影响其使用寿命。它需要停运（或检修时）进行冲洗，清洗后必须及时烘干，以免引起管子腐蚀。因此，水力吹灰器主要应用在水冷壁上。

2.1.4 振动吹灰。振动吹灰器装在屏式或对流式过热器上，利用激振器产生的激振力清除积灰。它的清除效果决定于由激振器产生的受热面振动惯性力。不同积灰倾向的煤种，所要求的惯性力是不同的。这种方法不适合于注汽锅炉使用。

2.1.5 钢珠除灰。钢珠除灰技术主要应用于锅炉尾部受热面上的除灰，它利用落下的钢珠在管子间弹跳碰撞以清除积灰。钢珠除灰受到尾部烟温的限制而且钢珠收集有一定难度，回收率很低。这种方法不适合于注汽锅炉使用。

2.1.6 弱爆炸波除灰。20世纪90年代初，乌克兰的学者在世界上第一次提出燃烧微爆炸波除灰理论。由于弱爆炸波除灰新技术是近几年国际上发展起来的最先进、最有效、最可靠的除灰方法，该技术已被列为国家高新技术开发项目，是目前传统吹灰方式理想的替代产品。

2.2 研究积灰的组分和形成

2.2.1 积灰的组分。通过对注汽锅炉对流段积灰进行抽样化验分析，其成份主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3、TiO2、Na2O、K2O、V2O5、P2O5、Mn3O4等物质组成。其中SiO2、Al2O3、Fe2O3三种成分之和可占积灰的90%，特别是SiO2，它可占到积灰的（40-60）%，还有CaO可占到积灰的（10-50）%。积灰中所含碱性氧化物与酸性氧化物的含量之比在0.1-1.0的范围之内，故一般积灰呈酸性。

2.2.2 分析干松灰的形成过程。锅炉受热面积灰开始是干松积灰迅速增加，但很快便达到动平衡，这时一方面仍有细灰沉积，另一方面烟气中的大灰粒又把沉积的细灰粒冲刷带走。如果灰粒遇水或冷凝的硫酸形成低温粘结灰，则灰粒不易被冲刷带走，积灰将逐渐加剧。因此为减少积灰在设计时采用足够高的流速，但是流速提高受到增加磨损的制约。另外合理选用和使用吹灰装置，并尽量采用干式吹灰防止干松积灰遇水或冷凝的硫酸形成难以清除的低温粘结灰。

2.2.3 分析粘性灰的形成过程。燃油锅炉产生的烟灰通常为粘性灰。粘性积灰是由在烟灰中未燃尽的碳粒及灰分吸附了烟气中的SO2，SO3和H2O形成H2SO4。所以灰垢很容易沉积在受热面上，不仅很牢固，而且腐蚀性很强，它和受热面作用生成硫酸亚铁FeSO4，更增加了这种积灰的牢固性。

2.3 弱爆炸（爆燃）技术研究。微爆炸（爆燃Explosive deflagration)的燃烧技术与可燃气体的常规燃烧方式不同，这是一种带有压力波的燃烧。压力波行进在燃烧波阵面之前，并且在μS或10μS量级的时间内完成整个燃烧过程。我们必须对相应的参数加以控制，以避免在燃烧过程中由‘爆燃’向‘爆轰’转变（因为爆轰阶段产生不可控的激波）。

2.3.1 火焰燃烧的过程。混合气在被点燃之后，预混火焰在布置有障碍物的管道中传播，障碍物产生的扰动引起湍流强度增加，导致火焰不断加速。火焰加速又引起更大的强度扰动，这是一种正反馈机制。火焰加速达到一临界速度时，火焰传播状态将由‘爆燃’转变为‘爆轰’，在管道中和管道出口处产生压力很高的爆轰波即激波，可能会对设备造成破坏。为保证除灰系统安全可靠运行，必须了解可燃气体的非稳态燃烧规律。

1）可燃气种类对压力峰值的影响。在湍流燃烧条件下，混合气火焰速度的上升必然引起未燃气体的预压缩，从而形成一定压力的冲击波。燃烧速度越快，产生的压力也就越高。在贫燃料范围内，峰值压力随着q值（可燃混合气的浓度）增大而上升，越接近贫燃点火极限(q越小)，压力变化越剧烈。乙炔燃烧压力提升幅度最大，水煤气和液化石油气次之，由于乙炔火焰速度较快，绝热火焰温度较高，因而可形成比较高的峰值压力。2）可燃气浓度对火焰速度的影响。通过实验研究和理论分析，得到燃气火焰的传播速度随浓度的变化规律。可燃气体浓度太低时，火焰不能向前传播，无法产生冲击波。但浓度太高时，又会产生爆轰，可能影响设备正常运行。3）可燃混合气流速对燃烧压力的影响。可燃混合气在燃烧室内部结构给定的情况下，气体流速越高，扰动越大。随着气流速度提高，最大全脉宽和最大升压脉宽均变小。这表明扰动增强燃烧速度随之加快。但压力波传播速度基本维持在音速附近，保持不变。4）冲击波随火焰速度的变化。随着火焰速度上升，冲击波压力随之增大。所以必须谨慎选择可燃气体的浓度范围，这样即能保证有效地除灰，同时又不危害设备安全。5）小结。同的燃料、混合比、结构会产生不同的燃烧速度和压力波，不同的压力波会产生不同的吹灰效果。吹灰效果决定于峰值压力。乙炔混合气燃烧产生的压力最大；可燃混合气的浓度应该严格控制；可燃混合气的流速越高，扰动越大，燃烧压力随之增加，冲击波压力（峰值）增加。

2.3.2 爆燃火焰的其它物理特性

1）峰值压力作用。可燃气体在燃烧室中剧烈反应后，由于燃烧时间极短，反应产生的热量导致燃烧室中压力急剧上升。在出口处，由于压力的突变，气体急剧膨胀，从而产生冲击波（峰值压力）和较强的高温射流。2）声波作用。在气脉冲技术中，从输出口输出冲击波的同时还有伴随着较强能量的声波输出，以下表格中给出了距输出口20米处各个角度的声强。

2.4 研究设计弱爆炸波清灰的工作原理和工艺流程。弱爆炸波清灰器的工作原理是可燃气体（乙炔）与空气按一定比例混合形成的预混气体，在特别设计的湍流燃烧室中快速燃烧，并在爆炸腔中加速产生高速脉冲射流，最后经球面波发生器向受热面发射高速脉冲球面波射流。受热面积灰由于受到高速脉冲球面波射流的冲刷和强烈的声波激振而脱落，并被烟气带走。如图2-1所示。

图2 -1 弱爆炸波清灰器工作原理示意图

图2 -2 微爆炸吹灰混配系统工艺

图2 -3微爆炸吹灰爆炸腔

其系统构成分六个部分：

①流量测量单元：保证空气和可燃气按适当的混合比混合，该单元包括空气和可燃气流量测量装置和调节用法门。②混合点火单元：保证空气和可燃气均匀混合，并使用点火装置对预混气点燃，该单元包括混合装置、点火装置和多重回火保护。③吹灰分配单元：保证吹灰器对所要求的受热面进行层选，该单元包括分配管和层选的电动阀门。④吹灰动力单元：保证燃气气流的火焰传播，加速向需要吹灰的受热面发射球面冲击波。该单元包括火焰导管、爆炸罐和喷口组成，通过对爆炸罐结构和喷口结构的关键尺寸的设计优化可以满足不通场合的吹灰要求。⑤吹灰控制单元：通过现场采集现场的开关量信号和模拟量信号，控制各路电动阀、电磁阀、点火器按照工作流程要求，自动实现各路的吹灰操作。BFA系列弱爆破吹灰器即可单独进行吹灰作业，也可与锅炉主控系统进行通讯实现集中监控。

2.5 设计优化吹灰装置的安全保护系统。为确保注汽锅炉使用微爆吹灰后安全、平稳、连续运行，在设计上从以下几方面来确保设备的安全运行：

2.5.1 采用回火保护，提高了系统安全性能。在点火罐进口设计安装热电阻在线检测，能及时准确检测到混合系统的温度，当温度过高时系统会自动切断气源，同时在系统中安装有波纹型阻火器，能有效防止回火产生。

2.5.2 在控制系统上设计了目前较先进的PLC控制方式。注汽锅炉微爆破吹灰系统为了适应我厂现场的需求，采用了工控机控制和片PLC控制两种方式，系统运行稳定可靠。控制软件对采集到的温度、压力等信号进行整合，根据吹灰系统的工作逻辑，控制吹灰系统进行工作流程自动控制。使吹灰系统能在安全、可靠、经济的工作状态下运行。

2.5.3 研究系统运行时对锅炉炉膛内压力的影响。因为注汽锅炉属微正压（正常运行时约2"H2O）燃烧方式，当微爆吹灰装置运行时，爆炸波对炉内压力影响的大小取决于吹灰器容积与炉内容积之比，该比值极小，可以忽略不计，故弱爆炸吹灰器对炉内压力的影响微乎其微，实际运行时也是如此。

2.6 现场确定吹灰装置喷口的安装位置。根据注汽锅炉对流段的结构特点，在确保运行安全的前提下，安装在对流段的下部，即过渡段的侧钢板上。这样既可保证保证吹灰效果，又不会影响对流段的运行。

3 实施后效果效益分析

3.1 使用效果。弱爆吹灰装置经现场安装调试后，2006年2月在井楼零区三台注汽锅炉上进行投产试运，2006年10月在古城BQ10区三台注汽锅炉上推广应用，取得了非常明显的效果。1）从现场使用情况可以明显地看出其清灰效果较好，该技术不仅可清除受热面存积的各种松散灰、而且可以除去硬质灰和粘稠灰，适合于注汽锅炉对流段吹灰。2）通过对控制程序进行修改，可以对三台锅炉有选择地调整吹灰时间和次数。3）吹灰后，单台锅炉在同等条件下对流段排烟温度下降约32℃，热效率约提高1.5%。4）吹灰后，锅炉在正常运行过程中，外排烟气中细小颗粒量明显减少。5）吹灰时，炉膛内压力变化不大，对锅炉没有其它影响。6）经南阳科技局技术查新，该技术在国内锅炉吹灰同行业中居领先水平，在油田注汽锅炉上属首次使用。

3.2 达到的技术指标。排烟温度降低32℃；热效率提高约1.5%；各项指标全部达到设计要求。

3.3 效益评价

3.3.1 经济效益。1）排烟温度降低32℃，热效率提高1.5%，单台锅炉全年可节油约150吨，折合人民币34万元。2）对流段吹灰彻底、吹灰效果好，减少了灰份对其的腐蚀，有效地延长了其使用寿命。如果对流段使用寿命从10年延长至15年，单台对流段综合成本按50万元计算，将节约大修改造费用17万元。3）节约吹扫用蒸汽费用：避免了蒸汽吹灰时高压蒸汽的损耗，每吨蒸汽的综合成本按200元计算，每年可节约该项费用约10万元。以上3项单台锅炉经济效益合计为61万元，单台锅炉投资约8万元，投入回收期仅为1个多月。

3.3.2 社会效益。避免了因人工吹灰而造成的停炉，保证了锅炉注汽的连续性和有效性，可间接提高二厂的稠油产量；其操作简单可靠，大大降低了操作工人的劳动强度。

结语。综上所述，注汽锅炉弱爆炸吹灰技术是可行的，其经济效益和社会效益巨大，可以得出如下结论：弱爆炸装置的吹灰效果比较明显，其操作简单可靠；吹灰后，单台锅炉在同等条件下对流段排烟温度下降约32℃，热效率约提高1.5%；吹灰后，锅炉在正常运行过程中，外排烟气中细小颗粒量明显减少；吹灰时，炉膛内压力变化不大，对锅炉没有其它影响；经南阳科技局技术查新，该技术在国内锅炉吹灰同行业中居领先水平，在油田注汽锅炉上属首次使用。

[1]薛银皎.注汽锅炉系统用能分析及改进建议.特种油气藏.2005-06-30.

[2]段黎明，岳峰，周艳君，肖志祥.注汽锅炉在线监控系统.重庆大学学报(自然科学版)，2005-12-30.

[3]唐丽.SiO2含量对新疆油田六九区注汽锅炉的影响及处理技术.石油工程建设，2010-10- 17.

TQ54

B