ENSG－30000－125可调频高声强声波吹灰器除垢机理分析

刘宇清，嵇正毓，张荣初

(南京常荣噪声控制环保工程有限公司，江苏南京 210008)

ENSG－30000－125可调频高声强声波吹灰器除垢机理分析

刘宇清，嵇正毓，张荣初

(南京常荣噪声控制环保工程有限公司，江苏南京 210008)

目前国内燃煤电厂湿法烟气脱硫装置常因为GGH堵塞而被迫停运，为了解决这个问题，介绍了一种利用高声强声波吹灰器结合高压水冲洗，彻底解决GGH结垢堵塞的方法，并对高声强声波吹灰器的除垢机理进行了分析，认为高强声波的推拉作用可使换热器表面的硬垢因声致疲劳而松动、脱落，同时，降低灰垢在换热器表面的附着力。另外，针对强声波对GGH的机械作用力进行了平衡分析，认为在强声波环境下GGH运行是安全的。

高声强;GGH;声波吹灰器;结垢堵塞;力平衡

1 湿法烟气脱硫工艺的困境

为了保护大气环境质量，对燃煤电厂排放的烟气进行除尘、脱硫处理具有十分重要的意义。目前，国内燃煤电厂均采用布袋除尘器或电除尘器，可以使烟气中粉尘的去除率达到99%以上，效果显著。但是燃煤电厂烟气脱硫工作远不及除尘顺利，国内还有相当数量的电厂没有采取脱硫措施，那些采取了脱硫措施的电厂大多数采用石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺，虽然其脱硫效率高，工艺相对成熟，但经常因为GGH堵塞而被迫停运。

GGH是湿法烟气脱硫系统中负责对原烟气和净烟气进行热交换的装置。在湿法烟气脱硫工艺中，未脱硫的原烟气温度较高，需将其温度降低，以提高对烟气中SO2的吸收效率;另一方面脱硫净化后的烟气温度一般只有47～51℃，需要将烟气温度升高后才能从烟囱排放，否则低温烟气容易腐蚀烟道，且不利于烟气扩散，造成近距离的大气环境污染。但是，在热交换过程中原烟气中的MgO、ZnO等金属氧化物会与附着于GGH壁面上的冷凝酸(SO2、SO3)反应生成MgSO4、ZnSO4等物质;净烟气中的石灰石浆液与烟气中的SO2、SO3反应也会生成CaSO3、CaSO4物质。这些生成物沉积在换热元件表面上，并结晶形成很难处理的硬垢，造成GGH换热效率降低，能源消耗增加，严重时会造成烟道彻底堵塞，影响到系统的安全运行。

为了解决石灰石—石膏湿法脱硫系统运行中存在的GGH结垢堵塞问题，目前国内外燃煤电厂均采用高压水冲洗或蒸汽吹扫［1］，但是这种处理方法只能起到延迟堵塞作用而不能根本解决GGH的堵塞问题。一般情况下，电厂湿法烟气脱硫系统的GGH运行2～3个月就必须停机清洗，给电厂造成很大的经济损失。鉴于这种情况，近年来国内部分已建和新建电厂不得不停运烟气脱硫装置，让含高浓度的SO2烟气直接由烟囱排放到大气中，对大气环境质量产生很大的危害。

2 高声强声波吹灰器的除垢机理

南京常荣噪声控制环保工程有限公司利用其高声强声波吹灰器对GGH的换热元件表面进行间断性噪声辐射，并适当结合高压水冲洗，解决了GGH结垢、堵塞难题。2010年4月高声强声波吹灰器在河南裕中电厂2号机组GGH上试装，由于除垢效果显著，同年9月又在裕中电厂1号机组和沁北电厂4号机组GGH上安装，3台机组自安装高声强声波吹灰器后从未发生过GGH堵塞事件。

传统声波吹灰器是用来对换热元件进行清洁的声学装置，其吹灰的机理研究报道较多，主要是利用声波的机械能使灰尘产生振荡脱离换热器表面［2］。但是GGH换热元件表面是坚硬的CaSO4、MgSO4等物质，其与换热器表面结合牢固，用高压水、高热蒸汽也不能将其冲落，一般的声波吹灰器更是对之无能为力，ENSG－30000－125可调频高声强声波吹灰器又是如何清除换热元件表面上的硬垢呢?

2.1 声波形成的力的推拉作用

高声强声波是一种机械波，空气中的声波使空气分子产生振动，在边界层振动的空气分子必然带动相邻的介质分子振动，并产生两种效果:一是声能透射到相邻介质中并使之形成固体声波;二是由于空气分子与相邻介质分子之间的粘滞力，声波相当于施加给相邻介质一个作用力，使表面介质分子被声波来回推拉［3－4］。

在高声强声波吹灰器除垢过程中，声波对换热器表面的硬垢也存在上述两种效果，第一种效果并不能对除垢产生多大的积极作用，但第二种效果显著。主要表现在两方面，一方面是声波吹灰器发出的压力波周期性地改变换热器表面的纵向压力梯度，使微粒难以在管束表面沉积;另一方面使附着在换热器表面的硬垢被来回地推拉，使其不断地压缩和伸张。设其某一时刻对表面上垢的作用力如图1所示，经过半波长以后，力的作用方向就完全相反，表面硬垢的位移和堆积也完全相反。因为声波对表面硬垢的反复作用，每秒钟达数十次到数百次，使其因声致疲劳而断裂，并逐步松动、脱落。此外，当表面硬垢断裂后，GGH中空气和水分子就浸入到裂缝中，加速了垢的松动和脱落。

图1 声波对GGH表面硬垢的作用力示意曲线(T为声波周期)

2.2 对结垢强度的影响

高强度的声波能去除沉积在换热器表面的大部分硬垢，但仍有部分硬垢不能清除，这部分不能清除的硬垢虽然附着在换热器表面，但其附着力已经大大降低。这是因为硬垢的粘接强度与沉积时间的平方根成正比［5］，由于声波不断地对硬垢来回的作用力使其不能有足够的时间沉积下来并与换热器表面分子紧密结合，这就如同混凝土浇注后不经过足够时间的保养其强度降低是一个道理。

MgSO4、ZnSO4、CaSO3、CaSO4等盐类物质在没有干扰的情况下可以牢固地贴附在金属表面，用高压水、蒸汽是不能去除它们的，但由于声波的作用，使它们在沉积和固着过程中大部分被声波来回振荡而松动脱落，即使有少量勉强附着到换热器表面上，其附着力的强度已经大大降低，只要用高压水一冲洗，污垢就从表面脱落下来，这就是声波吹灰器降低结垢强度所产生的效果。

2.3 强大的机械作用力

ENSG－30000－125可调频高声强声波吹灰器发声功率达30000W，其声功率级在165dB。声波经过特制的指数形喇叭传送到GGH内，到达换热器上的声压级虽然经过几何扩散衰减仍然高达150dB左右，换算成压力约为316Pa，这相当于作用在换热器表面硬垢上的作用力达到31kg/m2。换热元件表面上的硬垢是慢慢沉积下来的，硬垢的厚度很薄，在受到如此大的力来来回回地推拉，必然会因声疲劳而断裂、松动，以至脱落。

目前，市场上一般的声波吹灰器的声功率级都小于150 dB，其声波通过一段圆管向换热器表面传输，没有经过专门的声学设计，声波传输过程中除几何扩散衰减外，还存在截面突变衰减，声波到达换热器表面时的声压级在120～130dB之间，换算成压力为1～10Pa，约0.1～1.0kg/m2。这样的作用力吹扫干灰是可以的，但去除硬垢就力不从心了。

3 高声强声波吹灰器对设备安全的影响

由上述分析可知，高声强声波吹灰器发出的声波对GGH表面的机械力达到31kg/m2，这么大的力作用于GGH设备上是否会对设备产生损坏?下面我们对声波的作用力作进一步的分析。

图2是ENSG－30000－125可调频高声强声波吹灰器的声波传输过程示意。

图2 高声强声波吹灰器对换热片的作用力分析

高声强声波通过指数形喇叭进入换热器内，该指数形喇叭可以将声波近似以平面波的形式送达换热器表面，使GGH内同一高度上声波的相位相同，瞬时声压相等。处于高声强声场中的换热片任何点，有时处于高声压声场中，有时处于低声压声场中，由于声压是标量，它作用于换热片表面形成的力的方向就是换热片表面的方向，由于换热片是对称的，因此声波对换热片的作用力相等，方向相反。因此，无论何时声波作用在换热片表面的力是对称的，整个换热片所受到的高声强声波的总作用力为零，因此GGH中的换热片或整个换热器不会因高声强声波的作用力而损坏。这就象人处于大气压包围中感觉不到大气压力一样，但是如果存在侧面风，人就感觉到风压的力量了。同样对于GGH圆形外壳，其相对于高声强发生器基本上也是对称的，高声强声波对其产生的总作用力也很小。

对于单一频率的声波而言，其作用于换热片或GGH圆形外壳不同高度处的声压是不一样的，可能位于声压峰值与谷值的声压差高达85kg/m2，但是该压差不会引起换热片或GGH圆形外壳整体振动，只会引起结构内部的应力变化，一般的换热片和外壳强度足以承受得起。如果考虑到整个频率范围的声压作用，因不同频率之间的相位差而引起结构内应力变化在很大程度上会相互抵消。

高声强声波吹灰器通过指数形喇叭使声波以平面波的形式传播，确保作用于换热器上的力相互平衡，正常情况下不会对设备产生破坏作用。但是如果声压作用于GGH某个零部件上的力存在不平衡，且声波频率与该零部件的固有频率相同，就可能产生共振。为了防止这种情况对设备的破坏，ENSG型高声强声波吹灰器可以通过调频的手段避开该部件的共振频率，保证设备的安全运行。

4 结语

高声强声波吹灰器能够彻底清除GGH换热器表面的硬垢，解决了燃煤电厂湿法烟气脱硫中GGH堵塞问题，确保系统安全运行，对我国的燃煤电厂污染物治理工作具有一定的意义。

［1］佟小朋，安连锁，胡海燕.锅炉声波吹灰技术的应用探讨与展望［J］.电力科学与工程，2002，(4):58－61.

［2］КЯАР Х А，王秉治.用声波清除锅炉受热面的松散粘着物［J］.锅炉技术，1987，(3):15－21.

［3］姜根山，辛晓东，田 静.声波除灰的能量传播优势［J］.中国电力，1999，32(9):32－33.

［4］赵玉坤.锅炉声波吹灰器应用探讨［J］.电站系统工程，1998，14 (9):33－35.

［5］邱立新.低频声波在锅炉中清灰、除渣的应用技术研究［D］.北京:华北电力大学，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

刘宇清(1979-)，男，江西新余人，工程师，硕士，主要从事噪声与振动控制方面研究工作。E－mail:lyq197965@yahoo.com.cn