新型声波脉冲清灰装置

续笑祖（西北工业学校,陕西 兴平 713100）

新型声波脉冲清灰装置

续笑祖
（西北工业学校,陕西 兴平 713100）

摘 要：锅炉燃烧积灰很大程度上影响锅炉出力及效率，本文阐述了一种新型声波清灰装置在锅炉系统中的应用。

关键词：锅炉燃烧积灰；积灰分析；声波清灰

1 概述

燃料燃烧时，尤其煤燃烧时，燃烧产物中有灰粒、氧化硫等物质，这些物质的数量很大。例如一台300MW的锅炉每昼夜的飞灰量可达到700～1200吨（视煤的含灰量而定），这么多的灰要流经锅炉的受热面，其中有一部分以各种形式沉积在受热面上，这就增加了传热热阻，甚至使烟气通道堵塞，造成引风机压头不足而被迫降低锅炉出力。总之，积灰会使锅炉技术经济指标下降，浪费能源，给企业带来极大的经济损失。因此，减少或杜绝锅炉受热面的结渣和积灰是对锅炉工作安全性、经济性的保证。

2 积灰分析

目前锅炉的积灰分为三种：疏松灰、高温粘结灰、低温受热面的积灰。其中高温粘结灰主要形成于1000℃左右，低温受热面的积灰主要在50℃～180℃范围内，这两种积灰基本不属于（或者很少部分属于）新型声波脉冲蒸汽清灰装置应用的范围内，因此我们在此主要分析疏松灰的特性。

所谓疏松灰是指积灰在形成的过程中没有进行化学反应，灰层中没有粘结成分，灰粒之间呈松散状态，易于清除。这类灰主要沉积在对流过热器、省煤器和空气预热器上，其导热系数很小，热阻大，形成后大大影响受热面的传热性能，积灰严重时甚至导致烟气流通截面的堵塞。

疏松灰沉积的过程有两个，其一为灰粒沉落在受热面上，其二为更大直径的灰粒对已经沉落在受热面上的灰粒的撞击作用，使其脱落受热面。疏松灰层情况和这两个过程的综合结果有关，最终表现结果为：我们观察到的疏松灰主要为细灰粒。

我们对于积灰问题的研究结论如下：

（1）积灰过程中存在三种力的存在：惯性力、重力和附着力。当灰粒直径大于某一尺寸时，使灰粒脱离的惯性力和重力占优势，反之，则附着力占优势。

燃煤机组烟气中携带的飞灰一般均≤200μm，大部分都在30μm以下。经过研究，我们发现：1）粒径≤10μm的灰粒将在附着力的作用下吸附在管子壁面；2）粒径≤3～5μm的灰粒，附着力大于灰粒的重量，重力和惯性力难以使其与管壁脱离；3）粒径≤0.2μm的SiO2颗粒甚至可以穿过钢管的氧化层而与金属基材接触。

（2）在烟气流速很低时，管子的迎风面才有少量积灰，而且是极细的灰，主要是在管子的背面积灰。

当烟气流速≥8～10m/s以上时，管子迎风面就不会有积灰了。当烟气流速≤ 2.5～3m/s时，疏松灰沉积十分严重，甚至可以把烟气通道堵塞。

（3）疏松灰的形成过程中，烟气中的大灰粒对积灰层有磨蚀作用，因而积灰层在增长到一定程度就会停止增长，达到一种动态的平衡。

（4）沉积疏松灰的情况和烟气流速，管子直径，管子节距及管子布置方式（顺列布置或错列布置）有关。

（5）对于膜式受热面，烟气流速控制在7～7.5m/s，可以避免积灰，烟气流速过低容易积灰甚至堵灰。

（6）烟气中灰的浓度对稳定时积灰层的形状和大小没有关系，只是影响达到此积灰层的时间。

3 目前市场上并存的三种清灰器比较

目前使用比较广泛的清灰装置有三大类：

3.1 伸缩式蒸汽吹灰器(包括短吹和长吹)

原理：伸缩式蒸汽吹灰器是采用伸缩管形式将高压蒸汽通入炉内对积灰部位进行直接吹扫。

优点：在其有效作用范围内清灰力度强、当时效果明显。短吹适合炉膛水冷壁清灰，长吹适合锅炉尾部清灰。

缺点：结构庞大复杂、安装工作量大、故障率高、使用周期短、维护工作量大。由于吹扫蒸汽容易腐蚀、冲刷炉管，直接减少炉管寿命，易引起爆管事故。

3.2 激波式清灰器（包括燃爆式和空气炮）

原理：燃爆式是将可燃气体和氧气在瞬间混合点火发生爆燃，利用爆炸冲击波清灰；空气炮是使用储存压缩空气并瞬间释放，以其喷发冲击波进行清灰。

优点：在其有效作用范围内清灰力度强，能清理粘结性的结渣。适合用于粉仓、管道的阻塞清理。

缺点：燃料与空气的配比要求严格，意外时会造成很大事故。并且冲击波受到阻挡之后衰减很快，对管壁背面很难清理，对设备造成损坏的机率大，应用于锅炉尾部复杂空间的受热面积灰时时清灰效果受限，不适合应用于炉膛部位。

3.3 声波清灰器（包括旋片式和旋鼓式）。

原理：利用多种发声原理产生较强低频声波，以声能进行清灰。

优点：利用低频声波可以绕射的特点作用，可以应用于复杂空间的清灰工作，在有效工作范围内无死角，结构简单，易于安装及操作，维护工作量小，运行维护费用低。

缺点：不适合应用于炉膛部位。

4 新型声波脉冲式清灰器介绍

4.1 影响清灰效果的主要因素

我们研究了国内外的各种声波清灰器结构，并对许多国内使用该类清灰器的用户进行了咨询后发现，目前市场上应用的声波清灰器普遍存在要么不清灰，要么是清灰效果差的现象，均不能达到用户期望的清灰效果。

经过我们大量的试验研究发现：声波是完全可以用于积灰清理的，但是，清灰的效果取决于波形、频率、声强等要素，缺一不可，并不是所有的声波都可以用于积灰清理。

我们研究发现：

（1）强在130 dB以下的声波基本上不清灰，声强小时清灰效果差。

（2）波形为圆弧形声波不清灰，钝角形声波清灰效果差。

（3）不合适的声波频率难以与灰粒产生共振，清灰效果差。

在以上研究结果的基础上，我们对国内的声波清灰器的波形、频率、声强进行了整定和优化，开发了新型声波脉冲式清灰器（如图1所示）。

4.2 新型声波脉冲式清灰器主要特点

相比其它声波清灰器，其特点为：

（1）完善至最佳的波形，使其更加接近陡直脉冲，达到良好的清灰效果。和其它声波清灰器波形对比如图2所示。

（2）采用了径向进气以及旋鼓式切割发声，并找到了发声孔形状和波形的关系以及最佳清灰波形。

（3）采用能量更大的高压蒸汽作为发声工质，提高了声强，经测试：清灰器出口实测声强为≥160dB，声功率≥5000W，轴向有效清灰距离大于10m、径向扩散距离8m。

对锅炉过热器、省煤器及空气预热器以及锅炉管束等复杂的换热面积灰清理干净、彻底，不留死角，可以使受热面露出金属颜色。有效的解决复杂受热面和复杂空间积灰的清理这一难题。

（4）采用低频声波，其具有较强的绕射能力，能有效作用于清灰器有效范围内的拐弯边角及多层管束空间（包括管子背面）。

对清除锅炉过热器及尾部受热面的积灰，降低排烟温度，提高锅炉效率以及原锅炉的可靠性，给企业带来较好的经济效益。

（5）采用调频电机调频，并程序设置其在一定的频率范围内自动调节，以寻求不同频率的声波和不同粒径的灰粒产生共振，使其从管壁剥离并处于悬浮状态被烟气流带走。

（6）号筒按照指数曲线设计，以便使发声器件与自由空间之间得以匹配（阻抗匹配），从而使产生的声音最有效地幅射到清灰空间去。

（7）声波清灰器工作时，由于其主频避开了锅炉设备的固有频率和二次谐振，因此不会对锅炉设备造成任何伤害。

（8）利用声波来清灰，相对传统蒸汽吹灰器减少了蒸汽量，消除了蒸汽直接吹灰对炉管的磨损和腐蚀等副作用，降低了爆管机率，提高了锅炉可靠性，是传统蒸汽吹灰器的理想换代产品。

（9）结构简单、易于现场安装操作，维护量小，自动化程度及可靠性高。

（10）控制系统采用PLC控制，设有缺相、短路、过载等自动保护，可自动越过发生故障的清灰器而不影响其它在用设备的运行，对故障设备控制柜进行故障提示。

5 新型声波脉冲式清灰器参数表

最大频率　250Hz工作频率　130～160Hz连续程控调节声压　≥160dB声功　≥5000W炉外噪音　≤80dB轴向清灰距离　18米径向扩散距离　10米工作介质　高压蒸汽介质压力　1.5～3.8MPa介质流量　200～800Kg/h最大外型尺寸　φ500x1670mm安装开孔尺寸　φ400mm电动机　380V 1.1KW 3相4极整机单台重量　170Kg控制柜　因控制清灰器数量而定功能　采用PLC程序控制与变频调速技术，自动运行。电动球阀电源　220V 180VA介质　蒸汽电源条件　AC380/220V 25A

6 新型蒸汽脉冲式声波清灰清装置使用前后效果对比

通过以上现场实际实验及应用，对锅炉过热器、省煤器及空气预热器以及锅炉管束等复杂的换热面积灰清理干净、彻底，不留死角，可以使受热面露出金属颜色，有效的解决复杂受热面和复杂空间积灰的清理这一难题，提高锅炉效率以及锅炉的可靠性，给企业带来较好的经济效益。

参考文献：

[1]李新民,熊立新.声波清灰器的发展和应用[J].电力设备,2007(09).

[2]李焦明.声波清灰技术的应用[J].电力设备,2002(09).

[3]崔觉梅,徐胜国.声波清灰技术改善除尘效率的实验研究[J].重型机械,2003(05).