注汽鍋爐弱爆吹灰技術的研究與現場應用

苗浩然

（南陽市鍋爐壓力容器檢驗所，河南 南陽 473000）

注汽鍋爐弱爆吹灰技術的研究與現場應用

苗浩然

（南陽市鍋爐壓力容器檢驗所，河南 南陽 473000）

通過對我國各種吹灰方法進行分析調研比較，通過研究注汽鍋爐積灰的組分和形成，本文闡述了我廠研究設計弱爆炸波清灰的工作原理和工藝流程，現場使用情況及效果效益分析，提出了下步推廣應用的目標。

鍋爐；弱爆；節能；降耗；研究；應用

1 目的和意義

河南油田第二采油廠目前已有八座注汽站，在用注汽鍋爐共有25臺，除5臺9.2T/H活動鍋爐燒烯原油外，其余20臺均燒渣油與稀油混合的乳化油。其中渣油由河南油田精蠟廠提供，由于渣油提煉較深，其瀝青及灰份較多，注汽鍋爐對流段積灰較快且不易清除，排煙溫度達到230℃左右。目前采用的鍋爐蒸汽吹灰方式，一是勞動強度大、二是浪費一定的高溫高壓蒸汽源，且鍋爐所排煙氣中含有較多的細小灰塵顆粒。

清除受熱面上的積灰和結渣，維持其清潔，是保證鍋爐安全經濟運行的一種手段。燃燒中不可燃的礦物質在爐內燃燒后成為灰渣，一部分細小的灰粒隨煙氣一起流動到空氣中，其中大部分沉積于對流段的翅片管內，并逐漸地增厚成為積灰層或結渣層，影響受熱面的傳熱。如不及時吹掉，則積灰和結渣將日益嚴重，導致對流段傳熱效率急劇下降直至暴廢。目前還沒有任何有效的防止對流段積灰的方法，唯一的手段是采用吹灰裝置定期的吹灰，它能改善鍋爐受熱面的換熱條件，降低鍋爐排煙溫度，從而提高鍋爐效率，對保證鍋爐出力和連續運行均有重要作用。

2 研究與推廣的主要內容

2.1 對我國各種吹灰方法進行分析調研比較。為有效解決鍋爐積灰問題，我國先后陸續研制了蒸汽吹灰、高壓水力除灰、鋼珠吹灰、壓縮空氣吹灰、機械振打等除灰方法，吹灰介質常用空氣、蒸汽和水。

2.1.1 蒸汽吹灰。蒸汽吹灰是目前國內使用最廣的一種除灰方法。其結構型式和種類很多，最常用的是噴嘴式。但蒸汽吹灰有許多不足之處：1)高溫高壓蒸汽成本比較高。2)蒸汽吹灰增加了排煙中水蒸汽含量，增加了對流段低溫腐蝕和堵灰的可能性。3)效果不理想，不能吹除粘結灰和灰垢。

2.1.2 聲波吹灰。聲波吹灰器是瑞典于1968年首先研制成功的，其原理是通過聲能轉化機構（聲波發生器）將壓縮空氣分子與灰塵顆粒產生振蕩，破壞和阻止灰塵粒子在換熱表面或粒子之間的結合，使之始終處于懸浮流化狀態，以便煙氣將其帶走。其缺陷為：1）對換熱表面已有結灰的沒有效果。2）不能清除硬質灰和粘結灰。3）使用過程中維修工作量大、故障較多。

2.1.3 水力吹灰。與氣體相比具有更高的沖擊力，但是長期使用，管子金屬會經常受到交變熱應力的作用而影響其使用壽命。它需要停運（或檢修時）進行沖洗，清洗后必須及時烘干，以免引起管子腐蝕。因此，水力吹灰器主要應用在水冷壁上。

2.1.4 振動吹灰。振動吹灰器裝在屏式或對流式過熱器上，利用激振器產生的激振力清除積灰。它的清除效果決定于由激振器產生的受熱面振動慣性力。不同積灰傾向的煤種，所要求的慣性力是不同的。這種方法不適合于注汽鍋爐使用。

2.1.5 鋼珠除灰。鋼珠除灰技術主要應用于鍋爐尾部受熱面上的除灰，它利用落下的鋼珠在管子間彈跳碰撞以清除積灰。鋼珠除灰受到尾部煙溫的限制而且鋼珠收集有一定難度，回收率很低。這種方法不適合于注汽鍋爐使用。

2.1.6 弱爆炸波除灰。20世紀90年代初，烏克蘭的學者在世界上第一次提出燃燒微爆炸波除灰理論。由于弱爆炸波除灰新技術是近幾年國際上發展起來的最先進、最有效、最可靠的除灰方法，該技術已被列為國家高新技術開發項目，是目前傳統吹灰方式理想的替代產品。

2.2 研究積灰的組分和形成

2.2.1 積灰的組分。通過對注汽鍋爐對流段積灰進行抽樣化驗分析，其成份主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3、TiO2、Na2O、K2O、V2O5、P2O5、Mn3O4等物質組成。其中SiO2、Al2O3、Fe2O3三種成分之和可占積灰的90%，特別是SiO2，它可占到積灰的（40-60）%，還有CaO可占到積灰的（10-50）%。積灰中所含堿性氧化物與酸性氧化物的含量之比在0.1-1.0的范圍之內，故一般積灰呈酸性。

2.2.2 分析干松灰的形成過程。鍋爐受熱面積灰開始是干松積灰迅速增加，但很快便達到動平衡，這時一方面仍有細灰沉積，另一方面煙氣中的大灰粒又把沉積的細灰粒沖刷帶走。如果灰粒遇水或冷凝的硫酸形成低溫粘結灰，則灰粒不易被沖刷帶走，積灰將逐漸加劇。因此為減少積灰在設計時采用足夠高的流速，但是流速提高受到增加磨損的制約。另外合理選用和使用吹灰裝置，并盡量采用干式吹灰防止干松積灰遇水或冷凝的硫酸形成難以清除的低溫粘結灰。

2.2.3 分析粘性灰的形成過程。燃油鍋爐產生的煙灰通常為粘性灰。粘性積灰是由在煙灰中未燃盡的碳粒及灰分吸附了煙氣中的SO2，SO3和H2O形成H2SO4。所以灰垢很容易沉積在受熱面上，不僅很牢固，而且腐蝕性很強，它和受熱面作用生成硫酸亞鐵FeSO4，更增加了這種積灰的牢固性。

2.3 弱爆炸（爆燃）技術研究。微爆炸（爆燃Explosive deflagration)的燃燒技術與可燃氣體的常規燃燒方式不同，這是一種帶有壓力波的燃燒。壓力波行進在燃燒波陣面之前，并且在μS或10μS量級的時間內完成整個燃燒過程。我們必須對相應的參數加以控制，以避免在燃燒過程中由‘爆燃’向‘爆轟’轉變（因為爆轟階段產生不可控的激波）。

2.3.1 火焰燃燒的過程。混合氣在被點燃之后，預混火焰在布置有障礙物的管道中傳播，障礙物產生的擾動引起湍流強度增加，導致火焰不斷加速。火焰加速又引起更大的強度擾動，這是一種正反饋機制。火焰加速達到一臨界速度時，火焰傳播狀態將由‘爆燃’轉變為‘爆轟’，在管道中和管道出口處產生壓力很高的爆轟波即激波，可能會對設備造成破壞。為保證除灰系統安全可靠運行，必須了解可燃氣體的非穩態燃燒規律。

1）可燃氣種類對壓力峰值的影響。在湍流燃燒條件下，混合氣火焰速度的上升必然引起未燃氣體的預壓縮，從而形成一定壓力的沖擊波。燃燒速度越快，產生的壓力也就越高。在貧燃料范圍內，峰值壓力隨著q值（可燃混合氣的濃度）增大而上升，越接近貧燃點火極限(q越小)，壓力變化越劇烈。乙炔燃燒壓力提升幅度最大，水煤氣和液化石油氣次之，由于乙炔火焰速度較快，絕熱火焰溫度較高，因而可形成比較高的峰值壓力。2）可燃氣濃度對火焰速度的影響。通過實驗研究和理論分析，得到燃氣火焰的傳播速度隨濃度的變化規律。可燃氣體濃度太低時，火焰不能向前傳播，無法產生沖擊波。但濃度太高時，又會產生爆轟，可能影響設備正常運行。3）可燃混合氣流速對燃燒壓力的影響。可燃混合氣在燃燒室內部結構給定的情況下，氣體流速越高，擾動越大。隨著氣流速度提高，最大全脈寬和最大升壓脈寬均變小。這表明擾動增強燃燒速度隨之加快。但壓力波傳播速度基本維持在音速附近，保持不變。4）沖擊波隨火焰速度的變化。隨著火焰速度上升，沖擊波壓力隨之增大。所以必須謹慎選擇可燃氣體的濃度范圍，這樣即能保證有效地除灰，同時又不危害設備安全。5）小結。同的燃料、混合比、結構會產生不同的燃燒速度和壓力波，不同的壓力波會產生不同的吹灰效果。吹灰效果決定于峰值壓力。乙炔混合氣燃燒產生的壓力最大；可燃混合氣的濃度應該嚴格控制；可燃混合氣的流速越高，擾動越大，燃燒壓力隨之增加，沖擊波壓力（峰值）增加。

2.3.2 爆燃火焰的其它物理特性

1）峰值壓力作用。可燃氣體在燃燒室中劇烈反應后，由于燃燒時間極短，反應產生的熱量導致燃燒室中壓力急劇上升。在出口處，由于壓力的突變，氣體急劇膨脹，從而產生沖擊波（峰值壓力）和較強的高溫射流。2）聲波作用。在氣脈沖技術中，從輸出口輸出沖擊波的同時還有伴隨著較強能量的聲波輸出，以下表格中給出了距輸出口20米處各個角度的聲強。

2.4 研究設計弱爆炸波清灰的工作原理和工藝流程。弱爆炸波清灰器的工作原理是可燃氣體（乙炔）與空氣按一定比例混合形成的預混氣體，在特別設計的湍流燃燒室中快速燃燒，并在爆炸腔中加速產生高速脈沖射流，最后經球面波發生器向受熱面發射高速脈沖球面波射流。受熱面積灰由于受到高速脈沖球面波射流的沖刷和強烈的聲波激振而脫落，并被煙氣帶走。如圖2-1所示。

圖2 -1 弱爆炸波清灰器工作原理示意圖

圖2 -2 微爆炸吹灰混配系統工藝

圖2 -3微爆炸吹灰爆炸腔

其系統構成分六個部分：

①流量測量單元：保證空氣和可燃氣按適當的混合比混合，該單元包括空氣和可燃氣流量測量裝置和調節用法門。②混合點火單元：保證空氣和可燃氣均勻混合，并使用點火裝置對預混氣點燃，該單元包括混合裝置、點火裝置和多重回火保護。③吹灰分配單元：保證吹灰器對所要求的受熱面進行層選，該單元包括分配管和層選的電動閥門。④吹灰動力單元：保證燃氣氣流的火焰傳播，加速向需要吹灰的受熱面發射球面沖擊波。該單元包括火焰導管、爆炸罐和噴口組成，通過對爆炸罐結構和噴口結構的關鍵尺寸的設計優化可以滿足不通場合的吹灰要求。⑤吹灰控制單元：通過現場采集現場的開關量信號和模擬量信號，控制各路電動閥、電磁閥、點火器按照工作流程要求，自動實現各路的吹灰操作。BFA系列弱爆破吹灰器即可單獨進行吹灰作業，也可與鍋爐主控系統進行通訊實現集中監控。

2.5 設計優化吹灰裝置的安全保護系統。為確保注汽鍋爐使用微爆吹灰后安全、平穩、連續運行，在設計上從以下幾方面來確保設備的安全運行：

2.5.1 采用回火保護，提高了系統安全性能。在點火罐進口設計安裝熱電阻在線檢測，能及時準確檢測到混合系統的溫度，當溫度過高時系統會自動切斷氣源，同時在系統中安裝有波紋型阻火器，能有效防止回火產生。

2.5.2 在控制系統上設計了目前較先進的PLC控制方式。注汽鍋爐微爆破吹灰系統為了適應我廠現場的需求，采用了工控機控制和片PLC控制兩種方式，系統運行穩定可靠。控制軟件對采集到的溫度、壓力等信號進行整合，根據吹灰系統的工作邏輯，控制吹灰系統進行工作流程自動控制。使吹灰系統能在安全、可靠、經濟的工作狀態下運行。

2.5.3 研究系統運行時對鍋爐爐膛內壓力的影響。因為注汽鍋爐屬微正壓（正常運行時約2"H2O）燃燒方式，當微爆吹灰裝置運行時，爆炸波對爐內壓力影響的大小取決于吹灰器容積與爐內容積之比，該比值極小，可以忽略不計，故弱爆炸吹灰器對爐內壓力的影響微乎其微，實際運行時也是如此。

2.6 現場確定吹灰裝置噴口的安裝位置。根據注汽鍋爐對流段的結構特點，在確保運行安全的前提下，安裝在對流段的下部，即過渡段的側鋼板上。這樣既可保證保證吹灰效果，又不會影響對流段的運行。

3 實施后效果效益分析

3.1 使用效果。弱爆吹灰裝置經現場安裝調試后，2006年2月在井樓零區三臺注汽鍋爐上進行投產試運，2006年10月在古城BQ10區三臺注汽鍋爐上推廣應用，取得了非常明顯的效果。1）從現場使用情況可以明顯地看出其清灰效果較好，該技術不僅可清除受熱面存積的各種松散灰、而且可以除去硬質灰和粘稠灰，適合于注汽鍋爐對流段吹灰。2）通過對控制程序進行修改，可以對三臺鍋爐有選擇地調整吹灰時間和次數。3）吹灰后，單臺鍋爐在同等條件下對流段排煙溫度下降約32℃，熱效率約提高1.5%。4）吹灰后，鍋爐在正常運行過程中，外排煙氣中細小顆粒量明顯減少。5）吹灰時，爐膛內壓力變化不大，對鍋爐沒有其它影響。6）經南陽科技局技術查新，該技術在國內鍋爐吹灰同行業中居領先水平，在油田注汽鍋爐上屬首次使用。

3.2 達到的技術指標。排煙溫度降低32℃；熱效率提高約1.5%；各項指標全部達到設計要求。

3.3 效益評價

3.3.1 經濟效益。1）排煙溫度降低32℃，熱效率提高1.5%，單臺鍋爐全年可節油約150噸，折合人民幣34萬元。2）對流段吹灰徹底、吹灰效果好，減少了灰份對其的腐蝕，有效地延長了其使用壽命。如果對流段使用壽命從10年延長至15年，單臺對流段綜合成本按50萬元計算，將節約大修改造費用17萬元。3）節約吹掃用蒸汽費用：避免了蒸汽吹灰時高壓蒸汽的損耗，每噸蒸汽的綜合成本按200元計算，每年可節約該項費用約10萬元。以上3項單臺鍋爐經濟效益合計為61萬元，單臺鍋爐投資約8萬元，投入回收期僅為1個多月。

3.3.2 社會效益。避免了因人工吹灰而造成的停爐，保證了鍋爐注汽的連續性和有效性，可間接提高二廠的稠油產量；其操作簡單可靠，大大降低了操作工人的勞動強度。

結語。綜上所述，注汽鍋爐弱爆炸吹灰技術是可行的，其經濟效益和社會效益巨大，可以得出如下結論：弱爆炸裝置的吹灰效果比較明顯，其操作簡單可靠；吹灰后，單臺鍋爐在同等條件下對流段排煙溫度下降約32℃，熱效率約提高1.5%；吹灰后，鍋爐在正常運行過程中，外排煙氣中細小顆粒量明顯減少；吹灰時，爐膛內壓力變化不大，對鍋爐沒有其它影響；經南陽科技局技術查新，該技術在國內鍋爐吹灰同行業中居領先水平，在油田注汽鍋爐上屬首次使用。

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