新型聲波脈沖清灰裝置

續笑祖（西北工業學校,陜西 興平 713100）

新型聲波脈沖清灰裝置

續笑祖
（西北工業學校,陜西 興平 713100）

摘 要：鍋爐燃燒積灰很大程度上影響鍋爐出力及效率，本文闡述了一種新型聲波清灰裝置在鍋爐系統中的應用。

關鍵詞：鍋爐燃燒積灰；積灰分析；聲波清灰

1 概述

燃料燃燒時，尤其煤燃燒時，燃燒產物中有灰粒、氧化硫等物質，這些物質的數量很大。例如一臺300MW的鍋爐每晝夜的飛灰量可達到700～1200噸（視煤的含灰量而定），這么多的灰要流經鍋爐的受熱面，其中有一部分以各種形式沉積在受熱面上，這就增加了傳熱熱阻，甚至使煙氣通道堵塞，造成引風機壓頭不足而被迫降低鍋爐出力。總之，積灰會使鍋爐技術經濟指標下降，浪費能源，給企業帶來極大的經濟損失。因此，減少或杜絕鍋爐受熱面的結渣和積灰是對鍋爐工作安全性、經濟性的保證。

2 積灰分析

目前鍋爐的積灰分為三種：疏松灰、高溫粘結灰、低溫受熱面的積灰。其中高溫粘結灰主要形成于1000℃左右，低溫受熱面的積灰主要在50℃～180℃范圍內，這兩種積灰基本不屬于（或者很少部分屬于）新型聲波脈沖蒸汽清灰裝置應用的范圍內，因此我們在此主要分析疏松灰的特性。

所謂疏松灰是指積灰在形成的過程中沒有進行化學反應，灰層中沒有粘結成分，灰粒之間呈松散狀態，易于清除。這類灰主要沉積在對流過熱器、省煤器和空氣預熱器上，其導熱系數很小，熱阻大，形成后大大影響受熱面的傳熱性能，積灰嚴重時甚至導致煙氣流通截面的堵塞。

疏松灰沉積的過程有兩個，其一為灰粒沉落在受熱面上，其二為更大直徑的灰粒對已經沉落在受熱面上的灰粒的撞擊作用，使其脫落受熱面。疏松灰層情況和這兩個過程的綜合結果有關，最終表現結果為：我們觀察到的疏松灰主要為細灰粒。

我們對于積灰問題的研究結論如下：

（1）積灰過程中存在三種力的存在：慣性力、重力和附著力。當灰粒直徑大于某一尺寸時，使灰粒脫離的慣性力和重力占優勢，反之，則附著力占優勢。

燃煤機組煙氣中攜帶的飛灰一般均≤200μm，大部分都在30μm以下。經過研究，我們發現：1）粒徑≤10μm的灰粒將在附著力的作用下吸附在管子壁面；2）粒徑≤3～5μm的灰粒，附著力大于灰粒的重量，重力和慣性力難以使其與管壁脫離；3）粒徑≤0.2μm的SiO2顆粒甚至可以穿過鋼管的氧化層而與金屬基材接觸。

（2）在煙氣流速很低時，管子的迎風面才有少量積灰，而且是極細的灰，主要是在管子的背面積灰。

當煙氣流速≥8～10m/s以上時，管子迎風面就不會有積灰了。當煙氣流速≤ 2.5～3m/s時，疏松灰沉積十分嚴重，甚至可以把煙氣通道堵塞。

（3）疏松灰的形成過程中，煙氣中的大灰粒對積灰層有磨蝕作用，因而積灰層在增長到一定程度就會停止增長，達到一種動態的平衡。

（4）沉積疏松灰的情況和煙氣流速，管子直徑，管子節距及管子布置方式（順列布置或錯列布置）有關。

（5）對于膜式受熱面，煙氣流速控制在7～7.5m/s，可以避免積灰，煙氣流速過低容易積灰甚至堵灰。

（6）煙氣中灰的濃度對穩定時積灰層的形狀和大小沒有關系，只是影響達到此積灰層的時間。

3 目前市場上并存的三種清灰器比較

目前使用比較廣泛的清灰裝置有三大類：

3.1 伸縮式蒸汽吹灰器(包括短吹和長吹)

原理：伸縮式蒸汽吹灰器是采用伸縮管形式將高壓蒸汽通入爐內對積灰部位進行直接吹掃。

優點：在其有效作用范圍內清灰力度強、當時效果明顯。短吹適合爐膛水冷壁清灰，長吹適合鍋爐尾部清灰。

缺點：結構龐大復雜、安裝工作量大、故障率高、使用周期短、維護工作量大。由于吹掃蒸汽容易腐蝕、沖刷爐管，直接減少爐管壽命，易引起爆管事故。

3.2 激波式清灰器（包括燃爆式和空氣炮）

原理：燃爆式是將可燃氣體和氧氣在瞬間混合點火發生爆燃，利用爆炸沖擊波清灰；空氣炮是使用儲存壓縮空氣并瞬間釋放，以其噴發沖擊波進行清灰。

優點：在其有效作用范圍內清灰力度強，能清理粘結性的結渣。適合用于粉倉、管道的阻塞清理。

缺點：燃料與空氣的配比要求嚴格，意外時會造成很大事故。并且沖擊波受到阻擋之后衰減很快，對管壁背面很難清理，對設備造成損壞的機率大，應用于鍋爐尾部復雜空間的受熱面積灰時時清灰效果受限，不適合應用于爐膛部位。

3.3 聲波清灰器（包括旋片式和旋鼓式）。

原理：利用多種發聲原理產生較強低頻聲波，以聲能進行清灰。

優點：利用低頻聲波可以繞射的特點作用，可以應用于復雜空間的清灰工作，在有效工作范圍內無死角，結構簡單，易于安裝及操作，維護工作量小，運行維護費用低。

缺點：不適合應用于爐膛部位。

4 新型聲波脈沖式清灰器介紹

4.1 影響清灰效果的主要因素

我們研究了國內外的各種聲波清灰器結構，并對許多國內使用該類清灰器的用戶進行了咨詢后發現，目前市場上應用的聲波清灰器普遍存在要么不清灰，要么是清灰效果差的現象，均不能達到用戶期望的清灰效果。

經過我們大量的試驗研究發現：聲波是完全可以用于積灰清理的，但是，清灰的效果取決于波形、頻率、聲強等要素，缺一不可，并不是所有的聲波都可以用于積灰清理。

我們研究發現：

（1）強在130 dB以下的聲波基本上不清灰，聲強小時清灰效果差。

（2）波形為圓弧形聲波不清灰，鈍角形聲波清灰效果差。

（3）不合適的聲波頻率難以與灰粒產生共振，清灰效果差。

在以上研究結果的基礎上，我們對國內的聲波清灰器的波形、頻率、聲強進行了整定和優化，開發了新型聲波脈沖式清灰器（如圖1所示）。

4.2 新型聲波脈沖式清灰器主要特點

相比其它聲波清灰器，其特點為：

（1）完善至最佳的波形，使其更加接近陡直脈沖，達到良好的清灰效果。和其它聲波清灰器波形對比如圖2所示。

（2）采用了徑向進氣以及旋鼓式切割發聲，并找到了發聲孔形狀和波形的關系以及最佳清灰波形。

（3）采用能量更大的高壓蒸汽作為發聲工質，提高了聲強，經測試：清灰器出口實測聲強為≥160dB，聲功率≥5000W，軸向有效清灰距離大于10m、徑向擴散距離8m。

對鍋爐過熱器、省煤器及空氣預熱器以及鍋爐管束等復雜的換熱面積灰清理干凈、徹底，不留死角，可以使受熱面露出金屬顏色。有效的解決復雜受熱面和復雜空間積灰的清理這一難題。

（4）采用低頻聲波，其具有較強的繞射能力，能有效作用于清灰器有效范圍內的拐彎邊角及多層管束空間（包括管子背面）。

對清除鍋爐過熱器及尾部受熱面的積灰，降低排煙溫度，提高鍋爐效率以及原鍋爐的可靠性，給企業帶來較好的經濟效益。

（5）采用調頻電機調頻，并程序設置其在一定的頻率范圍內自動調節，以尋求不同頻率的聲波和不同粒徑的灰粒產生共振，使其從管壁剝離并處于懸浮狀態被煙氣流帶走。

（6）號筒按照指數曲線設計，以便使發聲器件與自由空間之間得以匹配（阻抗匹配），從而使產生的聲音最有效地幅射到清灰空間去。

（7）聲波清灰器工作時，由于其主頻避開了鍋爐設備的固有頻率和二次諧振，因此不會對鍋爐設備造成任何傷害。

（8）利用聲波來清灰，相對傳統蒸汽吹灰器減少了蒸汽量，消除了蒸汽直接吹灰對爐管的磨損和腐蝕等副作用，降低了爆管機率，提高了鍋爐可靠性，是傳統蒸汽吹灰器的理想換代產品。

（9）結構簡單、易于現場安裝操作，維護量小，自動化程度及可靠性高。

（10）控制系統采用PLC控制，設有缺相、短路、過載等自動保護，可自動越過發生故障的清灰器而不影響其它在用設備的運行，對故障設備控制柜進行故障提示。

5 新型聲波脈沖式清灰器參數表

最大頻率　250Hz工作頻率　130～160Hz連續程控調節聲壓　≥160dB聲功　≥5000W爐外噪音　≤80dB軸向清灰距離　18米徑向擴散距離　10米工作介質　高壓蒸汽介質壓力　1.5～3.8MPa介質流量　200～800Kg/h最大外型尺寸　φ500x1670mm安裝開孔尺寸　φ400mm電動機　380V 1.1KW 3相4極整機單臺重量　170Kg控制柜　因控制清灰器數量而定功能　采用PLC程序控制與變頻調速技術，自動運行。電動球閥電源　220V 180VA介質　蒸汽電源條件　AC380/220V 25A

6 新型蒸汽脈沖式聲波清灰清裝置使用前后效果對比

通過以上現場實際實驗及應用，對鍋爐過熱器、省煤器及空氣預熱器以及鍋爐管束等復雜的換熱面積灰清理干凈、徹底，不留死角，可以使受熱面露出金屬顏色，有效的解決復雜受熱面和復雜空間積灰的清理這一難題，提高鍋爐效率以及鍋爐的可靠性，給企業帶來較好的經濟效益。

參考文獻：

[1]李新民,熊立新.聲波清灰器的發展和應用[J].電力設備,2007(09).

[2]李焦明.聲波清灰技術的應用[J].電力設備,2002(09).

[3]崔覺梅,徐勝國.聲波清灰技術改善除塵效率的實驗研究[J].重型機械,2003(05).