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1、第四代声波清灰技术及其对锅炉各部受热面的适应性分析北京钟高琦声学技术研究所江苏声学技术节能有限公司我国电力锅炉以燃煤为主，而动力用煤含灰量和含硫量高，容易形成锅炉受热面的结渣、积灰、腐蚀和磨损。当水冷壁受热面结渣时,影响自然循环锅炉水循环的安全性；强制循环时,由于热偏差,将影响水动力特性；因并列管的吸热不均,造成管屏的热偏差增大,局部水冷壁管超温。由于炉膛出口烟温升高,还将引起过热器、再热器壁温的升高甚至超温和高温腐蚀；尾部受热面积灰将影响传热工况，严重时使省煤器、空气预热器堵塞并引发低温腐蚀；积灰使排烟温度升高，降低锅炉运行经济性。清除受热面结渣、积灰的传统方法（如蒸汽吹灰、压缩空气吹灰、高
2、压水力清灰等），其实质是利用某种介质除灰。但这些吹灰技术普遍存在着“除灰范围有限、投资大、能耗高、使用不方便、对锅炉设备有副作用（如吹损受热面）、污染环境”等弊端。随着电力科技的不断进步，对机组耗能和环保的要求日趋严格；为解决传统吹灰技术的弊端，应运而生出现了声波清灰方法、技术和设备，并且在不断地改进和发展。但是，由于一哄而上的市场状况，良莠不一，鱼龙混杂，出现了很多问题，尤其是在大型机组的应用上；使得用户将信将疑，难以判断，甚至于误导至否定。因此，我们研究与开发了具有国内自主产权的第四代声波清灰技术及设备。第四代声波清灰器是根据电力系统使用特点而研制的清灰设备。对解决大型电站锅炉受热面普遍存
3、在的积灰结渣问题，提高锅炉热效率，有着十分重要的意义。1第四代(DSK系列)声波清灰技术11声波清灰机理声波清灰的原理是将一定强度和能量的声波送入运行中的锅炉炉内各种可能积灰结渣的空间区域，通过声能量的作用使这些区域中的空气分子与粉尘颗粒产生振荡，并破坏或阻止粉尘粒子在受热面管子表面沉积，使之始终处于悬浮流化状态，被烟气带走。对于受热面上原已结成片(块)状灰渣和硬灰垢，将在声波的作用下，尤其是在极高的加速度的外力策动下，从受热面断裂、剥离,落入灰斗或被烟气带出烟道。简而言之，声波清灰的基本原理在于声波对积灰结渣产生振荡悬浮流化作用、高加速度剥离作用和振动疲劳破碎作用。12第四代(DSK系列)声
4、波清灰器的主要技术特性第四代声波清灰器，全称为高效能大功率宽频带免维护声波清灰器。该清灰器作为声波清灰技术应用的实用设备，它在逐渐取代汽（气）力、冲击、振打等传统清灰设备的同时，也在不断地进步、发展和完善。产生声波的方法有多种多样，声波经过传播达到受热面，只要作用在受热面上的声波具有足够的能量就能清掉积灰，并不直接取决于声波的频率等特性。然而声波的传播状况，能否在受热面达到足够的能量就与声波的频率特性、烟气的特性、烟道和受热面的结构及声波清灰装器的布置等相关了。因此不是所有产生声波的方法都能成为优良的声波清灰器设备，主要取决于它的实用性。121关键技术优化声波清灰技术中，声波的频谱、声功率、声
5、波空间分布和传播特性等，为第四代声波清灰器的关键技术。具体有：能量特性方面具有150分贝以上的特大声功率型，频谱特性方面形成了特宽频带双主峰型。声波清灰器在高温环境下的腐蚀和磨损问题也已通过特殊钢材的使用较好地得到了的解决，如何减少声波清灰的动力气流所引起的环保的负面影响也得到了较好的改善。122主要技术特性在功能效果方面：声波清灰器所发出的声波是一种交变的、快速的、急剧的、反复的作用力，其能量作用要比蒸汽的冲击强烈得多，清灰的实效要高得多。声波又是可传播的，声波清灰的范围能够扩及到数米以外，包括管道背后及狭缝、边旁角落。声波的交变声压按传播距离的一次方成反比衰减，声强大小按传播距离的平方反比
6、衰减；而蒸汽吹灰的蒸汽射流动压却按喷射距离的平方反比成衰减；射流动能按喷射距离的立方成反比衰减；从声波能量的功能和传播特性显然可见，它必然有很多本质俱来的功能效果优越性。在安全可靠方面：安全可靠性对于电力企业至关重要。由于蒸汽吹灰器易吹损受热面而导致爆管停炉是长久没有解决的问题。但是，声波清灰器则不然。因为声波清灰器已经将动力气体的动量和冲量转换为幅射声波的波动能量，所以不存在对受热面管壁的冲刷磨损。此外，由于声波清灰器所采用的声波频率范围，避开了锅炉本体设备和受热面管排的本征频率，因此，不会引发锅炉本体设备和受热面管排的振动(共振)，仅对灰垢作用强烈而无损锅炉本体。可以说，该类声波清灰器是属
7、于本质安全型的设备，从根本上解决了因吹灰而爆管的隐患。在检修维护方面：没有需要调整的机构，也没有运动或不稳定的结构，完全是静态设备，不存在发生运动机械故障的可能性。声波清灰器的材料都是耐高温、耐腐蚀、耐磨损的优质材料，只要安装时按规程将管线吹扫干净，将气源中的固体杂物予以过滤，声波清灰器的运行就是长期可靠的，通称为免维护型设备。在运行管理方面：声波清灰器运行时完全由PLC控制，按时序图逐台依次投退，周而复始，不需要运行人员进行任何日常操作。只是在长时间停炉后再重新启动锅炉时，须要进行检查，将管线吹扫干净，清洗过滤器。123与传统蒸汽吹灰技术相比，声波清灰技术的主要优势a在声波有效范围内彻底除灰
8、。该类型声波清灰器的作用范围取决于其发声功率和强度，由于声波具有反射、衍射、绕射的特性,无论受热面管排如何布置,只要在声波有效作用范围内,声波总可以清除管排间及管排背后的积灰,除灰彻底,这是蒸汽吹灰器不能实现的。b短间隔巡回投用,连续保持受热面清洁。一般单台声波清灰器1次工作时间为1530s,停运30120min,如此循环反复,可连续保持受热面清洁，有效保持甚至提高锅炉热效率、降低排烟温度。而蒸汽吹灰，即便是每天吹一次灰，也间隔了24小时。c无受热面机械损伤。声波依托高温烟气为介质来传播,使烟气中的灰粒在声波能量作用下发生质点位移,从而使灰粒难于附着在管壁上,达到除灰的目的。这不同于蒸汽吹灰的
9、直接冲刷,不存在对受热面管壁的机械损伤。d声波清灰装置体积小巧,结构紧凑,安装方便,操作便利,设备简单,无复杂的伸缩、旋转机构；因此，它故障率极低，基本属于免维修。e无潮湿介质进入炉内,不会加剧低温受热面腐蚀及空气预热器堵灰。f发声介质为压缩空气,节约了昂贵的蒸汽资源,运行成本极低。g不受锅炉启、停限制,启炉即可投入运行,停炉后仍可继续运行。2第四代声波清灰技术对锅炉各部受热面的适应性分析21第四代声波清灰技术对于燃料燃烧产生的积灰结渣清除的效果分析造成锅炉积灰结渣的原因非常复杂，而清除的效果是随着燃料特性、成分及其物理化学性能、锅炉负荷及燃烧工况、锅炉喷燃装置及其它辅机的结构及工作原理、锅炉
10、空气动力场及换热设计等的不同而变化；由于灰粒子的表面张力、粒子之间及其与炉内管壁之间的粘滞力、分子附着力、静电吸引力以及化学亲和力等多方面的作用，都会对锅炉的积灰结渣情况产生影响。具体来说，锅炉的积灰结渣主要有如下的几种情况：a.结焦渣：主要发生在炉膛出口水平烟道之前的高温幅射、半幅射受热面上，严重时可延伸至水平烟道内的高温对流受热面；在这些部位，温度很高，飞灰呈熔融、半熔融状的粘性颗粒，在随烟气流动的过程中遇到温度低于烟气的受热面时，迅速冷却，黏结在管壁上，并随着离开管壁的温度梯度的变化，形成有层次的不断增厚的结渣，直至某一部位的黏结强度不堪其自身的重量而自坠落。因此,对于水冷壁受热面的清灰
11、设备选择,应根据该锅炉设计煤质及现场生产实际的燃烧情况而定；研究表明：声波的特性决定了声波的能量对于炉膛内已积聚较严重的属粘弹性的焦渣是无能为力的；但在此阶段之前，用声波连续、反复的循环清灰，辅以定期的蒸汽吹灰，将会大大降低粘弹性焦渣的积聚能力，防止结焦渣恶化。b.高温粘结灰：主要发生在烟温较高区域的炉膛和高温对流受热面上。特别是在燃用多升华物质燃料(例如低硫煤)的锅炉中，燃料中含有的钠、钾、硅、钙、钒、磷等金属元素分子在燃烧中升华，一旦遇到温度较低的受热面管壁，就将发生冷凝，然后和烟气中的SO3 等氧化物化合，形成各种熔融状的粘性盐类物质，并进而捕捉大量飞灰。研究表明：声波对积灰结渣产生振动
12、疲劳破碎作用、高加速度剥离作用，使高温粘结灰超过疲劳极限，而发生断裂和破碎。积灰和结渣将在声波的作用下，尤其是在极高的加速度的外力策动下，从受热面剥离而被带出烟道。大功率的第四代声波清灰器， 可以达到这样的效果。c. 低温粘结灰：一般发生在省煤器及空气预热器等低温对流受热面上。是由于灰分粒子中的碳粒子吸附了烟气中的硫酸根、亚硫酸根及水，形成粘性很强的含有硫酸的碳粒子，并沉积或冷凝在受热面管子外表面上，然后和烟气中的其它灰粒子发生反应，形成以硫酸钙为基质的硬结水泥状焦渣；还可能与受热面作用，生成牢固的硫酸亚铁等腐蚀性物质。研究表明：与高温粘结灰的情况相同，声波对积灰结渣的振动疲劳破碎作用、高加速
13、度剥离作用，使所积粘结灰超过疲劳极限，发生断裂和破碎。积灰和结渣将在声波的作用下，尤其是在极高的加速度的外力策动下，从受热面剥离而被带出烟道。大功率的第四代声波清灰器， 可以很好的达到这样的效果。d.疏松积灰：在炉膛及尾部烟道受热面各部位均有可能沉积，在锅炉内的积灰中占有的比例最大，约60以上。主要是粒度小于30 微米的飞灰粒子所产生的物理沉积，呈干松状，粘结力很小，易于清除，但是热阻很大，对锅炉的热效率影响也很明显。研究明确：通过声能量的作用使这些区域中的空气分子与粉尘颗粒产生振荡，并破坏或阻止粉尘粒子在受热面上的结合，使之始终处于悬浮流化状态，被烟气带走。大功率的第四代声波清灰器，可以很有
14、效地达到清灰效果。22第四代声波清灰技术对锅炉各部受热面的适应性分析根据前面的的分析结果，声波清灰对锅炉各部位受热面的适应性研究综述如下：a.炉膛受热面：当燃用低灰熔点、高粘度灰、结渣性强的煤质时，对于燃烧区域范围内的以幅射传热为主的蒸发受热面（水冷壁），声波清灰不能完全替代蒸汽吹灰，宜采用声波与蒸汽吹灰相结合的模式。在锅炉启动初始阶段(此时蒸汽吹灰机制无法建立)和受热面灰渣沉积的第一阶段（前述）,采用声波清灰最合适；此阶段声波清扫不但能相对维持炉膛受热面的干净，而且有助于燃烧；因声波在炉膛中对燃烧工质产生扰动，破坏了包敷在燃料团与管子周围流动附面层，对燃烧颗粒具有催化反应的作用，因而有助燃和
15、节能作用，可提高燃烧效率。在灰渣沉积的第二阶段,此时，蒸汽吹灰参数已达要求，宜采用声波与蒸汽吹灰相结合的方式；在灰渣沉积的第三阶段（即结渣恶化），宜以蒸汽吹灰为主要手段维持吹灰外，可采用其它辅助方法，如降负荷以降低炉温让灰渣急冷而自行脱落或者调节燃烧工况等来处理。当燃用高灰熔点、低粘度灰、结渣倾向小的煤质时，声波清灰完全可替代蒸汽吹灰；而且水冷壁由于蒸汽吹灰被吹损减薄的现象再也不会发生。b.空气预热器：空预器因处于锅炉尾部低温段，大多积灰为松散型，声波清灰基本能达到目的；但对燃用高硫煤的锅炉，在其冷端如发生低温腐蚀，就易出现硫酸腐蚀型堵灰区，因此，应在空预器低温段下部同时设置蒸汽吹灰器以加强清
16、灰效果。当锅炉尾部烟道增设全烟气脱硝装置（SCR）后，如果NH3的逃逸量控制在2ppm以下，对空预器的影响不会很大，上述吹灰模式仍然有效；如果NH3的逃逸量达到3ppm及以上，铵盐会在空预器中沉积，压力降会增加，根据硫酸氢氨沉积特点（氨气浓度3ppm时，沉积湿区为149191），冷端硫酸腐蚀型堵灰区和由于加装SCR出现的硫酸氢铵型堵灰区将同时发生, 硫酸氢铵成分易溶于水，由其导致的积灰为松散型；如以此作为设计工况，则应在空预器高、低温段均加设双介质（即蒸汽和高压水）吹灰器，与声波清灰配合清灰，以确保空预器运行安全。c.水平和尾部竖井烟道受热面:根据前面对高效能、大功率共振腔类声波清灰器（即第四
17、代技术）清灰机理及技术特性的分析研究表明，水平烟道和尾部竖井烟道受热面吹灰系统设计应优先采用目前最新型的第四代声波清灰装置；该产品必将成为传统的蒸汽吹灰器的更新换代产品。d.全烟气脱硝装置反应器本体:由于该反应器一般设计在省煤器与空预器之间，积灰仍为松散型，内部吹灰首选声波清灰,其次可选用耙式蒸汽吹灰器;e静电除尘器与袋式除尘器：由于进入除尘器的烟气温度已较低，其内部元件的灰沉积属低温粘结灰和疏松积灰；因此，对袋式除尘器的布袋清灰，大功率的第四代声波清灰器由于其强大的功能特性决定了其在袋式除尘器上清灰的优势，应作为首选；而对静电除尘器，声波清灰的应用更为广泛；2004年4月19-22日，由中国
18、电力企业联合会主持，在厦门嵩屿电厂，进行并通过了电除尘声波振打清灰装置的成果鉴定。鉴定会对声波振打清灰装置给于高度评价，并建议推广应用；鉴定检测结果表明：这台除尘效率逐渐下降的300MW机组静电除尘器，经采取声波振打清灰器改造后，不仅达到了此台除尘器原有设计指标，而且达到了此台除尘器历年来除尘率的最高水平，也就是说，冲击了此台除尘器的极限指标。更为重要的是，运行记录和再度测试结果表明，连续运行至今，仍然保持了良好水平。即可以保持此台电除尘器的持续高效、安全运行。 23对于各类大型电站锅炉的适应性根据上述几点分析结果，第四代共振腔类大功率声波清灰技术完全能适用于各类大型电站锅炉，由于其独特的设计
19、参数与技术特性决定其清扫的复盖面较其它类别的声波清灰器宽广；以上海锅炉厂设计制造的锅炉为例，30万机组配套锅炉，其尾部竖井深、宽尺寸为：8550*14022mm；60万机组配套锅炉，其尾部竖井深、宽尺寸为：13908*19558mm；只要在其二側（或前后）炉墙优化设计、布置足够数量的大功率声波清灰器，其清灰有效空间延锅炉的宽度、深度方向均能复盖；如对程控设置加以优化，即可达到满意的清灰效果。因此，对在役锅炉，研究、试验逐步用第四代声波清灰技术来取代现有蒸汽吹灰方式，达到提高锅炉安全性、减少能耗、降低运行成本和提高环保效益的目的势在必行。目前应用情况：已经在30万千瓦及以上级别的大型机组锅炉和大
20、、中、小型循环流化床锅炉上广为应用。不仅一些300MW及以上级别大机组都进行了技改外，许多新建机组已在锅炉制造阶级直接设计声波清灰系统。另外，如华能福州电厂、江苏利港电厂、广州黄埔电厂等，一而再、再而三地扩大机组应用的范围，并取得良好效果。3结论从安全性及经济性考虑，大型电站锅炉各部受热面采用声波清灰技术是可行的，可达到有效清灰的目的。声波清灰器安装便利，维护简单。应用实践证实了其具有除灰效果优异、运行安全可靠、防止锅炉受热面吹损及节能降耗、改善环保等特性。高效能、大功率、宽频带、免维护声波清灰装置的开发研制，将为解决锅炉采用传统吹灰技术所存在的、难以解决的弊端，提供一种有效的、安全的、经济的可推广的技术措施。第 11 页 共 11 页