聲波吹灰器工作原理與應(yīng)用
積灰結(jié)渣是各種鍋爐普遍存在的問題，對(duì)于鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性影響很大。鍋爐積灰結(jié)渣所帶來的最直接問題是導(dǎo)致鍋爐的換熱效率下降。由于鍋爐受熱面上的積灰和灰渣層的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬管壁低近1000倍，所以積灰會(huì)嚴(yán)重影響鍋爐受熱面內(nèi)的熱量傳導(dǎo)，使得鍋爐負(fù)荷能力下降，最終導(dǎo)致停爐清洗維修，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，要實(shí)現(xiàn)鍋爐裝置“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”運(yùn)行的目標(biāo)，就必須解決鍋爐受熱面的積灰問題，以提高鍋爐的整體運(yùn)行水平。
針對(duì)國(guó)內(nèi)外各種鍋爐長(zhǎng)期普遍存在的積灰問題，有關(guān)技術(shù)人員一直在尋求解決辦法，不斷探索著各種不同的除灰辦法，并先后研制了長(zhǎng)伸縮式高壓蒸汽吹灰器、旋轉(zhuǎn)式蒸汽吹灰器、高壓水力除灰、鋼珠(振動(dòng))除灰器等各種設(shè)備，但存在如下問題：除灰范圍有限，雖然設(shè)計(jì)了伸縮式、旋轉(zhuǎn)式等較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式的設(shè)備，還是難于覆蓋整個(gè)爐體所有的積灰區(qū)域，仍有很多死角死區(qū)；耗能高，使用維護(hù)費(fèi)用大；操作使用不方便；維護(hù)量大、易損壞。
現(xiàn)代的聲波吹灰技術(shù)的提出和發(fā)展始于20世紀(jì)70年代的歐洲，1978年進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng)，90年代引入我國(guó)，并開始在電站和石化鍋爐上試驗(yàn)性地使用，近年來逐步得到推廣應(yīng)用。
聲波吹灰是指利用聲場(chǎng)能量的作用，清除鍋爐換熱器等表面積灰和結(jié)焦的方法。聲波吹灰技術(shù)包括聲波發(fā)聲器和控制器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝與使用等一整套的軟硬件技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)有十余家從事聲波吹灰技術(shù)研制和推廣應(yīng)用的研究機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)、公司或代理，生產(chǎn)或銷售多種形式的聲波吹灰器。聲波吹灰器將逐漸得到更廣泛的應(yīng)用。
2聲波吹灰器的工作原理
聲波吹灰器主要由壓縮氣源、電子控制器和聲波發(fā)生器組成。其工作原理是：將空氣經(jīng)過過濾器凈化后，通過聲波發(fā)生器并在電磁閥的控制下將壓縮空氣的能量由聲波發(fā)生器轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷埽{(diào)制成聲波，以聲波的方式向外傳遞，聲波通過聲波導(dǎo)管經(jīng)輻射喇叭的規(guī)整放大后以一定的頻率、工作程序和周期傳入容器內(nèi)；聲波在彈性介質(zhì)里傳播，聲波以直射、滲透、反射和繞射等形式疊加形成一個(gè)不留死角的強(qiáng)大諧振聲場(chǎng)，循環(huán)往復(fù)地作用在容器表面的積灰上，周而復(fù)始的對(duì)積灰施以拉、壓高速循環(huán)的變動(dòng)載荷，對(duì)灰粒之間及灰粒和容器壁之間的結(jié)合力起到減弱和破壞的作用；從微觀上看，積灰是由于大量微小灰粒子的表面張力、粒子之間及其管壁之間的粘滯力、分子附著力、靜電吸引力以及化學(xué)親和力等多方面的作用在容器表面上的積聚，而聲波的作用就是加速空氣分子的振動(dòng)作用，使空氣分子密布在整個(gè)空間里，形成在積灰粒子的周圍密布著億萬(wàn)個(gè)空氣分子，當(dāng)這些分子都以共同的強(qiáng)度和頻率往復(fù)振動(dòng)時(shí)，它的作用力就不容輕視；聲波持續(xù)工作，灰粒與容器壁之間的結(jié)合力減弱到一定程度后，最終會(huì)導(dǎo)致疲勞破壞而疏松，使積灰松散脫離，或被氣流沖刷帶走，達(dá)到吹灰的目的。
聲波在容器內(nèi)呈球面輻射，波速較高，聲波衰減小且反射性強(qiáng)，其作用是充滿空間，沒有死角，反復(fù)均勻地作用于容器表面。鋼鐵的聲阻(介質(zhì)的密度ρ和聲波在該介質(zhì)中的速率v的乘積ρv)遠(yuǎn)大于空氣介質(zhì)的聲阻，一般情況下可以認(rèn)為聲波在空氣和鋼鐵的界面發(fā)生了完全反射。波的傳播過程就是振動(dòng)的傳播過程，也就是能量的傳遞過程。介質(zhì)中的能量密度e，即單位體積中介質(zhì)的機(jī)械能，為單位體積中介質(zhì)的動(dòng)能ek與彈性勢(shì)能ep的和。對(duì)于簡(jiǎn)諧振動(dòng)，單位體積中介質(zhì)的機(jī)械能為：e=ek+ep=ρA2ω2sin2ω(t-r/v)，其中：ρ為介質(zhì)密度，A為振動(dòng)振幅，ω為角頻率(ω＝2πf，f為振動(dòng)頻率)，t為時(shí)間，r為距離，v為波的傳播速度。由此可見，介質(zhì)中的能量密度和振幅的平方、頻率的平方、介質(zhì)的密度都成正比。平均能量密度為e=ρA2ω2。波源是能量的來源，能量沿著波速的方向傳播。聲波吹灰是非接觸性吹灰，是以交變的、快速的、急劇的、反復(fù)的波動(dòng)形式傳遞能量。在介質(zhì)密度一定的情況下，介質(zhì)中的能量密度取決于兩個(gè)關(guān)鍵因素，即聲波振幅和聲波頻率。這兩個(gè)因素也是聲波能夠吹灰的關(guān)鍵。
聲波振幅可以簡(jiǎn)單地看作是聲波的力量，而頻率表示空氣粒子單位時(shí)間內(nèi)來回振動(dòng)的次數(shù)。聲波振幅越高，振動(dòng)頻率越大，聲波的作用就越強(qiáng)。但聲波的振幅也有一定的限度，振幅太高，聲波將泄露，會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生噪聲污染。聲波頻率也是如此，聲波頻率太高，則聲波波長(zhǎng)變短，聲波的繞射能力就差，聲波衰減就快。但是如果頻率小于60Hz，聲波將可能破壞固體結(jié)構(gòu)以及機(jī)械連接裝置。所以，聲波振幅和聲波頻率是衡量聲波吹灰效力的兩大要素，在一定范圍里，聲波強(qiáng)度和聲波頻率的值越高，則聲波吹灰的效力越強(qiáng)。
對(duì)于75Hz、147dB的聲波，在距聲源1m處的有效清灰范圍是4.5m，在12m處依然有效，有效清灰范圍為3.35m；而對(duì)于230Hz，147dB的聲波，在距聲源1m處的有效清灰范圍是1.4m，在6m處依然有效，有效清灰范圍為0.9m，在8m處就無效了。事實(shí)說明了聲波頻率越高，聲波衰減越快。
3聲波吹灰器的特點(diǎn)
聲波吹灰器是一種防止灰塵在工業(yè)設(shè)備上集灰、板結(jié)的低頻、高能喇叭。其是通過利用聲波使粉塵顆粒產(chǎn)生振動(dòng)從設(shè)備表面脫落的原理來清灰。一般情況下，聲波吹灰器根據(jù)發(fā)聲機(jī)理可以分為旋笛式吹灰器、膜片式吹灰器。
(1)旋笛式吹灰器
旋笛式吹灰器的工作原理是利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)的閥門，反復(fù)開通和關(guān)斷氣流的噴口，使噴出的氣流斷續(xù)而成為聲波。
(2)膜片式吹灰器
對(duì)于常用的膜片式吹灰器，膜片聲波發(fā)生器中的膜片發(fā)聲頭能產(chǎn)生特定頻率的高能聲波(一般為75Hz，147dB)破壞粉塵原有結(jié)構(gòu)，使用0.48M～0.62MPa壓縮空氣使內(nèi)部的高強(qiáng)度膜片產(chǎn)生振動(dòng)，從而形成高能聲波。膜片聲波吹灰器的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其控制也較簡(jiǎn)單，只需要控制一個(gè)3/4兩位兩通膜片式電磁閥的開閉就可以控制聲波吹灰器的發(fā)聲/關(guān)閉。
聲波吹灰器經(jīng)全面調(diào)試后，只要發(fā)聲正常、供氣正常，就能安全可靠運(yùn)行。聲波吹灰器占用空間小，如果采用套筒式安裝，聲波吹灰器的外延與反應(yīng)器箱體板的距離為1.3m，相對(duì)蒸汽吹灰器基本不占用空間。同時(shí)，聲波吹灰器的安裝、調(diào)試簡(jiǎn)便，一般3個(gè)工人每天可安裝5～6臺(tái)，安裝時(shí)只需要焊接牢固就可以，無需專用工具和支吊設(shè)備。設(shè)備調(diào)試時(shí)，如果事先將管道的清理工作做好，1天就可以完成所有聲波吹灰器的調(diào)試，且一次完成，不需要進(jìn)行熱態(tài)調(diào)試。一般情況下，聲波吹灰器安裝后的扭矩約為375Nm，重心距離箱體板0.7m，聲波吹灰器的有效清灰范圍為軸向12m，1m幅向?yàn)?.5m，12m處幅向?yàn)?.4m。在多個(gè)喇叭同時(shí)發(fā)聲的重疊聲場(chǎng)中有效范圍還可以增大。不同形式的聲波吹灰器的特點(diǎn)比較見下表。
與傳統(tǒng)的除灰器相比較，聲波吹灰器的特點(diǎn)如下：
(1)由于聲波本身的繞射特性，不存在清灰死角問題。
(2)能量衰減慢。使用蒸汽吹灰時(shí)，它靠動(dòng)能吹灰，動(dòng)能衰減快，在離蒸汽噴口3m處，動(dòng)能基本為零，而聲波能量一般在離聲源5m處時(shí)為在聲源處的1/5。如果聲源布局合理，考慮到混響聲場(chǎng)的效應(yīng)，聲能衰減更小。
(3)無毒副作用，不存在磨損。聲波吹灰以空氣為介質(zhì)，不會(huì)引起腐蝕。聲波吹灰是較小能量循環(huán)往復(fù)作用的結(jié)果，是疲勞效應(yīng)，不會(huì)使管壁受損或者磨損。
(4)結(jié)構(gòu)緊湊，活動(dòng)部件少，全自動(dòng)操作，故障率極低，基本上不需要維護(hù)。
(5)運(yùn)行成本低，耗能低，不消耗蒸汽，節(jié)約能源。
(6)一次性投資成本低，經(jīng)初步估算約為傳統(tǒng)耙式蒸汽器的50%。
(7)安裝成本低，只需一條壓縮空氣管線；在機(jī)組的內(nèi)部和外部都不需要額外的鋼結(jié)構(gòu)支撐。
聲波吹灰器具有以上優(yōu)點(diǎn)，但也具有一定的局限性：
(1)聲波吹灰器利用聲能吹灰有一定的選擇性，一般情況下比較適合干松灰；
(2)由于能量較小，吹灰強(qiáng)度不高，聲波吹灰器對(duì)于已結(jié)渣和粘性強(qiáng)的積灰作用不大，因此無法清除粘結(jié)性積灰和嚴(yán)重堵灰以及堅(jiān)硬的灰垢。
4聲波吹灰器的工程應(yīng)用
到目前為止，聲波吹灰器主要用于各種中型和大型鍋爐，在燃煤電站鍋爐方面的應(yīng)用包括省煤器、空預(yù)器、引風(fēng)機(jī)、沉降器、通風(fēng)管道、料倉(cāng)、灰斗、換熱器(GGH)等。
聲波吹灰器的最新應(yīng)用領(lǐng)域是選擇性催化還原反應(yīng)器(SCR)。我國(guó)燃煤電廠排放的煙氣中灰分含量普遍較高。SCR通常布置在省煤器和空預(yù)期之間，屬于高灰布置方式，因此含灰量高，容易形成積灰。灰分會(huì)使催化劑磨損、堵塞，減小催化劑的有效體積；催化劑活性位還會(huì)吸收灰分中的化學(xué)成分，影響催化劑活性。因此清除催化劑的表面積灰、保證催化劑活性是SCR脫硝反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。
江蘇國(guó)華太倉(cāng)發(fā)電有限責(zé)任公司2×600MW機(jī)組煙氣脫硝環(huán)保工程，采用日立造船波紋板式催化劑，每臺(tái)鍋爐配2個(gè)SCR反應(yīng)器，反應(yīng)器尺寸為15m×10m。經(jīng)過數(shù)年的運(yùn)行檢驗(yàn)，灰分沒有發(fā)生板結(jié)，聲波吹灰器完全能夠滿足SCR反應(yīng)器的吹灰需要。
5結(jié)語(yǔ)
(1)聲波吹灰器可以清除鍋爐換熱面的積灰，阻止換熱面積灰結(jié)焦，達(dá)到提高換熱效率的目的，可以有效節(jié)約能源。
(2)與傳統(tǒng)除灰器的性能相比，聲波吹灰器性能優(yōu)、投資少、耗能低、易于維護(hù)，雖然有一定的局限性，但在除灰領(lǐng)域中，聲波吹灰依然占有絕對(duì)的主流地位，尤其是在新型的應(yīng)用領(lǐng)域SCR中的應(yīng)用。
實(shí)踐證明，無論從安全性、可靠性的角度，還是從節(jié)能、設(shè)備投資成本、運(yùn)行成本、維護(hù)成本等方面考慮，聲波吹灰是SCR系統(tǒng)最適合的吹灰技術(shù)。在SCR系統(tǒng)中，使用聲波吹灰器對(duì)催化劑本身無機(jī)械破壞、對(duì)各種脫硝催化劑無毒副作用。因而聲波吹灰器也是保持催化劑活性及壽命的關(guān)鍵設(shè)備。
(3)隨著能源價(jià)格的上漲，聲波吹灰器正日益受到廠家的青睞，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力、石化、造紙和水泥等行業(yè)，且有廣闊的發(fā)展前景。
