可调频高声强声波吹灰器在管式空预器的应用

摘要：大唐保定热电厂为东方锅炉生产的DG670/13.7-19型锅炉，锅炉为超高压、中间再热、自然循环、全悬吊、平衡通风、煤粉固态排渣炉，采用管式空气预热器，检修期间对预热器进行检查，中级预热器硫酸氢铵结垢尤为严重，造成换热能力下降，排烟温度提高，同时甲乙侧排烟温度偏差较大造成机组运行不稳定，时常由于管式空预器的堵塞不得不停炉进行冲洗，为了提高锅炉效率，减少资源浪费，响应国家节能减排的号召，特提出对#11机组炉空预器声波吹灰器进行改造。

大唐保定热电厂

大唐保定热电厂为东方锅炉生产的DG670/13.7-19型锅炉，锅炉为超高压、中间再热、自然循环、全悬吊、平衡通风、煤粉固态排渣炉，采用管式空气预热器，预热器共分三级上、中、下布置，上部及下部为立式换热管道，中部为卧式管道，每级空预器分为四个仓室，中级预热器上层前后侧各加6台靶式吹灰器总共12台，检修期间对预热器进行检查，发现预热器管子积灰、结垢严重，尤其中级预热器硫酸氢铵结垢尤为严重，造成换热能力下降，排烟温度提高，同时甲乙侧排烟温度偏差较大造成机组运行不稳定，时常由于管式空预器的堵塞不得不停炉进行冲洗，为了提高锅炉效率，减少资源浪费，响应国家节能减排的号召，特提出对机组炉空预器声波吹灰器进行改造。

现场照片

预热器堵灰情况介绍

电厂机组脱硝提升改造完成后，发现甲侧排烟温度高，经过调整排烟温度趋于稳定，但两侧烟温还存在10℃偏差，30天后甲、乙侧排烟烟温发生逆转，乙侧烟温开始高于甲侧烟温，至45天后开始烟温差增大趋势开始加速， 1月8日甲乙侧烟温偏差达到33℃。乙侧一次热风风温从298℃逐渐升高到315℃，至1月11日甲乙侧风温差达到126℃，甲侧热风温度过低，只有190℃左右，由于脱硝热解风取自甲侧，热风温度过低导致脱硝系统无法正常运行，被迫停炉。

根据理化特性，硫酸氢氨的熔点为147℃，沸点为350℃，硫酸氢氨在空气预热器的中低温段会发生液化，而液相硫酸氢氨具有很强的腐蚀性和粘性，会对空气预热器中温段和冷段形成强腐蚀，通常迅速粘在传热元件表面进而吸附大量飞灰，造成空气预热器堵塞。

中温预热器出入口烟温分别为200℃、338℃，出入口风温264℃、97℃，预热器壁温介于147℃至350℃的范围内，属于易粘结积灰区间，过量氨逃逸是生成硫酸氢氨并造成积灰的主要原因。

预热器堵灰原因分析

空气预热器冷端的吹灰压力影响

因空气预热器设计方面存在问题，空气预热器的设计中仅包含蒸汽吹灰，并无高压水冲洗。在空气预热器运行的过程当中，空气预热器吹灰次数平均一日一次，吹灰蒸汽压力达到1.7～1.8Mpa。因压力过低，吹扫次数非常少，但是最终所达到的吹灰成效并不乐观，极易导致空气预热器有堵塞的现象发生。

脱硝率过高的影响

随着目前国家对环保排放指标参数要求的严格化，考核的不断加重，为能够避免考核，整个机组的运行的过程当中，一般脱硝率会处在87%～95%的范围，锅炉喷入较多的液氨，会造成氨逃逸非常高的情况出现。在氨逃逸量较高的情况下其会与烟气当中包含的SO3发生一定的反应生成硫酸氢铵，而液态硫酸氢氨极易附着在空气预热器传热元件表面，随着慢慢地捕捉飞灰，逐渐会有融烟状的积灰形成，久而久之便会导致整个空气预热器发生堵塞。

反应的化学方程式如下：

4NH₃+4NO+O₂→4N₂+6H₂O （1）

4NH₃+6NO→5N₂+6H₂0 （2）

8NH₃+6NO₂→7N₂+12H₂0 (3)

入炉煤硫份高的影响

为了能够使得生产成本得到有效性地降低，整个机组运行过程当中，长期燃烧Sar≈1.3%的高硫煤，远大于设计原煤硫份Sar=0.9%，导致原烟气SO2浓度在2500mg/Nm3以上，流经空气预热器中的烟气有过多的SO3，容易与液氨反应生成硫酸氢铵，根据理化特性，硫酸氢氨的熔点为147℃，沸点为350℃，硫酸氢氨在空气预热器的中低温段会发生液化，而液相硫酸氢氨具有很强的腐蚀性和粘性，会对空气预热器中温段和冷段形成强腐蚀，通常迅速粘在传热元件表面进而吸附大量飞灰，造成空气预热器堵塞。中温预热器出入口烟温分别为200℃、338℃，出入口风温264℃、97℃，预热器壁温介于147℃至350℃的范围内，属于易粘结积灰区间，过量氨逃逸是生成硫酸氢氨并造成积灰的主要原因。

反应的化学方程式如下：

NH₃+SO₃+H₂O→NH₄HSO₄ (1)

2NH₃+SO₃+H₂0→(NH₄)2SO₄ (2)

可调频高声强声波发声器

吹灰机理

高声强声波是一种机械波，空气中的声波使空气分子产生振动，在边界层振动的空气分子带动相邻的介质分子振动，并产生两种效果，一种是声能透射到相邻介质中使介质中形成固体声波，另一种由于空气分子与相邻介质分子之间的粘滞力，声波相当于施加给相邻介质一个作用力，使表面介质分子被声波来回推拉。若吹灰频率与灰垢共振频率一致，将会产生共振效应，这两种效果将更加明显。

在高声强声波发声器除垢过程中，第一种固体声波是固体中微小质量的振动，在高强声压下，高强度声波能量将被灰渣颗粒吸收，使其灰渣表面发生形变、疏松、破碎。这个逐渐变化的过程是灰渣积累吸收声能的过程，一旦灰渣表面产生微小裂隙，声波便沿着裂隙将振动状态传入，进而发生结渣颗粒与受热面剥离的现象。第二种效果使附着在换热器表面的硬垢被来回地推拉，使其不断地压缩和伸张因为声波对表面硬垢的反复作用，每秒钟达数十次到数百次，使其因声疲劳而断裂，并逐步松动、脱落。

主要优点

高声强声波能量高，辐射具有全向性，它能均匀布满整个空间，且声波在径向通过密集的蓄热元件时衰减量小，进行全方位清灰，可以清除到其它方法不易清除的死角。保持受热面清洁，使烟道畅通，提高换热效率。

声波除灰法利用声振动达到除灰的效果，声波除灰方式本身又可以影响沉积物生成机理，防止和延缓沉积物形成，起到了预防结垢的作用，吹灰效果好。

高声强声波吹灰器声波频率覆盖范围大，可针对空预器内部任意形式的积灰设定最佳吹扫频率，灰垢产生吻合后，伴随着气流被带走，而不会对作用对象产生不良作用。

耗能量低，安装投资费用回报期短。

声波吹灰不会对换热元件、支撑及其他部件产生应力损伤和吹损。

高声强声波发生器在管式空预器中的作用效果分析如下：

声源声功率为30000声瓦，理论声功率级为：

Lw=10lgW/W0=10lg30000/10-12≈164.8dB

依据半空间自由声场中直达声在某点声压的计算公式：

Lp=Lw-20lgr-8

其中：

Lp- 声场中r距离处的声压，dB；

Lw- 声源的声功率级，dB；

r- 某点到声源的距离，m。

计算可得，在距离喇叭开口1m处声压级可以达到156.8dB，可以有效穿透整个管式空预器，在半径6m处声压级可以达到141.5dB，同时由于声波在管式空预器内部的反射、折射、衍射等物理作用对声波有增强、放大的功效，在整个管式空预器空间内声压级都将达到145dB左右。根据参考各类文献实践经验，声强在140dB以上即可有效去除积灰、结垢，声强在145dB以上声波吹灰效果尤其明显。

具体应用

2018年3月电厂进行了可变强声波吹灰器安装应用试验，在中温预热器1个仓室安装2台高声强声波吹灰器，根据现场实际情况，控制柜内安装有2台用于放大输出到发生器信号的功率放大器，其中一台正常运行，如当前运行的功率放大器发生故障，控制系统的故障检测电路会马上检测到并将信号切换到备用的功率放大器上，从而保证系统运行的安全稳定，充分提高整套设备的可靠性。

应用效果

2018年3月2台可变声波吹灰器按照完成投入运行，通过5个月的连续运行，设备运行稳定，取得了良好的应用效果。

附图1为声波吹灰器安装前的现场DCS截图，图中预热器压差为-3339Pa,附图2为声波吹灰器安装完成后的现场DCS画面，图中预热器压差为-2474Pa，堵塞情况出现明显好转。

附:2：设备改造前

附图3：设备改造后

结论

改造后设备能够在高负荷下安全高效的运行，锅炉排烟温度可降低6～8℃，热效率提升约0.3%～0.4%。机组每年可以节约标煤 990吨。节约煤耗64.4万元；降低引风机电耗损失，降低风烟系统阻力5%-10%，引风机电流可下降幅度可达20A左右，每年可节约厂用电费用70万元.每年可以减少冲洗2-3次，可节约冲洗费用60-80万元；

10、11号锅炉超低排放改造后，在使用多种方法处理预热器结垢积灰未取得明显效果的情况下，积极调查研究引进可变强声波吹灰器，解决了预热器结垢堵灰问题并取得了较好效果，该技术的使用为超低排放运行中的锅炉（尤其是炉膛出口NOx浓度较高的锅炉）提供了一个较为可行又效果明显的防止预热器堵灰方法，由于对现有系统改造简单，其具有较高的推广应用价值。