聲波吹灰器工作原理與應用
積灰結(jié)渣是各種鍋爐普遍存在的問題，對于鍋爐運行的經(jīng)濟性、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熱系數(shù)比金屬管壁低近1000倍，所以積灰會嚴重影響鍋爐受熱面內(nèi)的熱量傳導，使得鍋爐負荷能力下降，最終導致停爐清洗維修，造成嚴重的經(jīng)濟損失。因此，要實現(xiàn)鍋爐裝置“安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)”運行的目標，就必須解決鍋爐受熱面的積灰問題，以提高鍋爐的整體運行水平。
針對國內(nèi)外各種鍋爐長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)除灰器等各種設備，但存在如下問題：除灰范圍有限，雖然設計了伸縮式、旋轉(zhuǎn)式等較復雜的運動方式的設備，還是難于覆蓋整個爐體所有的積灰區(qū)域，仍有很多死角死區(qū)；耗能高，使用維護費用大；操作使用不方便；維護量大、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70年代的歐洲，1978年進入美國市場，90年代引入我國，并開始在電站和石化鍋爐上試驗性地使用，近年來逐步得到推廣應用。
聲波吹灰是指利用聲場能量的作用，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)聲器和控制器的設計、生產(chǎn)、安裝與使用等一整套的軟硬件技術(shù)。目前國內(nèi)市場有十余家從事聲波吹灰技術(shù)研制和推廣應用的研究機構(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不留死角的強大諧振聲場，循環(huán)往復地作用在容器表面的積灰上，周而復始的對積灰施以拉、壓高速循環(huán)的變動載荷，對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作用，使空氣分子密布在整個空間里，形成在積灰粒子的周圍密布著億萬個空氣分子，當這些分子都以共同的強度和頻率往復振動時，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，最終會導致疲勞破壞而疏松，使積灰松散脫離，或被氣流沖刷帶走，達到吹灰的目的。
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，其作用是充滿空間，沒有死角，反復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)遠大于空氣介質(zhì)的聲阻，一般情況下可以認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)的機械能，為單位體積中介質(zhì)的動能ek與彈性勢能ep的和。對于簡諧振動，單位體積中介質(zhì)的機械能為：e=ek+ep=ρA2ω2sin2ω(t-r/v)，其中：ρ為介質(zhì)密度，A為振動振幅，ω為角頻率(ω＝2πf，f為振動頻率)，t為時間，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、反復的波動形式傳遞能量。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關(guān)鍵因素，即聲波振幅和聲波頻率。這兩個因素也是聲波能夠吹灰的關(guān)鍵。
聲波振幅可以簡單地看作是聲波的力量，而頻率表示空氣粒子單位時間內(nèi)來回振動的次數(shù)。聲波振幅越高，振動頻率越大，聲波的作用就越強。但聲波的振幅也有一定的限度，振幅太高，聲波將泄露，會對環(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，聲波強度和聲波頻率的值越高，則聲波吹灰的效力越強。
對于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。事實說明了聲波頻率越高，聲波衰減越快。
3聲波吹灰器的特點
聲波吹灰器是一種防止灰塵在工業(yè)設備上集灰、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)生振動從設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機帶動一個旋轉(zhuǎn)的閥門，反復開通和關(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)部的高強度膜片產(chǎn)生振動，從而形成高能聲波。膜片聲波吹灰器的結(jié)構(gòu)相對簡單，其控制也較簡單，只需要控制一個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器箱體板的距離為1.3m，相對蒸汽吹灰器基本不占用空間。同時，聲波吹灰器的安裝、調(diào)試簡便，一般3個工人每天可安裝5～6臺，安裝時只需要焊接牢固就可以，無需專用工具和支吊設備。設備調(diào)試時，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幅向為4.5m，12m處幅向為3.4m。在多個喇叭同時發(fā)聲的重疊聲場中有效范圍還可以增大。不同形式的聲波吹灰器的特點比較見下表。
與傳統(tǒng)的除灰器相比較，聲波吹灰器的特點如下：
(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，它靠動能吹灰，動能衰減快，在離蒸汽噴口3m處，動能基本為零，而聲波能量一般在離聲源5m處時為在聲源處的1/5。如果聲源布局合理，考慮到混響聲場的效應，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)，不會引起腐蝕。聲波吹灰是較小能量循環(huán)往復作用的結(jié)果，是疲勞效應，不會使管壁受損或者磨損。
(4)結(jié)構(gòu)緊湊，活動部件少，全自動操作，故障率極低，基本上不需要維護。
(5)運行成本低，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，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，吹灰強度不高，聲波吹灰器對于已結(jié)渣和粘性強的積灰作用不大，因此無法清除粘結(jié)性積灰和嚴重堵灰以及堅硬的灰垢。
4聲波吹灰器的工程應用
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用包括省煤器、空預器、引風機、沉降器、通風管道、料倉、灰斗、換熱器(GGH)等。
聲波吹灰器的最新應用領域是選擇性催化還原反應器(SCR)。我國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期之間，屬于高灰布置方式，因此含灰量高，容易形成積灰�；曳謺勾呋瘎┠p、堵塞，減小催化劑的有效體積；催化劑活性位還會吸收灰分中的化學成分，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脫硝反應器穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。
江蘇國華太倉發(fā)電有限責任公司2×600MW機組煙氣脫硝環(huán)保工程，采用日立造船波紋板式催化劑，每臺鍋爐配2個SCR反應器，反應器尺寸為15m×10m。經(jīng)過數(shù)年的運行檢驗，灰分沒有發(fā)生板結(jié)，聲波吹灰器完全能夠滿足SCR反應器的吹灰需要。
5結(jié)語
(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，雖然有一定的局限性，但在除灰領域中，聲波吹灰依然占有絕對的主流地位，尤其是在新型的應用領域SCR中的應用。
實踐證明，無論從安全性、可靠性的角度，還是從節(jié)能、設備投資成本、運行成本、維護成本等方面考慮，聲波吹灰是SCR系統(tǒng)最適合的吹灰技術(shù)。在SCR系統(tǒng)中，使用聲波吹灰器對催化劑本身無機械破壞、對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)鍵設備。
(3)隨著能源價格的上漲，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。
