聲波吹灰器工作原理與應用
積灰結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。
針對國內外各種鍋爐長期普遍存在的積灰問題，有關技術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焦的方法。聲波吹灰技術包括聲波發(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。目前國內市場有十余家從事聲波吹灰技術研制和推廣應用的研究機構、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)生器轉變?yōu)槁暷�，調制成聲波，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；聲波在彈性介質里傳播，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(介質的密度ρ和聲波在該介質中的速率v的乘積ρv)遠大于空氣介質的聲阻，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。介質中的能量密度e，即單位體積中介質的機械能，為單位體積中介質的動能ek與彈性勢能ep的和。對于簡諧振動，單位體積中介質的機械能為：e=ek+ep=ρA2ω2sin2ω(t-r/v)，其中：ρ為介質密度，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，介質中的能量密度和振幅的平方、頻率的平方、介質的密度都成正比。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。在介質密度一定的情況下，介質中的能量密度取決于兩個關鍵因素，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構以及機械連接裝置。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的閥門，反復開通和關斷氣流的噴口，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)破壞粉塵原有結構，使用0.48M～0.62MPa壓縮空氣使內部的高強度膜片產(chǎn)生振動，從而形成高能聲波。膜片聲波吹灰器的結構相對簡單，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/關閉。
聲波吹灰器經(jīng)全面調試后，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試，且一次完成，不需要進行熱態(tài)調試。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，不會引起腐蝕。聲波吹灰是較小能量循環(huán)往復作用的結果，是疲勞效應，不會使管壁受損或者磨損。
(4)結構緊湊，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；在機組的內部和外部都不需要額外的鋼結構支撐。
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渣和粘性強的積灰作用不大，因此無法清除粘結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，聲波吹灰器完全能夠滿足SCR反應器的吹灰需要。
5結語
(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。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。
