空氣型干涉激波在余熱鍋爐上的應(yīng)用

何志鋒

（江西銅業(yè)（德興）化工有限公司，江西 德興 334224）

1 引言

我國是硫酸生產(chǎn)和消費大國，從制備方式大致有三類：硫鐵礦制酸、冶煉煙氣制酸、硫磺制酸。我國硫鐵礦資源豐富，可穩(wěn)定供應(yīng)，對硫酸工業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展具有重要作用。硫鐵礦制酸過程中每生產(chǎn)1噸硫酸，產(chǎn)生的廢熱量為7.1x106kJ［1-2］。為了有效回收制酸過程中釋放的大量熱能，減少能源浪費，通常使用余熱鍋爐來回收這部分熱量［3］。

在實際生產(chǎn)中，硫鐵礦沸騰焙燒爐出口溫度在800～900℃。高溫含塵煙氣進(jìn)入余熱鍋爐與受熱面進(jìn)行熱交換，煙氣中粉塵與受熱面之間易黏附，逐漸積累，形成積灰層。積灰層的存在會大大降低鍋爐的熱效率，灰垢的熱系數(shù)約為0.1W/(m.K)，當(dāng)鍋爐換熱面積灰增加1 mm時，熱效率就會下降4%～5%［4］。不僅如此，余熱鍋爐的積灰問題，會導(dǎo)致鍋爐出口溫度升高，系統(tǒng)負(fù)荷加重，造成不必要的停機，并且會增加企業(yè)維護(hù)成本，降低了企業(yè)的經(jīng)濟效益。因此及時清除余熱鍋爐換熱面上的積灰，是提高余熱鍋爐熱回收，增加發(fā)電量，維護(hù)設(shè)備正常穩(wěn)定，安全運行，提高企業(yè)經(jīng)濟效益的重要手段［5］。

2 國內(nèi)常用清灰方式

目前，國內(nèi)采用的清灰方式主要有以下幾種：（1）機械振打；（2）聲波清灰；（3）爆燃清灰；（4）空氣激波清灰（空氣炮）；（5）蒸汽吹灰［6-7］。

（1）機械振打的原理：通過電動機作為動力，借助變速器帶動曲軸，通過反復(fù)的機械錘擊，使黏附的積灰碎裂脫落。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低，且不會對爐內(nèi)煙氣增加額外介質(zhì)。但是，由于其頻繁對鍋爐管道進(jìn)行沖擊，會對鍋爐管道和焊口等位置產(chǎn)生影響，減少使用壽命。傳動連桿布置在煙道內(nèi)，空間狹小，脫鉤、脫焊無法維護(hù)，并且這種方法對黏附性的積灰清除效果不理想。

（2）聲波清灰原理：聲場中的煙塵始終處于懸浮流化狀態(tài)，避免煙塵與管壁粘附，生成積灰層。由于聲波屬于微弱擾動波，處于聲場中的質(zhì)點僅產(chǎn)生有限震動，不能產(chǎn)生位移，因此無法清除管壁逐漸生長的積灰層，特別是黏結(jié)性積灰。在實際使用中，聲波清灰對于鍋爐換熱面積灰有一定的預(yù)防作用，其優(yōu)點是對鍋爐內(nèi)管道沒有機械性損傷。聲波設(shè)備安裝在鍋爐外部，便于維護(hù)。

（3）爆燃清灰是利用乙炔，天然氣等可燃?xì)怏w，與空氣按一定比例混合，通過爆燃罐瞬時燃燒產(chǎn)生的沖擊波和高速氣流，對積灰層產(chǎn)生作用，達(dá)到清灰效果。爆燃清灰效果比較理想，但存在以下不足：1.因采用可燃?xì)怏w，存在安全隱患，增加一線管理成本，特別是高腐蝕行業(yè)，爆燃罐泄露燃燒、噴火現(xiàn)象時有發(fā)生，威脅現(xiàn)場巡視人員生命安全；2.安裝數(shù)量大、運行費用高，后期維護(hù)成本也較高。

（4）空氣激波清灰（空氣炮）利用破膜效應(yīng)，即壓力罐出口閥門采用機械控制，理論上實現(xiàn)瞬時開啟，高壓氣體噴出與前鋒低壓氣體瞬時接觸生成一道激波，對積灰層產(chǎn)生作用。在實驗室條件下，破膜原理是指在高壓管一端采用膜片封閉，當(dāng)氣體壓力達(dá)到一定閥值，膜片瞬時（1～2μs）破碎生成激波。實際應(yīng)用中，機械開啟閥門方式很難達(dá)到微妙級時間，產(chǎn)生的激波較弱且為一次噴吹，清灰效能有限，設(shè)備安裝數(shù)量大。其優(yōu)點是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。

（5）蒸汽吹灰是采用過熱蒸汽為介質(zhì)的一種機械清灰方式。其吹灰介質(zhì)壓力高，噴射速度快，對黏附性積灰可以較好的清除，但是設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，吹灰有死角，清灰不完全。在硫酸生產(chǎn)工藝中，由于蒸汽中有水汽存在，會與三氧化硫反應(yīng)產(chǎn)生硫酸，對設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，對生產(chǎn)設(shè)備帶來損害。

3 空氣型同頻干涉激波

激波是一種劇烈的壓縮波，空氣在經(jīng)過激波面后會受到急劇壓縮，對積灰產(chǎn)生一種先壓后拉的作用，使積灰面上的灰垢因瞬間沖擊而破碎。導(dǎo)入積灰中的折射波，在基底與灰層零界面處受阻，與入射波相互作用產(chǎn)生剪力，使積灰與基底分離，達(dá)到徹底清灰效果。

空氣型同頻干涉激波清灰技術(shù)根據(jù)以上原理研發(fā)而成。激波發(fā)生器將壓縮空氣(氮氣) 勢能轉(zhuǎn)化為連續(xù)周期脈沖射流，通過二次加速并瞬時同步壓縮，生成數(shù)道壓縮波/激波。同頻、同相、同向壓縮波/激波在干涉管干涉疊加生成每秒46 道強激波，并輸送至積灰空間內(nèi)，連續(xù)激波在有限空間內(nèi)反射疊加，形成模糊等效激波場。在有效激波場內(nèi)，清除積灰結(jié)渣不留死角死區(qū)［8］。

3.1 空氣型同頻干涉激波系統(tǒng)構(gòu)成

同頻干涉激波系統(tǒng)由激波發(fā)生器主機、干涉管、PLC 控制柜、電磁閥、壓縮空氣氣源組成，見圖1。

圖1 空氣型同頻干涉激波系統(tǒng)圖

其中激波發(fā)生器主機可以瞬時將壓縮空氣轉(zhuǎn)化為連續(xù)周期性超音速射頻，同步壓縮生成向前運動的數(shù)組壓縮波。干涉管將同頻、同相、同向的數(shù)組運動壓縮波干涉疊加，生成連續(xù)激波。PLC 控制柜對激波發(fā)生器進(jìn)行程序化，實現(xiàn)自動化控制。

3.2 空氣型同頻干涉激波系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）空氣型同頻干涉激波系統(tǒng)通過使用壓縮空氣進(jìn)行轉(zhuǎn)化，無安全隱患，運行可靠。

（2）形成模糊等效激波場，在有效激波場內(nèi)，清除積灰結(jié)渣不留死角死區(qū)。

（3）安裝簡單，直接安裝在鍋爐外部，布局靈活，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況對激波發(fā)生器位置進(jìn)行調(diào)整，使清灰效果最大化。

（4）設(shè)備主機采用免維護(hù)設(shè)計，在鍋爐計劃運行周期內(nèi)無需維護(hù)保養(yǎng)。

（5）激波發(fā)生器實現(xiàn)自動控制。在現(xiàn)場通過可編程序邏輯控制器（PLC）可以實現(xiàn)對多臺激波發(fā)生器的同時自動控制，簡化了外部系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，保證設(shè)備的全自動運行。

（6）運行成本低廉。每臺年運行成本1100～1500元。

4 空氣型同頻干涉激波清灰技術(shù)在余熱鍋爐上的使用

江西銅業(yè)（德興）化工有限公司#1硫鐵礦制酸裝置設(shè)計能力為100 kt /a，余熱回收采用15 t /h立式W型鍋爐。該鍋爐設(shè)計為一組過熱器，兩組蒸發(fā)器。在二煙道、三煙道、四煙道中部均配備機械振打清灰裝置。在運行過程中，機械振打效果不理想，鍋爐系統(tǒng)阻力增大，鍋爐出力不足，過熱蒸汽溫度下降至350～370℃，排煙溫度據(jù)高不下，致使發(fā)電能力降低，熱能浪費。停爐檢修時發(fā)現(xiàn)，過熱器、蒸發(fā)器積灰結(jié)渣嚴(yán)重，特別是二煙道上部出口及三煙道入口基本完全堵塞，形成灰墻。由于堵塞導(dǎo)致煙氣偏流，過熱器、蒸發(fā)器磨損嚴(yán)重。2019年11月該鍋爐進(jìn)行了技改，依據(jù)積灰空間部位，布置安裝了6臺BCJK 型同頻干涉激波發(fā)生器主機，配置1臺PLC 控制柜。

4.1 安裝位置

二煙道（過熱器）布置3臺清灰設(shè)備主機，過熱器入口1臺，中部1臺，出口1臺；三煙道入口1臺，出口1臺；四煙道出口1臺；見圖2。干涉激波輸送管與鍋爐膜式壁采用軟聯(lián)接，避免震動。

圖2 激波發(fā)生器安裝位置示意圖

4.2 運行模式

6臺干涉激波發(fā)生器沿?zé)煔饬鞣较蛞来尉幪?1-#6，儲氣罐氣源壓力保持在0.65 ～0.7 MPa。

該干涉激波系統(tǒng)采用自動化間歇式運行方式，逆向依次單臺清灰。首先，儲氣罐氣源壓力達(dá)到0.65 MPa閥值時，#6干涉激波發(fā)生器自動運行，清灰4s后停止；當(dāng)儲氣罐氣源壓力再次達(dá)到0.65 MPa閥值時，#5干涉激波發(fā)生器自動運行，清灰4s后停止，逆向依次到#1干涉激波發(fā)生器運行清灰結(jié)束。再間隔1h后，#6干涉激波發(fā)生器重新啟動清灰，第二個清灰周期開始，循環(huán)往復(fù)清灰。

4.3 應(yīng)用效果與分析

2019年11月#1制酸系統(tǒng)停機檢修，期間安裝了干涉激波清灰裝置。本年11月底制酸系統(tǒng)開車，同頻干涉清灰系統(tǒng)隨即投入運行。2020年2月底臨時停車，工作人員穿隔熱服進(jìn)入余熱鍋爐內(nèi)部檢查，過熱器受熱面清潔無積灰現(xiàn)象，三煙道蒸發(fā)器無新積灰現(xiàn)象，多年板結(jié)積灰層脫落。

在4個多月投運中，干涉激波清灰系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。余熱鍋爐蒸汽溫度保持在410℃以上，煙道壓損穩(wěn)定。余熱鍋爐排煙溫度曲線見圖3。

圖3 近期排煙溫度變化圖

從圖中可以看出，技改后系統(tǒng)運行四個多月，相比較安裝激波清灰系統(tǒng)之前，排煙溫度穩(wěn)定在320℃左右。證明安裝激波清灰系統(tǒng)后鍋爐內(nèi)部積灰結(jié)渣得到有效清除，換熱效率提高，鍋爐系統(tǒng)保持穩(wěn)定運行。

5 結(jié)論

空氣型同頻干涉激波清灰系統(tǒng)能夠產(chǎn)生連續(xù)干涉激波，在非自由場內(nèi)生成激波場，能有效清除黏結(jié)性積灰，保持鍋爐效率。該系統(tǒng)采用壓縮空氣為介質(zhì)，安全可靠，運行費用低廉；免維護(hù)設(shè)計，故障率低，在檢修期內(nèi)基本無維護(hù)。采用PLC控制系統(tǒng)，實現(xiàn)全自動化運行減少人力成本。鍋爐設(shè)備外部安裝，布局靈活。