吹灰器在大型火电厂吹灰、除垢、除焦方面的应用研究.pdf

第 3 5卷 第 8期 2 0 1 3年 8月 华 电 技 术 Hu a di a n Te c h n o l o g y V0 1 ． 3 5 No． 8 Au g． 2 01 3 吹灰器在 大型火 电厂 吹灰 、 除垢 、 除焦 方面 的应 用研 究 穆 陕西清水川发电有限公司， 陕西 榆林7 1 9 4 0 0 摘要 吹灰器是保证锅炉稳定运行 、 提高锅炉热效率 、 节约能源、 减小大气污染物排放的重要装置。介绍了吹灰器的性 能和适用场所， 分析了锅炉不同区域换热器表面灰、 渣、 焦形成 的机制及结构特点， 对锅炉吹灰器进行了分类并 比较了 优 、 缺点， 得出了可调频强声波吹灰器去除灰、 渣、 焦作用明显的结论。 关键词 火电厂； 锅炉； 换热器； 吹灰器 ； 吹灰除垢 ； 发展趋势 中图分类号 T K 2 2 3 ． 2 7 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 1 3 0 8 0 0 1 5 0 4 0 引言 近年来 ， 伴随着 国民经济的快速发展 ， 由此产生 的能源消耗也在逐年节节攀升 ， 仅 2 0 1 0年全国发 电 总量就增长 1 0 ． 1 ％。 自“ 十一五” 以来 ， 国家把节能 降耗当成国家产业政策 的重要工作 。火力发电企业 作为直接进行能源生产转换 的企业 ， 节 能减排工作 显得尤为重要。本文针对燃煤锅炉受热表面形成 的 灰 、 渣 、 焦的特性及其清除方法进行了分析 ， 以开拓 提高锅炉热效率的新思路。 1 电厂锅炉吹灰、 除垢的重要性 为了提高锅炉的热效率 ， 需要在锅炉炉膛和烟道 内布置一系列热交换器 如过热器、 再热器、 省煤器和 空气预热器等 ， 但燃料燃烧产生的部分灰尘会附着在 热交换器表面， 还有一些尘粒在高温状态下成熔融状 黏附到换热器表面并逐渐形成坚硬的焦渣层 ， 严重影 响了换热表面的热吸收。在一般情况下， 洁净换热器 的表面传热系数在4 6 ． 5～ 5 8 ． 1 W／ I n 之间， 但积 灰 、 结焦 以后 的表 面传 热系数 只能达到 0 ． 0 5 8 1～ 0 ． 1 1 6 0 W／ m c IC 。 因此 ， 积灰 、 结焦后锅炉 的出 力下降 ， 燃料增加 ， 热效率降低 。进入 2 l 世纪以来 ， 随着火电厂装机容量不断刷新纪录 ， 资源 日渐紧张 ， 作为火力发 电机组 主要燃料 的燃煤质量越来越差 ， 锅炉各换热器积灰情况 13 益加重。为提高电厂热效 率， 保证电厂安全生产， 总结和研究国内外吹灰器具 有重要意义 。 锅炉积灰结渣的原因十分复杂， 既与使用的燃 料相关 ， 也与锅炉的燃烧状况相关。劣质煤灰分大 ， 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 2 6； 修 回 日期 2 0 1 3 0 8 0 5 含硫量高 ， 积灰 、 结焦现象 明显多于优质煤 。锅炉内 的燃烧状态也会影响换热器表面的灰渣性 质。 1 在锅炉炉膛 内部温度较高 1 5 0 0 o C以上 ， 烟气 中熔融 、 半熔融状态的颗粒黏附在换热器表面， 形成结焦 、 结渣层 ， 煤 中含的 c a ， K， N a ， F e等分子生 成碱性氧化物与 S O 反应生成复合硫酸盐吸附在换 热器表面 ， 不但加剧 了焦 、 渣的形成 ， 同时复合硫酸 盐会引起炉膛水冷壁的高温腐蚀 。 2 在炉膛 出 口的屏式过热器及高温过热器 、 高温再热器区域， 烟气温度稍低 7 0 0～1 1 0 0℃ ， 不 会产生结焦 、 结渣现象， 但 由于烟气 中的碱性氧化物 仍然会与 S O 反应生成 复合硫酸盐 ， 黏 附在换 热器 表面后会持续黏结烟气 中的灰粒 而形 成高温烧结 灰， 因这部分区域的换热器管壁温度高于水冷壁， 存 在更严重的高温腐蚀。 3 在尾部竖井烟道区域烟气温度 已低 于 7 0 0 ℃ ， 烟气 中携带的飞灰都已为固体颗粒 ， 此部分积灰 为松散型积灰 ， 但在空气预热器低温段 ， 由于壁温接 近或低于烟气露点， 烟气中的硫酸蒸气会凝结在壁 面产生腐蚀 ， 同时会黏结 烟气 中的灰粒并与其 中的 金属氧化物反应生成硫酸盐 ， 最终形成低温黏结灰。 显然 ， 高温区的结焦、 结渣层 ， 中温 区的烧结性 积灰 ， 以及空气预热器低温段 的低温黏结灰较难清 除 ； 低温区的松散 型积灰则容易 去除， 但其热 阻最 大， 对锅炉热效率影响最大。 换热器积灰结焦引起的主要负面效果如下 1 降低锅炉热效率， 换热器积灰、 结渣后， 会 使锅炉排烟温度抬升， 最高可抬升 2 0 3 0℃， 甚至 更高， 而锅炉排烟温度每增加 1 0℃， 锅炉热效率就 降低 1 ％ 左右。 2 换热器积灰后 ， 使得烟气流通面积减小， 增 1 6 华 电技 术 第 3 5卷 加了排气阻力 ， 导致引风机电耗增加。 3 影响锅炉的安全运行。换热器结焦后会使 锅炉出力降低 ， 同时会使炉膛 出口烟温升高 ， 从而导 致炉膛上部的屏式过热器及随后的对流受热面产生 积渣 ， 严重时会引起过热器管壁超温 ， 甚至爆管。空 气预热器冷端低温腐蚀 、 堵灰后会使锅炉排烟温度 升高 ， 一次 、 二次新风没有得到充分热交换 ， 引风阻 力增加 ， 风机电耗 加大， 锅炉出力降低 ， 严重时甚至 被迫停炉。 2 吹灰器分类及优缺点分析 2 ． 1 吹灰器分类 为了克服积灰 、 积垢 、 结焦的不利影响， 从 1 9世 纪末开始 ， 人们就对锅炉换热器进行吹灰 、 除焦方面 的研究 。1 9 0 3年戴蒙德动力专业公 司研制 出世界 上第 1台锅炉吹灰器 ， 经过 1 0 0多年的发展 ， 目前 已 经有多种类型的吹灰器应用于锅炉换热器表面的灰 渣清除中， 它们基本上都是通过物理机制除灰 。如 果按照除灰渣的机械力形成机制 ， 可将现在使用的 各种吹灰器分为物质射流和能量流 吹灰器 2种类 型。物质射流型吹灰是通过流体介质的压缩能量直 接吹扫换热器的表面 ， 以达到清洁换热器表面积灰 之 目的， 如蒸汽吹灰器 、 水力 高压水 吹灰器 、 压缩 空气吹灰器等 ； 能量流型吹灰则是借助发生器将一 种能量转换为另一种 能量 ， 通过空气输送到换热器 积灰、 结垢 、 结焦的表面 ， 通过找到灰 、 垢、 焦的谐振频 率， 使换热器表面的灰 、 垢 、 焦在声波的作用下 ， 灰 、 垢、 焦与换热器表面的黏附力受到破坏， 从而达到将 其清除之 目的。锅炉吹灰器及其分类情况见表 1 。 表 1 锅 炉吹灰器及其分类 旋笛式吹灰器 按频率高低可 共振腔 哨式吹灰器 分 为 次 声 波 吹 能 ⋯ 量 声波吹灰器 膜片式吹灰器 灰器 、 低 频声波 流 燃气脉 冲吹灰器 吹灰 器、 高频声 燃气脉 冲吹灰器 从 茹、 向 尸 气动式声波吹灰器 吹灰器等 注 燃气脉冲吹灰器同时拥有物质射流和能量流 2种特性 ， 根 据其除灰机制主要依靠脉冲声波， 所以这里仍然将其归并到能量 流吹灰器类 。 2 ． 2物质射流型吹灰器 物质射流型吹灰器清灰除渣机制是利用物质射 流的动能直接冲刷换热器表面上 的灰渣 ， 当冲刷力 大于灰粒与灰粒及灰粒与管壁之 间的结合 力时， 灰 渣便会脱落 ， 从而实现清洁换热器表面的 目的。显 然物质射流的动能越大吹灰效果越好 ， 这就要求射 流物质的质量大 、 速度快。 蒸汽和压缩空气的质量不大， 因此 ， 其速度必须 快才能保证除灰效果好。而高压水的质量较大 ， 如 果速度也快， 其吹灰效果应比蒸汽和压缩空气好。 另外， 常温高压水 冲刷具有较 高温度 的换热器表面 会产生一定的温度应力 ， 使附着在换热器表面的焦 、 渣产生龟裂并进一步使其松动脱落。因此 ， 物质射 流型吹灰器中高压水吹灰器更适宜对结焦 、 结渣和 结垢的清洗 ， 它可用 于锅炉的高温区域 。而压缩 空 气吹灰器对于尾部烟道 的吹灰效果较好 ， 对于高 、 中 温区去除焦渣却无能为力。蒸汽吹灰器则介于两者 之间， 适于对灰渣 的处理 ， 对高温 区结 焦处理效果 较差 。 射流物质 的动能大小是一把双刃剑 ， 首先是动 能大吹灰效果好 ， 但物质之间存在着相互作用 ， 动能 大必然对换热器表面产生磨损 ， 使换热器表面吹蚀 严重， 影响设备的使用寿命 ， 还容易导致爆 管事故 。 其次是物质射流吹灰为触及式 ， 由于换热器管道是 密集排列的， 其背 面、 远点都是射流难以触及 到的， 存在吹扫盲区， 因此 吹灰不彻底。再者是物质射流 吹灰器运行成本较高。最后是大量的射流物质进入 锅炉， 对炉膛的正常燃烧和烟尘 的排放有一定的负 面影响。 2 ． 3 能量流型吹灰器 能量流型吹灰器是将能量以空气声波或固体声 波的形式传播到换热器表面， 对积灰 、 结渣 、 结焦部 位施加来回振荡力 ， 使附着在换热器表面的灰渣因 声疲劳而破碎并进一步剥离脱落。如果适当调节吹 灰器的声波频率使灰 、 渣 、 焦产生谐振 ， 则更容易清 除换热器表面的灰 、 渣、 焦 。空气吹灰器 以空气为传 播载体 ， 在传递过程中还可使烟气中灰粒来回振荡 ， 从而难 以附着到换热器表面， 即使有少部分灰粒附 着在换热器表面， 但因频繁受到振荡力的作用 ， 尘与 尘或尘与换热器表面的结合力大大降低， 使得后续 清洁更加容易实现。 在锅炉灰 、 垢 、 焦情况确定 以后 ， 能量型吹灰器 产生的声能量大小是决定除灰清焦效果的决定性 因 素。传统的声波吹灰器产生 的声功率在 2 0 0 0 W 左 右 ， 其传到锅炉烟道 内的声压级一般只有 1 3 0 d B左 右 ， 对于 5～ 7 l B ． 距离内的浮灰清洁效果较 好 ， 但对 第 8期 卢步林 吹灰器在大型火电厂吹灰、 除垢、 除焦方面的应用研究 1 7 于黏渣和硬焦来说基本无能为力 。因为传统声波吹 灰器的声功率小 ， 虽然其在 2 0世纪 6 O年代 即已出 现 ， 但至今仅 占据了吹灰器市场 5 ％ 的份额 。近 2 年出现 了一种气动式可调频高声强声波吹灰器 ， 其 声功率达到3 0 0 0 0 w， 是传统声波吹灰器的 1 0 倍以 上 ， 不仅能够吹扫浮灰 ， 也能有效去除 中、 高温 区的 黏渣和焦结层 ， 对烟气换热器 G G H 中黏稠性污垢 也具有很好的清除效果 。 物质流吹灰器 由于是利用蒸汽 、 高压水等高压 介质冲刷换热元件 的表面 ， 在去除灰 、 垢 、 焦的同时 ， 也造成换热元件表面出现氧化反应 ， 随着一次次 冲 刷 ， 换热器表面不断地磨损 ， 这样 ， 会 给换热器带来 了极大的安全隐患。能量流是通过空气把声能转化 为机械能， 使灰、 垢 、 焦产生共振从而达到去除之目 的。由于物质流吹灰器的吹枪是金属管制成的， 当 管内、 管外 的温度场发生很 大温差时， 往往容易出现 机械卡死 ， 会对一个 固定点进行长时间的点吹， 从而 造成安全事故， 所以， 如何防止磨损是物质射流吹灰 器的难点 。但是 ， 能量流吹灰器的关键是能否找准 环境 内灰 、 垢 、 焦的吻合频率 ， 其能量是否足以使灰、 垢 、 焦运动起来 。各类锅炉吹灰器的工作原理及其 优缺点分析见表 2 。 3 发展新型吹灰器 的急迫性 吹灰器是保证锅炉稳定运行 、 提高锅炉热效率 、 节约能源消耗 、 减小大气污染物排放的重要装置 ， 随 着国家节能减排政策要求的 日益严格 ， 所有大 、 中型 燃煤锅炉还要进行脱硫、 脱硝， 脱硫、 脱硝中的烟气 表 2 锅炉吹灰器及其分类 1 8 华 电技 术 第3 5卷 湿度大， 积落到热交换器上的烟尘会形成难以去除 的黏稠物， 用现在的高压水吹灰器和蒸汽吹灰器进 行 冲刷效果也不理想 ， 用其他形式 的吹灰器也没有 效果 ， 因此 ， 绝大多数电厂锅炉 只有停炉清洗 ， 给电 厂造成很大的运行压力 和经济损失 ， 电厂技术人员 将脱硫 装 置 中 的 G G H 堵 塞 称 为 电力 生 产 中 的 “ 癌症” 。 同时 ， 由于资源面临枯竭 ， 火力发电厂的燃煤质 量不断下降， 大多数锅炉都偏离设计参数运行 ， 炉膛 结焦 、 渣现象 日益严重 ， 直接导致 了出渣设备损坏 、 炉膛灭火等安全事故 的发生概率大幅度上升 。 由于传统吹灰器在使用过程中还存在着这样或 那样 的问题 ， 对于解决电力生产 中的“ 癌症” 无能为 力 ， 因此 ， 发展新型吹灰器的问题已到了刻不容缓的 地步 。 4 结论 近 2年市场涌现出的可调频强声波吹灰器 ， 可 根据环境 中的灰 、 垢 、 焦 的吻合频率来发出有针对性 的频率声波 ， 对去 除灰 、 垢 、 焦作用 明显 ， 还能解决 G G H堵塞 的难题。华 电国际邹县发 电厂及 内蒙古 大唐托克托发 电有限责任公司等电厂的部分 6 0 0 MW 机组已经在吹灰器方面进行 了改造 ， 在 G G H及 空气预热器处增加 了可调频强声波吹灰器 ， 运行效 果 明 显 参考文献 [ 1 ] 朱相利． 吹灰器在锅炉生产中的应用 [ J ] 2 0 0 5 1 7 3 7 6 ． [ 2 ] 姜根山， 田静． 发展 中的声波除灰技术[ J ] ． 华北电力大 学学报， 1 9 9 9 3 9 0 9 5 ． [ 3 ] 杨卫娟， 周俊虎 ， 刘建忠， 等． 锅炉各受热面吹灰作用的 对比研究[ J ] ． 动力工程， 2 0 0 4 6 7 8 0～ 7 8 4 ． [ 4 ] 姜根 山， 朱永波， 田静 ， 等． 锅炉声波除灰 的声学分析 [ J ] ． 工程热物理学报 ， 2 0 0 1 ， 2 2 6 6 8 7 6 9 0 ． [ 5 ] 刘字清， 嵇正毓， 张荣初 ， 等． E N S G一 3 0 0 0 01 2 5可调频 高声强声波吹灰器除垢机理分析[ J ] ． 电力科技与环保， 2 0 1 2 1 0 6 06 2 ． [ 6 ] 贾嘉． 浅谈声波吹灰技术在工业锅炉中的应用[ J ] ． 设备 管理与维修， 2 0 0 1 3 l 71 8 ． [ 7 ] 郑国福， 王玉宝． 利用水力吹灰器清除大型燃煤锅炉水 冷壁结焦[ J ] ． 电力安全与技术 ， 2 0 0 5 ， 7 1 2 1 01 1 ． [ 8 ] 廖丹 ， 李永华， 高建强， 等． 燃气脉冲式吹灰器的实验研 究[ J ] ． 电力科学与工程， 2 0 0 5 4 91 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女， 河南三门峡人， 助理工程师， 从事 电厂汽轮机运行方面的工作。