声波吹灰器工作原理与应用
摘要:介绍了声波吹灰器的工作原理、技术特点和工程应用领域，对声波吹灰器与传统的吹灰器进行了对比，展望了声波吹灰器的发展前景。
关键词:声波吹灰器,膜片,振幅,频率
1 前言
积灰结渣是各种锅炉普遍存在的问题，对于锅炉运行的经济性、安全性影响很大。锅炉积灰结渣所带来的最直接问题是导致锅炉的换热效率下降。由于锅炉受热面上的积灰和灰渣层的导热系数比金属管壁低近1000倍，所以积灰会严重影响锅炉受热面内的热量传导，使得锅炉负荷能力下降，最终导致停炉清洗维修，造成严重的经济损失。因此，要实现锅炉装置“安、稳、长、满、优”运行的目标，就必须解决锅炉受热面的积灰问题，以提高锅炉的整体运行水平。
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针对国内外各种锅炉长期普遍存在的积灰问题，有关技术人员一直在寻求解决办法，不断探索着各种不同的除灰办法，并先后研制了长伸缩式高压蒸汽吹灰器、旋转式蒸汽吹灰器、高压水力除灰、钢珠（振动）除灰器等各种设备，但存在如下问题：除灰范围有限，虽然设计了伸缩式、旋转式等较复杂的运动方式的设备，还是难于覆盖整个炉体所有的积灰区域，仍有很多死角死区；耗能高，使用维护费用大；操作使用不方便；维护量大、易损坏。
现代的声波吹灰技术的提出和发展始于20世纪70年代的欧洲，1978年进入美国市场，90年代引入我国，并开始在电站和石化锅炉上试验性地使用，近年来逐步得到推广应用。
声波吹灰是指利用声场能量的作用，清除锅炉换热器等表面积灰和结焦的方法。声波吹灰技术包括声波发声器和控制器的设计、生产、安装与使用等一整套的软硬件技术。目前国内市场有十余家从事声波吹灰技术研制和推广应用的研究机构、生产企业、公司或代理，生产或销售多种形式的声波吹灰器。声波吹灰器将逐渐得到更广泛的应用。
2 声波吹灰器的工作原理
声波吹灰器主要由压缩气源、电子控制器和声波发生器组成。其工作原理是：将空气经过过滤器净化后，通过声波发生器并在电磁阀的控制下将压缩空气的能量由声波发生器转变为声能，调制成声波，以声波的方式向外传递，声波通过声波导管经辐射喇叭的规整放大后以一定的频率、工作程序和周期传入容器内；声波在弹性介质里传播，声波以直射、渗透、反射和绕射等形式叠加形成一个不留死角的强大谐振声场，循环往复地作用在容器表面的积灰上，周而复始的对积灰施以拉、压高速循环的变动载荷，对灰粒之间及灰粒和容器壁之间的结合力起到减弱和破坏的作用；从微观上看，积灰是由于大量微小灰粒子的表面张力、粒子之间及其管壁之间的粘滞力、分子附着力、静电吸引力以及化学亲和力等多方面的作用在容器表面上的积聚，而声波的作用就是加速空气分子的振动作用，使空气分子密布在整个空间里，形成在积灰粒子的周围密布着亿万个空气分子，当这些分子都以共同的强度和频率往复振动时，它的作用力就不容轻视；声波持续工作，灰粒与容器壁之间的结合力减弱到一定程度后，最终会导致疲劳破坏而疏松，使积灰松散脱离，或被气流冲刷带走，达到吹灰的目的。
声波在容器内呈球面辐射，波速较高，声波衰减小且反射性强，其作用是充满空间，没有死角，反复均匀地作用于容器表面。钢铁的声阻（介质的密度ρ和声波在该介质中的速率v的乘积ρv）远大于空气介质的声阻，一般情况下可以认为声波在空气和钢铁的界面发生了完全反射。波的传播过程就是振动的传播过程，也就是能量的传递过程。介质中的能量密度e，即单位体积中介质的机械能，为单位体积中介质的动能ek与弹性势能ep的和。对于简谐振动，单位体积中介质的机械能为：e=ek+ep=ρA2ω2sin2ω（t-r/v），其中：ρ为介质密度，A为振动振幅，ω为角频率（ω＝2πf，f为振动频率），t为时间，r为距离，v为波的传播速度。由此可见，介质中的能量密度和振幅的平方、频率的平方、介质的密度都成正比。平均能量密度为e=ρA2ω2。波源是能量的来源，能量沿着波速的方向传播。声波吹灰是非接触性吹灰，是以交变的、快速的、急剧的、反复的波动形式传递能量。在介质密度一定的情况下，介质中的能量密度取决于两个关键因素，即声波振幅和声波频率。这两个因素也是声波能够吹灰的关键。
声波振幅可以简单地看作是声波的力量，而频率表示空气粒子单位时间内来回振动的次数。声波振幅越高，振动频率越大，声波的作用就越强。但声波的振幅也有一定的限度，振幅太高，声波将泄露，会对环境产生噪声污染。声波频率也是如此，声波频率太高，则声波波长变短，声波的绕射能力就差，声波衰减就快。但是如果频率小于60Hz，声波将可能破坏固体结构以及机械连接装置。所以，声波振幅和声波频率是衡量声波吹灰效力的两大要素，在一定范围里，声波强度和声波频率的值越高，则声波吹灰的效力越强。
对于75Hz、147dB的声波，在距声源1m处的有效清灰范围是4.5m，在12m处依然有效，有效清灰范围为3.35m；而对于230Hz，147dB的声波，在距声源1m处的有效清灰范围是1.4m，在6m处依然有效，有效清灰范围为0.9m，在8m处就无效了。事实说明了声波频率越高，声波衰减越快。
3 声波吹灰器的特点
声波吹灰器是一种防止灰尘在工业设备上集灰、板结的低频、高能喇叭。其是通过利用声波使粉尘颗粒产生振动从设备表面脱落的原理来清灰。一般情况下，声波吹灰器根据发声机理可以分为旋笛式吹灰器、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电动机带动一个旋转的阀门，反复开通和关断气流的喷口，使喷出的气流断续而成为声波。
（2）膜片式吹灰器
对于常用的膜片式吹灰器，膜片声波发生器中的膜片发声头能产生特定频率的高能声波（一般为75Hz，147dB）破坏粉尘原有结构，使用0.48M～0.62MPa压缩空气使内部的高强度膜片产生振动，从而形成高能声波。膜片声波吹灰器的结构相对简单，其控制也较简单，只需要控制一个3/4两位两通膜片式电磁阀的开闭就可以控制声波吹灰器的发声/关闭。
声波吹灰器经全面调试后，只要发声正常、供气正常，就能安全可靠运行。声波吹灰器占用空间小，如果采用套筒式安装，声波吹灰器的外延与反应器箱体板的距离为1.3m，相对蒸汽吹灰器基本不占用空间。同时，声波吹灰器的安装、调试简便，一般3个工人每天可安装5～6台，安装时只需要焊接牢固就可以，无需专用工具和支吊设备。设备调试时，如果事先将管道的清理工作做好，1天就可以完成所有声波吹灰器的调试，且一次完成，不需要进行热态调试。一般情况下，声波吹灰器安装后的扭矩约为375Nm，重心距离箱体板0.7m，声波吹灰器的有效清灰范围为轴向12m，1m幅向为4.5m，12m处幅向为3.4m。在多个喇叭同时发声的重叠声场中有效范围还可以增大。不同形式的声波吹灰器的特点比较见下表。
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与传统的除灰器相比较，声波吹灰器的特点如下：
（1）由于声波本身的绕射特性，不存在清灰死角问题。
（2）能量衰减慢。使用蒸汽吹灰时，它靠动能吹灰，动能衰减快，在离蒸汽喷口3m处，动能基本为零，而声波能量一般在离声源5m处时为在声源处的1/5。如果声源布局合理，考虑到混响声场的效应，声能衰减更小。
（3）无毒副作用，不存在磨损。声波吹灰以空气为介质，不会引起腐蚀。声波吹灰是较小能量循环往复作用的结果，是疲劳效应，不会使管壁受损或者磨损。
（4）结构紧凑，活动部件少，全自动操作，故障率极低，基本上不需要维护。
（5）运行成本低，耗能低，不消耗蒸汽，节约能源。
（6）一次性投资成本低，经初步估算约为传统耙式蒸汽器的50%。
（7）安装成本低，只需一条压缩空气管线；在机组的内部和外部都不需要额外的钢结构支撑。
声波吹灰器具有以上优点，但也具有一定的局限性：
（1）声波吹灰器利用声能吹灰有一定的选择性，一般情况下比较适合干松灰；
（2）由于能量较小，吹灰强度不高，声波吹灰器对于已结渣和粘性强的积灰作用不大，因此无法清除粘结性积灰和严重堵灰以及坚硬的灰垢。
4 声波吹灰器的工程应用
到目前为止，声波吹灰器主要用于各种中型和大型锅炉，在燃煤电站锅炉方面的应用包括省煤器、空预器、引风机、沉降器、通风管道、料仓、灰斗、换热器（GGH）等。
声波吹灰器的最新应用领域是选择性催化还原反应器（SCR）。我国燃煤电厂排放的烟气中灰分含量普遍较高。SCR通常布置在省煤器和空预期之间，属于高灰布置方式，因此含灰量高，容易形成积灰。灰分会使催化剂磨损、堵塞，减小催化剂的有效体积；催化剂活性位还会吸收灰分中的化学成分，影响催化剂活性。因此清除催化剂的表面积灰、保证催化剂活性是SCR脱硝反应器稳定运行的关键。
江苏国华太仓发电有限责任公司2×600MW机组烟气脱硝环保工程，采用日立造船波纹板式催化剂，每台锅炉配2个SCR反应器，反应器尺寸为15m×10m。经过数年的运行检验，灰分没有发生板结，声波吹灰器完全能够满足SCR反应器的吹灰需要。
5 结语
（1）声波吹灰器可以清除锅炉换热面的积灰，阻止换热面积灰结焦，达到提高换热效率的目的，可以有效节约能源。
（2）与传统除灰器的性能相比，声波吹灰器性能优、投资少、耗能低、易于维护，虽然有一定的局限性，但在除灰领域中，声波吹灰依然占有绝对的主流地位，尤其是在新型的应用领域SCR中的应用。
实践证明，无论从安全性、可靠性的角度，还是从节能、设备投资成本、运行成本、维护成本等方面考虑，声波吹灰是SCR系统最适合的吹灰技术。在SCR系统中，使用声波吹灰器对催化剂本身无机械破坏、对各种脱硝催化剂无毒副作用。因而声波吹灰器也是保持催化剂活性及寿命的关键设备。
（3）随着能源价格的上涨，声波吹灰器正日益受到厂家的青睐，现已广泛应用于电力、石化、造纸和水泥等行业，且有广阔的发展前景。
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