落丸清灰技术协助翅片管在高粘结性烟气余热回收中的应用*

李修真，涂爱民，朱冬生

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；3. 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4. 中国科学院大学，北京 100049）

0 引 言

翅片管作为一种高效换热管，可以使整个传热过程得到强化，节省换热管金属耗量，提高余热回收设备的经济性，在工业节能及烟气余热回收上具有很好的应用前景；但在工业炉窑烟气中，往往存在烟尘含量大、烟尘粒度细、烟尘粘附性强等特点，致使翅片管上的积尘清除难度大大增加，而积尘严重削弱翅片管的换热能力，极大影响了该高效换热管在余热回收上的应用推广；已有的余热锅炉换热管清灰技术包括振打清灰、脉冲清灰、声波清灰、蒸汽吹灰等清灰技术各有优点，但在一些烟尘浓度大而烟尘粘度高的应用场合，均难以达到理想效果[1-3]；因此，开发更有效的清灰技术，特别是利用机械接触式原理的清灰技术，对翅片管在烟气余热回收领域的应用推广，具有重要的现实意义。

1 研究背景

余热锅炉面临的受热面积灰问题大多属于低温积灰，烟气中的烟尘与硫化物容易在受热面形成积灰和腐蚀，显著降低换热效率，增大锅炉阻力，严重时甚至出现大面积搭桥和堵灰现象，将导致被迫停炉清灰，严重影响到锅炉的安全运行以及余热回收的经济效益，同时给生产带来不利影响。对于类似炉窑及电石炉余热回收系统，烟气波动较大，很难做到避免烟温低于酸露点；特别对于铁合金矿热炉，烟尘本身含有大量的SiO2、Al2O3、CaO及MnO2等，其烟尘粒径85% ～ 95%以上在10 μm以下，平均比表面积高达8 ～ 20 m2/g，主要特点是在空气中停留时间长、不易沉降、比电阻大、气体的粘度随温度的增高而增大、含湿量较大、酸露点普遍偏低；铁合金矿热炉烟尘在金属和纺织品表面上的粘结性很强，附着力大，亲水性好，易于结团，很难用传统吹灰方式清除。针对这类烟气余热回收场合，目前普遍对采用翅片管余热锅炉回收余热比较慎重，而以光管作为换热面的余热锅炉存在体积及占地面积大、锅炉投资大、余热回收经济性下降等缺陷，严重影响企业采用余热回收系统的积极性，导致余热资源的浪费[4-5]。

余热锅炉清除积灰的方法很多，一般分为机械接触式清灰（落丸清灰和钢刷清灰等均可归于这一类）、机械振打清灰（另一种机械清灰方式，又分为高频振打和低频振打方式）、水力清灰、和气体吹灰（蒸汽吹灰、声波吹灰和爆燃吹灰）等几大类，各种吹灰方式均有其特点和适用场合，声波吹灰和爆燃吹灰适用性相对较广，但对于高粘结性且含尘量大的积灰场合，在线清除效果以机械清灰更佳。几种机械清灰方式各有特点，振打清灰对于松散性积灰效果较好，但对粘结性较高的积灰场合则效果欠佳；钢刷清灰适合于卧式锅炉受热面清灰，且维护工作量较大；而对于应用更普遍的立式余热锅炉，落丸清灰则更为有效。落丸清灰（或称钢珠清灰）技术最早用于电厂锅炉尾部竖直烟道受热面，传统钢珠清灰选择的钢珠粒径较大（4 ～ 8 mm），适合于光管受热面，清灰原理主要是靠钢珠对受热面的冲击振动导致积灰脱落达到清灰效果，但不太适合以翅片管为主的强化换热管。为了解决翅片管用于高粘结性烟尘的烟气余热回收场合面临的清灰问题，文献[6]公开了一种适用于复杂受热面的余热锅炉清灰系统，选用细粒径合金钢丸（粒径2 ～ 3 mm）作为清灰媒介，并在云南的两个铁合金项目上进行实践应用，结果表明，该种清灰方式很好地解决了翅片管锅炉的积灰问题，系统经过数月的运行检验，清灰效果良好。本文将该专利系统的应用实验情况做一详细介绍，以为解决类似余热回收系统的清灰问题提供借鉴。

2 翅片管落丸清灰实验系统介绍

2.1 系统流程

图1 翅片管落丸清灰实验系统流程图Fig. 1 Schematic diagram of drop pills for finned tube clean

2.2 主要设备参数

斗式提升机：额定输料能力20 m3/h，提升高度26 m，电机功率11 kW。

皮带输送机：额定输料能力20 m3/h，带宽600 mm，输送距离8 m，安装倾角10°，电机功率2.2 kW。

分料器：进料（出料）口口径300 mm × 300 mm，电动推杆功率4 × 1.5 kW。

收丸斗容积：1.6 m3。

2.3 中试试验对象介绍

云南某铁合金企业的一台25 000 kVA锰铁合金电炉对应的余热锅炉，余热锅炉为饱和双压，型号Q200/350-16.4(6.6)-2.45(0.35)，受热面迎风面尺寸7 880 mm × 3 675 mm，所采用的翅片管余热锅炉翅片间距8 mm，翅片厚度1.2 mm（即净间距6.8 mm），翅片管采用错排排列，横向管排间距为s1= 90 mm，纵向管排间距为s2= 88 mm，翅片管外径为Φ68/Φ38，翅化比约5.2。

该电炉余热回收系统的余热锅炉设有旁路烟道，锅炉不投运时电炉出来的烟气可通过旁路烟道进入原有的空气冷却器冷却后再进布袋除尘系统，余热回收发电系统投运后则关闭旁路空冷系统，系统切换到余热回收模式。试验时先选择业主电炉检修间隙进行冷态试验和系统调节，再在电炉及余热锅炉投运后进行热态试验。

2.4 关键设备参数的选择和设计

2.4.1 落料过程允许的最小倾角确定

钢丸进入锅炉受热面的布丸和钢丸分散效果对确保整个锅炉受热面的清灰效果极为关键。根据锅炉截面情况，以及事先进行的布丸器布丸效果小试试验（冷态）情况，选择采用8个布丸器，布丸器及分料器见专利[7]。清灰钢丸采用2.5 mm粒径合金钢丸，现场测试携灰钢丸安息角26°左右，设计下料管时选择倾角不小于35°，以确保钢丸能从分料器顺利分配到各布丸器入口以及下落至灰斗的钢丸顺利回收。

2.4.2 落料分散度的保证

为达到较好的落料分布效果，针对锅炉截面形式，布丸器布料形式选择为条缝口形式，并设有二次分散装置，钢丸经过两次分散（线式分散和面式分散，见图 2），将均匀地分散到锅炉受热面的矩形受料区域，根据锅炉矩形截面情况，通过多个布丸器的组合（本实验项目采用了8个布丸器）和布丸器相对于锅炉首层受热面高度的调整，确保整个受热面不会出现清灰死区，且钢丸落料分散度较均匀，确保覆盖95%以上的受热面，避免出现成片的清灰死区。

图2 二次分散布丸器示意图Fig. 2 Schematic diagram of secondary scatter arranger for pills

2.4.3 分料装置、收丸/丸储装置设置要求

分料装置包括分料仓和可调式下料口，采用可调开度的电动插板阀控制下料量，并与锅炉输料设备和储丸斗实现互锁控制，可远程操控。

收丸斗或储丸斗的作用一是可作为给料调节装置调节落料量，二是在间歇运行方式时落丸清灰系统停运后将钢丸顺利收集到储丸斗。

2.4.4 防钢丸逃逸至炉后烟道的措施

在系统试验前，先根据所选钢丸粒径、比重和锅炉内的风速情况，借助 fluent软件进行了钢丸捕捉效果和逃逸情况模拟（冷态），并根据模拟状况对锅炉底部收灰斗进行了改造，在收灰斗内设置了捕丸装置，以尽量避免钢丸逃逸到炉后烟道系统。模拟的钢丸粒径2.5 mm，锅炉烟气流量20万N·m3/h，并假定钢丸下落初始速度为0 m/s。钢丸的下落采用离散模型，烟气采用连续相模型，模拟过程未考虑烟尘对气流的影响。模拟结果表明，设置的内置式捕丸装置可确保钢丸逃逸率控制在2.5‰左右，实际试验期间钢丸逃逸率1.2‰，见图3。整个清灰系统总装机功率21.6 kW，对应一台设计产汽量为16 t/h的余热锅炉。

图3 钢丸逃逸情况模拟图：（a）烟气速度场；（b）钢丸轨迹Fig. 3 Simulation map of escaping pills

3 冷、热态实验及效果

冷态试验及系统调试进行了3 d（非连续），热态试验进行了168 h连续运行试验后停炉检查；冷态试验主要是检测系统运行布丸效果、下料量的调节、系统通畅性（包括布丸、输丸和收丸等一些列过程）及控制系统的可靠性，以及观察落丸在锅炉内部经过逐层受热面的分散效果；热态试验则是检测系统清灰效果，以及钢丸在系统内的滞留和逃逸情况，钢丸对翅片的冲击情况等。

系统冷态试验前，先搭了一个小型布丸器分散效果实验台（图4），测试条缝型布丸器的落料分布效果，并测算根据烟尘含量估算的单位时间需要的钢丸落料量和实际落料时间的匹配情况。通过钢丸下落过程的携灰量测算，本项目需要的落丸强度约1 m3/(m2·h)，试验对象锅炉迎风受热面截面积15 m2，即落料量15 m3/ h，根据这一落料量选择输料设备和设计分料装置。冷态测试时，单个布丸器落料强度实际约为9 m3/h（或10 kg/s），即实际8个布丸器每小时只需运行约12.5 min即可达到清灰效果，相当于清灰系统投运时间为锅炉投运时间的1/5。

图4 落丸分散效果测试实验装置Fig. 4 Drop steel pill dispersion effect test experiment device

冷、热态系统试验时，采用每小时启动落丸系统一次，每次运行15 min的形式；钢丸逃逸率在整个热态运行168 h过程中的测算值实际为1.2‰。热态运行过程的锅炉系统阻力基本控制在500 Pa以内（见图5）。而在清灰改造前，余热锅炉原设计采用的是爆燃清灰，锅炉投运43 h后即因锅炉阻力偏大而被迫停炉清灰（锅炉阻力高达1 086 Pa）。

图5 锅炉热态运行第23 ～ 70 h的阻力变化情况Fig. 5 Variation of pressure drop during running of boiler

热态试验清灰效果见图6和图7，图8为采用爆燃清灰形式的表面积灰情况。试验期间锅炉入口烟温偏低，实际平均烟温仅有 290℃，远低于设计的 350℃烟温，且锅炉存在一定的漏风现象；根据烟温、烟气量和锅炉受热面设计情况校核得到的理论计算产汽量和发电量与实际测到的产汽量及折合发电量比较如表1所示。从表1可看出，实际测试高压蒸汽产量与理论值接近，低压蒸汽则比理论值偏低，主要原因是漏风影响，减小了换热温差和降低了可利用热量。

图6 运行168 h后高压蒸发器（即锅炉首组换热面）迎风面（左）和背风面（右）积灰情况对比Fig. 6 Upwind side (left) and leeside (right) of high-pressure evaporator after running 168 h

图7 运行168 h后高压省煤器迎风面（左）和背风面（右）对比Fig. 7 Upwind side (left) and leeside (right) of high-pressure economizer after running 168 h

图8 采用爆燃清灰方式的受热面积灰对比图（左图为高压省煤器，右图为高压蒸发器）Fig. 8 Dust deposition of high-pressure economizer (left) and high-pressure evaporator (right) after deflagration cleaning

表1 试验期间的产汽量理论计算值及实际值对比Table 1 Theoretical value and measured value of steam production during test period

需要说明的是，在2012年4月15日锅炉启炉后的热态试验过程中，由于矿热炉故障系统停运了几天，系统恢复后继续热态运行，达到连续运行168 h的时数后再停炉冷却后检查锅炉受热面表面积灰情况，图6和图7即是当时停炉检查时拍的受热面积灰照，图8是原来爆燃清灰方式运行43 h堵灰后的停炉检查积灰状况照片。对比两种清灰形式的锅炉受热面积灰情况可以很清楚的发现，落丸清灰可以很好的解决矿热炉这种高粘度细粒径烟尘在余热锅炉受热面的积灰问题。从表1也可以看出，余热锅炉因受热面积灰情况性能衰减在可接受的工程应用范围内（锅炉出力达到了理论值的87.4%）；而在此前，该项目锅炉采用过爆燃清灰和振打清灰都不能解决锅炉积灰问题，锅炉基本在投运3 d左右就因堵灰而被迫停炉清灰。

热态试验后进行了停炉检查，锅炉受热面积灰情况表明，本试验方案采用的布丸器布局和清灰操作控制方案合理，运行时仅存在极少的作用盲区，落丸作用区域覆盖率高达95%以上。

热态试验过程中还试验了清灰系统间歇运行时间，基本上每2.5 h启动一次清灰系统，每次清灰系统投运时间在30 min，即可满足锅炉阻力不超过设计要求的锅炉运行允许阻力（一般设计控制要求是积灰后锅炉阻力每增加15% ～ 20%后，即需要启动在线清灰操作），相当于每天（24 h）进行8次清灰操作，合计清灰系统运行时数4 h/d。试运表明，落丸清灰方式可以承受短期的停运检修（不超过4 h）。对于类似矿热炉这种烟尘细而粘且含尘量较大的余热锅炉，采用间歇运行方式的落丸清灰系统，其运行电耗和清灰成本，相对于爆燃清灰方式，具有明显的成本优势。

通过锅炉观察孔还发现，细粒径钢丸与粗粒径钢丸清灰机理并不完全相同，虽然两种方式均是振动、扰动、摩擦的共同作用结果，但粗粒径钢丸清灰主要靠钢珠在换热管表面形成振动作用清灰为主，其他作用方式为辅；而细粒径钢丸则主要靠钢珠下落过程中在换热管表面和管间形成复杂的气流扰动（增强气流的扰动还起到了强化换热的效果）、扬尘现象带走换热表面干灰为主；细粒径钢丸由于相对比表面积较大，摩擦清灰作用占比也更大，振动清灰作用则较小。

4 结论与建议

对于烟气中含尘细而粘且含尘量较大的余热锅炉系统，细粒径落丸清灰方式可以取得较好的清灰效果，采用间歇清灰方式时，锅炉因积灰导致的换热性能衰减极小，相对于传统清灰系统（在矿热炉烟气余热回收系统实际运行中，采用传统的间歇清灰方式，余热锅炉受积灰影响出力，一般平均蒸发量仅有理论计算值的65% ～ 80%，甚至在堵灰严重时需要进行停炉清灰操作），与传统清灰方式相比，采用落丸清灰方式实际运行时的余热锅炉蒸发量和余热发电量可提高10% ～ 35%；

尽管选择了2.5 mm粒径钢丸，钢丸对翅片管仍有一定的冲击和磨损作用，因此采用这种清灰方式时建议选择较厚的翅片（厚度1.5 ～ 2.0 mm），同时翅片高度不宜太高（1.5 mm厚的翅片翅高不宜超过12 mm，2.0 mm厚的翅片翅高不宜超过15 mm），每组换热器首排换热面增设防磨条，且换热管壁厚的选择要比传统方式宜增厚0.5 mm；

考虑到钢丸的回收，需要采取对应措施如优化出口烟道位置设计、对余热锅炉的内壁板及收丸设计做相应处理等，避免钢丸在壁板缝隙的藏匿和逃逸至出口烟道；

考虑到锅炉存在停运数天检修的情况，储丸装置最好采取防潮措施（应对锅炉长期停运检修），或对停运48 h以上的系统，停运期间钢丸需要做防潮处理，以免钢丸受潮粘结成团，影响下次使用；

细粒径钢丸与粗粒径钢丸清灰机理有明显差别，由于比表面积大，同样重力强度的落丸量，细粒径钢丸下落过程中诱发的扬尘左右和气流扰动作用要好于粗粒径钢丸，且对受热面物理冲击更小，更适合于低翅片强化换热管应用场合，也更有利于提高余热锅炉换热效率。

参考文献：

[1]孙亦. 国外防止大、中容量锅炉结焦、堵灰的清扫受热面经验综述[J]. 热力发电, 1975(4): 27-71. DOI:10.19666/j.rlfd.1975.04.002.

[2]陈洁. 余热锅炉除灰装置的设计应用[J]. 余热锅炉,1999(3): 14-19.

[3]王伟萍. 浅析铁合金矿热炉烟气余热锅炉的清灰方式[J]. 铁合金, 2015(7): 33-36. DOI: 10.16122/j.cnki.issn1001-1943.2015.07.010.

[4]惠兆森, 李国芳. 硅铁炉余热发电系统设计[J]. 铁合金, 2011, 42(5): 33-36. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1943.2011.05.010.

[5]涂爱民, 张青枝, 程珩, 等. 余热发电技术在铁合金生产节能中的应用[J]. 铁合金, 2013, 44(3): 38-41. DOI:10.3969/j.issn.1001-1943.2013.03.010.

[6]涂爱民, 陈恩鉴, 阳德志, 等. 一种适合于复杂受热面余热锅炉清灰系统: CN103062782A[P]. 2013-04-24.

[7]陈恩鉴, 涂爱民, 尹锐佳, 等. 落丸清灰系统的布丸或抛丸装置: CN203177189U[P]. 2013-09-04.