振打除灰在煤氣化工藝中的研究與應用現狀

史鵬聖，劉崇國，邵琳濤，劉水剛，楊衛娟，夏支文，周志軍

(1.浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室，浙江 杭州 310027；2.寧夏神耀科技有限責任公司，寧夏 銀川 750200)

《煤炭工業發展“十三五”規劃》[1]中指出：我國煤炭工業存在大氣污染問題突出，污染物排放嚴重等問題，清潔發展水平亟待提高。煤氣化技術作為潔凈煤技術領域的關鍵性技術和清潔的煤轉化利用方式[2]，在我國的能源戰略中占據著重要位置。以煤為原料的氣化爐與傳統燃煤鍋爐一樣，也會出現積灰結渣的問題。氣化爐除灰不同于傳統鍋爐的除灰，兩者有很大的區別，因此傳統鍋爐除灰技術并不能都很好地應用于氣化爐除灰。振打除灰是一種適用于氣化爐、除灰效果較好的除灰技術。本文對比分析了幾種現行的鍋爐除灰方式，對氣化爐中振打除灰的研究成果進行了總結。

1 煤氣化技術及其積灰問題

煤氣化是指將經過處理的煤炭送至氣化爐內，在一定溫度和壓力下使其與氣化劑發生一系列反應，使煤炭轉化為粗合成氣(含有CO、H2和甲烷等)的過程。煤氣化技術根據氣化爐床層的不同，可以分為固定床煤氣化、流化床煤氣化和氣流床煤氣化。根據進料方式的不同，可以分為濕法氣化技術和干法氣化技術。我國煤氣化技術起步較晚，早期煤氣化技術的開發主要以模仿創新或引進、消化吸收再創新為主[3]。在先后引進了UGI間歇氣化爐、GSP干煤粉加壓氣化爐、GE水煤漿氣化爐和Shell干煤粉氣化爐等技術后，我國也自行研發了恩德爐、四噴嘴水煤漿加壓氣化爐、多原料漿加壓氣化技爐、清華爐、航天爐氣化爐等技術，可以說我國是世界上研究與應用各種煤氣化技術最多的國家[4]。

目前在我國煤氣化工藝的市場中，用戶數和用戶份額較多的是GE爐、四噴嘴爐、清華爐、Shell殼牌爐等氣化爐[5]。以廢鍋流程的氣化技術(如Shell爐、GE爐)為例，核心設備是氣化爐、輸氣管和合成氣冷卻器三大件。其中氣化爐是原料與氣化劑進行氣化反應的場所，高溫高壓條件下產生高溫合成氣；合成氣經過激冷后由輸氣管輸送到合成氣冷卻器。合成氣冷卻器又稱廢熱鍋爐，用于降低激冷后合成氣的溫度，利用余熱產生蒸汽進行熱能回收。

廢熱鍋爐根據熱量回收方式可以分為輻射式和對流式。其中輻射式廢鍋根據水冷壁結構又可以分為單層水冷壁、雙層水冷壁和部分雙層水冷壁3種型式。煤氣化技術中的廢熱鍋爐有別于一般鍋爐，其壓力條件較高，溫度變化劇烈，結構復雜并且工質特殊，使其成為整個生產過程中較為關鍵的環節，同時也較易出現嚴重的積灰現象[6-9]。氣化爐積灰一方面會減弱受熱面傳熱效果，降低熱效率，導致出力不足、產氣量下降；另一方面造成高溫腐蝕，影響氣化工藝的正常運作；更嚴重時還會使出口管道堵塞，導致氣化爐被迫降負荷運行甚至停車進行人工清灰。因此除灰現代氣化爐普遍都安裝了除灰裝置。

2 傳統燃煤鍋爐除灰方式及其性能對比

2.1 傳統鍋爐的除灰方式

傳統蒸汽鍋爐一般在高溫微負壓的工況下運行，燃燒產生的高溫煙氣對水冷壁列管內的工質直接加熱，使其受熱蒸發，高溫煙氣沖刷水冷壁等熱交換器時其中的煙塵顆粒會附著其上，逐漸形成了結渣或積灰。蒸汽吹灰、聲波除灰、燃氣高能脈沖吹灰和振打除灰等多種方式一般都能獲得較好的除灰效果。

蒸汽吹灰是將一定壓力和干度的蒸汽噴射到待清灰的熱交換器區域，破壞粉塵顆粒與受熱面間的作用力使其分離，從而達到清除積灰的效果。聲波除灰利用聲波以一定的頻率和聲壓級傳播，破壞粉塵顆粒間、粉塵顆粒與熱交換器間的作用力來實現清除積灰的效果。燃氣高能脈沖吹灰又稱激波吹灰，利用壓縮空氣與高能燃氣點火產生高溫高壓的爆燃氣體，形成激波作用在受熱面的積灰上，使積灰脫落[10]。

振打除灰可以分為振打裝置和動能供給裝置。振打裝置一般是沖擊錘、振打錘等形式。振打除灰裝置工作時，沖擊錘(振打錘)從動能供給裝置獲取動能，產生沖擊速度，在積灰受熱面外壁(砧板)上進行脈動沖擊，使其前幾階的振動模態被激勵出來。同時在內部流場以及聲波的共同作用下，受熱面與灰渣層受到不同的慣性作用，當所產生的慣性力相差到一定值時，積灰脫落被流體介質帶走[11]。因此振打除灰過程中涉及到固體振動與氣體聲波的傳播和相互耦合作用。常見的振打動能供給分為電機供給和氣動供給兩種形式。電機供給形式使用電機帶動減速機上的鏈條轉動，長軸上分布的振打桿按一定的頻率振打傳動桿，由傳動桿把振打力傳遞給內部的振打桿，起到振打除灰的目的[12]。這種振打裝置是純機械結構，工作可靠，投資較小。但易出現振打錘磨損、電機損壞等狀況，并且工作效率較低。氣動供給的振打除灰裝置主要由氣缸供給振打所需能量。在下達振打命令后，經過電氣轉換裝置(主要為電磁閥)，將電信號轉換為氣動脈沖信號，氣動脈沖波再推動氣缸中的氣閥，進而氣缸就會推動氣缸中的活塞桿，活塞桿再推動撞擊桿[11]進行振打作業。相比電機驅動，氣動執行的振打裝置結構更加緊湊，設備磨損性低，維修成本較低；并且一個活塞桿出現問題不會影響其它活塞桿的正常運作。

2.2 常見除灰方式的性能對比

蒸汽吹灰、聲波除灰、燃氣高能脈沖吹灰和振打除灰性能對比見表1。

表1 蒸汽吹灰、聲波除灰、燃氣高能脈沖吹灰和振打除灰性能對比[10,13-15]Table 1 Performance comparison of steam soot-blowing,acoustic soot-blowing,high gas pulse soot-blowing and rapping ash-removal

3 振打除灰在煤氣化技術中的應用

氣化爐與蒸汽鍋爐的工作條件和工藝流程上有很大的區別，這決定了氣化爐除灰方式具有一定的限制性。鑒于在我國煤氣化市場中，殼牌爐所占用戶比例和爐子規模上都有一定的優勢[16]，下面以殼牌氣化爐為例，論述氣化爐除灰的特殊性。

粗合成氣夾雜熔融態的灰粒一同由氣化爐噴入輻射廢鍋，在與廢鍋中的水冷壁進行熱交換后，熔融的渣落入廢鍋下部的水池中排出；而粗合成氣與水冷壁換熱后降溫，從合成氣出口流出。為在相同體積下增強換熱效果，輻射廢鍋一般采取雙通道水冷壁設計，這使得輻射廢鍋內部換熱面積變大，換熱管道較多，并且局部位置水冷壁之間的通道較小，合成氣夾雜的灰粒較易附著沉積。合成氣與灰粒是以射流形式進入輻射廢鍋，射流區周圍會形成回流區，當灰塵顆粒卷入回流區會增大煤灰顆粒附著到水冷壁上的概率，產生了積灰現象[17]。輻射廢鍋冷卻段合成氣壓力大、溫度高(250～900 ℃，4 MPa)[18]，蒸汽吹灰(最大壓力 0.4～0.6 MPa)因為壓力不足無法在高溫中作用而受限制。并且蒸汽吹灰會帶來氧氣和水蒸氣，會改變合成氣的成分，對煤氣化工藝有一定的干擾作用。聲波吹灰(最大壓力0.5～1.0 MPa)同樣受到壓力限制，并且難以清除粘結性較強的積灰。燃氣脈沖吹灰不僅會給合成氣帶來其它成分氣體，而且高能燃氣還是易燃易爆氣體，可能會導致煤氣爆炸事故，安全隱患較大，需要嚴格加裝保護裝置。

振打除灰是通過振動和聲波兩種作用的協同耦合進行除灰，對松散性積灰、輕粘度和高粘度積灰都有一定的去除效果。在應用中控制簡單且安全可靠，安裝成本低，壽命長耗能少。清灰的連續性較好，不會出現瞬間灰塵量過大從而對風機產生影響。對于單通道廢鍋，氣流方向與粉塵沉降方向一致，更有利于清灰。同時避免了給合成氣帶來額外成分，不會給正常的工藝流程帶來影響。調整適應性較好，對不同工藝、不同爐型的灰塵，通過改變輸入信號來調整頻率實現針對性的振打除灰。因此振打除灰比較適合廢熱鍋爐尤其是煤氣化工藝中的除灰。

實踐證明，振打除灰裝置已在冶金/水泥等行業的余熱鍋爐中得到了應用，為企業帶來了經濟效益。浙江大學何聞[19]研發了一種彈性振打除灰裝置，在某廠一臺鋅氧爐余熱鍋爐中投入運行，對比之前的人工除灰，出口煙氣溫度下降了100～150 ℃，蒸汽產量和工作壓力都有所提升。顧大為等[20]針對河南某有色冶煉廠的余熱鍋爐設計了一自動振打除灰裝置，能夠很好地滿足單獨部位振打清灰，也能滿足整個鍋爐的全自動振打清灰工作。甘谷祁連山水泥有限公司2016年6月實施對余熱鍋爐的振打清灰裝置實現一體化改造，可靠性和維護費用大大降低,鍋爐的熱效率也有明顯的提高[21]。

武漢工程大學與武漢金惠科技、湖北雙環科技共同開發的自動振打除灰裝置在煤化工行業的多家企業得到應用[22]，經濟效益顯著。湖北雙環科技股份有限公司在應用自動振打裝置后5年來，解決了粉煤氣化爐積灰問題，降低合成氨生產成本達1億元/年以上；廣西柳州化工股份有限公司采用自動振打除塵裝置3年多綜合成本降低20%左右；湖南開祥化工有限公司采用裝置2年多甲醇生產成本降低15%～20%，累計增加企業利潤達2 050萬元。

4 振打除灰研究現狀

對于煤灰在鍋爐中的形成[23]、輸運[24-26]、碰撞[27-29]和黏附等[30]機理已有較多國內外學者進行了建模與研究工作，但關于氣化爐中積灰去除的理論研究較少，鍋爐中的振打除灰還處于實踐領先于理論的狀況。近30年來國內外對振打除灰方面的研究，早期主要集中在靜電除塵方面，近年來出現了氣化爐內振打除灰進行相關研究，下面就這些進行詳細論述。

4.1 靜電除塵中的振打研究

在靜電除塵器的振打除灰領域中，人們對振動篩形式、振打器布置、振打時間和周期更方面都有一定的研究，所取得的成果加深了對于振打除灰理論認識，為氣化爐振打除灰提供了借鑒和參考。為提高靜電除塵器的振打效率，Khan[31]對不同形式的振動篩進行了實驗研究。結果表明,雖然渦輪式振動篩產生功率是活塞式振動篩的2倍，但無法使整個篩屏振動，存在除灰死角。而活塞式振動篩產生的振動較為均勻，更好地清潔了篩網。為避免靜電除塵器振打除灰產生二次揚塵的問題，Miloual F等[32]從間歇式圓筒結構過程出發，研究了振打時間、振打位置和振打力對除灰效果的影響，提出了一種基于實驗設計方法的程序，優化了振打過程。針對電廠電除塵器的振打周期的優化問題，陳康元[33-34]從電除塵器陽極板振動特性出發，對振打清灰的效果評定標準和故障檢測分析方法進行了研究，系統地研究了電磁振打除塵的最佳加速度和激振周期。馬林強[35]采用正交實驗法，將3個電場陽級稱為A、B、C 3個因素，每個因素采取3個振打水平，得到了3個振打極板的最佳振打周期，并在鶴壁電廠進行了應用。

4.2 氣化爐中的振打研究

振打裝置的振打周期、布局控制等因素直接影響著除塵效率。何聞[19]為解決余熱鍋爐的振打除灰效率低的問題，對落錘沖擊振打除灰對余熱鍋爐水冷壁的振動模態進行了分析，對彈簧錘沖擊力進行了計算。結果表明,選用剛度較大的彈簧，盡可能地縮短作用時間可以充分激發出管屏的固有頻率。鄭小濤等[36-37]從氣化爐水冷壁及其內部聲場出發，研究探討了振打裝置的布局和振打力對結構響應的影響，并得到了振打器沿爐子高度和圓周的最佳布局，即：在1/2高度均勻安裝8個振打器，且45，135，225，315°方向與0，90，180，270°方向的激振時間差為0.037(2n-1)/2(n=1，2，3…)；在1/4和3/4高度上均勻安裝6個振打器，且30，150，270°方向與90，210，330°方向及上下層激振時間差為0.037(2n-1)/2(n=1，2，3…)。當激振信號是周期三角信號時，沖擊時間為0.08 s、激振頻率取 27 Hz 時會引起最大的結構振動。他們所得分析結果與現行 “殼牌”煤氣化技術振打除灰裝置的布局非常接近。

對于振打時積灰脫落過程以及水冷壁結構響應，武漢工程大學研究團隊進行了較多的研究。喻九陽等[38]為探究煤灰顆粒從砧板上脫落的影響因素，以單擺實驗平臺為基礎觀察了煤灰顆粒振打脫落過程。實驗發現煤灰的脫落存在“分層現象”和“分階段現象”：“分層現象”是積灰可以分成浮灰層、主體層和貼壁層3層；“分階段現象”是這3層顆粒不是同時脫落，浮灰層先脫落，接著主體層脫落，最后貼壁層脫落。他們提出并定義了最小有效振打力Fm概念，即為剛好能使板上煤灰顆粒聚團脫落的最小沖擊力，表現為振打時積灰脫落質量的突然變大，當突增量達到50%時對應的沖擊力大小為最小有效振打力。這一概念為高溫高壓和有流場的實際工況下振打除灰研究提供了一些研究思路和方法。馬俊[11]針對殼牌煤氣化合成氣冷卻器的積灰問題，研究了煤灰顆粒從壁面上冷態脫落的機理與過程，建立了煤灰脫落的力學模型。煤灰顆粒從壁面上脫落下來，要滿足這兩個條件之一：振打提供外力使煤灰顆粒受到的法向外力大于其受到的法向吸附力，或是切向力大于其受到的摩擦力。他還發現結構的響應是縱向振動和橫向振動的疊加，同時對煤灰脫落的一些影響因素(載荷頻率、沖擊時間、灰層厚度/密度等)進行了探究，得到了一些具體結果：當載荷頻率為68 Hz時響應最大，對煤灰脫落最有利；沖擊時間增加時，結構的最大位移響應增加，最大速度響應和最大加速度均減??；振打沖擊的沖擊時間對煤灰脫落影響最大，其次是煤灰層厚度，煤灰密度相對影響最小。

振打除灰裝置在運作時，沖擊桿頻繁地往復撞擊后可能會失效破壞，影響振打器工作效能以及使用壽命。針對該問題，靖靜等[39-40]對機械振打這種具有特殊邊界條件的桿沖擊問題進行了研究，建立了振打器活塞桿與撞擊桿縱向沖擊問題的理論模型，推導了撞擊桿沖擊過程中位移、速度、應力以及沖擊持續時間的解析表達式。他們研究發現振打器傳遞桿桿身與凸臺連接處發生破壞現象的主要原因是由于撞擊桿相對于傳遞桿具有軸向夾角，改進后可以有效避免出現過大應力集中，從而將振打器壽命延長到設計范圍。振打裝置周期性地沖擊可能會導致水冷壁接近疲勞極限，因此對水冷壁的結構設計至關重要。林發現等[41]從提高水冷壁結構的疲勞強度出發，并分析了煤氣化爐水冷壁在彈簧預壓及沖擊載荷下的應力響應狀態。結果表明,彈簧預壓載荷對疲勞強度影響較小，優化振打的沖擊時間能夠提高結構的疲勞強度。

5 結語

我國作為全世界最大的煤炭生產國和消費國，是最大的煤氣化國家，同時也是全球最大的煤氣化技術進口國。雖然我國煤氣化技術起步較晚，通過技術引進已經較大地縮短了與發達國家煤氣化技術的差距，也自行研發了恩德爐、清華爐、航天爐氣化爐等技術。在建設創新型國家的發展時期，現代煤氣化和煤化工技術快速應用與發展的緊要關頭，中國必須創新、發展、應用獨立自主的煤氣化技術。

而吹灰器是保障燃煤鍋爐和氣化爐正常運行的必要措施。振打除灰擁有簡易可靠、調控智能、節能安全等多方面優勢，并在氣化爐吹灰領域開始應用推廣，一定程度上提高了氣化爐運行的安全性和經濟性。鑒于振打除灰是通過振動和聲波兩種作用協同耦合除灰的，且能夠同時能夠作用到水冷壁管材，需要從理論和實踐上不斷完善，以達到最佳除灰效果而最小化對水冷壁壽命耗損。雖然已有一些振打器布局、振打參數、灰層等因素對振打效果影響的研究，但是氣化爐振打除灰的理論和實踐成果尚不完善，無法對氣化爐除灰設計和運行優化提供足夠的指導。在當前我國大力發展煤化工形勢下，振打除灰將會在氣化爐上大有用武之地，亟需理論研究和實踐應用齊頭并進、促進式共發展。