声波吹灰在静电除尘器中的应用突破

基于张家口电厂SQ-75声波清灰改造案例的技术解读——辽宁中信自控仪表有限公司研究实践评述

关键词
静电除尘器, 声波清灰, 声波吹灰, 高电阻率粉尘, 灰斗堵塞, 工业烟气治理, 燃煤电厂

近年来，随着超低排放与高阻灰工况在燃煤电厂中的普及，传统机械振打难以彻底清灰的问题愈发突出，“声波清灰”“声波吹灰”开始成为静电除尘器（ESP）行业关注的技术热点。本文基于 Wan Ronghui、Han Ke、Tan Ruitian（辽宁中信自动化仪表有限公司）在《Acoustic Horn Made Electrostatic Precipitator Collecting Plate and Hopper Clean in Zhangjiakou Power Plant》一文中的研究与工程实践，对声波清灰在张家口电厂300 MW 机组静电除尘器上的应用效果进行系统梳理与行业化解读。

该研究对象为张家口电厂一台300 MW 机组所配套的静电除尘器，配置为两台四电场、单台流通截面积约230 m²、顶部电磁锤振打结构的 ESP。受中国煤种“低硫、高电阻率灰、高度电极（>15 m）”等典型特性影响，除尘器在第三、第四电场长期存在收尘极板积灰严重、机械振打下灰不彻底的问题，灰层厚度最高可达 8 mm，导致有效收尘面积被侵占、二次电流受限，并伴随电场内部及灰斗堵塞，严重时需停运处理。这一痛点为声波清灰技术提供了典型应用场景。

在技术路线上，研究团队选用了辽宁中信自动化仪表有限公司生产的 SQ-75 型声波清灰器作为核心设备。SQ-75 属于低频大功率声波清灰装置，工作频率约 75 Hz，在 20 ℃、常压空气条件下，对应声波波长约为 4.59 m。这一波长通常大于 ESP 内主要结构件特征尺寸，使得声波在电场内传播时更接近“自由声场”状态，具备良好的绕射能力，可跨越阴阳极骨架、支撑梁、构件拐角等障碍，实现对电极板面和灰斗内部的整体作用。

从声学机理看，声波清灰并非依赖传统“点冲击”，而是通过周期性声压波的致密—稀疏变化，在灰层与极板界面产生较大的振动加速度。以 SQ-75 为例，论文中基于经典声学公式，对不同距离处的声压级、声压幅值以及由此产生的加速度进行了估算。结果表明，在距喇叭出口 0–16 m 范围内，声压级约在 150–126 dB，对应的幅值加速度可达 6.4–102 g（以重力加速度 g 为基准）。在这一加速度水平下，结合 ESP 内本身存在的微振动和气流扰动，足以破坏高电阻率粉尘在极板上的粘附力和桥架结构，使灰层裂纹扩展、块状剥落并顺利滑落至灰斗。

在工程实施方面，张家口电厂选择了“顶部 + 侧壁”组合布置策略，以兼顾收尘极板上口和下口的清灰效果。具体做法是：在四个电场顶部共安装 7 台 SQ-75 声波清灰器（第一电场 1 台，第二、三、四电场各 2 台），并在 1–2、2–3、3–4 电场之间的三条通道对应的下部侧壁加装 3 台声波清灰器。这样布置后，声波既可自上而下覆盖 15 m 高收尘极板的全高度，又能从侧面对靠近灰斗区域的极板下缘形成补充振动，从而消除传统“上部落灰，下部堆积”的清灰盲区。

控制策略上，研究团队设计了两套不同的声波运行参数组合，用以平衡清灰效果与运行能耗、噪声等因素。控制变量主要包括：单次声波喷吹持续时间（约 5–10 秒）、两次声波喷吹间隔（1–5 分钟不等）以及整体声波清灰周期（15–20.6 分钟等）。通过对不同电场、不同声波清灰器编号的差异化配置，实现第三、第四电场以及关键通道区域的强化清灰，而对第一电场保持相对温和的声波频次，以避免过度扰动引发粉尘再夹带和前段电场粉尘负荷波动。这种分区控制思路对今后电力行业推广声波清灰具有较强借鉴意义。

在系统投运前后，研究团队对 ESP 二次侧电压电流进行了对比测试，以量化声波清灰对电场电气性能的改善效果。在相似工况条件下，仅在第三电场顶部投入两台 SQ-75 声波清灰器试运行时，二次电压由 68 kV 提升至 72 kV，增幅约 6%；二次电流由 350 mA 提高到 450 mA，增幅约 28%。电压和电流的协同增加反映出有效收尘面积扩张、电晕电流密度提升、火花率可控，有利于整体除尘效率提升及排放稳定达标。另外，现场观察并未发现明显的细微粉尘二次飞扬现象，环境噪声亦未超出相关标准限值，说明在合理频率、声压和控制策略下，声波清灰对 ESP 稳定运行是正向支撑而非负面扰动。

在连续运行约 60 天后，试验人员进入除尘器内部进行停电检修和可视化检查。结果发现，安装声波清灰器区域的收尘极板表面存在大量“雪花状”或金属本色斑点，这些都是灰层已经块状脱落后留下的痕迹，指甲划擦试验也明显表明灰层厚度显著低于未采用声波清灰的对比区域。与此同时，从灰斗下部人孔观察，声波启动时可见极板表面灰层发生开裂并呈块状、片状落下，进一步印证了声波清灰在高电阻率粉尘工况下的有效性。

除了对收尘极板的强化清灰，该研究还在另一台 ESP 第四电场灰斗安装了一台 SQ-1000G 型声波清灰器，专门用于解决灰斗堵塞和架桥问题。在改造前，该灰斗常发生灰位堆高、下游锁风喂料器启动后无灰下落的“空转”现象，典型灰斗架桥特征明显。试验中，操作人员在灰斗无灰下落的前提下，采用就地手动启动声波清灰器 3–5 次，低频声波在灰斗内回响数秒后，便出现温灰和积灰连续崩落的情况，架桥被迅速破除。随后切换为由计算机远程控制的连续周期运行模式，在较长运行周期内未再出现严重的灰斗堵塞事件。这一结果表明，声波清灰同样适用于灰斗流动性差、易结拱工况，是对传统气炮、振打器、流化装置的有益补充，甚至在部分场景下可部分替代机械振打。

综合张家口电厂的运行经验和论文总结，声波清灰在 ESP 场景下具有以下几方面行业启示：其一，对高电阻率粉尘和高极板结构（>15 m）工况具有明显优势，能够弥补顶锤、侧锤振打“打不到、打不透”的痛点；其二，声波清灰装置本体结构相对简单、无明显高速往复运动部件，对 ESP 壳体和极板的机械冲击较小，有助于延长设备寿命并降低维护成本；其三，通过合理的声波频率、声压和分区控制策略，可在保证不显著增加粉尘二次飞扬和噪声的前提下，提升二次电压、电流和电场利用率，从而为电厂在严苛排放指标下提供额外的“技术裕度”；其四，在灰斗堵塞治理方面，声波清灰的远距离、面覆盖特性，使其对复杂几何灰斗的架桥破除尤其有效。

结合当前国内外静电除尘与工业烟气治理发展趋势，可以预见，声波清灰将更多地以“与机械振打并联协同”的方式，出现在燃煤电厂、电炉烟气、烧结烟气以及其他高尘负荷、高电阻率粉尘工况的 ESP 改造方案中。正如该文最终给出的判断：在适当的选型与布置条件下，低频声波清灰不仅可以作为机械振打的有效补充，在部分场合甚至可独立承担清灰功能，成为工业除尘系统中一类值得重视的“柔性破拱与除尘增强”技术工具。

参考文献
[1] Wan R H, Han K, Tan R T. Acoustic Horn Made Electrostatic Precipitator Collecting Plate and Hopper Clean in Zhangjiakou Power Plant[C]//Proceedings of ICESP IX. International Society for Electrostatic Precipitation, year unknown.
[2] Zhang Y F. Fundamental Theory of Acoustics[M]. Textbook for Mechanical Engineer. 1986.
[3] Cheng S M, Jiang Y S. Physics[M]. Reference Book for University. 1979.
[4] Chen K Y. Techniques of ESP Electrodes Rapping[M]. 2000.

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