空氣過濾器配置形式對燃?xì)忮仩t性能的影響

1 概述

DB 11/139—2015《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，自2017年4月1日起，北京地區(qū)新建鍋爐的氮氧化物排放質(zhì)量濃度限值為30 mg/m3。降低氮氧化物的主要方向是抑制火焰峰值溫度，縮短煙氣在爐膛高溫區(qū)的停留時間，降低氧氣濃度等。具體的技術(shù)手段包括：稀薄預(yù)混燃燒技術(shù)、火焰冷卻、煙氣再循環(huán)等。稀薄預(yù)混燃燒技術(shù)通過控制過?？諝庀禂?shù)來控制燃燒溫度，但易使火焰變得不穩(wěn)定甚至熄火，而與多孔介質(zhì)（如金屬纖維網(wǎng)）燃燒器的結(jié)合，改善了燃燒過程。

與傳統(tǒng)的槍式燃燒器的燃?xì)馀c空氣分別送入爐膛內(nèi)邊混合邊燃燒的方式不同，稀薄預(yù)混燃燒技術(shù)是將天然氣與稍過量的空氣在進(jìn)入爐膛之前先混合均勻，再一起送入燃燒器頭部。燃燒器頭部為由高密度金屬纖維網(wǎng)制成的圓筒狀表面燃燒器，內(nèi)部為空腔?；旌暇鶆虻目扇蓟旌蠚猓ㄌ烊粴饪諝饣旌蠚猓┐┻^金屬纖維網(wǎng)的狹小孔隙，在金屬纖維網(wǎng)的外表面燃燒。高密度金屬纖維網(wǎng)使得火焰更加穩(wěn)定，火焰溫度降低，火焰噪聲減小。

由于施工的不規(guī)范，一些實施煤改氣的鍋爐房在施工階段僅對燃煤鍋爐進(jìn)行了拆卸和燃?xì)忮仩t的安裝，未對鍋爐房地面、墻面實施充分清潔以及地面硬化處理，易造成供暖期鍋爐房充斥大量煤粉（灰）懸浮顆粒物。當(dāng)燃?xì)忮仩t運行時，易將煤粉（灰）懸浮顆粒吸入燃燒器。長期運行，易堵塞金屬纖維網(wǎng)，當(dāng)堵塞嚴(yán)重時將出現(xiàn)點火失敗、回火、熱功率過低等一系列問題。

針對以上問題，許多廠家通過在預(yù)混器空氣進(jìn)口前增設(shè)空氣過濾器緩解金屬纖維網(wǎng)的堵塞，以降低清理維護(hù)頻率。本文結(jié)合工程實例，采取試驗方法，比較空氣過濾器配置形式對燃?xì)忮仩t熱功率的影響。

2 試驗方案

2.1 試驗方案

選取3座實施煤改氣不久的燃?xì)忮仩t房進(jìn)行試驗，每座燃?xì)忮仩t房均配置1 臺額定熱功率為280 kW的燃?xì)忮仩t（編號為鍋爐1~3）。燃?xì)忮仩t配置金屬纖維網(wǎng)燃燒器，燃燒器單位燃燒面積熱強度為1977.2 kW/m2。額定熱功率下煙氣中氧體積分?jǐn)?shù)為4.6%~4.8%，過?？諝庀禂?shù)為1.28~1.30，空氣額定流量為341~347 m3/h，天然氣額定流量為28 m3/h。

試驗針對3種情況：第1種，鍋爐1不配置空氣過濾器。第2種，鍋爐2配置單級過濾器。第3種，鍋爐3配置組合式過濾器（采用兩級空氣過濾器）。在供暖期前，對這3座燃?xì)忮仩t房室內(nèi)空氣中顆粒物的質(zhì)量濃度進(jìn)行實測，實測結(jié)果為0.1~0.3g/m3。

在試驗首日，對每臺燃?xì)忮仩t的初始大熱功率（對于安裝了空氣過濾器的燃?xì)忮仩t，在拆除空氣過濾器，天然氣、空氣為額定流量條件下實測得到）進(jìn)行測試。

在試驗期間，以7 d為周期，對燃?xì)忮仩t實際大熱功率（對于安裝了空氣過濾器的燃?xì)忮仩t，在拆除空氣過濾器，天然氣、空氣為額定流量條件下實測得到）進(jìn)行實測。由實際大熱功率與初始大熱功率之比（以下簡稱熱功率比例）表征金屬纖維網(wǎng)的堵塞程度，熱功率比例越大說明金屬纖維網(wǎng)的堵塞情況越輕，反之說明堵塞情況越嚴(yán)重。熱功率根據(jù)單位時間天然氣耗量及天然氣低熱值計算得到。當(dāng)熱功率比例絕對降幅超過5%時，表示金屬纖維網(wǎng)的堵塞程度達(dá)到了可容忍的極限，需對金屬纖維網(wǎng)進(jìn)行清理。

2.2 空氣過濾器性能指標(biāo)

除了基本的結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)方面的要求外，評價空氣過濾器的性能有以下3項指標(biāo)。

①過濾效率。對于空氣過濾器，過濾效率可采用平均計重效率評價。平均計重效率越大，表明空氣過濾器的過濾效率越高，反之表明空氣過濾器的過濾效率越低。

②阻力，即在給定風(fēng)速下氣流穿透空氣過濾器的壓力損失。使用前的空氣過濾器的阻力稱為初阻力，判定空氣過濾器報廢的阻力稱為終阻力。過高的終阻力并不意味著過濾器的使用壽命會明顯延長，而且易使系統(tǒng)風(fēng)量銳減，因此不能將終阻力設(shè)定得過高。歐洲采用的效率規(guī)格分類G-F-H（過濾效率遞增）的建議終阻力范圍見表1。

表1 不同效率規(guī)格空氣過濾器對應(yīng)的建議終阻力范圍

③容塵量，即在使用中，顆粒物的積聚使空氣過濾器阻力達(dá)到建議終阻力時，所容納的粉塵質(zhì)量。工程中通常以單臺空氣過濾器容塵量、單位通風(fēng)面積容塵量表征空氣過濾器的容塵量。一般情況下，末一級（沿氣流方向）空氣過濾器的過濾效率決定空氣凈化的程度，其上游的各級空氣過濾器僅對末一級空氣過濾器起到保護(hù)作用，以延長末一級空氣過濾器的使用壽命。在空氣過濾器設(shè)計時，應(yīng)先根據(jù)潔凈要求確定末一級空氣過濾器的過濾效率，然后選擇起保護(hù)作用的上游空氣過濾器，若當(dāng)前起保護(hù)作用的上游空氣過濾器也需要保護(hù)，再在其上游增設(shè)空氣過濾器。應(yīng)妥善匹配各級空氣過濾器的過濾效率，若相鄰兩級空氣過濾器的過濾效率相差太大，則前一級空氣過濾器起不到保護(hù)后一級的作用；若相鄰兩級過濾器的過濾效率相差太小，則后一級空氣過濾器的負(fù)擔(dān)將過小。

2.3 空氣過濾器配置形式

①單級過濾器。單級過濾器配置G4效率規(guī)格的空氣過濾器。G4效率規(guī)格空氣過濾器的平均計重效率為91%，初阻力為40 Pa，建議終阻力為150 Pa，單位迎面積容塵量為320 g/m2，能過濾粒徑為5 μm以上的顆粒物，材質(zhì)為玻璃纖維。

②組合式過濾器。組合式過濾器采用兩級過濾，級為G2效率規(guī)格空氣過濾器，末一級為G4效率規(guī)格空氣過濾器。G2效率規(guī)格空氣過濾器的平均計重效率為80%，初阻力為15 Pa，建議終阻力為60 Pa，單位迎風(fēng)面積容塵量為3 600 g/m2，能過濾粒徑為5 μm以上的顆粒物，材質(zhì)為玻璃纖維。

2.4 空氣過濾器安裝位置

空氣過濾器的安裝位置見圖1。天然氣經(jīng)天然氣過濾器（組合式過濾器）過濾后進(jìn)入預(yù)混器，以減少天然氣中顆粒物對試驗結(jié)果的影響?？諝膺^濾器安裝在預(yù)混器空氣進(jìn)口前，保證參與預(yù)混的空氣均經(jīng)過過濾。在每級空氣過濾器前后設(shè)取壓口，通過測量空氣過濾器前后的壓力，計算空氣過濾器的實際阻力。將實際阻力與建議終阻力進(jìn)行比較，當(dāng)實際阻力達(dá)到建議終阻力后，對空氣過濾器進(jìn)行更換。

圖1 空氣過濾器的安裝位置

3 試驗結(jié)果

試驗時間為2017年11月18日至2018年3月10日。2017年11月18日，分別對3臺燃?xì)忮仩t的初始大熱功率進(jìn)行測試。自2017年11月25日，每周六對鍋爐2、3空氣過濾器實際阻力以及3臺鍋爐實際大熱功率進(jìn)行實測計算，進(jìn)而判定空氣過濾器阻力是否達(dá)到建議終阻力以及考察金屬纖維網(wǎng)的堵塞情況。

根據(jù)試驗期間每周六對鍋爐2、3空氣過濾器實際阻力的實測結(jié)果，可得到鍋爐2、3空氣過濾器的更換日期及更換項目，見表2。由表2可知，對于配置單級過濾器的鍋爐2，每隔2周空氣過濾器的阻力就達(dá)到了建議終阻力，需要更換空氣過濾器。對于配置組合式過濾器的鍋爐3，在2018年1月20日（距首次測試日的第9周）的測試中發(fā)現(xiàn)級G2效率規(guī)格空氣過濾器阻力達(dá)到建議終阻力，并予以更換；在2018年3月10日（距首次測試日的第16周）的測試中發(fā)現(xiàn)第二級G4效率規(guī)格空氣過濾器阻力達(dá)到建議終阻力，同時更換兩級過濾器。

表2 鍋爐2、3空氣過濾器的更換時間及更換項目

由實測結(jié)果，可計算得到3臺鍋爐熱功率比例隨時間的變化（見圖2）。由圖2可知，對于未配置空氣過濾器的鍋爐1，在2017年12月30日熱功率比例為94.16%，絕對降幅超過5%，燃?xì)忮仩t出現(xiàn)了點火困難、回火趨勢明顯的情況，需要清理金屬纖維網(wǎng)。對于配置單級過濾器的鍋爐2，由于更換空氣過濾器比較及時，在整個試驗期間，鍋爐熱功率比例的絕對降幅沒有超過5%。在試驗結(jié)束的2018年3月10日，鍋爐熱功率比例降至96.84%。對于配置組合式過濾器的鍋爐3，在整個試驗期間鍋爐熱功率比例的絕對降幅沒有超過5%。在試驗結(jié)束的2018年3月10日，鍋爐熱功率比例僅降至97.42%。

圖2 3臺鍋爐熱功率比例隨時間的變化

由試驗結(jié)果可知，與未配置空氣過濾器、配置單級過濾器的燃?xì)忮仩t相比，配置組合式過濾器的燃?xì)忮仩t，在整個試驗期間的熱功率比例高，下降幅度小。而且僅在距首次測試日的第9周更換級空氣過濾器，在第16周同時更換兩級過濾器。

4 結(jié)論

在煤改氣項目中，為避免鍋爐房內(nèi)空氣中殘留煤粉（灰）懸浮顆粒物堵塞金屬纖維網(wǎng)，在預(yù)混器空氣進(jìn)口前設(shè)置空氣過濾器。采用試驗方法，比較空氣過濾器配置形式對燃?xì)忮仩t熱功率的影響。試驗針對3座實施煤改氣施工不久的燃?xì)忮仩t房，每座燃?xì)忮仩t房均配置1 臺額定熱功率為280 kW的燃?xì)忮仩t（編號為鍋爐1~3）。鍋爐1不配置空氣過濾器，鍋爐2配置單級過濾器，鍋爐3配置組合式過濾器（采用兩級過濾）。采用燃?xì)忮仩t實際大熱功率與初始大熱功率之比（以下簡稱熱功率比例）作為評價金屬纖維網(wǎng)堵塞程度的指標(biāo)。與未配置空氣過濾器、配置單級過濾器的鍋爐相比，配置組合式過濾器的鍋爐，在整個試驗期間保持較高的熱功率比例，僅在距試驗首日的第9周更換級空氣過濾器，在第16周同時更換兩級過濾器。配置組合式過濾器可有效緩解金屬纖維網(wǎng)的堵塞，保證燃?xì)忮仩t的高效運行。