空氣過濾器配置形式對燃氣鍋爐性能的影響

1 概述

DB 11/139—2015《鍋爐大氣污染物排放標準》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)通過控制過剩空氣系數(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)的槍式燃燒器的燃氣與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。混合均勻的可燃混合氣（天然氣空氣混合氣）穿過金屬纖維網(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行了拆卸和燃氣鍋爐的安裝，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。當燃氣鍋爐運行時，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)，當堵塞嚴重時將出現(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氣鍋爐熱功率的影響。

2 試驗方案

2.1 試驗方案

選取3座實施煤改氣不久的燃氣鍋爐房進行試驗，每座燃氣鍋爐房均配置1 臺額定熱功率為280 kW的燃氣鍋爐（編號為鍋爐1~3）。燃氣鍋爐配置金屬纖維網(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數(shù)為4.6%~4.8%，過剩空氣系數(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座燃氣鍋爐房室內(nèi)空氣中顆粒物的質(zhì)量濃度進行實測，實測結(jié)果為0.1~0.3g/m3。

在試驗首日，對每臺燃氣鍋爐的初始大熱功率（對于安裝了空氣過濾器的燃氣鍋爐，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）進行測試。

在試驗期間，以7 d為周期，對燃氣鍋爐實際大熱功率（對于安裝了空氣過濾器的燃氣鍋爐，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)的堵塞程度達到了可容忍的極限，需對金屬纖維網(wǎng)進行清理。

2.2 空氣過濾器性能指標

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

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，然后選擇起保護作用的上游空氣過濾器，若當前起保護作用的上游空氣過濾器也需要保護，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擔將過小。

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行比較，當實際阻力達到建議終阻力后，對空氣過濾器進行更換。

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臺燃氣鍋爐的初始大熱功率進行測試。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行實測計算，進而判定空氣過濾器阻力是否達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%，燃氣鍋爐出現(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氣鍋爐相比，配置組合式過濾器的燃氣鍋爐，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氣鍋爐熱功率的影響。試驗針對3座實施煤改氣施工不久的燃氣鍋爐房，每座燃氣鍋爐房均配置1 臺額定熱功率為280 kW的燃氣鍋爐（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）。采用燃氣鍋爐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。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，保證燃氣鍋爐的高效運行。