空气过滤器配置形式对燃气锅炉性能的影响

1 概述

DB 11/139—2015《锅炉大气污染物排放标准》规定，自2017年4月1日起，北京地区新建锅炉的氮氧化物排放质量浓度限值为30 mg/m3。降低氮氧化物的主要方向是抑制火焰峰值温度，缩短烟气在炉膛高温区的停留时间，降低氧气浓度等。具体的技术手段包括：稀薄预混燃烧技术、火焰冷却、烟气再循环等。稀薄预混燃烧技术通过控制过剩空气系数来控制燃烧温度，但易使火焰变得不稳定甚至熄火，而与多孔介质（如金属纤维网）燃烧器的结合，改善了燃烧过程。

与传统的枪式燃烧器的燃气与空气分别送入炉膛内边混合边燃烧的方式不同，稀薄预混燃烧技术是将天然气与稍过量的空气在进入炉膛之前先混合均匀，再一起送入燃烧器头部。燃烧器头部为由高密度金属纤维网制成的圆筒状表面燃烧器，内部为空腔。混合均匀的可燃混合气（天然气空气混合气）穿过金属纤维网的狭小孔隙，在金属纤维网的外表面燃烧。高密度金属纤维网使得火焰更加稳定，火焰温度降低，火焰噪声减小。

由于施工的不规范，一些实施煤改气的锅炉房在施工阶段仅对燃煤锅炉进行了拆卸和燃气锅炉的安装，未对锅炉房地面、墙面实施充分清洁以及地面硬化处理，易造成供暖期锅炉房充斥大量煤粉（灰）悬浮颗粒物。当燃气锅炉运行时，易将煤粉（灰）悬浮颗粒吸入燃烧器。长期运行，易堵塞金属纤维网，当堵塞严重时将出现点火失败、回火、热功率过低等一系列问题。

针对以上问题，许多厂家通过在预混器空气进口前增设空气过滤器缓解金属纤维网的堵塞，以降低清理维护频率。本文结合工程实例，采取试验方法，比较空气过滤器配置形式对燃气锅炉热功率的影响。

2 试验方案

2.1 试验方案

选取3座实施煤改气不久的燃气锅炉房进行试验，每座燃气锅炉房均配置1 台额定热功率为280 kW的燃气锅炉（编号为锅炉1~3）。燃气锅炉配置金属纤维网燃烧器，燃烧器单位燃烧面积热强度为1977.2 kW/m2。额定热功率下烟气中氧体积分数为4.6%~4.8%，过剩空气系数为1.28~1.30，空气额定流量为341~347 m3/h，天然气额定流量为28 m3/h。

试验针对3种情况：第1种，锅炉1不配置空气过滤器。第2种，锅炉2配置单级过滤器。第3种，锅炉3配置组合式过滤器（采用两级空气过滤器）。在供暖期前，对这3座燃气锅炉房室内空气中颗粒物的质量浓度进行实测，实测结果为0.1~0.3g/m3。

在试验首日，对每台燃气锅炉的初始大热功率（对于安装了空气过滤器的燃气锅炉，在拆除空气过滤器，天然气、空气为额定流量条件下实测得到）进行测试。

在试验期间，以7 d为周期，对燃气锅炉实际大热功率（对于安装了空气过滤器的燃气锅炉，在拆除空气过滤器，天然气、空气为额定流量条件下实测得到）进行实测。由实际大热功率与初始大热功率之比（以下简称热功率比例）表征金属纤维网的堵塞程度，热功率比例越大说明金属纤维网的堵塞情况越轻，反之说明堵塞情况越严重。热功率根据单位时间天然气耗量及天然气低热值计算得到。当热功率比例绝对降幅超过5%时，表示金属纤维网的堵塞程度达到了可容忍的极限，需对金属纤维网进行清理。

2.2 空气过滤器性能指标

除了基本的结构和经济方面的要求外，评价空气过滤器的性能有以下3项指标。

①过滤效率。对于空气过滤器，过滤效率可采用平均计重效率评价。平均计重效率越大，表明空气过滤器的过滤效率越高，反之表明空气过滤器的过滤效率越低。

②阻力，即在给定风速下气流穿透空气过滤器的压力损失。使用前的空气过滤器的阻力称为初阻力，判定空气过滤器报废的阻力称为终阻力。过高的终阻力并不意味着过滤器的使用寿命会明显延长，而且易使系统风量锐减，因此不能将终阻力设定得过高。欧洲采用的效率规格分类G-F-H（过滤效率递增）的建议终阻力范围见表1。

表1 不同效率规格空气过滤器对应的建议终阻力范围

③容尘量，即在使用中，颗粒物的积聚使空气过滤器阻力达到建议终阻力时，所容纳的粉尘质量。工程中通常以单台空气过滤器容尘量、单位通风面积容尘量表征空气过滤器的容尘量。一般情况下，末一级（沿气流方向）空气过滤器的过滤效率决定空气净化的程度，其上游的各级空气过滤器仅对末一级空气过滤器起到保护作用，以延长末一级空气过滤器的使用寿命。在空气过滤器设计时，应先根据洁净要求确定末一级空气过滤器的过滤效率，然后选择起保护作用的上游空气过滤器，若当前起保护作用的上游空气过滤器也需要保护，再在其上游增设空气过滤器。应妥善匹配各级空气过滤器的过滤效率，若相邻两级空气过滤器的过滤效率相差太大，则前一级空气过滤器起不到保护后一级的作用；若相邻两级过滤器的过滤效率相差太小，则后一级空气过滤器的负担将过小。

2.3 空气过滤器配置形式

①单级过滤器。单级过滤器配置G4效率规格的空气过滤器。G4效率规格空气过滤器的平均计重效率为91%，初阻力为40 Pa，建议终阻力为150 Pa，单位迎面积容尘量为320 g/m2，能过滤粒径为5 μm以上的颗粒物，材质为玻璃纤维。

②组合式过滤器。组合式过滤器采用两级过滤，级为G2效率规格空气过滤器，末一级为G4效率规格空气过滤器。G2效率规格空气过滤器的平均计重效率为80%，初阻力为15 Pa，建议终阻力为60 Pa，单位迎风面积容尘量为3 600 g/m2，能过滤粒径为5 μm以上的颗粒物，材质为玻璃纤维。

2.4 空气过滤器安装位置

空气过滤器的安装位置见图1。天然气经天然气过滤器（组合式过滤器）过滤后进入预混器，以减少天然气中颗粒物对试验结果的影响。空气过滤器安装在预混器空气进口前，保证参与预混的空气均经过过滤。在每级空气过滤器前后设取压口，通过测量空气过滤器前后的压力，计算空气过滤器的实际阻力。将实际阻力与建议终阻力进行比较，当实际阻力达到建议终阻力后，对空气过滤器进行更换。

图1 空气过滤器的安装位置

3 试验结果

试验时间为2017年11月18日至2018年3月10日。2017年11月18日，分别对3台燃气锅炉的初始大热功率进行测试。自2017年11月25日，每周六对锅炉2、3空气过滤器实际阻力以及3台锅炉实际大热功率进行实测计算，进而判定空气过滤器阻力是否达到建议终阻力以及考察金属纤维网的堵塞情况。

根据试验期间每周六对锅炉2、3空气过滤器实际阻力的实测结果，可得到锅炉2、3空气过滤器的更换日期及更换项目，见表2。由表2可知，对于配置单级过滤器的锅炉2，每隔2周空气过滤器的阻力就达到了建议终阻力，需要更换空气过滤器。对于配置组合式过滤器的锅炉3，在2018年1月20日（距首次测试日的第9周）的测试中发现级G2效率规格空气过滤器阻力达到建议终阻力，并予以更换；在2018年3月10日（距首次测试日的第16周）的测试中发现第二级G4效率规格空气过滤器阻力达到建议终阻力，同时更换两级过滤器。

表2 锅炉2、3空气过滤器的更换时间及更换项目

由实测结果，可计算得到3台锅炉热功率比例随时间的变化（见图2）。由图2可知，对于未配置空气过滤器的锅炉1，在2017年12月30日热功率比例为94.16%，绝对降幅超过5%，燃气锅炉出现了点火困难、回火趋势明显的情况，需要清理金属纤维网。对于配置单级过滤器的锅炉2，由于更换空气过滤器比较及时，在整个试验期间，锅炉热功率比例的绝对降幅没有超过5%。在试验结束的2018年3月10日，锅炉热功率比例降至96.84%。对于配置组合式过滤器的锅炉3，在整个试验期间锅炉热功率比例的绝对降幅没有超过5%。在试验结束的2018年3月10日，锅炉热功率比例仅降至97.42%。

图2 3台锅炉热功率比例随时间的变化

由试验结果可知，与未配置空气过滤器、配置单级过滤器的燃气锅炉相比，配置组合式过滤器的燃气锅炉，在整个试验期间的热功率比例高，下降幅度小。而且仅在距首次测试日的第9周更换级空气过滤器，在第16周同时更换两级过滤器。

4 结论

在煤改气项目中，为避免锅炉房内空气中残留煤粉（灰）悬浮颗粒物堵塞金属纤维网，在预混器空气进口前设置空气过滤器。采用试验方法，比较空气过滤器配置形式对燃气锅炉热功率的影响。试验针对3座实施煤改气施工不久的燃气锅炉房，每座燃气锅炉房均配置1 台额定热功率为280 kW的燃气锅炉（编号为锅炉1~3）。锅炉1不配置空气过滤器，锅炉2配置单级过滤器，锅炉3配置组合式过滤器（采用两级过滤）。采用燃气锅炉实际大热功率与初始大热功率之比（以下简称热功率比例）作为评价金属纤维网堵塞程度的指标。与未配置空气过滤器、配置单级过滤器的锅炉相比，配置组合式过滤器的锅炉，在整个试验期间保持较高的热功率比例，仅在距试验首日的第9周更换级空气过滤器，在第16周同时更换两级过滤器。配置组合式过滤器可有效缓解金属纤维网的堵塞，保证燃气锅炉的高效运行。