Southern Company燃煤锅炉应用低氮燃烧器案例
概述
LP Amina（LPA）公司的低氮燃烧器已经成功应用在Southern Company两台不同类型的锅炉改造上。第一种类型锅炉为115MW，前墙燃烧，亚临界锅炉；第二种为535MW，高效前后墙对冲燃烧，超临界锅炉。在这两种类型的锅炉中的低氮燃烧器充分表现了的NO70R煤粉配口和低旋煤粉分配器的的特性，此种燃烧器配备了最新的，具有出色NOx减排性能的稳燃环/齿技术。这两个项目的主要目的是在不应用燃尽风（OFA）或不更换燃烧器的基础上，显著降低NOx排放，同时还要考虑燃烧东部大部分烟煤，并且维持锅炉原有燃烧性能。为了尽量减少启动，调试和优化调整的时间（以及费用），计算机流体动力学模拟通常被用于最初的低NOx燃烧器设置。
性能保证包括NOx排放，CO排放以及飞灰中未燃尽碳（UBC），同时还需保证再热温度，过热蒸汽温度以及锅炉效率。对于这两种锅炉，通过只应用低氮燃烧器使NOx降低了60%以上。这两台锅炉，具有不同的设计和燃烧系统布置，代表了在这个行业当中那些不需要OFA便能达到最低NOx排放的锅炉。对比常规的低氮燃烧器安装的调试时间，这个项目的调试时间减少了50%以上。这篇文章详细描述了这种低氮燃烧器改造项目的改造结果包括燃烧器安装之前的数据以及安装低氮燃烧器之后的数据。
介绍
NO70R燃烧器的技术起源于20世纪80年代，用以降低燃煤锅炉的NOx排放。NO70R低氮燃烧器经过了多年的演化发展，目前最新的NO70R燃烧器能够显著降低NOx排放，并且可以应用在新建或改造项目上。数据方面，2200个NO70R燃烧器已经成功应用在了不同的锅炉上，总的发电能力高达22，000MW。
图1显示的是最新型的NO70R燃烧器设计结构，用于降低燃煤机组和工业锅炉NOx排放。应用这一设计的首选燃料是煤粉。然后，安装相应的设备用于双燃料燃烧也是可行的，如油和（或）天然气混燃。NO70R燃烧器的专利型文丘里煤管，低旋分配器，还有稳燃环/齿形成很好的富燃料火焰中心，这是最小化燃料型和热力型NOx形成的必要的基本条件。
进入NO70R参与燃烧的空气总量是由一个围绕燃烧器空气调节装置的挡板进行自动控制的。进入调节装置后空气被一个手动的二次风控制挡板分成二次风（SA）和三次风（TA）。调节装置的特色还有，具有固定的二次风旋流叶片和可手动调节的三次风旋流叶片。调节装置的设计使得可以独立控制空气总量，二次风/三次风流量分配，还有三次风的旋流。燃烧器的空气流量测量是应用单独的空气测量探头，由AM公司提供，可以测量二次风和三次风流量。NO70R燃烧器控制空气在燃烧器内分级的能力，使得它有能力控制NOx的形成比率。
启动和优化任何低氮燃烧器的改造都是很消耗时间的，并且会涉及很多调整。为了缩短这一过程的时间，LP阿米那应用计算流体动力学来模拟NO70R燃烧器。这些模型极大的提高了LP阿米那初步调整燃烧器的能力，进而选择合适的旋流和配风，进而降低了进行参数测试所需要的大量时间。LPA低氮燃烧器的设计应用了AMC公司的IBAM独立燃烧器风量测量探针来测量二次风和三次风道中的空气流量。这些系统的结合，使得低氮燃烧器改造的启动和优化在相对较短的时间内完成。
由于佐治亚州希望努力减少亚特兰大无臭氧区的臭氧，因此佐治亚电力（Southern Company下属公司）被要求在臭氧季节（五月~九月，从2003年开始）显著降低佐治亚州北部7个电厂的NOx排放。Southern Company改造了Hammond 1#，2#，和3#机组，Branch的3#,4#号机组，全部安装了NO70R低氮燃烧器。Hammond机组为前墙燃烧，而Branch的机组为前后墙对冲燃烧。在数据方面，Hammond 1#, 2#机组和Branch 4# 机组的性能优化和验收试验已经顺利完成，所有指标到达保证值。这篇文章介绍了佐治亚州电厂燃烧器性能试验的结果和整个工程。详细介绍了如何用CFD模拟这个两个低NOx燃烧器改造项目，同时还用实例说明了CFD模拟的优势。
HAMMOND 1#， 2#， 3#机组
背景介绍
HAMMOND 1#， 2#， 3#机组均为B&W公司生产的115MW，亚临界锅炉， 50年代投产。主要设计参数见表1. 侧视图参见图2. Southern Company的测试人员于2000年6月份进行了改造前的污染物排放和锅炉性能原始数据测试。
表1
机组功率：115MW
主蒸汽流量（MCR）：328 t/h
再热蒸汽流量（MCR）：295 t/h
过热器/再热器 汽温：540oC/540oC
炉膛抽力：平衡通风
炉膛尺寸：10363x6400 mm
燃烧器布置：前墙 4x4
磨煤机：B&W EL
燃烧器出力（最大负荷 122%MCR）：18x106 Kcal/hr
改造目标和范围
改造目标是将NOx排放降为038 lb/106 btu,同时保证CO，UBC在可接受范围之内，并且保证锅炉效率不变。设计煤种的分析见表2. 改造所需的主要设备如下：
16个NO70R燃烧器，配备文丘里煤粉管，低旋煤粉扩散器和稳燃环/齿
16个可伸缩的I级点火油枪
32个火检装置
表 2 Hammond 机组设计煤种分析（收到基）
Hammond 2#机组改造后情况以及燃烧器性能试验结果
改造在2001年秋天机组大修时进行，12月份开始改造后首次运行。优化试验原定于2002年二月进行，但由于要进行8周的汽机大修，试验被推迟。在2002年4月份完成了机组优化以及性能验收试验。
在2002年1月份的首次优化后的运行期间，机组在33%负荷的时候很难维持很好的火焰观测性及稳定性，只有两台磨煤机工作。在8周的汽机大修期间，我们分析了最新的磨煤机和机组运行数据，进而找到低负荷时火焰不稳定的原因。从CFD分析的结果来看，当一次风与煤粉的比例大于3的时候，会产生火焰分离。2002年4月，随着汽机大修的完成，我们进行了一次风特性测试实验，用来验证是否由于一次风过量而导致火焰不稳的猜想。结果发现，2D磨煤机实际一次风量要高于主控室所显示的风量。高出的风量使得风/粉比超过了新燃烧器设计允许值。于是我们调整了DCS系统的2D磨煤机的流量曲线，使得DCS显示数据与实际测量值一致。
随后的33%低负荷试验，还是发生同样的火焰分离问题，同样，磨煤机跳闸。随后再次应用IBAM 探针测量和CFD模拟，验证了火焰不稳是由于进入工作燃烧器的空气量不足所致。结果发现，人们被一种假象蒙蔽了，进入工作中的燃烧器的空气流量实际包含从工作中燃烧器后端漏入的空气和通过不工作燃烧器的过量空气。减小停止工作的燃烧器相应的风挡板开度，增加机组过量空气从而产生具有很好分布且稳定的火焰。通过调整了磨煤机，调整了机组低负荷时候的空气流量，重新开始了机组优化试验。
随后，通过省煤器出口烟气取样，测量CO含量证明燃烧器风箱存在配风不均匀。燃烧器风挡板调节进行必要的偏置，使得CO峰值排放量从3000 ppm以上降至60 ppm。满负荷试验是在不同的三次风偏转角度进行，以此来验证CFD模拟的结果。结果显示，16个燃烧其中，仅有4个燃烧器所需的设置与CFD模拟略有偏差。
按照合同要求，性能验收试验在锅炉三种工况下进行。NOx原始工况数据，保证值，改造后的数据比较见图3. 如图所示，在任何负荷下，改造后NOx排放水平始终低于保证值0.38 lb/btu。NOx实际的排放为0.36 lb/btu，这一数据是燃用东部烟煤，只通过燃烧器改造所能达到的最低值。在整个测试过程中，CO排放通常在30 ppm到39 ppm 之间。
锅炉负荷（% MCR）
图3 改造前后及保证的NOx排放比较
除了那些可以测量的保证值外，这台机组改造所配备的NO70R燃烧器维持稳定和相应长度的火焰以适应相对较小的6.4m(21英尺)炉膛深度的炉膛。由于火焰对炉膛水冷壁的冲刷原因，对于较小炉膛深度和7.59x1010焦耳（72MMBtu/小时）的热量输入的燃烧器的火焰长度是要特别关注的问题。专利技术设计的低氮燃煤燃烧器使控制火焰长度来适应较小炉膛深度的机组的要求变成可能。火焰的长度也在设计过程中被仔细的分析。阿米那公司的计算方法被应用于与角部结构扩散器的协作。LPA有一套专门用于计算煤粉扩散器角度的方法。那些计算被用于与炉膛深度比较以验证火焰不会冲刷后墙水冷壁。
Hammond1号和3号机组进行了同样的改造并且与2002年10月和12月份分别的重新投入运行，1号机组的试验结果和2号机组的试验结果在均达到了排放和性能保证值得前提下非常相近。1号机组的调整时间大约是10天。
Branch 3号4号机组情况
乔治亚州电网哈里布兰尺3、4号机组是535MW超临界、巴布科克·威尔科克斯生产的室燃锅炉，最初在1960年投入运行的。机组的设计参数在表格3中给出，机组的主视图在图5中给出。南方公司的测试人员在2000年春天对该锅炉进行排放指标和性能的基准测试试验。
表3 Branch 3、4 号构造
机组容量535MW主蒸汽流量、最大连续蒸发量1619吨/小时再热蒸汽流量、最大连续蒸发量1387吨/每小时 设计蒸汽温度 过热器/再热器538℃/538℃ 平衡通风 炉膛尺寸 16459mm 宽 X 12802mm 深度 燃烧器布置 （20个）前后墙各2层布置，每层5个燃烧器 磨煤机 （10台）巴布科克·威尔科克斯EL-76 磨煤机 燃烧器出力最大负荷（103% 最大燃烧率） 3.40 x 107瓦特。
改造目标及范围
Georgia Power对降低Nox改造工程的主要目标为:降低Nox到0.45lb/106，同时CO和UBC要在可接受范围，保证锅炉目前的运行状况。表4为设计煤种分析。工程涉及的主要设备：
40支低Nox燃烧器NO70R，文丘里喷嘴，低旋分配器，稳燃环
40支可伸缩，等级1的点火油枪，安装在燃烧器的二次风环区
40支火焰探测器
改造方案包含”只改燃烧器”的想法。没有象其他的低Nox燃烧器供应商考虑OFA设计，达到分级燃烧效果减少炉膛腐蚀。保持现有的cell燃烧器，不需要按照典型的对冲炉进行重新布置。点火油枪供应商的CFD模型显示，每支燃烧器都需要一个点火器，因为带有低旋扩散器的NO70R与原来的带有分叉叶片的B&W cell燃烧器的火焰形式有着本质的不同。
使用空气动力学的计算机模拟来最终确定NO70R燃烧器的二/三次风门控制的设置、三次风旋转等，这些将在下面的单个燃烧器模型中阐述。
Branch 4#机组 燃烧器性能试验结果
#4机组在停炉6个星期后，于2002年2月的最后一周重新启动。优化前试验是使用燃烧器风门平衡省煤器出口氧量。在3月8~日间，按照合同规定在锅炉负荷的峰值、平均值和低值的工况下做了4个试验。3月22日在锅炉满负荷工况下做了试验。在3月27、28南方公司的测试人员做了最终验收，所有的性能指标都做了记录。在图6和7中展示了CO和O2在改造前后的数值变化。
在试验中只对单个燃烧器风门进行调整，平衡在省煤器出口的O2和CO。使用空气动力学的计算机模拟来最终确定NO70R燃烧器的二/三次风门控制的设置、三次风旋转，贯穿整个试验过程，并因此缩短了燃烧器的调整时间。
在整理这份报告的时候，#3机组改造所需设备已经生产完毕。停机时间安排在2003年3月1日，预计在4月底启动。
单个燃烧器的CFD模拟
CFD模拟在低Nox 工程的设计阶段帮助燃烧器的设计。直接更换燃烧器内部结构，需要准确的控制设置来达到保证值。通常，在改造项目中要求保证锅炉效率、过热器和再热器蒸汽温度、风箱/炉膛压差不变的前提下，保证Nox、CO和UBC的数值。二维CFD模拟应用空气动力学或燃烧原理，优化燃烧器的设定，达到降低Nox和UBC，并分析火焰长度和附着性。CFD模型展示了在火焰回流区域的形态和位置。从燃烧器吹出的旋转空气流决定了回流区域的特性。近燃烧器空气场对火焰的特性(如火焰长度、附着性等)、Nox及UBC有一定影响。
图9表示了Hammond #2所采用的NO70R燃烧器在不同三次风旋流叶片角度的情况下近燃烧器的回流区域的状况。在较小三次风旋流叶片角度时，由二次风产生的外回流区和一次风产生的内回流区域同时存在，一次风产生的内回流区在初始燃烧过程中产生富燃料区，提高火焰附着性，降低UBC。如图所示，当三次风门角度增加一次风产生的内回流区减少，导致在该回流区碳粒捕捉能力下降，UBC升高。图中右侧的数据是试验中测得，很好的验证了模拟的结论，UBC会随三次风旋流叶片角度的增加急剧升高。
风量比对近燃烧器流场的影响在图10中展示。从图a~d，二/三次风量比逐渐增加。图11中表明了在Hammond #2项目燃烧器的调整对Nox和UBC的影响。
结论:
通过使用LP Amian的NO70R燃烧器，可以降低60%的NOx，同时最大限度的不影响CO和UBC。普遍认为，因为对冲炉的燃烧区温度高，燃烧空间小的特点，非常困难降低Nox。如在Branch #4项目中，没有使用OFA，也没重新布置燃烧器的情况下，大幅降低Nox。而且表明在调试过程中，CFD模拟帮助缩短了燃烧器调整的时间。在这些项目中，达到了性能保证值，并缩短了50% 的调试启动时间。CFD的价值非常明显。燃烧器的CFD模拟可以缩短2~3周的调试时间。不但使调试费用降低，而且更多的时间发电。
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