概述

LP Amina（LPA）公司的低氮燃燒器已經(jīng)成功應用在Southern Company兩臺不同類型的鍋爐改造上。第一種類型鍋爐為115MW，前墻燃燒，亞臨界鍋爐；第二種為535MW，高效前后墻對沖燃燒，超臨界鍋爐。在這兩種類型的鍋爐中的低氮燃燒器充分表現(xiàn)了的NO70R煤粉配口和低旋煤粉分配器的的特性，此種燃燒器配備了最新的，具有出色NOx減排性能的穩(wěn)燃環(huán)/齒技術(shù)。這兩個項目的主要目的是在不應用燃盡風（OFA）或不更換燃燒器的基礎(chǔ)上，顯著降低NOx排放，同時還要考慮燃燒東部大部分煙煤，并且維持鍋爐原有燃燒性能。為了盡量減少啟動，調(diào)試和優(yōu)化調(diào)整的時間（以及費用），計算機流體動力學模擬通常被用于最初的低NOx燃燒器設置。

性能保證包括NOx排放，CO排放以及飛灰中未燃盡碳（UBC），同時還需保證再熱溫度，過熱蒸汽溫度以及鍋爐效率。對于這兩種鍋爐，通過只應用低氮燃燒器使NOx降低了60%以上。這兩臺鍋爐，具有不同的設計和燃燒系統(tǒng)布置，代表了在這個行業(yè)當中那些不需要OFA便能達到最低NOx排放的鍋爐。對比常規(guī)的低氮燃燒器安裝的調(diào)試時間，這個項目的調(diào)試時間減少了50%以上。這篇文章詳細描述了這種低氮燃燒器改造項目的改造結(jié)果包括燃燒器安裝之前的數(shù)據(jù)以及安裝低氮燃燒器之后的數(shù)據(jù)。

介紹

NO70R燃燒器的技術(shù)起源于20世紀80年代，用以降低燃煤鍋爐的NOx排放。NO70R低氮燃燒器經(jīng)過了多年的演化發(fā)展，目前最新的NO70R燃燒器能夠顯著降低NOx排放，并且可以應用在新建或改造項目上。數(shù)據(jù)方面，2200個NO70R燃燒器已經(jīng)成功應用在了不同的鍋爐上，總的發(fā)電能力高達22，000MW。

圖1顯示的是最新型的NO70R燃燒器設計結(jié)構(gòu)，用于降低燃煤機組和工業(yè)鍋爐NOx排放。應用這一設計的首選燃料是煤粉。然后，安裝相應的設備用于雙燃料燃燒也是可行的，如油和（或）天然氣混燃。NO70R燃燒器的專利型文丘里煤管，低旋分配器，還有穩(wěn)燃環(huán)/齒形成很好的富燃料火焰中心，這是最小化燃料型和熱力型NOx形成的必要的基本條件。

進入NO70R參與燃燒的空氣總量是由一個圍繞燃燒器空氣調(diào)節(jié)裝置的擋板進行自動控制的。進入調(diào)節(jié)裝置后空氣被一個手動的二次風控制擋板分成二次風（SA）和三次風（TA）。調(diào)節(jié)裝置的特色還有，具有固定的二次風旋流葉片和可手動調(diào)節(jié)的三次風旋流葉片。調(diào)節(jié)裝置的設計使得可以獨立控制空氣總量，二次風/三次風流量分配，還有三次風的旋流。燃燒器的空氣流量測量是應用單獨的空氣測量探頭，由AM公司提供，可以測量二次風和三次風流量。NO70R燃燒器控制空氣在燃燒器內(nèi)分級的能力，使得它有能力控制NOx的形成比率。

啟動和優(yōu)化任何低氮燃燒器的改造都是很消耗時間的，并且會涉及很多調(diào)整。為了縮短這一過程的時間，LP阿米那應用計算流體動力學來模擬NO70R燃燒器。這些模型極大的提高了LP阿米那初步調(diào)整燃燒器的能力，進而選擇合適的旋流和配風，進而降低了進行參數(shù)測試所需要的大量時間。LPA低氮燃燒器的設計應用了AMC公司的IBAM獨立燃燒器風量測量探針來測量二次風和三次風道中的空氣流量。這些系統(tǒng)的結(jié)合，使得低氮燃燒器改造的啟動和優(yōu)化在相對較短的時間內(nèi)完成。

由于佐治亞州希望努力減少亞特蘭大無臭氧區(qū)的臭氧，因此佐治亞電力（Southern Company下屬公司）被要求在臭氧季節(jié)（五月~九月，從2003年開始）顯著降低佐治亞州北部7個電廠的NOx排放。Southern Company改造了Hammond 1#，2#，和3#機組，Branch的3#,4#號機組，全部安裝了NO70R低氮燃燒器。Hammond機組為前墻燃燒，而Branch的機組為前后墻對沖燃燒。在數(shù)據(jù)方面，Hammond 1#, 2#機組和Branch 4# 機組的性能優(yōu)化和驗收試驗已經(jīng)順利完成，所有指標到達保證值。這篇文章介紹了佐治亞州電廠燃燒器性能試驗的結(jié)果和整個工程。詳細介紹了如何用CFD模擬這個兩個低NOx燃燒器改造項目，同時還用實例說明了CFD模擬的優(yōu)勢。

HAMMOND 1#， 2#， 3#機組

背景介紹

HAMMOND 1#， 2#， 3#機組均為B&W公司生產(chǎn)的115MW，亞臨界鍋爐， 50年代投產(chǎn)。主要設計參數(shù)見表1. 側(cè)視圖參見圖2. Southern Company的測試人員于2000年6月份進行了改造前的污染物排放和鍋爐性能原始數(shù)據(jù)測試。

表1

機組功率：115MW
主蒸汽流量（MCR）：328 t/h
再熱蒸汽流量（MCR）：295 t/h
過熱器/再熱器 汽溫：540oC/540oC
爐膛抽力：平衡通風
爐膛尺寸：10363x6400 mm
燃燒器布置：前墻 4x4
磨煤機：B&W EL
燃燒器出力（最大負荷 122%MCR）：18x106 Kcal/hr

改造目標和范圍

改造目標是將NOx排放降為038 lb/106 btu,同時保證CO，UBC在可接受范圍之內(nèi)，并且保證鍋爐效率不變。設計煤種的分析見表2. 改造所需的主要設備如下：

16個NO70R燃燒器，配備文丘里煤粉管，低旋煤粉擴散器和穩(wěn)燃環(huán)/齒
16個可伸縮的I級點火油槍
32個火檢裝置

表 2 Hammond 機組設計煤種分析（收到基）

Hammond 2#機組改造后情況以及燃燒器性能試驗結(jié)果

改造在2001年秋天機組大修時進行，12月份開始改造后首次運行。優(yōu)化試驗原定于2002年二月進行，但由于要進行8周的汽機大修，試驗被推遲。在2002年4月份完成了機組優(yōu)化以及性能驗收試驗。

在2002年1月份的首次優(yōu)化后的運行期間，機組在33%負荷的時候很難維持很好的火焰觀測性及穩(wěn)定性，只有兩臺磨煤機工作。在8周的汽機大修期間，我們分析了最新的磨煤機和機組運行數(shù)據(jù)，進而找到低負荷時火焰不穩(wěn)定的原因。從CFD分析的結(jié)果來看，當一次風與煤粉的比例大于3的時候，會產(chǎn)生火焰分離。2002年4月，隨著汽機大修的完成，我們進行了一次風特性測試實驗，用來驗證是否由于一次風過量而導致火焰不穩(wěn)的猜想。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2D磨煤機實際一次風量要高于主控室所顯示的風量。高出的風量使得風/粉比超過了新燃燒器設計允許值。于是我們調(diào)整了DCS系統(tǒng)的2D磨煤機的流量曲線，使得DCS顯示數(shù)據(jù)與實際測量值一致。

隨后的33%低負荷試驗，還是發(fā)生同樣的火焰分離問題，同樣，磨煤機跳閘。隨后再次應用IBAM 探針測量和CFD模擬，驗證了火焰不穩(wěn)是由于進入工作燃燒器的空氣量不足所致。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，人們被一種假象蒙蔽了，進入工作中的燃燒器的空氣流量實際包含從工作中燃燒器后端漏入的空氣和通過不工作燃燒器的過量空氣。減小停止工作的燃燒器相應的風擋板開度，增加機組過量空氣從而產(chǎn)生具有很好分布且穩(wěn)定的火焰。通過調(diào)整了磨煤機，調(diào)整了機組低負荷時候的空氣流量，重新開始了機組優(yōu)化試驗。

隨后，通過省煤器出口煙氣取樣，測量CO含量證明燃燒器風箱存在配風不均勻。燃燒器風擋板調(diào)節(jié)進行必要的偏置，使得CO峰值排放量從3000 ppm以上降至60 ppm。滿負荷試驗是在不同的三次風偏轉(zhuǎn)角度進行，以此來驗證CFD模擬的結(jié)果。結(jié)果顯示，16個燃燒其中，僅有4個燃燒器所需的設置與CFD模擬略有偏差。

按照合同要求，性能驗收試驗在鍋爐三種工況下進行。NOx原始工況數(shù)據(jù)，保證值，改造后的數(shù)據(jù)比較見圖3. 如圖所示，在任何負荷下，改造后NOx排放水平始終低于保證值0.38 lb/btu。NOx實際的排放為0.36 lb/btu，這一數(shù)據(jù)是燃用東部煙煤，只通過燃燒器改造所能達到的最低值。在整個測試過程中，CO排放通常在30 ppm到39 ppm 之間。

鍋爐負荷（% MCR）

圖3 改造前后及保證的NOx排放比較
 
除了那些可以測量的保證值外，這臺機組改造所配備的NO70R燃燒器維持穩(wěn)定和相應長度的火焰以適應相對較小的6.4m(21英尺)爐膛深度的爐膛。由于火焰對爐膛水冷壁的沖刷原因，對于較小爐膛深度和7.59x1010焦耳（72MMBtu/小時）的熱量輸入的燃燒器的火焰長度是要特別關(guān)注的問題。專利技術(shù)設計的低氮燃煤燃燒器使控制火焰長度來適應較小爐膛深度的機組的要求變成可能?；鹧娴拈L度也在設計過程中被仔細的分析。阿米那公司的計算方法被應用于與角部結(jié)構(gòu)擴散器的協(xié)作。LPA有一套專門用于計算煤粉擴散器角度的方法。那些計算被用于與爐膛深度比較以驗證火焰不會沖刷后墻水冷壁。
 
Hammond1號和3號機組進行了同樣的改造并且與2002年10月和12月份分別的重新投入運行，1號機組的試驗結(jié)果和2號機組的試驗結(jié)果在均達到了排放和性能保證值得前提下非常相近。1號機組的調(diào)整時間大約是10天。

Branch 3號4號機組情況

喬治亞州電網(wǎng)哈里布蘭尺3、4號機組是535MW超臨界、巴布科克·威爾科克斯生產(chǎn)的室燃鍋爐，最初在1960年投入運行的。機組的設計參數(shù)在表格3中給出，機組的主視圖在圖5中給出。南方公司的測試人員在2000年春天對該鍋爐進行排放指標和性能的基準測試試驗。

表3 Branch 3、4 號構(gòu)造

機組容量535MW主蒸汽流量、最大連續(xù)蒸發(fā)量1619噸/小時再熱蒸汽流量、最大連續(xù)蒸發(fā)量1387噸/每小時 設計蒸汽溫度 過熱器/再熱器538℃/538℃ 平衡通風 爐膛尺寸 16459mm 寬 X 12802mm 深度 燃燒器布置 （20個）前后墻各2層布置，每層5個燃燒器 磨煤機 （10臺）巴布科克·威爾科克斯EL-76 磨煤機 燃燒器出力最大負荷（103% 最大燃燒率） 3.40 x 107瓦特。

改造目標及范圍

Georgia Power對降低Nox改造工程的主要目標為:降低Nox到0.45lb/106，同時CO和UBC要在可接受范圍，保證鍋爐目前的運行狀況。表4為設計煤種分析。工程涉及的主要設備：

40支低Nox燃燒器NO70R，文丘里噴嘴，低旋分配器，穩(wěn)燃環(huán)
40支可伸縮，等級1的點火油槍，安裝在燃燒器的二次風環(huán)區(qū)
40支火焰探測器

改造方案包含”只改燃燒器”的想法。沒有象其他的低Nox燃燒器供應商考慮OFA設計，達到分級燃燒效果減少爐膛腐蝕。保持現(xiàn)有的cell燃燒器，不需要按照典型的對沖爐進行重新布置。點火油槍供應商的CFD模型顯示，每支燃燒器都需要一個點火器，因為帶有低旋擴散器的NO70R與原來的帶有分叉葉片的B&W cell燃燒器的火焰形式有著本質(zhì)的不同。

使用空氣動力學的計算機模擬來最終確定NO70R燃燒器的二/三次風門控制的設置、三次風旋轉(zhuǎn)等，這些將在下面的單個燃燒器模型中闡述。

Branch 4#機組 燃燒器性能試驗結(jié)果

#4機組在停爐6個星期后，于2002年2月的最后一周重新啟動。優(yōu)化前試驗是使用燃燒器風門平衡省煤器出口氧量。在3月8~日間，按照合同規(guī)定在鍋爐負荷的峰值、平均值和低值的工況下做了4個試驗。3月22日在鍋爐滿負荷工況下做了試驗。在3月27、28南方公司的測試人員做了最終驗收，所有的性能指標都做了記錄。在圖6和7中展示了CO和O2在改造前后的數(shù)值變化。

在試驗中只對單個燃燒器風門進行調(diào)整，平衡在省煤器出口的O2和CO。使用空氣動力學的計算機模擬來最終確定NO70R燃燒器的二/三次風門控制的設置、三次風旋轉(zhuǎn)，貫穿整個試驗過程，并因此縮短了燃燒器的調(diào)整時間。

在整理這份報告的時候，#3機組改造所需設備已經(jīng)生產(chǎn)完畢。停機時間安排在2003年3月1日，預計在4月底啟動。

單個燃燒器的CFD模擬

CFD模擬在低Nox 工程的設計階段幫助燃燒器的設計。直接更換燃燒器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需要準確的控制設置來達到保證值。通常，在改造項目中要求保證鍋爐效率、過熱器和再熱器蒸汽溫度、風箱/爐膛壓差不變的前提下，保證Nox、CO和UBC的數(shù)值。二維CFD模擬應用空氣動力學或燃燒原理，優(yōu)化燃燒器的設定，達到降低Nox和UBC，并分析火焰長度和附著性。CFD模型展示了在火焰回流區(qū)域的形態(tài)和位置。從燃燒器吹出的旋轉(zhuǎn)空氣流決定了回流區(qū)域的特性。近燃燒器空氣場對火焰的特性(如火焰長度、附著性等)、Nox及UBC有一定影響。

圖9表示了Hammond #2所采用的NO70R燃燒器在不同三次風旋流葉片角度的情況下近燃燒器的回流區(qū)域的狀況。在較小三次風旋流葉片角度時，由二次風產(chǎn)生的外回流區(qū)和一次風產(chǎn)生的內(nèi)回流區(qū)域同時存在，一次風產(chǎn)生的內(nèi)回流區(qū)在初始燃燒過程中產(chǎn)生富燃料區(qū)，提高火焰附著性，降低UBC。如圖所示，當三次風門角度增加一次風產(chǎn)生的內(nèi)回流區(qū)減少，導致在該回流區(qū)碳粒捕捉能力下降，UBC升高。圖中右側(cè)的數(shù)據(jù)是試驗中測得，很好的驗證了模擬的結(jié)論，UBC會隨三次風旋流葉片角度的增加急劇升高。

風量比對近燃燒器流場的影響在圖10中展示。從圖a~d，二/三次風量比逐漸增加。圖11中表明了在Hammond #2項目燃燒器的調(diào)整對Nox和UBC的影響。

結(jié)論:

通過使用LP Amian的NO70R燃燒器，可以降低60%的NOx，同時最大限度的不影響CO和UBC。普遍認為，因為對沖爐的燃燒區(qū)溫度高，燃燒空間小的特點，非常困難降低Nox。如在Branch #4項目中，沒有使用OFA，也沒重新布置燃燒器的情況下，大幅降低Nox。而且表明在調(diào)試過程中，CFD模擬幫助縮短了燃燒器調(diào)整的時間。在這些項目中，達到了性能保證值，并縮短了50% 的調(diào)試啟動時間。CFD的價值非常明顯。燃燒器的CFD模擬可以縮短2~3周的調(diào)試時間。不但使調(diào)試費用降低，而且更多的時間發(fā)電。

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