Southern Company燃煤鍋爐應(yīng)用低氮燃燒器案例
概述
LP Amina（LPA）公司的低氮燃燒器已經(jīng)成功應(yīng)用在Southern Company兩臺(tái)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(duì)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(gè)項(xiàng)目的主要目的是在不應(yīng)用燃盡風(fēng)（OFA）或不更換燃燒器的基礎(chǔ)上，顯著降低NOx排放，同時(shí)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(dòng)，調(diào)試和優(yōu)化調(diào)整的時(shí)間（以及費(fèi)用），計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)模擬通常被用于最初的低NOx燃燒器設(shè)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(shí)還需保證再熱溫度，過(guò)熱蒸汽溫度以及鍋爐效率。對(duì)于這兩種鍋爐，通過(guò)只應(yīng)用低氮燃燒器使NOx降低了60%以上。這兩臺(tái)鍋爐，具有不同的設(shè)計(jì)和燃燒系統(tǒng)布置，代表了在這個(gè)行業(yè)當(dāng)中那些不需要OFA便能達(dá)到最低NOx排放的鍋爐。對(duì)比常規(guī)的低氮燃燒器安裝的調(diào)試時(shí)間，這個(gè)項(xiàng)目的調(diào)試時(shí)間減少了50%以上。這篇文章詳細(xì)描述了這種低氮燃燒器改造項(xiàng)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(jì)80年代，用以降低燃煤鍋爐的NOx排放。NO70R低氮燃燒器經(jīng)過(guò)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(yīng)用在新建或改造項(xiàng)目上。數(shù)據(jù)方面，2200個(gè)NO70R燃燒器已經(jīng)成功應(yīng)用在了不同的鍋爐上，總的發(fā)電能力高達(dá)22，000MW。
圖1顯示的是最新型的NO70R燃燒器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，用于降低燃煤機(jī)組和工業(yè)鍋爐NOx排放。應(yīng)用這一設(shè)計(jì)的首選燃料是煤粉。然后，安裝相應(yīng)的設(shè)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(jìn)入NO70R參與燃燒的空氣總量是由一個(gè)圍繞燃燒器空氣調(diào)節(jié)裝置的擋板進(jìn)行自動(dòng)控制的。進(jìn)入調(diào)節(jié)裝置后空氣被一個(gè)手動(dòng)的二次風(fēng)控制擋板分成二次風(fēng)（SA）和三次風(fēng)（TA）。調(diào)節(jié)裝置的特色還有，具有固定的二次風(fēng)旋流葉片和可手動(dòng)調(diào)節(jié)的三次風(fēng)旋流葉片。調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)使得可以獨(dú)立控制空氣總量，二次風(fēng)/三次風(fēng)流量分配，還有三次風(fēng)的旋流。燃燒器的空氣流量測(cè)量是應(yīng)用單獨(dú)的空氣測(cè)量探頭，由AM公司提供，可以測(cè)量二次風(fēng)和三次風(fēng)流量。NO70R燃燒器控制空氣在燃燒器內(nèi)分級(jí)的能力，使得它有能力控制NOx的形成比率。
啟動(dòng)和優(yōu)化任何低氮燃燒器的改造都是很消耗時(shí)間的，并且會(huì)涉及很多調(diào)整。為了縮短這一過(guò)程的時(shí)間，LP阿米那應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)來(lái)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(jìn)而選擇合適的旋流和配風(fēng)，進(jìn)而降低了進(jìn)行參數(shù)測(cè)試所需要的大量時(shí)間。LPA低氮燃燒器的設(shè)計(jì)應(yīng)用了AMC公司的IBAM獨(dú)立燃燒器風(fēng)量測(cè)量探針來(lái)測(cè)量二次風(fēng)和三次風(fēng)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(dòng)和優(yōu)化在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)完成。
由于佐治亞州希望努力減少亞特蘭大無(wú)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(kāi)始）顯著降低佐治亞州北部7個(gè)電廠的NOx排放。Southern Company改造了Hammond 1#，2#，和3#機(jī)組，Branch的3#,4#號(hào)機(jī)組，全部安裝了NO70R低氮燃燒器。Hammond機(jī)組為前墻燃燒，而B(niǎo)ranch的機(jī)組為前后墻對(duì)沖燃燒。在數(shù)據(jù)方面，Hammond 1#, 2#機(jī)組和Branch 4# 機(jī)組的性能優(yōu)化和驗(yàn)收試驗(yàn)已經(jīng)順利完成，所有指標(biāo)到達(dá)保證值。這篇文章介紹了佐治亞州電廠燃燒器性能試驗(yàn)的結(jié)果和整個(gè)工程。詳細(xì)介紹了如何用CFD模擬這個(gè)兩個(gè)低NOx燃燒器改造項(xiàng)目，同時(shí)還用實(shí)例說(shuō)明了CFD模擬的優(yōu)勢(shì)。
HAMMOND 1#， 2#， 3#機(jī)組
背景介紹
HAMMOND 1#， 2#， 3#機(jī)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(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1. 側(cè)視圖參見(jiàn)圖2. Southern Company的測(cè)試人員于2000年6月份進(jìn)行了改造前的污染物排放和鍋爐性能原始數(shù)據(jù)測(cè)試。
表1
機(jī)組功率：115MW
主蒸汽流量（MCR）：328 t/h
再熱蒸汽流量（MCR）：295 t/h
過(guò)熱器/再熱器 汽溫：540oC/540oC
爐膛抽力：平衡通風(fēng)
爐膛尺寸：10363x6400 mm
燃燒器布置：前墻 4x4
磨煤機(jī)：B&W EL
燃燒器出力（最大負(fù)荷 122%MCR）：18x106 Kcal/hr
改造目標(biāo)和范圍
改造目標(biāo)是將NOx排放降為038 lb/106 btu,同時(shí)保證CO，UBC在可接受范圍之內(nèi)，并且保證鍋爐效率不變。設(shè)計(jì)煤種的分析見(jiàn)表2. 改造所需的主要設(shè)備如下：
16個(gè)NO70R燃燒器，配備文丘里煤粉管，低旋煤粉擴(kuò)散器和穩(wěn)燃環(huán)/齒
16個(gè)可伸縮的I級(jí)點(diǎn)火油槍
32個(gè)火檢裝置
表 2 Hammond 機(jī)組設(shè)計(jì)煤種分析（收到基）
Hammond 2#機(jī)組改造后情況以及燃燒器性能試驗(yàn)結(jié)果
改造在2001年秋天機(jī)組大修時(shí)進(jìn)行，12月份開(kāi)始改造后首次運(yùn)行。優(yōu)化試驗(yàn)原定于2002年二月進(jìn)行，但由于要進(jìn)行8周的汽機(jī)大修，試驗(yàn)被推遲。在2002年4月份完成了機(jī)組優(yōu)化以及性能驗(yàn)收試驗(yàn)。
在2002年1月份的首次優(yōu)化后的運(yùn)行期間，機(jī)組在33%負(fù)荷的時(shí)候很難維持很好的火焰觀測(cè)性及穩(wěn)定性，只有兩臺(tái)磨煤機(jī)工作。在8周的汽機(jī)大修期間，我們分析了最新的磨煤機(jī)和機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)而找到低負(fù)荷時(shí)火焰不穩(wěn)定的原因。從CFD分析的結(jié)果來(lái)看，當(dāng)一次風(fēng)與煤粉的比例大于3的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生火焰分離。2002年4月，隨著汽機(jī)大修的完成，我們進(jìn)行了一次風(fēng)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，用來(lái)驗(yàn)證是否由于一次風(fēng)過(guò)量而導(dǎo)致火焰不穩(wěn)的猜想。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2D磨煤機(jī)實(shí)際一次風(fēng)量要高于主控室所顯示的風(fēng)量。高出的風(fēng)量使得風(fēng)/粉比超過(guò)了新燃燒器設(shè)計(jì)允許值。于是我們調(diào)整了DCS系統(tǒng)的2D磨煤機(jī)的流量曲線，使得DCS顯示數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量值一致。
隨后的33%低負(fù)荷試驗(yàn)，還是發(fā)生同樣的火焰分離問(wèn)題，同樣，磨煤機(jī)跳閘。隨后再次應(yīng)用IBAM 探針測(cè)量和CFD模擬，驗(yàn)證了火焰不穩(wěn)是由于進(jìn)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(jìn)入工作中的燃燒器的空氣流量實(shí)際包含從工作中燃燒器后端漏入的空氣和通過(guò)不工作燃燒器的過(guò)量空氣。減小停止工作的燃燒器相應(yīng)的風(fēng)擋板開(kāi)度，增加機(jī)組過(guò)量空氣從而產(chǎn)生具有很好分布且穩(wěn)定的火焰。通過(guò)調(diào)整了磨煤機(jī)，調(diào)整了機(jī)組低負(fù)荷時(shí)候的空氣流量，重新開(kāi)始了機(jī)組優(yōu)化試驗(yàn)。
隨后，通過(guò)省煤器出口煙氣取樣，測(cè)量CO含量證明燃燒器風(fēng)箱存在配風(fēng)不均勻。燃燒器風(fēng)擋板調(diào)節(jié)進(jìn)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(fù)荷試驗(yàn)是在不同的三次風(fēng)偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行，以此來(lái)驗(yàn)證CFD模擬的結(jié)果。結(jié)果顯示，16個(gè)燃燒其中，僅有4個(gè)燃燒器所需的設(shè)置與CFD模擬略有偏差。
按照合同要求，性能驗(yàn)收試驗(yàn)在鍋爐三種工況下進(jìn)行。NOx原始工況數(shù)據(jù)，保證值，改造后的數(shù)據(jù)比較見(jiàn)圖3. 如圖所示，在任何負(fù)荷下，改造后NOx排放水平始終低于保證值0.38 lb/btu。NOx實(shí)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(guò)燃燒器改造所能達(dá)到的最低值。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，CO排放通常在30 ppm到39 ppm 之間。
鍋爐負(fù)荷（% MCR）
圖3 改造前后及保證的NOx排放比較
除了那些可以測(cè)量的保證值外，這臺(tái)機(jī)組改造所配備的NO70R燃燒器維持穩(wěn)定和相應(yīng)長(zhǎng)度的火焰以適應(yīng)相對(duì)較小的6.4m(21英尺)爐膛深度的爐膛。由于火焰對(duì)爐膛水冷壁的沖刷原因，對(duì)于較小爐膛深度和7.59x1010焦耳（72MMBtu/小時(shí)）的熱量輸入的燃燒器的火焰長(zhǎng)度是要特別關(guān)注的問(wèn)題。專利技術(shù)設(shè)計(jì)的低氮燃煤燃燒器使控制火焰長(zhǎng)度來(lái)適應(yīng)較小爐膛深度的機(jī)組的要求變成可能；鹧娴拈L(zhǎng)度也在設(shè)計(jì)過(guò)程中被仔細(xì)的分析。阿米那公司的計(jì)算方法被應(yīng)用于與角部結(jié)構(gòu)擴(kuò)散器的協(xié)作。LPA有一套專門(mén)用于計(jì)算煤粉擴(kuò)散器角度的方法。那些計(jì)算被用于與爐膛深度比較以驗(yàn)證火焰不會(huì)沖刷后墻水冷壁。
Hammond1號(hào)和3號(hào)機(jī)組進(jìn)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(yùn)行，1號(hào)機(jī)組的試驗(yàn)結(jié)果和2號(hào)機(jī)組的試驗(yàn)結(jié)果在均達(dá)到了排放和性能保證值得前提下非常相近。1號(hào)機(jī)組的調(diào)整時(shí)間大約是10天。
Branch 3號(hào)4號(hào)機(jī)組情況
喬治亞州電網(wǎng)哈里布蘭尺3、4號(hào)機(jī)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(yùn)行的。機(jī)組的設(shè)計(jì)參數(shù)在表格3中給出，機(jī)組的主視圖在圖5中給出。南方公司的測(cè)試人員在2000年春天對(duì)該鍋爐進(jìn)行排放指標(biāo)和性能的基準(zhǔn)測(cè)試試驗(yàn)。
表3 Branch 3、4 號(hào)構(gòu)造
機(jī)組容量535MW主蒸汽流量、最大連續(xù)蒸發(fā)量1619噸/小時(shí)再熱蒸汽流量、最大連續(xù)蒸發(fā)量1387噸/每小時(shí) 設(shè)計(jì)蒸汽溫度 過(guò)熱器/再熱器538℃/538℃ 平衡通風(fēng) 爐膛尺寸 16459mm 寬 X 12802mm 深度 燃燒器布置 （20個(gè)）前后墻各2層布置，每層5個(gè)燃燒器 磨煤機(jī) （10臺(tái)）巴布科克·威爾科克斯EL-76 磨煤機(jī) 燃燒器出力最大負(fù)荷（103% 最大燃燒率） 3.40 x 107瓦特。
改造目標(biāo)及范圍
Georgia Power對(duì)降低Nox改造工程的主要目標(biāo)為:降低Nox到0.45lb/106，同時(shí)CO和UBC要在可接受范圍，保證鍋爐目前的運(yùn)行狀況。表4為設(shè)計(jì)煤種分析。工程涉及的主要設(shè)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(jí)1的點(diǎn)火油槍，安裝在燃燒器的二次風(fēng)環(huán)區(qū)
40支火焰探測(cè)器
改造方案包含”只改燃燒器”的想法。沒(méi)有象其他的低Nox燃燒器供應(yīng)商考慮OFA設(shè)計(jì)，達(dá)到分級(jí)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(duì)沖爐進(jìn)行重新布置。點(diǎn)火油槍供應(yīng)商的CFD模型顯示，每支燃燒器都需要一個(gè)點(diǎn)火器，因?yàn)閹в械托龜U(kuò)散器的NO70R與原來(lái)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(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬來(lái)最終確定NO70R燃燒器的二/三次風(fēng)門(mén)控制的設(shè)置、三次風(fēng)旋轉(zhuǎn)等，這些將在下面的單個(gè)燃燒器模型中闡述。
Branch 4#機(jī)組 燃燒器性能試驗(yàn)結(jié)果
#4機(jī)組在停爐6個(gè)星期后，于2002年2月的最后一周重新啟動(dòng)。優(yōu)化前試驗(yàn)是使用燃燒器風(fēng)門(mén)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(fù)荷的峰值、平均值和低值的工況下做了4個(gè)試驗(yàn)。3月22日在鍋爐滿負(fù)荷工況下做了試驗(yàn)。在3月27、28南方公司的測(cè)試人員做了最終驗(yàn)收，所有的性能指標(biāo)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(yàn)中只對(duì)單個(gè)燃燒器風(fēng)門(mén)進(jìn)行調(diào)整，平衡在省煤器出口的O2和CO。使用空氣動(dòng)力學(xué)的計(jì)算機(jī)模擬來(lái)最終確定NO70R燃燒器的二/三次風(fēng)門(mén)控制的設(shè)置、三次風(fēng)旋轉(zhuǎn)，貫穿整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，并因此縮短了燃燒器的調(diào)整時(shí)間。
在整理這份報(bào)告的時(shí)候，#3機(jī)組改造所需設(shè)備已經(jīng)生產(chǎn)完畢。停機(jī)時(shí)間安排在2003年3月1日，預(yù)計(jì)在4月底啟動(dòng)。
單個(gè)燃燒器的CFD模擬
CFD模擬在低Nox 工程的設(shè)計(jì)階段幫助燃燒器的設(shè)計(jì)。直接更換燃燒器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需要準(zhǔn)確的控制設(shè)置來(lái)達(dá)到保證值。通常，在改造項(xiàng)目中要求保證鍋爐效率、過(guò)熱器和再熱器蒸汽溫度、風(fēng)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(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)或燃燒原理，優(yōu)化燃燒器的設(shè)定，達(dá)到降低Nox和UBC，并分析火焰長(zhǎng)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(chǎng)對(duì)火焰的特性(如火焰長(zhǎng)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(fēng)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(fēng)旋流葉片角度時(shí)，由二次風(fēng)產(chǎn)生的外回流區(qū)和一次風(fēng)產(chǎn)生的內(nèi)回流區(qū)域同時(shí)存在，一次風(fēng)產(chǎn)生的內(nèi)回流區(qū)在初始燃燒過(guò)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(dāng)三次風(fēng)門(mén)角度增加一次風(fēng)產(chǎn)生的內(nèi)回流區(qū)減少，導(dǎo)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(yàn)中測(cè)得，很好的驗(yàn)證了模擬的結(jié)論，UBC會(huì)隨三次風(fēng)旋流葉片角度的增加急劇升高。
風(fēng)量比對(duì)近燃燒器流場(chǎng)的影響在圖10中展示。從圖a~d，二/三次風(fēng)量比逐漸增加。圖11中表明了在Hammond #2項(xiàng)目燃燒器的調(diào)整對(duì)Nox和UBC的影響。
結(jié)論:
通過(guò)使用LP Amian的NO70R燃燒器，可以降低60%的NOx，同時(shí)最大限度的不影響CO和UBC。普遍認(rèn)為，因?yàn)閷?duì)沖爐的燃燒區(qū)溫度高，燃燒空間小的特點(diǎn)，非常困難降低Nox。如在Branch #4項(xiàng)目中，沒(méi)有使用OFA，也沒(méi)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(guò)程中，CFD模擬幫助縮短了燃燒器調(diào)整的時(shí)間。在這些項(xiàng)目中，達(dá)到了性能保證值，并縮短了50% 的調(diào)試啟動(dòng)時(shí)間。CFD的價(jià)值非常明顯。燃燒器的CFD模擬可以縮短2~3周的調(diào)試時(shí)間。不但使調(diào)試費(fèi)用降低，而且更多的時(shí)間發(fā)電。
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”
