燃煤电厂SCR 反应器的设计优化研究  燃煤电厂SCR 反应器设计及优化
燃煤电厂SCR 反应器的设计优化探讨 
The optimization design of the SCR reactor in Coal-fired power plants.
摘要：随着我国NOx排放标准的不断严格，仅仅依靠燃烧过程控制已不能满足要求，国家也出台了一系列控制燃煤电厂NOx排放的法律、法规和政策，促使我国必须加快燃煤机组烟气脱硝设施的建设。烟气脱硝是新上燃煤机组控制NOx排放的必然选择，也是国家环保政策的要求。本文主要介绍了燃煤电厂SCR反应器的设计及优化，对SCR反应器主要部件及设计过程中注意事项进行了较为系统的阐述。
关键词：脱硝技术；SCR；SCR反应器
（英文翻译）
Abstract: Along with the strict emission standard of NOx in our country, the technology would not meet the requirements just relying on the control of the combustion process. Our country
introduced a series of laws, regulations and policies to control the emissions of NOx from the coal-fired power plant, and encouraged to accelerate construction of the coal-fired units of the flue gas denitration facilities. The flue gas denitration is not only the inevitable choice on the control NOx emissions of new coal-fired units, and also the basic requirement to the national environmental policy. Thus, from our study, it main introduced the optimization design to the SCR reactor from the coal-fired power plant. And systematic elaborated the main parts and matters needing attention in the design process of the SCR reactor.
Keywords: Denitration technology;reactor 性能 SCR; SCR Reactor
0  引言
氮氧化物( NOx) 是主要的大气污染物之一， 燃煤排放的 NOx 约占总 NOx 排放量的 70% 以上。目前，我国燃料还是以煤为主，随着我国经济的飞速发展，煤的需求量不断增大，因此如何降低NOx 的污染已成为一个不容忽视的问题。[1]在 NOx 处理的技术中，选择性催化还原技术 ( SCR) 以其高 NOx 脱除率、技术成熟可靠、易于操作和良好的经济适用性等优点已成为大型燃煤电厂烟气脱硝的首选。SCR应器是 SCR 法脱硝系统中的关键设备，其优化设
计需要考虑系统实际运行条件，留足余量，把烟气成分、催化剂性能等几个方面紧密结合起来，充分利用有限元计算方法的高效性、准确性，实现SCR脱硝反应器的优化设计，以确保脱硝装置连续可靠运行。
1  SCR反应器的设计
SCR反应器是还原剂和烟气中的NOx发生催化还原反应的场所，通常由碳钢制塔体、烟气进出口、催化剂放置层，催化剂安装门、进口段导流板等组成。SCR反应器是烟气脱硝系统中最核心的设备，催化剂以单元模块形式叠放在若干层支撑钢梁上，布置在反应器之中。以某 600 MW 燃煤机组的SCR 反应器为例，SCR反应器主要分烟气进口段、中段壳体、烟气出口段三部分，由立柱、均流格栅或催化剂支撑钢梁、内撑杆等构件组成，外面由 6 mm 厚钢板包裹，SCR反应器结构的钢架（角钢、H型钢、槽钢和钢管等）和壁板，采用Q345B材质。中段壳体自上而下由一层均流格栅支撑钢梁和三层催化剂支撑钢梁组成，整个反应器结构由四根立柱支撑，反应器的所有荷载通过立柱传至土建钢梁。在考虑自重、催化剂、吹灰器荷载、运行状态烟气压力、风荷载、地震荷载等荷载的组合工况下，利用 Ansys 有限元软件，计算SCR反应器的整体应力和变形，对各个构件的内力和整体变形情况进行分析，并对SCR反应器结构进行设计优化，为设计方案的可靠性提供了依据。
1.1  SCR反应器进口段的设计
在 SCR 反应器的工程设计中, 为了得到最优的设计方案和揭示其内部流动特性, 采用数值模拟和实验相结合的方法研究 SCR反应器内各系统对锅炉及辅机压力损失特性的影响,对反应器进口段进行优化设计显得尤为重要。进入SCR反应器催化剂层入口的烟气流场分布是否均匀将直接影响脱硝系统的各项性能指标, 如果流场分布不均匀，不但会严重影响脱硝效率、增加氨的逃逸、加速催化剂磨损,严重时还会堵塞催化剂等，因此流场模拟试验研究在脱硝系统设计中极为重要。
进口段设计中，需确定最佳的导流板布置方案，使进口烟气速度分布与氨浓度分布标准偏差均控制在设计标准偏差范围内，以达到设计要求。合理设计导流板以满足进入第一层催化剂入口的混合条件。为保证较高的脱硝效率,氨/烟气混合物进入第一层催化剂入口之前应满足以下条件(1)速度最大偏差为平均值的±15%；(2)温度最大偏差为平均值的±10℃；(3)氨氮摩尔比的最大偏差为平均值的±5 %；(4)入射催化剂角度(与垂直方向的夹角)为±10°。[2]
设计良好的导流板在符合以上要求的同时, 还可优化烟气流场和降低脱硝系统阻力。通过数值模拟方法对SCR 反应器进口段及其导流板进行模拟优化,改善系统的结构布置 ,以优化流场
、提高反应器性能。数值模拟方案中反应器进口段截面的烟气速度进行分析，可确定了导流板间距、长度及板夹角等最佳流场的结构参数，得出采用斜边导流板均分等布置，并可以使烟气在反应器内分布更均匀以满足对SC R反应器入口烟气速度的要求，从而不会引起催化剂堵塞等问题。 
为进一步改善流场 ,在进口段布置均流隔栅, 可对流场均匀性做进一步改善。通过有限元计算方法，明确SCR反应器进口段内部支撑杆规格型号，确保在承受组合应力情况下合理设置“进口顶板加固肋-均流格栅支撑钢梁-内撑杆”组成的桁架结构，可降低反应器进口段用钢量。
1.2 SCR反应器中段壳体的设计
SCR 反应器中段壳体是影响 NOx/NH3 的混合效果和烟气速度均匀分布的核心部件，为了保证较为理想的反应条件，SCR 反应器中段壳体在设计上要考虑良好的NOx/NH3混合和速度的均布，以保证脱硝效率。SCR反应器中段壳体通常采用标准的板箱式结构，辅以各种加强筋和支撑钢梁来满足防震、承载催化剂、密封、承受荷载和抵抗应力的要求，并且实现与外界的隔热，其主要由壁板及壁板加固肋、壳体内部支撑钢梁和柱系等组成。
1.2.1  壁板和加固肋的设计。壁板的和壁板加固肋设计相比内部支撑钢梁的设计较为简单，为了增加壁板的抗弯刚度，壁板外侧一般设置角钢或者H型钢作为加强筋，与壁板焊接共同受力。壁板主要考虑其围护作用，不做承载考虑，一般采用6mm壁厚钢板。反应器内部的烟气压力值主要考虑由壁板间的型钢加固肋来承担，因此按简支梁考虑即可。[3]设计中需要考虑的荷载有：SCR反应器自重和催化剂重量、烟气运行状态压力、积灰荷载以及风荷载、地震荷载等。利用软件建模时可对反应器的进出口和中段壳体做梁、柱和支撑的杆件简化处理，此时壁板和壁板间的角钢或H型钢可考虑为纵横向型钢加固肋的十字交叉支撑按钢框架设计。每层催化剂支撑梁和其水平支撑可以假定为纵向加固肋的侧向支撑点，以减少其计算长度。
1.2.2  壳体内部支撑钢梁的设计。在中段壳体内部一般设置二至四层催化剂支撑钢梁和一层均流格栅支撑钢梁。由于均流格栅和催化剂模块质量大且比较集中，不宜将其重量沿壳体传送，因此应将内部支撑梁端部设置纵向加固肋，通过加固肋形式将其荷载下传，最终落在反应器柱系上，进而通过柱系传给脱硝土建钢梁。从结构模型来说，SCR反应器内部支撑钢梁可以简化为一简支梁，其支座为脱硝钢结构支架的框架梁。因SCR反应器及其附属荷载较大，如果单考虑独立箱型梁承担整个SCR反应器的荷载，其钢梁规格较大也不经济。因箱型
梁的内壁板兼做反应器壁板，工作时其壳体会与箱型梁一起共同作用，因此建议在进行大梁截面设计计算时，可参照相关设计规程规范中的稳定理论将部分壁板折算入箱型梁的抵抗矩中共同设计。因第三层催化剂支撑梁上和均流格栅层支撑梁，应力较集中并且应力较大，在风载的时候第三层催化剂支撑梁和均流格栅层支撑梁上最大应力容易超出许用范围，所以建议调整中段壳体的加强筋和出口段型钢的交接位置，或在交接处设置加强筋板，以改善应力过大的这种状况。
1.2.3  柱系的设计。SCR 反应器中段壳体柱系一般由四根立柱组成以支撑整个反应器结构。所有荷载通过壁板和钢梁传给立柱，由立柱传至土建钢梁。因立柱支撑着整个SCR反应器结构，所以其结构和设计方案也是比较关键的。在柱系设计中，需按照组合后最危险工况，考虑烟气负压、风载和自重以及摩擦力的综合作用，对SCR反应器静力强度和变形情况进行理论计算，对四根立柱进行全面分析。考虑温度引起的热膨胀的影响，四根立柱支撑点并不能全部焊接固定，其约束方式分别为: 一根立柱三个位移方向全约束，一根立柱在水平面两个方向的约束全释放，另外两根立柱分别在水平面内各释放一个方向的约束。通过有限元模拟计算分析，由于均流格栅支撑梁与第一层催化剂支撑梁间跨度较大，该区域壁板及加固肋位移较大；催化剂支撑梁中间区域支撑梁挠度较大，SCR反应器圈梁由于受到上部和下部荷载
的共同作用，导致反应器圈梁所受剪力较大，因此造成局部应力很大，并且应力不连续，SCR反应器立柱作为整个反应器的支撑基础，底部所承受轴力、弯矩数值最大，因立柱组合应力较大，立柱的节点处产生偏心力矩等因素，建议立柱的设计为无偏置立柱，避免偏心力矩的产生，这样优化了立柱的整体受力情况，也将降低了立柱规格。
1.2.4  吹灰器和催化剂安装门的设计。为了防止催化剂层的积灰堵塞催化剂孔道, 通常在每层催化剂层上部设置吹灰器。常用于 SCR 法脱硝的吹灰器有声波和蒸汽 两种形式。吹灰器在设计上主要考虑吹灰气流或声波的指向性，使它们更有效地作用于积灰表面。根据不同催化剂层的布置情况，其选型与具体的开孔位置要根据具体工程烟气灰的特性以及反应器截面尺寸来确定 。一般每层催化剂的上面都设置吹灰器，各层吹灰器的吹扫时间错开，每个吹灰器的吹扫时间约为5min，一般吹灰器每月吹灰一次。最上面一层吹灰器以20℃角倾斜向下安装，其它层的吹灰器水平布置。为了安装催化剂，在每层每层催化剂处设置催化剂安装门，其具体开孔位置建议催化剂安装门中心线对准催化剂模块中心线，以便现场安装。[4]

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