scr反应器

大型、高温、轻型SCR反应器的设计开发
2008-01-29 22:37:28
火电厂烟气脱硝（NO
x
）是继烟气脱硫之后又一新兴的环保产业。

目前投
入工程应用的NO
x
减排技术主要有选择性催化还原（SCR）技术、选择性
非催化还原（SNCR）技术、活性碳吸附技术、低NO
x
燃烧器等。

到目前为
止，对于大型的火电机组，只有SCR技术可以有效控制90%的NO
x
排放，
也是唯一可使NO
x
排放浓度低于50mg/Nm3的脱硝技术[1][2]。

专家预测，未
来5~10年，SCR法将一直是火电厂NO
x
减排的主流技术。

SCR脱硝技术以氨作还原剂，在340~400ºC温度范围内氨与烟气中的
NO
x 发生还原反应，产物为N
2
和H
2
O。

该技术在国外已经比较成熟，但国内
的脱硝尚处于起步阶段，主要依赖国外的技术支持。

目前见于报导的已投运的SCR脱硝装置仅有福建后石电厂的6X600MW机组（日本技术）的脱硝装置和江苏苏源环保工程股份XXX利用自主研发的“OI2-SCR”脱硝技术承建的国华太仓发电XXX2X600MW机组的烟气脱硝装置。

迄今为止，对于SCR反应器的结构设计国内还没有规范可循，能检索到的相关文献也很少。

笔者曾主持了苏源环保“OI2-SCR”脱硝技术”的开发，本文拟仅就SCR反应器本体结构的设计开发要点作一总结介绍，与业内同行交流。

1．概述
SCR反应器是烟气脱硝系统的核心设备，其主要功能是承载催化剂，为脱硝反应提供空间，同时保证烟气流动的顺畅与气流分布的均匀，为脱硝反应的顺利进行创造条件。

除催化剂本身的因素外，反应器设计的优劣是SCR系统能否顺利完成脱硝功能的决定因素。

国内的烟气脱硝工程以旧机组改造为主，一般没有为脱硝装置的建设预留充足的条件。

新建机组一般在空预器或电除尘器上方预留脱硝空间，距地面高度20m以上。

因此，反应器的设计与布置是在现场既定的诸多约束条件下进行的，为适配现场条件，有时甚至不得不采用削足适履的技术方案。

脱硝反应器的设计开发，必须综合考虑现场空间狭小、重量载荷大、工作温度高、反应器三维尺度大、不易与机组主体自然地适配兼容、脱硝过程对气流参数要求严格等问题。

本文以600MW机组为实例，对大型、高温、轻型SCR反应器的设计开发作一介绍。

设计条件为：烟气流量：1882000Nm3/h；工作温度：378ºC；设计温度：400ºC；设计外压：7000Pa；NO
x
含量：500mg/Nm3；粉尘含量：9.88g/Nm3；脱硝率：>90%；氨逃逸率<5ppm。

2．总体设计方案
省煤器的出口烟气温度是催化剂发挥效力的最佳温度区间，因此，反应器布置在省煤器之后，空预器之前，距地面约25m的空间中。

根据烟气流速、催化剂数量和脱硝率确定反应器的截面积。

为避免单台反应器尺寸过大，选用结构尺寸为15m(长)X10m(宽)X18m（高）的两台相同的反应器
并联脱硝。

图1为SCR反应器的结构示意图。

反应器进出口设置柔性接头与机组主体联接。

在烟气进口段，液氨气化后与稀释空气混合，经喷氨格栅喷入反应器。

反应器入口处设烟气导流板，接应烟气顺畅进入反应器内部空间。

催化剂模块在反应器内分设三层，分别安放固定在由型钢焊接而成的三层框架上。

催化剂清灰采用声波清灰器，反应器出口采用机械振动清灰。

单台反应器的总重量约600吨，将催化剂支撑框架梁外伸作为反应器的承载支点，直接落在外部框架上。

反应器内的导流板及催化剂支撑框架同时作为反应器的内撑加强结构。

反应器外壁以型钢加强，保证在重量和7000Pa外压下，反应器的本体保持必要的刚性。

反应器壁及内部结构由于长期处于400
ºC的高温下，选用低合金结构钢Q345材料，壁外加强结构温度在300ºC以下，选用普通碳素结构钢Q235材料。

图1 SCR反应器结构示意图
1.导流器
2. 声波清灰器 3,5,6.催化剂及支架
4.检测孔 7.支座 8.振动清灰器
3．流体动力学分析设计
3．1目的和意义
为了充分发挥催化剂的效能，保证90%的脱硝效率，降低氨的逃逸率，脱硝的催化反应要求流经第一层催化剂上表面的烟气速度标准偏差不超
过10%、NO
x 和NH
3
的摩尔比标准偏差不超过5%。

然而，即使采用两台反应
器并联脱硝，单台反应器的横截面积仍有150m2。

要在这样大的截面上有效控制烟气的流动状态达到预期要求是比较困难的。

只有通过科学的流体动力学分析设计，才可得到反应器内各区域的气流运动状态参数，以及氨气在整个流通界面上的迁徙分布情况，从而为结构的设计提供理论依据。

同时，通过流体力学分析，还可以得到飞灰在SCR反应器及其连接烟道中的运动规律，在理论上发现可能发生积灰的部位，用来指导清灰装置的设计、选型与布置。

另外，还要通过流体力学设计来保证气流的顺畅，减小压降、降低烟气的动能损失，减小飞灰对催化剂的冲击磨损。

3．2技术手段与方法
对大型设备进行流体力学性能计算分析，仅凭经验或手工进行简单的简化计算得到的结果是不可靠的，利用CFD软件对反应器的流体动力学模型进行三维气固两相流数值仿真分析，则是必要的技术手段。

以CFD分析结果为依据，优化进出口烟道的结构形式和导流叶片结构与布置，保证烟气流动的顺畅、均匀，满足烟气速度标准偏差的要求；通过网格式布置覆盖整个烟道截面的多组喷嘴，将氨气与稀释空气的混合物均匀地喷入烟气进口，再通过调整喷嘴位置、开孔角度及大小，并设置多组阀门对各组喷嘴单独进行流量控制，使得第一层催化剂上表面的NH
3和NO
x
摩尔比标准偏差达到要求。

当锅炉负荷发生变化时，还要对不
同负荷下烟气速度分布及氨扩散规律进行分析，保证任一工况下烟气流速
及NH
3/NO
x
摩尔比标准偏差均满足要求值。

在易积灰的部件，设计或选择
合适的清灰器清除积灰。

3．3设计分析结果
图2为反应器内烟气流速的分布云图。

图中可以看出，在任一横截面上，烟气流速基本上比较均匀。

在进口左下角和出口右上角位置有局部的烟气流动死区，是易发生积灰的部位。

图3为第一层催化剂上端横截面的烟气流速分布云图。

根据图中数据，用数学方法可以计算出该截面上烟气流速的标准偏差约为8%，满足设计要求。

图4为第一层催化剂上端横截
NH
3的体积浓度分布云图。

从图中数据可以计算出NH
3
和NO
x
的摩尔比标准
偏差约为4%，也满足设计要求。

图2 烟气流速云图（m/s）图3第一层催化剂上端横截面烟气流速云图
(m/s)
图4 第一层催化剂上端横截面NH3体积浓度云图
4．结构分析设计
4．1目的和意义
单台反应器总重约600吨，设计外压7000Pa。

反应器主要的受力有重力载荷、外压和热应力。

反应器布置在高空中，其重量最终作用在机组主体的钢结构框架上，但主体框架一般没有这么大的承载余量，只能在错综复杂的钢结构间见缝插针地重新打桩，增加承重柱梁。

如果将脱硝装置独立出来，也要架设在一定高度上，以便和机组主体相协调。

但脱硝装置独立于主机组之外的结构建设成本将增加3倍，还要增加数月的工期[3]。

因此，应尽可能将SCR反应器布置在主机组框架范围内。

在满足工艺和承载要求下，应最大限度地将反应器与主机组框架相适配，减轻反应器的重量，降低反应器和主体框架之间的作用力，同时也可以减少建设成本。

因此，对通过结构分析设计，对反应器进行比较精确力学设计计算，优化出简洁、轻便、适配的结构方案是反应器设计开发的必然要求。

4．2技术手段和方法
大型平板薄壁钢壳结构，其承受竖向压载荷和面压力的能力是很弱的。

因此，反应器的壁板厚度对承载能力贡献不大，取6mm即可，主要依赖内外的加强筋和梁柱来承担载荷，保证设备的刚性和强度。

催化剂模块质量大且比较集中，不宜将其重量沿反应器本体传送，因此，将催化剂的支撑梁伸出反应器壳壁之外，梁端部落在机组主体框架上作为支座，使重量直接传至机组主体框架。

反应器的钢壳体重量比较分散，通过外壁的加强筋将重量最终汇集至各支座上。

因此，外部加强筋的设计与布置要充分考虑重量载荷的传递原理和过程。

7000Pa的外压是导致钢壳发生变形的主要原因。

设计时要利用催化剂和导流器支承框架的自然结构，同时作为反应器的内撑杆结构。

尽量不专设内撑杆。

由各种型钢焊接而成的复杂框架内外联成一体，构成了反应器的承载结构。

但要进行精确的力学计算是比较困难的。

在开发过程中，利用CAE 技术手段对反应器进行实体建模，尽量不作简化，以便于对应力集中进行研究。

用强度与变形量作为校核指标进行分析，直至优化得到最佳的结构方案。

4.3 CAE结果
图5和图6分别是用CAE方法对反应器在重量载荷和外压下的应力和变形云图。

从图中可以看出，整体上应力是比较小的，但梁柱及加强筋处由于应力集中，局部应力较大。

整
图5 反应器应力云图(MPa)图6 反应器变形云图(mm)
体变形最大为26mm，在反应器的顶部和底部。

因为顶和底没有设内部支撑结构，完全由外部筋梁加强。

而反应器的周向四壁的变形较小，是由于内部导流器和催化剂的支撑梁同时起到了内撑杆的作用。

5．热应力分析与支座设计
图7催化剂支架结构A图8催化剂支架结构B
5．1热应力分析设计 反应器的设计温度
为400ºC，水平方向的最
大绝对膨胀量可达70mm 。

因此，针对高温热效应的设计也是SCR 开发的关键内容。

热应力最可能发生的部位是支座和反应器外壁上尺寸较大的加强筋或柱梁处。

支座对反应器的热胀冷缩效应会起到约束作用，合理的支座设计是减小热应力的关键。

加强筋或柱梁均焊接在反应器外壁上，它们之间是刚性联接，而从反应器壁板至加强筋外缘，不可避免地存在着温差，如果结构设计不合理，将造成过大的温差应力。

因此，在设计壁外的加强结构时，应尽量减小加强结构的径向尺寸，并尽量使钢结构贴近壁板，且连续布置，以保证从内壁到加强结构之间良好的热传导，以减小误差。

当加强结构径向尺寸过大时，应将其包在保温层之内，尽可能避免加强结构完全暴露在保温层之外或部分在保温层外。

图7和图8为催化剂梁端部两种不同结构的示意图。

最下面的第三层梁端部作为支座固定在机组主体上，三层梁之间用钢质立柱连接为一体。

A 结构的立柱离开反应器壁板一段距离，布置在保温层之外。

B 结构的立柱贴在壁板上，包裹在保温层之内。

A 结构显然比B 结构便于制造安装和保温，但在高温工况下，A 结构的温差应力却远大于B 结构。

利用CAE 技术分别对A 和B 结构进行建模分析，其温度分布结果如图9和11所示，A 结构的立柱温度在90 ºC 以下，与壁板的400ºC 形成300多度的温差。

B 结构由于立柱紧贴壁板且包裹在保温层之内，温度在300 ºC 左右，与壁板之间温差较小。

对应地，在图10和图11的热应力云图中，A 结构的热应力最高达到了400MPa ，已远远超过了许用应力。

而B 结构立柱的热应力在20MPa 以下，支座处的热应力最高只有80MPa 。

显然，在高温工况下，B 结构是合理的。

其它尺寸较大的加强筋也应避免选用类似A 型的结构。

5．2 支座设计
图13 支座分布与滑动自由度
支座尽可能分布在同一平面上，以避免对反应器竖向的热变形形成约束。

所有的支座当中，只能有一个支座是完全固定的，各个支座的滑动自由度方向也不完全相同，应根据热变形的方向合理设置。

图13即是本设计的支座分布及滑动自由度示意图。

其中，支座8为完全固定支座，其它支座均为特定方向的滑动支座。

固定支座设在中部，可使反应器的最大位移降为绝对热变形量的50%。

各支座的滑动自由度沿该支座与固定支座的连线方向，如图中所示。

各滑动支座的一对摩擦副之中，至少有一个为耐温减摩材料（如聚四氟乙烯），以避免过大的摩擦力对反应器本体和主
. 反应器外壁 2,4,6.催化剂支承梁
3,5.立柱 7.支座 8.保温层
图9 结构A
温度云图(ºC) 图10 结构A 热应力云图(MPa) 图11 结构B 温度云图(ºC) 图12 结构B 热应力云图(MPa)
体框架造成破坏。

即使如此，在设计中也要用摩擦力对支梁的稳定性和机组主体支架的水平剪力进校核。

6．防积灰与清灰设计
6．1积灰的危害
图14 梁上防积灰结构
由于反应器布置在电除尘器之前，因此烟气中的飞灰含量是比较高的。

可能发生积灰的位置主要有反应器的进出口、催化剂表面、内部钢结构表面。

积灰的危害主要表现在三个方面，降低催化剂效能、阻滞烟气流通、增加反应器重量。

飞灰附着在催化剂的表面，将催化剂与烟气隔绝开，使催化剂的效能下降。

如果粉灰附着在反应器内部的其它结构上，时间久了结为块状，降落在催化剂上，会堵塞催化剂表面的小孔，同样影响催化剂效能的发挥，同时阻碍了烟气的流通。

因此，防积灰和清灰设计，是SCR反应器开发必须考虑的。

6．2防积灰和清灰设计
在结构上应使反应器的烟气流场顺畅，尽可能利用烟气把粉灰带走，不使其在反应器内沉淀。

反应器的进出口和导流器要根据流体力学特性进行优化设计。

反应器内部结构力求简洁，加强筋、柱、梁尽可能不设在反应器内，而是设在外壁，避免出现平台、死角。

矩形催化剂梁的上平面和催化剂模块之间的结合部平面都是易发生积灰的部位，可在平面上部增设一双斜面结构，以防粉灰积存，如图14所示。

催化剂模块上表面罩一层钢丝网，有利于阻隔或粉碎落向催化剂的大尺寸灰块。

在反应器的内壁上设若干个声波清灰器，可以及时清除反应器内壁和催化剂表面的浮尘，以防积聚。

反应器出口是粉灰最易发生积淀的部位，在出口的下壁板上可装设若干机械振动清灰器，各清灰器可轮流工作，周期性的清灰。

在出口的最下端设置灰斗，收集积沉的粉灰。

7．总结与展望
SCR反应器的开发设计主要涉及大截面空间范围内对烟气流动状态参数的研究与调控问题，大型、薄壁、大重量、高外压下平板钢结构的力学设计问题，针对高温热效应的结构设计问题以及防积灰和清灰的问题。

此外，SCR反应器的设计开发还包括本体之外的支承框架设计、各种检测接口以及催化剂安装更换便利性设计。

需要指出的是，就目前流行的SCR反应器的结构而言，仍存在着较大的热应力，催化剂的安装与更换也费时耗力。

笔者在“OI2-SCR”升级技术中，已经新开发了一种悬吊式SCR反应器，整个反应器悬吊在机组主框架上，从而可以彻底解决高温热效应的不良影响；另外，各层催化剂可以上下移动，一方面可以明显降低反应器的高度，另一方面可方便快捷地安装更换催化剂。