scr反应器

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)是继烟气脱硫之后又一新兴的环保产业。目前投x

入工程应用的NO减排技术主要有选择性催化还原(SCR)技术、选择性x

非催化还原(SNCR)技术、活性碳吸附技术、低NO燃烧器等。到目前为x

止，对于大型的火电机组，只有SCR技术可以有效控制90%的NO排放，

x3[1][2]也是唯一可使NO排放浓度低于50mg/Nm的脱硝技术。专家预测，未x 来5~10年，SCR法将一直是火电厂NO减排的主流技术。 x

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发生还原反应，产物为N和HO。该技术在国外已经比较成熟，但国内x22 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2装置和江苏苏源环保工程股份有限公司利用自主研发的“OI-SCR”脱硝技术承建的国华太仓发电有限公司2X600MW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2献也很少。笔者曾主持了苏源环保“OI-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3发作一介绍。设计条件为:烟气流量:1882000Nm/h;工作温度:378ºC;3设计温度:400ºC;设计外压:7000Pa;NO含量:500mg/Nm;粉尘含量:x39.88g/Nm;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和NH 的摩尔比标准偏差不超过5%。然而，即使采用两台反应x32器并联脱硝，单台反应器的横截面积仍有150m。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和NO摩尔比标准3x

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/NO摩尔比标准3x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的体积浓度分布云图。从图中数据可以计算出NH和NO的摩尔比标准33x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NH体积浓度云图 3

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

[3]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。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