燃煤電廠SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)優(yōu)化探討

馮立波

(浙江天地環(huán)保工程有限公司，浙江杭州310003)

燃煤電廠SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)優(yōu)化探討

馮立波

(浙江天地環(huán)保工程有限公司，浙江杭州310003)

隨著我國(guó)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷嚴(yán)格，僅僅依靠燃燒過(guò)程控制已不能滿足要求，國(guó)家也出臺(tái)了一系列控制燃煤電廠NOx排放的法律、法規(guī)和政策，促使我國(guó)必須加快燃煤機(jī)組煙氣脫硝設(shè)施的建設(shè)。煙氣脫硝是新上燃煤機(jī)組控制NOx排放的必然選擇，也是國(guó)家環(huán)保政策的要求。主要介紹了燃煤電廠SCR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，對(duì)SCR反應(yīng)器主要部件及設(shè)計(jì)過(guò)程中注意事項(xiàng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的闡述。

脫硝技術(shù);SCR;SCR反應(yīng)器

0 引言

氮氧化物(NOx)是主要的大氣污染物之一，燃煤排放的NOx約占總排放量的70%以上。目前，我國(guó)燃料還是以煤為主，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，如何降低NOx的污染已成為一個(gè)不容忽視的問(wèn)題［1］。在NOx處理的技術(shù)中，選擇性催化還原技術(shù)(SCR)以其高NOx脫除率、技術(shù)成熟可靠、易于操作和良好的經(jīng)濟(jì)適用性等優(yōu)點(diǎn)已成為大型燃煤電廠煙氣脫硝的首選。SCR應(yīng)器是SCR法脫硝系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其優(yōu)化設(shè)計(jì)需要考慮系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行條件，留足余量，把煙氣成分、催化劑性能等幾個(gè)方面緊密結(jié)合起來(lái)，充分利用有限元計(jì)算方法的高效性、準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)SCR脫硝反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保脫硝裝置連續(xù)可靠運(yùn)行。

1 SCR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

SCR反應(yīng)器是還原劑和煙氣中的NOx發(fā)生催化還原反應(yīng)的場(chǎng)所，通常由碳鋼制塔體、煙氣進(jìn)出口、催化劑放置層，催化劑安裝門、進(jìn)口段導(dǎo)流板等組成。SCR反應(yīng)器是煙氣脫硝系統(tǒng)中最核心的設(shè)備，催化劑以單元模塊形式疊放在若干層支撐鋼梁上，布置在反應(yīng)器之中。以某600MW燃煤機(jī)組的SCR反應(yīng)器為例，SCR反應(yīng)器主要分煙氣進(jìn)口段、中段殼體、煙氣出口段三部分，由立柱、均流格柵或催化劑支撐鋼梁、內(nèi)撐桿等構(gòu)件組成，外面由6mm厚鋼板包裹，SCR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的鋼架(角鋼、H型鋼、槽鋼和鋼管等)和壁板，采用Q345B材質(zhì)。中段殼體自上而下由一層均流格柵支撐鋼梁和三層催化劑支撐鋼梁組成，整個(gè)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)由四根立柱支撐，反應(yīng)器的所有荷載通過(guò)立柱傳至土建鋼梁。

在考慮自重、催化劑、吹灰器荷載、運(yùn)行狀態(tài)煙氣壓力、風(fēng)荷載、地震荷載等荷載的組合工況下，利用Ansys有限元軟件，計(jì)算SCR反應(yīng)器的整體應(yīng)力和變形，對(duì)各個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力和整體變形情況進(jìn)行分析，并對(duì)SCR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，為設(shè)計(jì)方案的可靠性提供了依據(jù)。

1.1 SCR反應(yīng)器進(jìn)口段的設(shè)計(jì)

在SCR反應(yīng)器的工程設(shè)計(jì)中，為了得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案和揭示其內(nèi)部流動(dòng)特性，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究SCR反應(yīng)器內(nèi)各系統(tǒng)對(duì)鍋爐及輔機(jī)壓力損失特性的影響，對(duì)反應(yīng)器進(jìn)口段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。進(jìn)入SCR反應(yīng)器催化劑層入口的煙氣流場(chǎng)分布是否均勻?qū)⒅苯佑绊懨撓跸到y(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，如果流場(chǎng)分布不均勻，不但會(huì)嚴(yán)重影響脫硝效率、增加氨的逃逸、加速催化劑磨損，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)堵塞催化劑等，因此流場(chǎng)模擬試驗(yàn)研究在脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)中極為重要。

SCR反應(yīng)器進(jìn)口段設(shè)計(jì)中，需確定最佳的導(dǎo)流板布置方案，使進(jìn)口煙氣速度分布與氨濃度分布標(biāo)準(zhǔn)偏差均滿足設(shè)計(jì)要求。為保證較高的脫硝效率，氨/煙氣混合物進(jìn)入第一層催化劑入口之前應(yīng)滿足以下條件:速度最大偏差為平均值的±15%;溫度最大偏差為平均值的±10℃;氨氮摩爾比的最大偏差為平均值的±5%;入射催化劑角度(與垂直方向的夾角)為±10°［2］。

設(shè)計(jì)良好的導(dǎo)流板在符合以上要求的同時(shí)，還可優(yōu)化煙氣流場(chǎng)和降低脫硝系統(tǒng)阻力。通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)SCR反應(yīng)器進(jìn)口段及其導(dǎo)流板進(jìn)行模擬優(yōu)化，改善系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置，以優(yōu)化流場(chǎng)、提高反應(yīng)器性能。數(shù)值模擬方案中反應(yīng)器進(jìn)口段截面的煙氣速度進(jìn)行分析，可確定了導(dǎo)流板間距、長(zhǎng)度及板夾角等最佳流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得出采用斜邊導(dǎo)流板均分等布置，并可以使煙氣在反應(yīng)器內(nèi)分布更均勻以滿足對(duì)SCR反應(yīng)器入口煙氣速度的要求，從而不會(huì)引起催化劑堵塞等問(wèn)題。

為進(jìn)一步改善流場(chǎng)，在進(jìn)口段布置均流隔柵，可對(duì)流場(chǎng)均勻性做進(jìn)一步改善。通過(guò)有限元計(jì)算方法，明確SCR反應(yīng)器進(jìn)口段內(nèi)部支撐桿規(guī)格型號(hào)，確保在承受組合應(yīng)力情況下合理設(shè)置“進(jìn)口頂板加固肋－均流格柵支撐鋼梁－內(nèi)撐桿”組成的桁架結(jié)構(gòu)，可降低反應(yīng)器進(jìn)口段用鋼量。

1.2 SCR反應(yīng)器中段殼體的設(shè)計(jì)

SCR反應(yīng)器中段殼體是影響NOx/NH3的混合效果和煙氣速度均勻分布的核心部件，為了保證較為理想的反應(yīng)條件，SCR反應(yīng)器中段殼體在設(shè)計(jì)上要考慮良好的NOx/NH3的混合和速度的均布，以保證脫硝效率。SCR反應(yīng)器中段殼體通常采用標(biāo)準(zhǔn)的板箱式結(jié)構(gòu)，輔以各種加強(qiáng)筋和支撐鋼梁來(lái)滿足防震、承載催化劑、密封、承受荷載和抵抗應(yīng)力的要求，并且實(shí)現(xiàn)與外界的隔熱，其主要由壁板及壁板加固肋、殼體內(nèi)部支撐鋼梁和柱系等組成。

(1)壁板和加固肋的設(shè)計(jì)

壁板的和壁板加固肋設(shè)計(jì)相比內(nèi)部支撐鋼梁的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，為了增加壁板的抗彎剛度，壁板外側(cè)一般設(shè)置角鋼或者H型鋼作為加強(qiáng)筋，與壁板焊接共同受力。壁板主要考慮其圍護(hù)作用，不做承載考慮，一般采用6mm壁厚鋼板。反應(yīng)器內(nèi)部的煙氣壓力值主要考慮由壁板間的型鋼加固肋來(lái)承擔(dān)，因此按簡(jiǎn)支梁考慮即可［3］。設(shè)計(jì)中需考慮的荷載有: SCR反應(yīng)器自重和催化劑重量、煙氣運(yùn)行狀態(tài)壓力、積灰荷載以及風(fēng)荷載、地震荷載等。利用軟件建模時(shí)可對(duì)反應(yīng)器的進(jìn)出口和中段殼體做梁、柱和支撐的桿件簡(jiǎn)化處理，此時(shí)壁板和壁板間的角鋼或H型鋼可考慮為縱橫向型鋼加固肋的十字交叉支撐按鋼框架設(shè)計(jì)。每層催化劑支撐梁和其水平支撐可假定為縱向加固肋的側(cè)向支撐點(diǎn)，以減少其計(jì)算長(zhǎng)度。

(2)殼體內(nèi)部支撐鋼梁的設(shè)計(jì)

在中段殼體內(nèi)部一般設(shè)置2～4層催化劑支撐鋼梁和一層均流格柵支撐鋼梁。由于均流格柵和催化劑模塊質(zhì)量大且比較集中，不宜將其重量沿殼體傳送，因此應(yīng)將內(nèi)部支撐梁端部設(shè)置縱向加固肋，通過(guò)加固肋形式將其荷載下傳，最終落在反應(yīng)器柱系上，進(jìn)而通過(guò)柱系傳給脫硝土建鋼梁。從結(jié)構(gòu)模型來(lái)說(shuō)，SCR反應(yīng)器內(nèi)部支撐鋼梁可以簡(jiǎn)化為一簡(jiǎn)支梁，其支座為脫硝鋼結(jié)構(gòu)支架的框架梁。因SCR反應(yīng)器及其附屬荷載較大，如果單考慮獨(dú)立箱型梁承擔(dān)整個(gè)SCR反應(yīng)器的荷載，其鋼梁規(guī)格較大也不經(jīng)濟(jì)。因箱型梁的內(nèi)壁板兼做反應(yīng)器壁板，工作時(shí)其殼體會(huì)與箱型梁一起共同作用，因此建議在進(jìn)行大梁截面設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可參照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范中的穩(wěn)定理論將部分壁板折算入箱型梁的抵抗矩中共同設(shè)計(jì)。因第三層催化劑支撐梁上和均流格柵層支撐梁，應(yīng)力較集中并且應(yīng)力較大，在風(fēng)載的時(shí)候第三層催化劑支撐梁和均流格柵層支撐梁上最大應(yīng)力容易超出許用范圍，所以建議調(diào)整中段殼體的加強(qiáng)筋和出口段型鋼的交接位置，或在交接處設(shè)置加強(qiáng)筋板，以改善應(yīng)力過(guò)大的這種狀況。

(3)柱系的設(shè)計(jì)

SCR反應(yīng)器中段殼體柱系一般由4根立柱組成以支撐整個(gè)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。所有荷載通過(guò)壁板和鋼梁傳給立柱，由立柱傳至土建鋼梁。因立柱支撐著整個(gè)SCR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，所以其結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案也是比較關(guān)鍵的。在柱系設(shè)計(jì)中，需按照組合后最危險(xiǎn)工況，考慮煙氣負(fù)壓、風(fēng)載和自重以及摩擦力的綜合作用，對(duì)SCR反應(yīng)器靜力強(qiáng)度和變形情況進(jìn)行理論計(jì)算，對(duì)四根立柱進(jìn)行全面分析?？紤]溫度引起的熱膨脹的影響，4根立柱支撐點(diǎn)并不能全部焊接固定，其約束方式分別為:一根立柱三個(gè)位移方向全約束，一根立柱在水平面兩個(gè)方向的約束全釋放，另外兩根立柱分別在水平面內(nèi)各釋放一個(gè)方向的約束。通過(guò)有限元模擬計(jì)算分析，由于均流格柵支撐梁與第一層催化劑支撐梁間跨度較大，該區(qū)域壁板及加固肋位移較大;催化劑支撐梁中間區(qū)域支撐梁撓度較大，SCR反應(yīng)器圈梁由于受到上部和下部荷載的共同作用，導(dǎo)致反應(yīng)器圈梁所受剪力較大，因此造成局部應(yīng)力很大，并且應(yīng)力不連續(xù)，SCR反應(yīng)器立柱作為整個(gè)反應(yīng)器的支撐基礎(chǔ)，底部所承受軸力、彎矩?cái)?shù)值最大，因立柱組合應(yīng)力較大，立柱的節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生偏心力矩等因素，建議立柱的設(shè)計(jì)為無(wú)偏置立柱，避免偏心力矩的產(chǎn)生，這樣優(yōu)化了立柱的整體受力情況，也將降低了立柱規(guī)格。

(4)吹灰器和催化劑安裝門的設(shè)計(jì)

為了防止催化劑層的積灰堵塞催化劑孔道，通常在每層催化劑層上部設(shè)置吹灰器。常用于SCR法脫硝的吹灰器有聲波和蒸汽兩種形式。吹灰器在設(shè)計(jì)上主要考慮吹灰氣流或聲波的指向性，使它們更有效地作用于積灰表面。根據(jù)不同催化劑層的布置情況，其選型與具體的開(kāi)孔位置要根據(jù)具體工程煙氣灰的特性以及反應(yīng)器截面尺寸來(lái)確定。一般每層催化劑的上面都設(shè)置吹灰器，各層吹灰器的吹掃時(shí)間錯(cuò)開(kāi)，每個(gè)吹灰器的吹掃時(shí)間約為5min，一般吹灰器每月吹灰一次。最上面一層吹灰器以20角傾斜向下安裝，其他層的吹灰器水平布置。為了安裝催化劑，在每層催化劑處設(shè)置催化劑安裝門，其具體開(kāi)孔位置建議催化劑安裝門中心線對(duì)準(zhǔn)催化劑模塊中心線，以便現(xiàn)場(chǎng)安裝［4］。

1.3 SCR反應(yīng)器出口段的設(shè)計(jì)

在SCR反應(yīng)器出口段的設(shè)計(jì)中，由于內(nèi)壓和風(fēng)載等原因，出口段的最大應(yīng)力出現(xiàn)在出口段與箱型梁連接的部位，建議出口段設(shè)計(jì)中通過(guò)加強(qiáng)筋板對(duì)這部分的結(jié)構(gòu)和剛度，進(jìn)行加強(qiáng)。為了減少了出口錐體的制作和安裝工作量，采用有限元計(jì)算優(yōu)化取消以往工程中出口錐體中設(shè)置的多層內(nèi)撐桿，通過(guò)加強(qiáng)出口錐體壁板縱向加固肋的方式，來(lái)提高出口錐體的強(qiáng)度和剛度。位于出口段的采樣格柵管系在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮避開(kāi)殼體上的加固肋、催化劑層支撐梁處加強(qiáng)筋板和催化劑安裝門等。

2 SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)中注意事項(xiàng)

由于均流格柵或催化劑支撐鋼梁應(yīng)力較集中并且應(yīng)力較大，建議在設(shè)計(jì)中確保梁柱或梁與梁之間連接節(jié)點(diǎn)的焊縫滿足強(qiáng)度要求。由于立柱內(nèi)外側(cè)溫差大，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)在立柱內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的溫度熱應(yīng)力，因此在原有結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，合理增加部分節(jié)點(diǎn)處的保溫覆蓋面積，可以減小由于溫度變化而產(chǎn)生的溫度熱應(yīng)力，以避免造成反應(yīng)器局部熱應(yīng)力變化過(guò)大。同時(shí)可以考慮加厚立柱封板厚度，進(jìn)一步降低柱腳的應(yīng)力。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的日益嚴(yán)格，我國(guó)燃煤火電廠也將逐步建設(shè)煙氣脫硝裝置，從目前國(guó)內(nèi)已投入使用的SCR裝置運(yùn)行情況來(lái)看，大多數(shù)機(jī)組都采用的是國(guó)外的SCR煙氣脫硝技術(shù)，該技術(shù)也是當(dāng)今國(guó)際煙氣脫硝的主流技術(shù)。SCR反應(yīng)器是SCR煙氣脫硝裝置的核心部件，安全、經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)理念尤為重要，因此更應(yīng)對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化、設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)化。所以在燃煤電廠SCR反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，我們可以借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家取得的經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)相關(guān)軟件計(jì)算分析，來(lái)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)鍋爐設(shè)計(jì)特點(diǎn)與燃煤特性，對(duì)SCR應(yīng)用于我國(guó)燃煤電廠鍋爐的適應(yīng)性進(jìn)行深入、全面、系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，確保SCR反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效連續(xù)運(yùn)行，以提高SCR工藝對(duì)我國(guó)國(guó)情的適應(yīng)性。

［1］王鳳君，姜孝國(guó)，高新宇.1000MW超超臨界鍋爐SCR脫硝裝置單反應(yīng)器流場(chǎng)分析［J］.鍋爐制造，2013(5):17－23.

［2］徐妍，李文彥.SCR脫硝反應(yīng)器導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.熱力發(fā)電，2008，37(10):49－52.

［3］張銘.淺談脫硝反應(yīng)器的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013(6):32.

［4］孫克勤，鐘秦.火電廠煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

The optimization design of the SCR reactor in coal－fired power plants

Along with the strict emission standard of NOxin 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 NOxfrom 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 NOxemissions 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.

denitration technology;SCR;SCR reactor

X701.7

B

1674－8069(2016)02－012－03

2015-10-22;

2016-01-17

馮立波(1980-)，男，河南沈丘人，工程師，主要從事發(fā)電廠熱動(dòng)環(huán)保專業(yè)技術(shù)工作。E－mail:dishangfei@163.com