燃煤電廠脫硝反應區結構設計分析

王艷麗

（上海電氣石川島電站環保工程有限公司，上海 201612）

安裝煙氣脫硝裝置是實現大型燃煤電廠煙氣中氮氧化物（NOx）排放達標的惟一有效途徑。于2008年6月1日開工的上海石洞口二廠二期2×660MW機組為國產超超臨界機組，同步建成煙氣脫硝裝置工程（以下簡稱工程）。業主要求脫硝裝置不設旁路煙道，優化布置方案，盡量節省主廠房占地，裝置服務年限為30a。

工程采用最為成熟、有效、廣泛使用的選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）工藝（即選擇性催化還原法）［1］，整個系統主要由氨區和反應區兩大部分組成。在這兩大區間貫穿著儀表控制、電氣、土建、火災報警等系統，及時調節、監督各項運行參數，使整套裝置得以正常運行，構成完整的脫硝系統。其中，氨區是氨氣的儲存、制備、供應系統，為SCR工藝提供必需的還原劑，包括液氨儲槽、蒸發槽、氨氣緩沖槽、稀釋風機、氨控制閥、氨空氣混合器，以及相應閥門、管道及其附件、支撐等；反應區包括煙道和反應器兩部分，是SCR工藝發生還原反應的場所，也即富含NOx的煙氣流經整個反應區后，在反應區尾端被還原成符合脫硝要求的凈煙氣。氨區是SCR工藝的條件部分，具有通用性，反應區是SCR工藝的實施部分，具有差異性。

本文將以上海石洞口電廠二期項目的脫硝裝置工程為依托，著重介紹反應區的設計思路和特點。

1 反應區設計總綱

1.1 確定反應區位置

SCR工藝的還原反應是在催化劑的參與下才可以發生的，在300～400℃的溫度范圍內催化劑的活性最好。省煤器出口煙氣溫度在100%鍋爐最大連續蒸發量（Boiler Maximum Continue Rate，BMCR）工況下為372℃；因此，在不設旁路煙道的前提下，采用高灰SCR系統，反應區安裝在鍋爐省煤器出口和空預器進口之間，直接放置于鍋爐構架范圍內，結構緊湊，節省主廠房占地，符合業主的要求如圖1所示。

圖1 反應區布置圖

1.2 確定反應區型式

工程反應區因處高灰位置，為避免積灰，采用了與煙氣流向垂直的反應器；同時，考慮到反應區中通過的煙氣溫度可高達420℃以上，為避免聚集較大的熱應力引起設備損壞，采用了懸吊結構。從而確保了設備各方向的自由膨脹，也方便了催化劑的安裝與更換。

1.3 確定反應區數量

工程對應鍋爐：π型爐。對應接口：2個省煤器尾部。據此以鍋爐中心為對稱軸配置兩套反應區系統。

2 反應區的工藝計算

工程要求：在鍋爐BMCR工況，處理煙氣量為1914095Nm3／h，NOx濃度350mg／Nm3的條件下脫硝效率按照80%設計，氨的逃逸濃度不大于3ppm，SO2／SO3轉化率小于1%，從脫硝系統入口到出口之間的系統壓力損失在性能考核試驗時不大于810Pa，其中本體和煙道阻力不大于410Pa，每層催化劑阻力不大于200Pa，化學壽命期內，對于SCR反應器內的每一層催化劑，壓力損失保證增幅不超過20%。

實驗證明：混合了氨氣的煙氣以4～6m／s的速度流經催化劑時，還原反應效果最佳，同時該流速可以起到不損壞催化劑又能沖刷積灰的作用［2］。經過一系列工藝參數的計算，確定催化劑規格及數量，也即初步確定了催化劑的總橫截面積及高度（層數），因而也決定了系統阻力。最終反應器尺寸需綜合考慮，適中的外形尺寸既能夠避免荷載和所占空間過大，又能減小投資和運行、檢修維護的費用。考慮到我國不斷提高的環保要求，以及初期催化劑管理更換經濟、靈活，工程最終確定反應器截面為9.65m×13.94m，2（投運）＋1（預留）的3層催化劑結構，共140個催化劑模塊。

3 反應區的部件確定

3.1 確定支撐梁

支撐梁是反應區重要的受力件，包括反應器、催化劑、出口煙道、頂蓋煙道等部件全都懸掛或坐落于其上，同時還要承擔各部件保溫重量及積灰的重量，以及由于風力、地震等產生的水平載荷。支撐梁通過支座把這些重量傳到鍋爐后的鋼支架大梁，鋼支架再通過立柱把這些載荷傳給基礎。支撐梁被設計成6片橫梁（見圖2），其間用縱梁相連，6mm鋼板密封，并設置24個吊點（見圖3，用H形狀表示），分散幾百噸的載荷。通過設置在6片橫梁下的12個支座，整個支撐梁放置在鋼架大梁上，支座安裝在鋼支架上，安裝時支座上平面必須校平，高度誤差小于3mm。支座有1個由不銹鋼與聚四氟乙烯組成的相對滑動面，在受熱膨脹時能夠自由滑動。在支撐梁內還設置煙氣整流裝置，能使煙氣在整個截面上均勻地進入催化劑流通斷面，保證脫硝效率。

圖2 支撐梁

圖3 吊點位置

3.2 確定反應器

反應器主要作用是放置催化劑，類似一座3層疊加的矩形容器。四周用6mm鋼板封閉，懸吊于支撐梁上，形成密封的煙氣通道。每層內部均由網格式框架（即催化劑托架）構成，用于安放催化劑，托架上表面標高與外部平臺格柵面平齊，方便催化劑由反應器外部推入內部。每個催化劑重量達1t左右，在與支撐梁吊點相對應的位置設置了吊桿組裝置（見圖4），提高催化劑托架的承載能力，把催化劑重量分散作用于支撐梁上。在催化劑托架上，設計了槽形鋼，并鋪設密封墊片，使催化劑嵌入其中，一方面起到了密封的作用，另一方面可以抵擋水平力產生的可能移位，起到了定位的作用。同時，在催化劑托架本身、催化劑與反應器側板之間，以及催化劑與催化劑之間頂部也設置防積灰板和密封裝置，使煙氣有效地流過催化劑，保證脫硝效率，并可以減少壓力的損失。根據工程灰分的特性，每個反應器設置2層耙式蒸汽吹灰器，每層設置4只，第3層預留吹灰器接口，避免運行中積灰堵塞催化劑。反應器側板上還設有人孔門及催化劑裝載門。

圖4 吊桿組

3.3 確定進出口煙道

進出口煙道連接省煤器出口與空預器進口，與反應器構成整個脫硝系統的煙氣通道。煙道的設計首先要考慮整個系統橫截面積的煙氣流場分布均勻，流速不宜有顯著差別，不能出現過大的變徑，避免出現“袋形”、“死角”，以及局部流速過低的管段，并避免煙氣沖撞。脫硝工程的進口煙道在省煤器與反應器之間有一段梯形變徑煙道，有3個轉彎煙道，考慮到灰分的特性，還在第一個下彎煙道處設置了灰斗。為使氨注入裝置處氨與煙氣混合均勻，催化劑入口的煙氣流場分布均勻，改善煙氣以直線方向進入催化劑，減少沖蝕情況，采取了在進口煙道轉彎處安裝導流板、支撐梁中安裝整流器、安裝防積灰裝置減少灰塵沉積等措施，同時使用Fluent公司開發的Fluent6.3商用CFD軟件，建立1／15比例物理模型，并用GAMBIT軟件生成流場網格（計算網格），進行一系列煙氣流場變化模擬計算和數據分析，取得導流板的最佳設計方案，確保NOx／NH3分布均勻，煙氣速度分布均勻，獲得最小煙氣壓降，整個系統性能得以實現［3］。

本工程煙道壁按6mm設計，煙氣流速不超過15m／s，能夠承受如下負荷：自重、風雪荷載、地震荷載、積灰以及保溫等重量，設計壓力和瞬時不變形承載壓力不低于±9800Pa。煙道加固肋的設計采用了帶內撐桿的橫向加固肋支撐面板和承受載荷，縱向肋考慮失穩的模式，必須滿足強度、剛度和撓度要求，同時對加固肋的型式進行優化，盡可能減少規格和鋼材消耗。設計需要確定加固肋中心間距及規格兩大部分，其計算方法根據電力部《火力發電廠煙風煤粉管道技術規程配套設計計算方法》中相關計算公式獲得。經過計算和比較，煙道采用H型鋼加角鋼加固肋，內部加裝撐桿的型式。此外，工程中，鍋爐出口煙道中心線在滿負荷工作時向下膨脹約200mm，而右側脫硝煙道向下膨脹約60mm，因此設計水平進口煙道時令其在冷態安裝就預先向下落低100mm，可減少膨脹節載滿負荷時的扭曲量（見圖5）。

圖5 水平煙道安裝

3.4 確定支座、定位裝置、膨脹節

支撐梁放置于鋼梁上，反應器殼體懸掛于支撐梁上，與鋼梁有相對自由滑動面，考慮到熱膨脹及地震產生的巨大橫向作用力下，設備不發生實質性的位移，催化劑不被擠壓破壞，在標高為44.79m的水平橫截面的中心對稱線上設置4個定位柱頭，標高為34.4m處四周設置了只允許單向水平位移和向下位移的限位擋塊，使設備工作時，盡可能保持正確的外形，中心線不發生任何方向的扭彎。與支撐梁相似，進口煙道被放置于標高為44.79m的鋼梁上，設置了定位柱頭，標高為40.4m處設置導向裝置，只起定位導向作用，不影響自由膨脹。同樣地，水平進出口煙道放置于鋼架上，固定居中支座，而其他支座則給以相應的膨脹自由度；而又在頂蓋煙道與進出口煙道的相應位置設置了膨脹節來補償因變形引起的水平位移，垂直位移和角位移，都是為了使設備在長期使用中在自由膨脹的情況下，不隨意移動。

3.5 確定氨注入裝置

氨注入裝置為系統提供反應所需的還原劑，均勻地分布于進口煙道垂直段，噴射方向與煙氣方向一致，避免產生氣流的紊亂。裝置要能經得起煙氣沖擊引起的磨損，因此特別加裝了防磨角鋼，噴嘴采用不銹鋼材料，設計成螺紋連接，可以在鍋爐停運的情況下進行檢查和更換。氨注入裝置設置流量調節閥，能根據煙氣不同的工況進行調節。在距氨注入裝置下游1m處還設置了混合裝置，促使氨與煙氣混合均勻。

3.6 確定催化劑吊裝及其他

與反應器催化層相對應，鋼支架設有3層平臺。利用安裝于標高為44.79m的鋼梁上的電動葫蘆，將催化劑由地面吊到平臺上，鋪設輸送滾道、轉臺等裝置由反應器外部推入反應器內部，安裝于正確位置。輸送工具設計成分段式，方便人力搬運，可重復使用，節省了成本。

反應區任何位置應密封焊接，不允許有泄漏，應嚴格檢查焊縫泄漏。

反應器本體及煙道的工作溫度高達400℃左右，在所有受熱面都需鋪設保溫層。

4 結 語

脫硝反應區的結構設計是SCR工藝的關鍵，其技術難點在于煙氣流場優化和氨煙均勻混合，上海石洞口電廠二期項目脫硝工程很好地解決了這兩點。整個工程結構合理，安裝方便，控制了成本，已于2009年12月正式投產運行，性能考核中氮氧化物排放濃度小于100mg／Nm3，同時還為滿足以后更高的氮氧化物排放標準預留了空間。工程的投運，較好地滿足了業主的要求，為今后的項目積累了經驗，促進了煙氣脫硝技術的國產化進程。

［1］陳進生.火電廠煙氣脫硝技術—選擇性催化還原法［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［2］國家環境保護部.HJ562－2010火電廠煙氣脫硝工程技術規范—選擇性催化還原法［S］.北京：中國環境科學出版社，2010.

［3］劉 霞，葛新峰.FLUENT軟件及其在我國的應用［J］.能源研究與利用，2003（2）：35－38.