淺談脫硝反應器的鋼結構設計

張 銘

（中電投遠達環保工程有限公司，重慶 401122）

社會、經濟的不斷發展提高了人們的環境意識，目前對環境的要求也越來越高。火電行業是環境污染的一大主要來源，國家環保部對火力發電廠的煙氣排放提出了更高的要求，嚴格控制其硫氧化物、氮氧化物以及粉塵的排放標準。

由此，負責脫硫、脫硝業務的工程公司應運而生。脫硝工程的中最重要的設備非脫硝反應器莫屬，各個工程公司對其的設計標準不一致，導致其設計成品相差甚遠。綜合工程實際經驗，對反應器的設計做幾點歸納。反應器的設計主要由以下幾部分組成（如圖1）。

圖1

1 設計溫度和壓力

一般來說電廠進行脫硝工程招標時，業主會根據鍋爐的運行工況來要求反應器承受的最高溫度和瞬態防爆設計壓力。根據國內數個脫硝工程如常熟、外高橋、松花江等項目的實際數據得知其最高溫度基本都在420℃以上，而脫硝反應器的主要材料為鋼材。在200℃以下鋼材的應力變化很小，當超過400℃，鋼材應力折減就非常的明顯，420℃和450℃時其許用應力折減達50%。如果反應器設計溫度按其最高溫度設計，其耗鋼量會增加30%左右，大大增加工程造價。然而工程的實際運行情況是最高溫度一般不超過24h/a，每年不超過5次，故造成材料浪費。因此，反應器設計首先最為重要的事就是確定其設計溫度，并統一按其設計溫度進行反應器的設計，同時根據《建筑荷載規范》（GB50009-2012）中的偶然荷載組合校核其最高溫度下的應力值。

2 脫硝反應器設計

2.1 殼體設計

反應器殼體主要由兩部分組成：壁板和壁板加固肋。

2.1.1 壁板的設計

壁板的設計相對加固肋設計較為簡單。鋼板主要考慮其圍護作用，不做承載考慮，及滿足《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程煙規》的最小壁厚即可。反應器內部的煙氣壓力值主要考慮由壁板間的角鋼加固肋來承擔，故按簡支梁考慮即可。需要注意的是：壁板與加勁肋之間是剛性連接，之間會存在溫差，如結構設計不合理會產生很大的溫差應力。故應盡量減小加勁板的徑向尺寸，盡量使其貼近壁板連續布置。

2.1.2 壁板加固肋的設計

壁板縱橫向的型鋼（可以假定為框架中的梁、柱結構）加固肋需要考慮的荷載有：反應器自重和附屬設備重量、金屬膨脹力、煙氣壓力、催化劑荷載、積灰荷載以及風荷載、地震作用等。利用軟件建模時可對反應器的進出口和殼體做梁、柱和支撐的桿件簡化處理，此時壁板和壁板間的角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計。每層催化劑支撐梁和其水平支撐可以假定為縱向加固肋的側向支撐點，以減少其計算長度。荷載簡化輸入：殼體層和風荷載以均布荷載的形式加入到模型；進出口煙道的重量和風荷載、補償器的盲板力也已均布的外力作用在反應器的鋼結構上。

2.2 催化劑支撐梁和反應器支撐大梁設計

催化劑模塊質量大且比較集中，不宜將其重量沿殼體傳送，因此應將催化劑支撐梁端部設置縱向加固肋，通過加固肋形式將其荷載下傳，最終落在反應器支撐大梁上，通過大梁傳給脫硝主鋼架。

從結構模型來說，反應器支撐大梁可以簡化為一簡支梁，其支座為脫硝鋼結構支架的框架梁。反應器及其附屬設施的荷載近千噸，如果單考慮獨立箱型梁承擔整個反應器的荷載，其截面尺寸很大不經濟。因箱型梁的內壁板兼做反應器壁板，工作時其殼體會與箱型梁一起共同作用，故建議在進行大梁截面設計計算時，可參照《鋼結構設計規范》結合板的穩定理論將部分壁板折算入箱型梁的抵抗矩中共同設計。

3 細部注意事項

因反應器入口處的煙氣富含粉塵，且煙氣流速較快（一般大于10m/s），對入口的支撐會造成很大的磨損，故工程設計時建議考慮加附圖所示的防磨角鋼以保護支撐（如圖2）。

圖2

SCR系統易積灰，會直接或間接底減少催化劑的有效體積而降低其性能，變硬的灰塊脫落會造成催化劑的損傷，故結構設計上要考慮減少積灰的措施。其主要有以下幾點：增加整流格柵；在催化劑之間設置金屬格柵和金屬網；催化劑塊之間設置積灰板等。

4 結語

國家對環保事業的推進和發展會產生越來越多的脫硝業務，作為脫硝工程的最大設備——反應器的安全、經濟設計理念尤為重要，因此更應對其設計規范、標準化。

[1]GB150-2011 鋼制壓力容器設計規范[S].

[2]GB50009-2012 建筑荷載規范[S].

[3]DL/T5121-2000 火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程[S].

[4]B50017-2003 鋼結構設計規范[S].

[5]燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術[S].中國電力出版社.