0引言 燃煤電廠是SO2和NOx最主要的污染源之一。目前我國已對SO2的排放進(jìn)行了一定范圍內(nèi)的控制，但NOx的排放量仍隨著火電機(jī)組裝機(jī)容量增長而逐年增加[1]。如果在NOx排放方面不予足夠的重視，不久其排放總量將會超過SO2，成為電力行業(yè)的第一大酸性氣體污染排放物。煙氣脫硝是目前發(fā)達(dá)國家普遍采用的減少NOx排放的方法，主要有選擇性催化還原(SCR)和選擇性非催化還原(SNCR)技術(shù)。其中SCR技術(shù)是目前最有效、應(yīng)用最廣的脫硝方法，它能達(dá)到90%以上的脫硝效率。
1975年日本Shimoneski電廠建立了第1個SCR系統(tǒng)的示范工程，其后SCR技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。日本大約有170 套裝置，接近100GW 容量的電廠安裝了這種設(shè)備。在歐洲已有120 多臺大型裝置的成功應(yīng)用經(jīng)驗。而我國在SCR技術(shù)應(yīng)用方面剛剛起步。2004年1月1日起國內(nèi)火電廠開始執(zhí)行新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB13223－2003，強(qiáng)化了NOx排放控制。為解燃眉之急，不少企業(yè)引進(jìn)了國外的煙氣脫硝技術(shù)和設(shè)備。但大量重復(fù)引進(jìn)國外技術(shù)，導(dǎo)致脫硝行業(yè)嚴(yán)重依賴國外技術(shù)支持，并且技術(shù)費用高，建設(shè)周期長，不能滿足國內(nèi)日趨增長的市場需求。同時也存在授權(quán)地與授權(quán)時間限制，容易陷入知識產(chǎn)權(quán)陷阱，不利于國內(nèi)電力環(huán)保事業(yè)的長期健康發(fā)展。在此背景下，江蘇蘇源環(huán)保工程股份有限公司（以下簡稱"蘇源環(huán)保"）經(jīng)過多年研究，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的OI2-SCR煙氣脫硝技術(shù)[2]，并已成功應(yīng)用于國華太倉發(fā)電有限公司2×600MW機(jī)組脫硝工程。
1 國華太倉煙氣脫硝工程簡介
國華太倉煙氣脫硝工程是典型的已建機(jī)組改造工程，項目采用高塵布置方式，在全負(fù)荷工況下脫硝效率≥90%，SO2的氧化率<1.0%，氨逃逸率小于3×10-6，不設(shè)煙氣旁路裝置，脫硝反應(yīng)劑采用液氨。脫硝系統(tǒng)年運(yùn)行小時和設(shè)計壽命與對應(yīng)的主機(jī)一致，系統(tǒng)可用率≥95%。蘇源環(huán)保負(fù)責(zé)煙氣脫硝系統(tǒng)完整范圍內(nèi)的設(shè)計、設(shè)備采購、制造及現(xiàn)場制作、施工安裝、調(diào)試、人員培訓(xùn)、現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)、指導(dǎo)監(jiān)督及整套系統(tǒng)的性能保證和售后服務(wù)等[3]。
國華太倉2×600MW機(jī)組在主體工程實施時未考慮脫硝裝置的布置，脫硝工程施工現(xiàn)場空間十分有限。因此，整個改造工程除了新建液氨儲存及供應(yīng)系統(tǒng)、SCR反應(yīng)器外，還必須對已建設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的加固和技術(shù)改造，如圖1所示。
液氨由氨壓縮機(jī)從槽車卸至液氨儲罐內(nèi)，利用儲罐內(nèi)液氨自身壓力，通過節(jié)流閥將液氨送入蒸發(fā)器，使其在較低壓力條件下氣化，由緩沖罐送往氨氣/空氣混合器與空氣進(jìn)行混合，再送往噴氨格柵(Ammonia Injection Grid, AIG)之噴嘴噴入煙氣中，與之充分混合后進(jìn)入SCR反應(yīng)器。液氨進(jìn)入蒸發(fā)器后，通過緩沖罐的壓力來控制進(jìn)氨。工作時氨氣在蒸發(fā)器中心管上部通過出口排出；當(dāng)緩沖罐壓力過高時關(guān)閉儲罐出口緊急切斷閥，防止液氨液相進(jìn)入緩沖罐，以免事故發(fā)生。蒸發(fā)后的氨通過調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)壓力自動控制。蒸發(fā)器內(nèi)的熱水溫度通過調(diào)節(jié)蒸汽量來自動控制。
煙氣從鍋爐省煤器出來，與噴氨格柵噴出的經(jīng)空氣稀釋的氨氣充分混合，經(jīng)過導(dǎo)流板和整流板后均勻進(jìn)入反應(yīng)器催化劑層進(jìn)行脫硝反應(yīng)。脫硝后的煙氣經(jīng)空氣預(yù)熱器換熱后進(jìn)入煙氣脫硫(FGD)系統(tǒng)脫硫，后排入大氣。
2 NH3/NOx混合技術(shù)研究
氨與煙氣在SCR反應(yīng)器中催化劑進(jìn)出口的均勻混合是保證SCR系統(tǒng)脫硝效率和控制氨逃逸率的關(guān)鍵因素。隨著NH3/NOx摩爾比的增大，脫硝效率會逐漸增加，當(dāng)摩爾比增加到接近1時，脫硝效率增加速度非常緩慢，而此時氨逃逸率急劇上升，造成二次污染。尤其當(dāng)脫硝效率較高時，對NH3/NOx混合程度提出更高的要求，兩者混合稍有不均，就會出現(xiàn)局部逃逸峰值和較高的逃逸平均值。因為此時，如果系統(tǒng)沒有調(diào)節(jié)氨分布不均的能力，部分煙氣含氨量超過NOx反應(yīng)量，就會引起多余的氨流經(jīng)過系統(tǒng)時發(fā)生逃逸。因此，一般燃煤機(jī)組要求催化劑表面NH3/NOx摩爾比的偏差在10%范圍內(nèi)；如果設(shè)計的脫硝效率在90%以上時，要求偏差在5%范圍內(nèi)。
通常在設(shè)計氨噴射網(wǎng)格和SCR系統(tǒng)時，采用冷態(tài)氣流模型和數(shù)值計算模型來保證煙氣進(jìn)入SCR反應(yīng)器之前氨的充分?jǐn)U散和均勻混合。假如煙道的長度不能保證混合均勻，或者模型研究顯示混合特性較差，就應(yīng)加裝導(dǎo)流板或靜態(tài)氣體混合裝置[4]。德國巴克·杜爾公司提出的"三角翼"專利技術(shù)，是在噴氨前后對煙氣進(jìn)行混合處理，其效果比較明顯，但過多的措施增加了系統(tǒng)的阻力和SCR裝置的造價成本。
為了在國華太倉脫硝工程反應(yīng)器進(jìn)口段狹窄空間中實現(xiàn)良好的NH3/NOx混合效果，蘇源環(huán)?；贠I2技術(shù)理念，對NH3/NOx混合技術(shù)進(jìn)行了研究。
根據(jù)燃料特性、鍋爐參數(shù)及運(yùn)行工況等，采用有限體積法對SCR反應(yīng)器及其連接煙道內(nèi)的流體流動及氨擴(kuò)散過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到溫度場、速度場、污染物濃度場等詳細(xì)信息。通過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)的驗證，將計算程序提煉，建成了工程應(yīng)用級別的NOx生成量的模擬器。該模擬器可根據(jù)實時煙氣條件和運(yùn)行工況的變化，將信號及時傳至噴氨控制系統(tǒng)，見圖1。
通過對稀釋后的氨氣與煙氣的流速比、噴出角度、管束布置、AIG支撐等因素的影響進(jìn)行綜合分析，數(shù)值計算，獲取噴氨格柵上每一位置的開孔噴出的氨的流動軌跡及遷徙規(guī)律。提出"主動利用不均"的理念，即以較小代價獲得相對均勻（或稱"近均勻"）的煙氣流，然后根據(jù)煙氣中NOx在不同空間位置的分布情況，有計劃、有步驟地控制不同區(qū)域的噴氨量，實現(xiàn)不同區(qū)域不同的NOx/NH3配比。為了充分實現(xiàn)該理念，蘇源環(huán)保開發(fā)了專利技術(shù)"流場自適應(yīng)型噴氨裝置"。噴氨格柵（見圖2）分若干個支管，每根管子上開一定數(shù)量及尺寸的孔，氨稀釋空氣由此處噴入煙道與煙氣混合；同時，整個煙道截面被分成若干個控制區(qū)域，每個控制區(qū)域由一定數(shù)量的噴氨管道組成，并設(shè)有閥門控制對應(yīng)區(qū)域的流量，以匹配煙道截面各處NOx分布的不均衡。
圖2 噴氨格柵實物
Fig2. Ammonia injection grid chart
NH3/NOx混合技術(shù)的實施顯著提高了NH3/NOx混合強(qiáng)度，降低所需的混合距離，從而降低了系統(tǒng)的投資和運(yùn)行費用。同時又保證第一層催化劑上表面速度標(biāo)準(zhǔn)偏差小于8%，NH3/NOx摩爾比偏差小于4%，NH3/NOx的混合效果設(shè)計達(dá)到國際先進(jìn)水平。
3 設(shè)備改造技術(shù)
由于省煤器與空氣預(yù)熱器之間的空間十分緊湊，根本無法布置SCR反應(yīng)器，因此只能將煙道由鋼架內(nèi)引出，通過SCR反應(yīng)器后再返回空氣預(yù)熱器。為了實現(xiàn)鍋爐系統(tǒng)與煙氣脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化兼容，必須加固SCR反應(yīng)器，對鍋爐鋼架結(jié)構(gòu)、空氣預(yù)熱器、引風(fēng)機(jī)、煙道等進(jìn)行技術(shù)改造。
(1) SCR反應(yīng)器加固及鍋爐鋼架結(jié)構(gòu)改造
根據(jù)工藝設(shè)計要求確定SCR反應(yīng)器的尺寸，反應(yīng)器布置在主體工程煙道支撐框架頂部，該層為反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)支撐面，大平臺結(jié)構(gòu)，也是催化劑裝卸、檢修的操作平臺。SCR裝置進(jìn)出口煙道也布置在該層。反應(yīng)器為直立式焊接鋼結(jié)構(gòu)容器，內(nèi)部設(shè)有催化劑支撐結(jié)構(gòu)，能承受內(nèi)部壓力，地震負(fù)荷、煙塵負(fù)荷、催化劑負(fù)荷和熱應(yīng)力等。根據(jù)初步計算，確定反應(yīng)器總荷載（一般要達(dá)到幾百噸）。反應(yīng)器殼體外部設(shè)有加固肋及保溫層并配有防對流板。
由于進(jìn)出口煙道尺寸較大，在其穿過鍋爐爐后N排鋼架時，進(jìn)口煙道與橫梁以及與該橫梁相連的斜撐梁相碰，出口煙道與斜撐梁相碰，所以必須對原鍋爐爐后N排鋼架進(jìn)行改造。改造的主要內(nèi)容包括拆除SCR反應(yīng)器進(jìn)出口連接煙道處的斜撐，下移中間的橫梁，并對兩邊的附爐架進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募庸獭?
考慮加裝SCR脫硝反應(yīng)器裝置后荷載的增加，對原主體工程煙道支撐框架進(jìn)行改造。SCR脫硝反應(yīng)器裝置支撐框架24.5m標(biāo)高以下采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，以上采用鋼結(jié)構(gòu)。上部鋼結(jié)構(gòu)在適當(dāng)軸位設(shè)橫向垂直支撐，縱向以各列柱與縱梁、縱向垂直支撐組成縱橫向框架結(jié)構(gòu)體系。
(2) 空氣預(yù)熱器的改造
由于煙氣中含有SO2、SO3，容易和從SCR反應(yīng)器中逃逸的還原劑氨發(fā)生反應(yīng)生成硫酸氫氨。而硫酸氫氨在空氣預(yù)熱器的中溫段和低溫段的溫度區(qū)間內(nèi)具有很強(qiáng)的粘性，容易吸附灰塵堵塞空氣預(yù)熱器，危及空氣預(yù)熱器的正常運(yùn)行，會迫使鍋爐機(jī)組停運(yùn)次數(shù)增加。為了防止在空氣預(yù)熱器發(fā)生硫酸氫氨堵塞，除要求催化劑具有較低的三氧化硫轉(zhuǎn)化率，控制NH3的逃逸量最高不超過3×10-6外，還必須對已有的空氣預(yù)熱器進(jìn)行改造，內(nèi)容主要包括傳熱元件部分、吹灰器部分、轉(zhuǎn)子部分。
為了避免空氣預(yù)熱器的中溫段和低溫冷段連接間隙內(nèi)硫酸氫氨堵塞搭橋，而將傳統(tǒng)的低溫冷段和中溫段合并為一段。同時，為了有效清灰，該段內(nèi)的傳熱元件采用高吹灰通透性的波形如NF。這種波形的內(nèi)部氣流通道為局部封閉型，可以保證吹灰介質(zhì)動量在元件層內(nèi)不迅速衰減，從而提高吹灰有效深度。但其換熱性能（單位容積中受熱面面積）不如原DU等板型，因此要維持空氣預(yù)熱器排煙溫度不上升，必須要增加換熱面積，即增加傳熱元件的高度。搪瓷傳熱元件在傳熱、防腐性能上優(yōu)于合金鋼，價格相對便宜，所以冷段宜采用搪瓷表面?zhèn)鳠嵩?，隔斷硫酸氫氨和金屬接觸，而且表面光潔，易于清洗干凈。搪瓷層穩(wěn)定性好，耐磨損，使用壽命長，一般不低于5萬h。
空氣預(yù)熱器吹灰器采用雙介質(zhì)（蒸汽、高壓水）吹灰器，蒸汽用作常規(guī)吹灰；在空氣預(yù)熱器的壓降超過設(shè)計壓降數(shù)值的一定倍數(shù)時，可以用高壓水在空氣預(yù)熱器正常運(yùn)行或停機(jī)時清洗。熱端一般考慮增加一臺普通吹灰器。
空氣預(yù)熱器轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)需做一些局部修改，如轉(zhuǎn)子內(nèi)部取消柵架（用以減少對傳熱元件的阻擋面積，提高吹灰和清洗效果），將橫向隔板延伸到冷端，直接安放加高后的冷段傳熱元件等等。
這些措施最大限度地減小鍋爐裝設(shè)脫硝裝置后帶來的不利影響，和控制氨逃逸率一起，有效減少了空氣預(yù)熱器需要沖洗的次數(shù)，基本保證空氣預(yù)熱器的原有性能，不會危及鍋爐的安全運(yùn)行。
(3) 引風(fēng)機(jī)改造
風(fēng)機(jī)是電廠鍋爐的主要輔機(jī)設(shè)備之一，其所消耗的電量約占總發(fā)電量的1.5%~2.5%，因此，采用高效率的風(fēng)機(jī)型式及最佳的流量調(diào)節(jié)方式對于降低風(fēng)機(jī)電耗意義重大。當(dāng)對鍋爐進(jìn)行脫硝改造后，一方面脫硝劑的噴入量相對較少，對引風(fēng)機(jī)風(fēng)量的影響可忽略不計；但另一方面，因SCR的阻力增加約1000Pa，使引風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓相應(yīng)提高，其功率也相應(yīng)增加。
一般電廠為了提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率高、降低電耗，風(fēng)機(jī)的裕度都較小，因此根據(jù)脫硝工況，對引風(fēng)機(jī)進(jìn)行了增容改造。改造后的引風(fēng)機(jī)在TB點及BMCR點效率都較高，滿足系統(tǒng)改造要求。
(4) 煙道改造
裝設(shè)SCR后，根據(jù)可能發(fā)生的最差運(yùn)行條件（例如：溫度、壓力、流量）進(jìn)行核算，對煙道進(jìn)行了相應(yīng)的改造。煙道改造后提供平滑和穩(wěn)定的流動條件，與工藝要求相一致；在各種煙氣溫度、壓力下和流層的不均勻條件下，均能提供滿意的運(yùn)行；確保在煙氣系統(tǒng)中不會引起不利于運(yùn)行的灰塵沉積。
盡可能優(yōu)化設(shè)計了壓降、煙道走向、形狀和內(nèi)部構(gòu)件（如導(dǎo)流板和轉(zhuǎn)彎處導(dǎo)向板）等。在所有煙道的轉(zhuǎn)彎處以及其它根據(jù)供貨商提供的煙氣流動模型研究結(jié)果要求的地方，提供導(dǎo)向板，并且導(dǎo)向板和轉(zhuǎn)彎處考慮了適當(dāng)?shù)姆滥ゴ胧?
煙道外部充分加固和支撐，以防止過度的顫動和振動。煙道用足夠強(qiáng)度的鋼板制成，以保證其能承受所有荷重條件。焊接結(jié)構(gòu)保證氣密性，所有焊接接頭在里外都進(jìn)行連續(xù)焊。為了避免連接的設(shè)備承受其它作用力，特別注意煙道和鋼支架的熱膨脹。熱膨脹將通過帶有內(nèi)部導(dǎo)向板的膨脹節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，阻止飛灰進(jìn)入膨脹節(jié)；根據(jù)要求提供滑動支架以承受煙道的熱膨脹，這些支架高度應(yīng)可以調(diào)節(jié)。所有煙道有外部加強(qiáng)筋，并且統(tǒng)一間隔排列。為了保持煙道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性，圓形煙道的外部加強(qiáng)筋也統(tǒng)一間隔排列。
4 結(jié)語
我國煙氣脫硝工程以已建機(jī)組改造為主，普遍存在空間制約問題。蘇源環(huán)?；贠I2理念開發(fā)的NH3/NOx混合技術(shù)，可顯著提高混合強(qiáng)度，降低所需的混合距離，同時保證第一層催化劑上表面速度標(biāo)準(zhǔn)偏差小于8%，NH3/NOx摩爾比偏差小于4%。通過對空氣預(yù)熱器、引風(fēng)機(jī)、煙道等主要設(shè)備的改造，很好地實現(xiàn)了鍋爐系統(tǒng)與煙氣脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化兼容。OI2-SCR煙氣脫硝技術(shù)的成功開發(fā)，及其在太倉脫硝改造工程中的應(yīng)用為我國已建火電機(jī)組的脫 火電廠煙氣脫硝（NOx）是繼煙氣脫硫之后又一新興的環(huán)保產(chǎn)業(yè)。目前投入工程應(yīng)用的NOx減排技術(shù)主要有選擇性催化還原（SCR）技術(shù)、選擇性非催化還原（SNCR）技術(shù)、活性碳吸附技術(shù)、低NOx燃燒器等。到目前為止，對于大型的火電機(jī)組，只有SCR技術(shù)可以有效控制90%的NOx排放，也是唯一可使NOx排放濃度低于50mg/Nm3的脫硝技術(shù)[1][2]。專家預(yù)測，未來5~10年，SCR法將一直是火電廠NOx減排的主流技術(shù)。
SCR脫硝技術(shù)以氨作還原劑，在340~400ºC溫度范圍內(nèi)氨與煙氣中的NOx發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)物為N2和H2O。該技術(shù)在國外已經(jīng)比較成熟，但國內(nèi)的脫硝尚處于起步階段，主要依賴國外的技術(shù)支持。目前見于報導(dǎo)的已投運(yùn)的SCR脫硝裝置僅有福建后石電廠的6X600MW機(jī)組（日本技術(shù)）的脫硝裝置和江蘇蘇源環(huán)保工程股份有限公司利用自主研發(fā)的"OI2-SCR"脫硝技術(shù)承建的國華太倉發(fā)電有限公司2X600MW機(jī)組的煙氣脫硝裝置。迄今為止，對于SCR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計國內(nèi)還沒有規(guī)范可循，能檢索到的相關(guān)文獻(xiàn)也很少。筆者曾主持了蘇源環(huán)保"OI2-SCR"脫硝技術(shù)"的開發(fā)，本文擬僅就SCR反應(yīng)器本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計開發(fā)要點作一總結(jié)介紹，與業(yè)內(nèi)同行交流。
1．概述
SCR反應(yīng)器是煙氣脫硝系統(tǒng)的核心設(shè)備，其主要功能是承載催化劑，為脫硝反應(yīng)提供空間，同時保證煙氣流動的順暢與氣流分布的均勻，為脫硝反應(yīng)的順利進(jìn)行創(chuàng)造條件。除催化劑本身的因素外，反應(yīng)器設(shè)計的優(yōu)劣是SCR系統(tǒng)能否順利完成脫硝功能的決定因素。國內(nèi)的煙氣脫硝工程以舊機(jī)組改造為主，一般沒有為脫硝裝置的建設(shè)預(yù)留充足的條件。新建機(jī)組一般在空預(yù)器或電除塵器上方預(yù)留脫硝空間，距地面高度20m以上。因此，反應(yīng)器的設(shè)計與布置是在現(xiàn)場既定的諸多約束條件下進(jìn)行的，為適配現(xiàn)場條件，有時甚至不得不采用削足適履的技術(shù)方案。脫硝反應(yīng)器的設(shè)計開發(fā)，必須綜合考慮現(xiàn)場空間狹小、重量載荷大、工作溫度高、反應(yīng)器三維尺度大、不易與機(jī)組主體自然地適配兼容、脫硝過程對氣流參數(shù)要求嚴(yán)格等問題。本文以600MW機(jī)組為實例，對大型、高溫、輕型SCR反應(yīng)器的設(shè)計開發(fā)作一介紹。設(shè)計條件為：煙氣流量：1882000Nm3/h；工作溫度：378ºC；設(shè)計溫度：400ºC；設(shè)計外壓：7000Pa；NOx含量：500mg/Nm3；粉塵含量：9.88g/Nm3；脫硝率：>90%；氨逃逸率<5ppm。
2．總體設(shè)計方案
省煤器的出口煙氣溫度是催化劑發(fā)揮效力的最佳溫度區(qū)間，因此，反應(yīng)器布置在省煤器之后，空預(yù)器之前，距地面約25m的空間中。根據(jù)煙氣流速、催化劑數(shù)量和脫硝率確定反應(yīng)器的截面積。為避免單臺反應(yīng)器尺寸過大，選用結(jié)構(gòu)尺寸為15m(長)X10m(寬)X18m（高）的兩臺相同的反應(yīng)器并聯(lián)脫硝。圖1為SCR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。反應(yīng)器進(jìn)出口設(shè)置柔性接頭與機(jī)組主體聯(lián)接。在煙氣進(jìn)口段，液氨氣化后與稀釋空氣混合，經(jīng)噴氨格柵噴入反應(yīng)器。反應(yīng)器入口處設(shè)煙氣導(dǎo)流板，接應(yīng)煙氣順暢進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)部空間。催化劑模塊在反應(yīng)器內(nèi)分設(shè)三層，分別安放固定在由型鋼焊接而成的三層框架上。催化劑清灰采用聲波清灰器，反應(yīng)器出口采用機(jī)械振動清灰。單臺反應(yīng)器的總重量約600噸，將催化劑支撐框架梁外伸作為反應(yīng)器的承載支點，直接落在外部框架上。反應(yīng)器內(nèi)的導(dǎo)流板及催化劑支撐框架同時作為反應(yīng)器的內(nèi)撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。反應(yīng)器外壁以型鋼加強(qiáng)，保證在重量和7000Pa外壓下，反應(yīng)器的本體保持必要的剛性。反應(yīng)器壁及內(nèi)部結(jié)構(gòu)由于長期處于400 ºC的高溫下，選用低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345材料，壁外加強(qiáng)結(jié)構(gòu)溫度在300ºC以下，選用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235材料。
圖1 SCR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖
1.導(dǎo)流器 2. 聲波清灰器 3,5,6.催化劑及支架
4.檢測孔 7.支座 8.振動清灰器
3．流體動力學(xué)分析設(shè)計
3．1目的和意義
為了充分發(fā)揮催化劑的效能，保證90%的脫硝效率，降低氨的逃逸率，脫硝的催化反應(yīng)要求流經(jīng)第一層催化劑上表面的煙氣速度標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過10%、NOx和NH3的摩爾比標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過5%。然而，即使采用兩臺反應(yīng)器并聯(lián)脫硝，單臺反應(yīng)器的橫截面積仍有150m2。要在這樣大的截面上有效控制煙氣的流動狀態(tài)達(dá)到預(yù)期要求是比較困難的。只有通過科學(xué)的流體動力學(xué)分析設(shè)計，才可得到反應(yīng)器內(nèi)各區(qū)域的氣流運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)，以及氨氣在整個流通界面上的遷徙分布情況，從而為結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供理論依據(jù)。同時，通過流體力學(xué)分析，還可以得到飛灰在SCR反應(yīng)器及其連接煙道中的運(yùn)動規(guī)律，在理論上發(fā)現(xiàn)可能發(fā)生積灰的部位，用來指導(dǎo)清灰裝置的設(shè)計、選型與布置。另外，還要通過流體力學(xué)設(shè)計來保證氣流的順暢，減小壓降、降低煙氣的動能損失，減小飛灰對催化劑的沖擊磨損。
3．2技術(shù)手段與方法
對大型設(shè)備進(jìn)行流體力學(xué)性能計算分析，僅憑經(jīng)驗或手工進(jìn)行簡單的簡化計算得到的結(jié)果是不可靠的，利用CFD軟件對反應(yīng)器的流體動力學(xué)模型進(jìn)行三維氣固兩相流數(shù)值仿真分析，則是必要的技術(shù)手段。以CFD分析結(jié)果為依據(jù)，優(yōu)化進(jìn)出口煙道的結(jié)構(gòu)形式和導(dǎo)流葉片結(jié)構(gòu)與布置，保證煙氣流動的順暢、均勻，滿足煙氣速度標(biāo)準(zhǔn)偏差的要求；通過網(wǎng)格式布置覆蓋整個煙道截面的多組噴嘴，將氨氣與稀釋空氣的混合物均勻地噴入煙氣進(jìn)口，再通過調(diào)整噴嘴位置、開孔角度及大小，并設(shè)置多組閥門對各組噴嘴單獨進(jìn)行流量控制，使得第一層催化劑上表面的NH3和NOx摩爾比標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到要求。當(dāng)鍋爐負(fù)荷發(fā)生變化時，還要對不同負(fù)荷下煙氣速度分布及氨擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行分析，保證任一工況下煙氣流速及NH3/NOx摩爾比標(biāo)準(zhǔn)偏差均滿足要求值。在易積灰的部件，設(shè)計或選擇合適的清灰器清除積灰。
3．3設(shè)計分析結(jié)果
圖2為反應(yīng)器內(nèi)煙氣流速的分布云圖。圖中可以看出，在任一橫截面上，煙氣流速基本上比較均勻。在進(jìn)口左下角和出口右上角位置有局部的煙氣流動死區(qū)，是易發(fā)生積灰的部位。圖3為第一層催化劑上端橫截面的煙氣流速分布云圖。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)，用數(shù)學(xué)方法可以計算出該截面上煙氣流速的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為8%，滿足設(shè)計要求。圖4為第一層催化劑上端橫截NH3的體積濃度分布云圖。從圖中數(shù)據(jù)可以計算出NH3和NOx的摩爾比標(biāo)準(zhǔn)偏差約為4%，也滿足設(shè)計要求。
圖2 煙氣流速云圖（m/s）
圖3第一層催化劑上端橫截面煙氣流速云圖(m/s)
圖4 第一層催化劑上端橫截面NH3體積濃度云圖
4．結(jié)構(gòu)分析設(shè)計
4．1目的和意義
單臺反應(yīng)器總重約600噸，設(shè)計外壓7000Pa。反應(yīng)器主要的受力有重力載荷、外壓和熱應(yīng)力。反應(yīng)器布置在高空中，其重量最終作用在機(jī)組主體的鋼結(jié)構(gòu)框架上，但主體框架一般沒有這么大的承載余量，只能在錯綜復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)間見縫插針地重新打樁，增加承重柱梁。如果將脫硝裝置獨立出來，也要架設(shè)在一定高度上，以便和機(jī)組主體相協(xié)調(diào)。但脫硝裝置獨立于主機(jī)組之外的結(jié)構(gòu)建設(shè)成本將增加3倍，還要增加數(shù)月的工期[3]。因此，應(yīng)盡可能將SCR反應(yīng)器布置在主機(jī)組框架范圍內(nèi)。在滿足工藝和承載要求下，應(yīng)最大限度地將反應(yīng)器與主機(jī)組框架相適配，減輕反應(yīng)器的重量，降低反應(yīng)器和主體框架之間的作用力，同時也可以減少建設(shè)成本。因此，對通過結(jié)構(gòu)分析設(shè)計，對反應(yīng)器進(jìn)行比較精確力學(xué)設(shè)計計算，優(yōu)化出簡潔、輕便、適配的結(jié)構(gòu)方案是反應(yīng)器設(shè)計開發(fā)的必然要求。
4．2技術(shù)手段和方法
大型平板薄壁鋼殼結(jié)構(gòu)，其承受豎向壓載荷和面壓力的能力是很弱的。因此，反應(yīng)器的壁板厚度對承載能力貢獻(xiàn)不大，取6mm即可，主要依賴內(nèi)外的加強(qiáng)筋和梁柱來承擔(dān)載荷，保證設(shè)備的剛性和強(qiáng)度。催化劑模塊質(zhì)量大且比較集中，不宜將其重量沿反應(yīng)器本體傳送，因此，將催化劑的支撐梁伸出反應(yīng)器殼壁之外，梁端部落在機(jī)組主體框架上作為支座，使重量直接傳至機(jī)組主體框架。反應(yīng)器的鋼殼體重量比較分散，通過外壁的加強(qiáng)筋將重量最終匯集至各支座上。因此，外部加強(qiáng)筋的設(shè)計與布置要充分考慮重量載荷的傳遞原理和過程。7000Pa的外壓是導(dǎo)致鋼殼發(fā)生變形的主要原因。設(shè)計時要利用催化劑和導(dǎo)流器支承框架的自然結(jié)構(gòu)，同時作為反應(yīng)器的內(nèi)撐桿結(jié)構(gòu)。盡量不專設(shè)內(nèi)撐桿。
由各種型鋼焊接而成的復(fù)雜框架內(nèi)外聯(lián)成一體，構(gòu)成了反應(yīng)器的承載結(jié)構(gòu)。但要進(jìn)行精確的力學(xué)計算是比較困難的。在開發(fā)過程中，利用CAE技術(shù)手段對反應(yīng)器進(jìn)行實體建模，盡量不作簡化，以便于對應(yīng)力集中進(jìn)行研究。用強(qiáng)度與變形量作為校核指標(biāo)進(jìn)行分析，直至優(yōu)化得到最佳的結(jié)構(gòu)方案。
4.3 CAE結(jié)果
圖5和圖6分別是用CAE方法對反應(yīng)器在重量載荷和外壓下的應(yīng)力和變形云圖。從圖中可以看出，整體上應(yīng)力是比較小的，但梁柱及加強(qiáng)筋處由于應(yīng)力集中，局部應(yīng)力較大。整
圖5 反應(yīng)器應(yīng)力云圖(MPa)
圖6 反應(yīng)器變形云圖(mm)
體變形最大為26mm，在反應(yīng)器的頂部和底部。因為頂和底沒有設(shè)內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，完全由外部筋梁加強(qiáng)。而反應(yīng)器的周向四壁的變形較小，是由于內(nèi)部導(dǎo)流器和催化劑的支撐梁同時起到了內(nèi)撐桿的作用。
5．熱應(yīng)力分析與支座設(shè)計
圖7催化劑支架結(jié)構(gòu)A
圖8催化劑支架結(jié)構(gòu)B
1. 反應(yīng)器外壁 2,4,6.催化劑支承梁
3,5.立柱 7.支座 8.保溫層
5．1熱應(yīng)力分析設(shè)計
反應(yīng)器的設(shè)計溫度為400ºC，水平方向的最大絕對膨脹量可達(dá)70mm。因此，針對高溫?zé)嵝?yīng)的設(shè)計也是SCR開發(fā)的關(guān)鍵內(nèi)容。熱應(yīng)力最可能發(fā)生的部位是支座和反應(yīng)器外壁上尺寸較大的加強(qiáng)筋或柱梁處。支座對反應(yīng)器的熱脹冷縮效應(yīng)會起到約束作用，合理的支座設(shè)計是減小熱應(yīng)力的關(guān)鍵。加強(qiáng)筋或柱梁均焊接在反應(yīng)器外壁上，它們之間是剛性聯(lián)接，而從反應(yīng)器壁板至加強(qiáng)筋外緣，不可避免地存在著溫差，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，將造成過大的溫差應(yīng)力。因此，在設(shè)計壁外的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時，應(yīng)盡量減小加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的徑向尺寸，并盡量使鋼結(jié)構(gòu)貼近壁板，且連續(xù)布置，以保證從內(nèi)壁到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)之間良好的熱傳導(dǎo)，以減小誤差。當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)徑向尺寸過大時，應(yīng)將其包在保溫層之內(nèi)，盡可能避免加強(qiáng)結(jié)構(gòu)完全暴露在保溫層之外或部分在保溫層外。圖7和圖8為催化劑梁端部兩種不同結(jié)構(gòu)的示意圖。最下面的第三層梁端部作為支座固定在機(jī)組主體上，三層梁之間用鋼質(zhì)立柱連接為一體。A結(jié)構(gòu)的立柱離開反應(yīng)器壁板一段距離，布置在保溫層之外。B結(jié)構(gòu)的立柱貼在壁板上，包裹在保溫層之內(nèi)。A結(jié)構(gòu)顯然比B結(jié)構(gòu)便于制造安裝和保溫，但在高溫工況下，A結(jié)構(gòu)的溫差應(yīng)力卻遠(yuǎn)大于B結(jié)構(gòu)。
圖9 結(jié)構(gòu)A
溫度云圖(ºC)
圖10 結(jié)構(gòu)A
熱應(yīng)力云圖(MPa)
圖11 結(jié)構(gòu)B
溫度云圖(ºC)
圖12 結(jié)構(gòu)B
熱應(yīng)力云圖(MPa)
利用CAE技術(shù)分別對A和B結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，其溫度分布結(jié)果如圖9和11所示，A結(jié)構(gòu)的立柱溫度在90 ºC以下，與壁板的400ºC形成300多度的溫差。B結(jié)構(gòu)由于立柱緊貼壁板且包裹在保溫層之內(nèi)，溫度在300 ºC左右，與壁板之間溫差較小。對應(yīng)地，在圖10和圖11的熱應(yīng)力云圖中，A結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力最高達(dá)到了400MPa，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了許用應(yīng)力。而B結(jié)構(gòu)立柱的熱應(yīng)力在20MPa以下，支座處的熱應(yīng)力最高只有80MPa。顯然，在高溫工況下，B結(jié)構(gòu)是合理的。其它尺寸較大的加強(qiáng)筋也應(yīng)避免選用類似A型的結(jié)構(gòu)。
5．2 支座設(shè)計
圖13 支座分布與滑動自由度
支座盡可能分布在同一平面上，以避免對反應(yīng)器豎向的熱變形形成約束。所有的支座當(dāng)中，只能有一個支座是完全固定的，各個支座的滑動自由度方向也不完全相同，應(yīng)根據(jù)熱變形的方向合理設(shè)置。圖13即是本設(shè)計的支座分布及滑動自由度示意圖。其中，支座8為完全固定支座，其它支座均為特定方向的滑動支座。固定支座設(shè)在中部，可使反應(yīng)器的最大位移降為絕對熱變形量的50%。各支座的滑動自由度沿該支座與固定支座的連線方向，如圖中所示。各滑動支座的一對摩擦副之中，至少有一個為耐溫減摩材料（如聚四氟乙烯），以避免過大的摩擦力對反應(yīng)器本體和主體框架造成破壞。即使如此，在設(shè)計中也要用摩擦力對支梁的穩(wěn)定性和機(jī)組主體支架的水平剪力進(jìn)校核。
6．防積灰與清灰設(shè)計
6．1積灰的危害
圖14 梁上防積灰結(jié)構(gòu)
由于反應(yīng)器布置在電除塵器之前，因此煙氣中的飛灰含量是比較高的?？赡馨l(fā)生積灰的位置主要有反應(yīng)器的進(jìn)出口、催化劑表面、內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)表面。積灰的危害主要表現(xiàn)在三個方面，降低催化劑效能、阻滯煙氣流通、增加反應(yīng)器重量。飛灰附著在催化劑的表面，將催化劑與煙氣隔絕開，使催化劑的效能下降。如果粉灰附著在反應(yīng)器內(nèi)部的其它結(jié)構(gòu)上，時間久了結(jié)為塊狀，降落在催化劑上，會堵塞催化劑表面的小孔，同樣影響催化劑效能的發(fā)揮，同時阻礙了煙氣的流通。因此，防積灰和清灰設(shè)計，是SCR反應(yīng)器開發(fā)必須考慮的。
6．2防積灰和清灰設(shè)計
在結(jié)構(gòu)上應(yīng)使反應(yīng)器的煙氣流場順暢，盡可能利用煙氣把粉灰?guī)ё撸皇蛊湓诜磻?yīng)器內(nèi)沉淀。反應(yīng)器的進(jìn)出口和導(dǎo)流器要根據(jù)流體力學(xué)特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。反應(yīng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)力求簡潔，加強(qiáng)筋、柱、梁盡可能不設(shè)在反應(yīng)器內(nèi)，而是設(shè)在外壁，避免出現(xiàn)平臺、死角。矩形催化劑梁的上平面和催化劑模塊之間的結(jié)合部平面都是易發(fā)生積灰的部位，可在平面上部增設(shè)一雙斜面結(jié)構(gòu)，以防粉灰積存，如圖14所示。催化劑模塊上表面罩一層鋼絲網(wǎng)，有利于阻隔或粉碎落向催化劑的大尺寸灰塊。在反應(yīng)器的內(nèi)壁上設(shè)若干個聲波清灰器，可以及時清除反應(yīng)器內(nèi)壁和催化劑表面的浮塵，以防積聚。反應(yīng)器出口是粉灰最易發(fā)生積淀的部位，在出口的下壁板上可裝設(shè)若干機(jī)械振動清灰器，各清灰器可輪流工作，周期性的清灰。在出口的最下端設(shè)置灰斗，收集積沉的粉灰。
7．總結(jié)與展望
SCR反應(yīng)器的開發(fā)設(shè)計主要涉及大截面空間范圍內(nèi)對煙氣流動狀態(tài)參數(shù)的研究與調(diào)控問題，大型、薄壁、大重量、高外壓下平板鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)設(shè)計問題，針對高溫?zé)嵝?yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題以及防積灰和清灰的問題。此外，SCR反應(yīng)器的設(shè)計開發(fā)還包括本體之外的支承框架設(shè)計、各種檢測接口以及催化劑安裝更換便利性設(shè)計。
需要指出的是，就目前流行的SCR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)而言，仍存在著較大的熱應(yīng)力，催化劑的安裝與更換也費時耗力。筆者在"OI2-SCR"升級技術(shù)中，已經(jīng)新開發(fā)了一種懸吊式SCR反應(yīng)器，整個反應(yīng)器懸吊在機(jī)組主框架上，從而可以徹底解決高溫?zé)嵝?yīng)的不良影響；另外，各層催化劑可以上下移動，一方面可以明顯降低反應(yīng)器的高度，另一方面可方便快捷地安裝更換催化劑。 硝改造提供了技術(shù)保障，具有極強(qiáng)的示范和借鑒意義。
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