分仓式低温脱硝反应器设计技术要点分析

分仓式低温脱硝反应器设计技术要点分析

韩宏阳

江苏德义通环保科技有限公司，江苏南京，210000

摘 要：分仓式低温脱硝反应器，是适合非电力行业烟气特点的新型结构，给类似项目的设计提供了一定参考价值。反应器布置的合理规划、壳体面板、支撑梁及导流板的合理设计是保证反应器正常运行的必要条件。

关键词：分仓式反应器；低温脱硝；壳体；支撑梁；导流板

随着国民工业经济的进一步发展，大气环境污染问题日益突出，非电力行业（比如焦化、烧结、炉窑等）排放的氮氧化物是主要污染源之一。氮氧化物可引起全球温室效应、酸雨、臭氧层破坏等危害[1]。

区别于电力行业，非电行业烟气普遍具有烟温低、烟气负荷波动大、烟温分布不均匀的特点，成为了困扰非电力领域烟气低温脱硝改造的难点。在以往工程运用过程中，通常是SCR反应器配合MGGH换热器的使用，将改造烟气先加热到350℃的常规脱硝温度区后，进行脱硝反应，处理后的净烟气再次通过换热至200℃，进入到后续工序。然而，MGGH换热器的成本及维护费用高，泄漏维修事故时有发生，一直困扰着各行业的低温脱硝改造工程。

本文以山西某焦化厂3台7.63m焦炉烟道气低温脱硝EPC工程为例，对适合非电力领域烟气特点的分仓式低温脱硝反应器相关设计进行分析说明。

根据项目实际和工艺需求，本项目共计3台焦炉，3座焦炉年焦炭总产量为330万吨。每座焦炉配1台SCR反应器，每台SCR反应器由4个单仓并联组成，每个单仓尺寸为4800mm×2700mm。同时，考虑到低温状态下，硫铵易生成、难清理的工艺特点，每台SCR反应器配一套热风解析系统，每座焦炉配套一个烟囱。以上除热风炉及风机单体采购，烟囱利旧外，SCR设备全部现场制作及安装。3台焦炉环保改造工程自项目签订后，半年内完成投运，项目作为当地政府年度主要考核内容，具有整体工期紧、任务重的特点。

1.反应器布置方案设计

SCR反应器作为脱硝反应的核心设备，是决定脱硝改造是否达标、项目整体成本经济性的关键因素。因此，结合内部催化剂框架的外形特点，通常将反应器设计为适配的非标矩形烟风管道结构。所以，如何将反应器的外形方案进行合理规划是首要考虑的问题。

本项目中，综合考虑场地空间有限及处理烟气的特点等因素，结合设计的可行性及工程经济性，将SCR反应器外形方案由“整体”调整为“多个单仓并联”结构（见图1）。此结构可有效解决三个方面的问题：（1）有效解决场地空间不足问题，多个单仓结构可以在狭长的空间内实现有效布局；（2）有效解决催化剂表面硫铵附着物的离线解析问题，多个单仓并联，互不干涉，通过单仓进出口阀组的调节，实现全系统的在线逐次解析；（3）有效解决烟温低、负荷波动大的问题，有针对性的对单仓进行补热，所需能耗低，升温效果快。

图1 反应器布置方案

2.反应器壳体面板设计

SCR反应器属于四周固定的大挠度薄板结构，其结构符合塑性变形理论，需要从强度、刚度及振动三个维度进行分析。本项目反应器壁厚按照6mm考虑，面板材质为Q355，计算内压为-5.0kpa，内部温度为160℃到220℃之间（计算温度为250℃，并选用此温度下钢材的许用应力及弹性模量），道体面板相对挠度控制在计算宽度的1/120，横向加固肋相对挠度控制在计算跨度的1/250。

在国内，对于类似模型设备壳体外加强型式有多种，采用以横向加固肋为主，适当添加内撑杆的方式最为经济[2]，特别是对于负压易失稳设备而言。

当然，在计算时需充分考虑负压道体横向加固肋失稳的最大跨度等因素，合理设置横、纵向加固肋，配合设置内撑杆结构，在保证结构可靠性的前提下，整体达到经济性最大化的要求。

对于分仓式SCR反应器而言，单仓内部的催化剂和热风解析管网影响了内撑杆的设置。因此，采用横向加固肋为主，纵向加固肋仅作为负压道体防失稳的加固形式为宜。另外，值得一提的是，对于道体截面较大的情况，通常采用内贴角钢的结构形式。鉴于烟道内部相邻面板相交处，相同内压下变形量最小，受力载荷最大，因此四角采用内贴角钢的型式（相邻面板间采用内贴角钢连接），对于反应器壳体整体强度及可靠性更为有利。

3.反应器支撑梁设计

支撑梁作为脱硝设备的主受力核心部件，承载着脱硝反应过程中的全部载荷，包括但不限于反应器本体（含加固肋、支撑梁）重量、全部催化剂重量、积灰荷载、外部保温重量、内部导流板及整流格栅（如有）、与设备连接的阀组及管道（无软连接对接）、雪载等。

本项目按照实际需求，催化剂采用2用1备设置，即共3层催化剂支撑梁，所有梁均穿出反应器面板（相比较钢梁焊接在壳体内部而言，穿出面板的结构型式，可将剪力受力转化为面板垂直受力状态，结构可靠性更优）。在反应器壳体面板的外侧，上下两层相邻的支撑梁间通过立柱焊接固定，从而3层梁与立柱共同构成了稳定框架结构。梁及立柱均采用和反应器面板相同的材质。

该结构与壳体面板整体焊接固定，从而保证SCR反应器的可靠性。其中，为了便于焊接施工及经济性考量，支撑梁采用矩形方管型式，立柱采用H型钢或T型钢。支撑梁的计算可采用简支梁模型，静载采用1.3倍的安全系数，结合实际情况，采用集中载荷和均布载荷共同作用的形式，进行受力分析。在此需要注意的是，反应器本体（含保温等）、催化剂的载荷及附加载荷（内部灰载、外部雪载等）需分别计算，施加在不同位置的支撑梁上，以达到设计的精确性要求。

4.反应器导流板设计

对于分仓式的SCR反应器，如何通过导流板的设置，将烟气尽可能平均分配到多个分仓内，是十分重要的环节，这需要借助有限元FLUENT模拟[3]。

其流场模拟的一般计算步骤：（1）在模拟前，需要结合实际情况，对干扰因素做适当的理想化假设，并建立研究几何模型；（2）对几何模型进行网格划分，在划分过程中，对重点研究部位（特别是弯头处、变径处，或者是烟气进出口部位）进行加密处理。当然，整体模型的划分（网格划分的数目等特征）需要充分考虑计算量因素；（3）对划分网格的模型输入边界条件，完成参数配置（烟气量、温度、压力等）；（4）多次迭代计算，增减或调整导流板的布置，根据计算结果选择最佳方案。（5）通过定性观察和定量分析两个维度，对计算结果进行综合评判，得出导流板设置的报告及设备提资等内容。

5.其他结构的设计

分仓式的SCR反应器结构，配合热风解析、补热系统，可以充分发挥本体并联的优势。其他核心结构，诸如热风炉、热风集箱、热风分布管网等设计，需充分考虑实际情况，结合内部流场优化要求及外部土建框架结构等因素，进行可靠性设计及经济性优化的工作。

6.结语

区别于传统电力行业中高温脱硝项目，在非电力领域的烟气脱硝条件更为苛刻的前提下，其市场前景却更加广阔，特别是伴随着低温催化剂市场化应用的普及和推广，分仓式低温脱硝反应器的结构是适合低温烟气特点的，巧妙地解决了现实工业生产过程中遇到的难点和痛点。

但不可否认的是，不同领域的项目需要进行具体的分析，在充分比较“脱硫+除尘+分仓式SCR反应器+热风炉解析”、“SNCR脱硝+SCR脱硝+除尘+脱硫”、“SNCR脱硝+脱硫+除尘+SCR低温脱硝”、“脱硫+整体SCR反应器+MGGH换热+除尘”等多种工艺路线的场地要求、经济和运行成本等因素的优缺点，选择适合的SCR脱硝工艺路线，从而达到环保的要求。

当然，“分仓式SCR反应器+热风炉解析”结构的成功应用，也为类似非电行业低温脱硝工程的实施，提供了一定的参考价值。

参考文献：

[1]李国亮.氮氧化物对环境的危害及污染控制技术[J].山西化工.2019,(05):123-124,135

[2]王欣,郭小明,张辉,等.火力发电厂烟风煤粉管道加固肋设计计算分析[J].电力科学与工程.2006,(03):17-20

[3]孟文宇.SCR脱硝系统模拟优化研究及应用[D]:[硕士学位论文].太原:山西大学资源与环境工程研究所,2018

作者简介：韩宏阳（1989—），男，工程硕士，工程师，主要从事大气环保设备的研发及设计工作。