火电厂脱硝改造工程SCR反应区工艺设计分析
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摘要：本文结合作者实际工作经验，分析了火电厂SCR脱硝改造工程反应区工艺设计内容和特点，为同类工程的设计工作者提供参考和借鉴。
中图分类号：TE08文献标识码： A
Abstract: Combined with the author’s practical work experence,this paper analyzes the contents and characteristics of reaction zone technology specialty design of thermal power plant SCR denitration in renovation project,provides reference to design engineers in other similar projects.
Key words: SCR denitration; renovation project; technology specialty design of reaction zone
1.前言
根据《火电厂大气污染排放标准》的明确要求以及国家环保要求不断提高的形势，火电行业烟气治理的力度进一步加强，火电厂烟气脱硝已成为国家大气污染治理的重点工作，因此，现有火电机组必须或面临进行脱硝改造。对于采用选择性催化还原法脱硝工艺(SCR工艺)的脱硝改造工程，SCR反应区工艺设计的核心内容是：根据现有机组炉后有限的空间，将脱硝烟道、工艺设备、管道走向及各层平台进行合理布局，并推进整个反应区的钢架搭建设计工作。
2.SCR反应区工艺设计内容和特点
2.1 脱硝烟道设计
2.1.1 确认烟道接口
首先，工艺专业需熟悉待改造锅炉尾部烟道结构和锅炉钢架资料。根据烟气脱硝改造的要求，对现有锅炉尾部烟道进行分析，确认SCR反应器进口烟道从省煤器出口的接口位置，以及SCR反应器出口烟道接至空预器入口的接口位置。并根据需进行烟气脱硝改造工程炉后预留的SCR反应区钢架(或混凝土柱子)布置，确认SCR反应器进、出口烟道的走向。
若空预器在省煤器出口的垂直下部，首先应确定二者之间的烟道是否满足脱硝改造烟道引出所需空间(不少于6m)。如不能满足要求，仅通过原有烟道部分的改造无法实现新增SCR反应器进、出口烟道的引接，则需对省煤器或空预器进行改造。空预器的改造可将空预器及空预器出口烟道整体下移；对省煤器的改造，需通过与锅炉厂的配合，调整省煤器受热面间距，将省煤器出口上移。改造后省煤器与回转式空预器之间间距达到6m以上，即可实现新增SCR反应器进、出口烟道的引接。若空预器在省煤器的侧下部，在进行脱硝改造时，可直接在省煤器与空预器间的烟道上开口引接入反应器。
2.1.2 确定烟道截面尺寸
在SCR反应器进、出口烟道的布置方案确定后，便可进行脱硝烟道的系统设计，主要设计内容为确定不同位置的烟道截面尺寸。由于烟道的各个接口：省煤器出口、SCR反应器进、出口、空预器入口尺寸不同，以及SCR反应器进口烟道在竖直方向受到预留钢架间距较小的空间限制，因此烟道需进行多处的变径设计。变径部分烟道的截面尺寸，需根据锅炉烟气量，以及将烟气流速控制在不超过15m/s的边界条件进行计算得出。此外，SCR反应器进口烟道在竖直方向的变径范围，还需考虑同时进行的喷氨管道以及热工仪表安装位置的要求，在喷氨接入烟道的标高处之前(逆烟气流向)完成变径，留有至少约2m的直烟道段，以得到较好的喷氨混合效果，以及准确的烟气测量参数。
2.1.3 流场模拟
在烟道的走向布置、截面尺寸及膨胀节的设置都确定后，结合同步进行的反应器布置设计，一并进行CFD流场模拟。根据流场模拟的结果，在烟道的弯角处设置导流板，使脱硝系统的烟气流场得到优化。
2.1.4 烟道加工图设计
根据以上设计方案，逐段设计烟道加工图。由于脱硝反应区区域内的烟气温度在400℃左右，因此，烟道壁钢板材质选用屈服强度较高的Q345B。根据导流板位置合理布置烟道内撑杆及烟道外壁的工字钢和槽钢，并按照脱硝钢架布置对烟道进行相应位置的支吊架设计。
2.2 SCR反应器设计
脱硝SCR反应器的作用是：承载催化剂，实现NOX与NH3在此区域进行选择性催化还原完成脱硝。因此，SCR反应器的实质为承载催化剂的钢结构的装置。由工艺专业确定SCR反应器内部结构、截面尺寸，以及入口门位置后向土建结构专业提资，由土建结构专业完成SCR反应器钢结构的搭建。
2.2.1 确认SCR反应器结构
反应器的数量应根据锅炉容量、锅炉炉型、布置空间、省煤器及空预器的数量、脱硝系统可靠性等因素确定。锅炉容量较小的机组，一般多采用单空预器，脱硝布置采用单SCR反应器。200MW以上机组多为二个空预器，均采用二个SCR反应器。根据SCR工艺脱硝效率要求达到80%以上，每台SCR反应器一般按照2＋1层设计，即二层运行层，一层备用层。三层催化剂层的高度方向间距为3m，作为催化剂放置及吊装空间。在顶层催化剂层上方3m位置，一般设置一层整流层，作用是使进入SCR反应器的喷氨后的烟气均匀进入催化剂层。整流层距SCR反应器入口中心线距离约3m，在此空间设置导流板，使进入SCR反应器的烟气流场得到优化，导流板的尺寸及安装角度，需经过对脱硝反应区烟道和SCR反应器整体进行CFD流场模拟后得出。如果经过流场模拟后设置的导流板即可使烟气流场均匀，则无需再设整流层。
2.2.2 确定SCR反应器截面尺寸
对于烟气脱硝改造工程SCR反应器的截面尺寸主要由烟气量、烟气流速和催化剂模块尺寸和预留脱硝钢架的柱间距等因素决定的。先根据锅炉烟气量和炉膛出口的NOX排放浓度，通过计算得出每台锅炉脱硝所需的催化剂用量，一般情况催化剂内烟气流速控制在4～6m/s，再按照初装两层催化剂设计，以及催化剂模块的规格，得出每台反应器每层的催化剂模块安装数量，即可得到SCR反应器的截面积。再根据每台SCR反应器应支撑安装在预留的四根主钢架间的区域内，因此通过调整每层催化剂模块的摆放方式，即可确定SCR反应器截面的长、宽尺寸。
2.2.3 确定SCR反应器入口门位置
SCR反应器每层催化剂层的入口门的位置，主要是由脱硝钢架、反应器位置和催化剂在零米的空地吊装位置决定的。对于反应区位于管式空预器上方的改造工程，其后方有尾部烟道及其支架，无法从炉后方向起吊催化剂模块。因此，每台炉的二台反应器的催化剂模块需从各自外墙一侧起吊，即在反应区的两侧设置催化剂模块吊轨，每层催化剂层的入口门位置就设置在垂直于起吊竖直轨迹处，便于将催化剂模块吊至入口门处后，直接推入SCR反应器。对于反应区搭建在尾部烟道支架上方的改造工程，炉后方向无起吊障碍，且每台锅炉的二台反应器之间间距较大，可搭设平台。因此，二台反应器可共用一根设置在锅炉中心线上从炉后起吊的吊轨，二台反应器每层催化剂层的入口门位置就设置在反应器内墙处。
2.3 工艺设备和平台布置设计
2.3.1 确定各层平台标高
首先，将省煤器出口上方最近的一层锅炉主体钢架的水平钢架层标高定为SCR反应区主平台层标高。一般SCR反应区主平台层钢梁可与该层标高的锅炉主体水平钢架进行刚性连接，由此提高反应区钢架的稳定性。将稀释风机和压缩空气储罐布置在主平台层上，安装位置需避开催化剂模块从起吊至SCR反应器入口门之间的催化剂模块运载区域，且需考虑由设备接出的管道走向便捷。
由于SCR反应器支撑柱座落于SCR反应区主平台钢梁之上。因此底层催化剂层与SCR反应区主平台之间有约1m的高度差，需在SCR反应器入口门处搭建一个局部的平台以便于将催化剂模块运载进SCR反应器，再以此局部平台的标高向上逐一类推3m高度，就分别是中间层催化剂层、顶部催化剂层，以及整流层平台标高。氨气空气混合器及气氨阀门组布置在中间层催化剂层或是顶部催化剂层平台，由喷氨口高度决定。为得到良好的氨气/烟气混合效果，喷氨位置应与反应器入口有一定距离，但受到烟道变径等限制，视具体情况而定。
在SCR反应区主平台下方、空预器入口上方，设置一层平台用于安装CEMS间和电气间，这是由CEMS间安装位置必须低于脱硝反应区进、出口烟道上的CEMS测点探头安装位置的要求决定的，以利于采样烟气由探头处到达分析设备。在SCR反应区主平台下方还需设置一层检修平台，以便于安装检修SCR反应器出口烟道上的热工测点。
2.3.2 确定与锅炉平台连通位置
脱硝反应区各层平台标高及平面布置确定后，根据锅炉侧现有平台位置和脱硝反应区各层平台特点，选择至少两层脱硝反应区平台与锅炉平台连通，作为脱硝反应区运行后巡检的主要到达通道。
2.4 SCR反应区工艺管道设计
由于SCR反应区设备是布置在脱硝反应器钢架平台之上，很多管道需要上穿或下翻穿越平台，因此在做此部分设计时，工艺专业要和土建结构专业配合进行。如管道穿越平台时，需确认穿越路径上是否有主梁或者次梁，即使是水平支撑的位置也需考虑。更为细致的情况是：如果管道穿越路径距离主梁、次梁或者水平支撑等钢结构较近，则需要明确该处钢结构的型式和牌号，得出其翼缘宽度，以确认管道在穿越该处平台时是否会与钢结构碰撞。
3.结语
脱硝改造工程SCR反应区工艺设计，受机组现有空间限制，较新建机组的脱硝SCR反应区设计难度大，是需要对各个设计分项统筹考虑，分阶段推进或者同步进行的系统设计工作，只有以满足工程建设要求的设计成品为基础，才能实现火电厂实施脱硝改造以降低氮氧化物排放的目标。
参考文献
[1] 《火电厂烟气脱硝技术导则》 DL/T 296－2011.
[2] 《火电厂烟气脱硝工程技术规范-选择性催化还原法》HJ562－2010.