浅谈烟气脱硝反应器钢结构设计
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摘 要：本文结合笔者从事的两个火力发电厂脱硝项目的土建设计，脱硝项目中的主要设计工作有钢支架及基础设计、反应器设计、制氨区的设备基础的设计；针对这几项设计中钢支架比较高大、而且荷载比较大，一般高度在50米到80米，支撑在上面的荷载在3000吨以上，探讨这个脱硝反应器的钢结构设计思路。
引言
近年来国内一些新建大机组已与机组同期建设了脱硝装置，在脱硝装置项目中的主要设计工作有钢支架及基础设计、反应器设计、制氨区的设备基础的设计。在这几项工作中钢支架比较高大，一般高度在50米到80米；荷载多样而且又比较大，支撑在上面的荷载在3000吨以上。但结构受力较明确，就是一般的钢框架结构，设计起来较为方便；制氨区的设备基础也是比较常见的设计；但反应器是实现烟气脱硝工艺的主体结构，通常为大型薄壁壳体钢结构，其是一个荷载较大、温度较高、结构较为复杂又要通烟的一个容器，而且由于工艺原因同时还受有地震、温度荷载作用。目前对于脱硝反应器的结构设计并没有完善的设计理论，在生产制造时构件截面尺寸都具有较大的保守性和与盲目性，从而造成材料的很大浪费。现结合笔者参与两个火力发电厂脱硝项目的土建设计工作，探讨脱硝反应器的设计思路，为设计部门提供科学可靠的设计理论依据，具有非常重要的工程和实际意义。
脱硝反应器钢结构设计概况
脱硝装置进口是省煤气，出口是空预气，就是安装在省煤气和空预气间的一个反应装置。它是从省煤气出来的烟气进入到脱硝装置的前部分烟道，在该处喷入纯氨与烟气中的氮氧化物(硝)反应，再经过催化剂加快和促使其反应，将氮氧化物去掉后的洁净烟气进入空预气，这就完成了整个脱硝反应过程。装催化剂的容器行业内统称反应器。反应器的设计的位置一般在高约50米的钢支架上。一般一台100万机组需要两个反应器，每个反应器长约16米，宽约15米，高约27米，下部带成锥形的长方体，每个反应器竖向荷载有催化剂的重量约500吨，积灰荷载约200吨，自重约350吨，再加上壳体保温、吹灰器等其它荷载250吨，总竖向荷载约1300吨；水平力在反应器进出口与烟气流向相反的与进出口面积成正比的一个作用力，该作用力的大小为进出口面积×5.8kPa。其它水平力根据当地风荷载和地震确定，反应器内需承受烟气压力±5.8 kPa，烟气的温度在320°-427°，结构类型全部采用钢结构。
反应器壳体是包含催化剂的外部结构，主要由框架钢结构、钢板焊接而形成密闭的空间。为了防止烟气的散热，在反应器内外护板之间布置保温材料。同时，为了能有效地支撑催化剂，在每层催化剂的下面布置有支撑钢结构梁，将催化剂模块成排布置在支撑梁上。在反应器的入口设置气流均布装置，反应器内部易于磨损的部位设有防磨措施。内部各种加强板及支架均设计成不易积灰的型式，同时将考虑热膨胀的补偿措施。在反应器壳体上设置更换催化剂的门、人孔门和安装声波吹灰器的孔。
图1脱硝反应器结构示意图
脱硝反应器构件设计要求
由于反应器内温度较高， Q235钢材根本不能满足设计要求，只能选用材质更好的钢材，可供选择的有低合金钢和高合金钢，根据力学性能和经济性一般选用低合金钢中的16MnR，锰钢在高于425°C温度下长期使用时，要考虑钢中碳化物相的石墨化倾向，因此在采用16MnR（GB150-1998中所提）钢时，应选用在425°C下10万小时的σ的抗拉、抗压和抗弯强度140MPa，再将其换算成现在现在常用的Q345（GB50017-2003中）钢的抗拉、抗压和抗弯强度127 MPa，从以上可知钢材在高温下钢材的强度折减较多，稳定不太受影响，因此反应器的结构构件在计算时主要受强度控制。
脱硝反应器结构设计
脱硝反应器分四部分一是进口部分、二是飞灰震流器布置区、三是催化剂存储区、四是出口部分，因此分别就这四部分的设计要点进行探讨。
4.1反应器进出口部分结构设计
反应器进口一般是在方型容器的一个壁上开孔，长与反应器长（或宽）相同，高约4米高的孔洞，用膨胀节与脱硝装置前部分烟道（喷氨段）相连（该部分烟道不在本文说明范围内）；出口在反应器底部一个漏斗形状，出口孔洞与进口孔洞面积差不多。进出口上下，与竖向加劲肋和里面支撑催化剂大梁形成框架体系，另在横向设置间距不超过1米的角钢加劲肋。另外，在脱硝反应器设计中，由于进出口未覆盖钢板和加固肋，算是最薄弱的地方，在进出口处设置与进出口一样大小的水平内撑杆，在水平内撑杆的平面内设置双向桁架，以有效地确保在该平面受到外力时能可靠传递；在进口处设置三品竖向桁架，珩架的布置方向同催化剂大梁的布置方向，以满足顶部荷载（雪荷载和自重）能可靠地传递；在出口处中间设置七品竖向珩架将带成锥形的长方体吊于大梁上，两边就是壁与加固肋延伸至出口处。
4.2飞灰震流器布置区
飞灰震流器布置在反应器入口处水平布置，在催化剂顶层的上面，是用钢板做成约80mm×80mm的栅格，高一般在500mm左右，长宽与反应器相同。飞灰震流器的设置主要是将烟气中爆米花式的粉尘打碎，以避免较大的块状粉尘堵塞催化剂。
4.3催化剂存储区
催化剂一般分为三层布置，每层间层高一般在3.5米-4米，每层催化剂约重170吨，根据大部分催化剂的尺寸布置情况，每层一般采用约9根钢结构箱型梁支撑，上面两层每根梁两端与壁铰接，最下面一层每根箱型梁除支撑本层催化剂和积灰外，还要承受上部两层催化剂、积灰、上部和下部壳体重量及其它通过壁传下来的荷载，所有的荷载通过最下面一层9根大梁传于脱销框架上。另外，为了有效地保证搁置催化剂层在受到水平力的时侯，有足够的强度、刚度和稳定性，在每根大梁间按一定间距设置钢管支撑，并在大梁与支撑间的方格中用钢板设置水平剪刀撑；
4.4脱硝反应器结构设计要点
（1）反应器除进出口外均采用6mm厚的钢板覆盖，竖向设置HN300×150加劲肋，间距同支撑催化剂大梁间距，一般在2米（根据催化剂尺寸确定）左右；横向设置HN300×150加劲肋，间距同催化剂和飞灰震流器层高,
（2）在设计过程中可将飞灰震流器布置区和催化剂存储区及进口部分简化成一个单向受力的框架体系，四周的HN300×150竖向加固肋简化为框架柱,上面两层催化剂支支撑梁、飞灰震流器支撑梁和进口竖向珩架上下弦简化为框架梁,四周6mm厚壁板及角钢加劲肋,简化为柱间剪刀支撑,这样就将一个较为复杂的结构简化为一个受力明确,结构简单的框架体系。
（3）出口锥形部分四周壁及加固肋延伸至出口最底部，相当于这一段壁与加固肋吊在最底层催化剂支撑大梁的边梁上，中间用钢管吊于最底层催化剂支撑大梁的中间梁上。这样既可采用手算方式逐根梁、柱及其它杆件复核，也可采用计算机PKPM计算软件进行建模计算。
（4）考虑到反应器由于温度较高，膨胀量较大，每个方向均不能约束其膨胀，只能以铰接的方式支撑于脱销框架梁上。我们经以往类似工程的测量，支座处的温度已在100度以内，在支座处选择聚四氟乙烯板与聚四氟乙烯板的滑动摩擦能满足设计要求。另外，为了能有效地保证反应器在受到风荷载及地震力时不移位，在反应器四周中心线各设置一个限制左右位移的支座。
结语
本文结合笔者从事的两个火力发电厂脱硝项目的土建设计，脱硝项目中的主要设计工作有钢支架及基础设计、反应器设计、制氨区的设备基础的设计；针对这几项设计中钢支架比较高大、而且荷载比较大，一般高度在50米到80米，支撑在上面的荷载在3000吨以上，探讨这个脱硝反应器的钢结构设计思路，为设计部门提供科学可靠的设计理论依据。
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