王艷麗

（上海電氣石川島電站環(huán)保工程有限公司，上海 201612）

安裝煙氣脫硝裝置是實(shí)現(xiàn)大型燃煤電廠煙氣中氮氧化物（NOx）排放達(dá)標(biāo)的惟一有效途徑。于2008年6月1日開(kāi)工的上海石洞口二廠二期2×660MW機(jī)組為國(guó)產(chǎn)超超臨界機(jī)組，同步建成煙氣脫硝裝置工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)工程）。業(yè)主要求脫硝裝置不設(shè)旁路煙道，優(yōu)化布置方案，盡量節(jié)省主廠房占地，裝置服務(wù)年限為30a。

工程采用最為成熟、有效、廣泛使用的選擇性催化還原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）工藝（即選擇性催化還原法）［1］，整個(gè)系統(tǒng)主要由氨區(qū)和反應(yīng)區(qū)兩大部分組成。在這兩大區(qū)間貫穿著儀表控制、電氣、土建、火災(zāi)報(bào)警等系統(tǒng)，及時(shí)調(diào)節(jié)、監(jiān)督各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，使整套裝置得以正常運(yùn)行，構(gòu)成完整的脫硝系統(tǒng)。其中，氨區(qū)是氨氣的儲(chǔ)存、制備、供應(yīng)系統(tǒng)，為SCR工藝提供必需的還原劑，包括液氨儲(chǔ)槽、蒸發(fā)槽、氨氣緩沖槽、稀釋風(fēng)機(jī)、氨控制閥、氨空氣混合器，以及相應(yīng)閥門(mén)、管道及其附件、支撐等；反應(yīng)區(qū)包括煙道和反應(yīng)器兩部分，是SCR工藝發(fā)生還原反應(yīng)的場(chǎng)所，也即富含NOx的煙氣流經(jīng)整個(gè)反應(yīng)區(qū)后，在反應(yīng)區(qū)尾端被還原成符合脫硝要求的凈煙氣。氨區(qū)是SCR工藝的條件部分，具有通用性，反應(yīng)區(qū)是SCR工藝的實(shí)施部分，具有差異性。

本文將以上海石洞口電廠二期項(xiàng)目的脫硝裝置工程為依托，著重介紹反應(yīng)區(qū)的設(shè)計(jì)思路和特點(diǎn)。

1 反應(yīng)區(qū)設(shè)計(jì)總綱

1.1 確定反應(yīng)區(qū)位置

SCR工藝的還原反應(yīng)是在催化劑的參與下才可以發(fā)生的，在300～400℃的溫度范圍內(nèi)催化劑的活性最好。省煤器出口煙氣溫度在100%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（Boiler Maximum Continue Rate，BMCR）工況下為372℃；因此，在不設(shè)旁路煙道的前提下，采用高灰SCR系統(tǒng)，反應(yīng)區(qū)安裝在鍋爐省煤器出口和空預(yù)器進(jìn)口之間，直接放置于鍋爐構(gòu)架范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省主廠房占地，符合業(yè)主的要求如圖1所示。

圖1 反應(yīng)區(qū)布置圖

1.2 確定反應(yīng)區(qū)型式

工程反應(yīng)區(qū)因處高灰位置，為避免積灰，采用了與煙氣流向垂直的反應(yīng)器；同時(shí)，考慮到反應(yīng)區(qū)中通過(guò)的煙氣溫度可高達(dá)420℃以上，為避免聚集較大的熱應(yīng)力引起設(shè)備損壞，采用了懸吊結(jié)構(gòu)。從而確保了設(shè)備各方向的自由膨脹，也方便了催化劑的安裝與更換。

1.3 確定反應(yīng)區(qū)數(shù)量

工程對(duì)應(yīng)鍋爐：π型爐。對(duì)應(yīng)接口：2個(gè)省煤器尾部。據(jù)此以鍋爐中心為對(duì)稱(chēng)軸配置兩套反應(yīng)區(qū)系統(tǒng)。

2 反應(yīng)區(qū)的工藝計(jì)算

工程要求：在鍋爐BMCR工況，處理煙氣量為1914095Nm3／h，NOx濃度350mg／Nm3的條件下脫硝效率按照80%設(shè)計(jì)，氨的逃逸濃度不大于3ppm，SO2／SO3轉(zhuǎn)化率小于1%，從脫硝系統(tǒng)入口到出口之間的系統(tǒng)壓力損失在性能考核試驗(yàn)時(shí)不大于810Pa，其中本體和煙道阻力不大于410Pa，每層催化劑阻力不大于200Pa，化學(xué)壽命期內(nèi)，對(duì)于SCR反應(yīng)器內(nèi)的每一層催化劑，壓力損失保證增幅不超過(guò)20%。

實(shí)驗(yàn)證明：混合了氨氣的煙氣以4～6m／s的速度流經(jīng)催化劑時(shí)，還原反應(yīng)效果最佳，同時(shí)該流速可以起到不損壞催化劑又能沖刷積灰的作用［2］。經(jīng)過(guò)一系列工藝參數(shù)的計(jì)算，確定催化劑規(guī)格及數(shù)量，也即初步確定了催化劑的總橫截面積及高度（層數(shù)），因而也決定了系統(tǒng)阻力。最終反應(yīng)器尺寸需綜合考慮，適中的外形尺寸既能夠避免荷載和所占空間過(guò)大，又能減小投資和運(yùn)行、檢修維護(hù)的費(fèi)用?？紤]到我國(guó)不斷提高的環(huán)保要求，以及初期催化劑管理更換經(jīng)濟(jì)、靈活，工程最終確定反應(yīng)器截面為9.65m×13.94m，2（投運(yùn)）＋1（預(yù)留）的3層催化劑結(jié)構(gòu)，共140個(gè)催化劑模塊。

3 反應(yīng)區(qū)的部件確定

3.1 確定支撐梁

支撐梁是反應(yīng)區(qū)重要的受力件，包括反應(yīng)器、催化劑、出口煙道、頂蓋煙道等部件全都懸掛或坐落于其上，同時(shí)還要承擔(dān)各部件保溫重量及積灰的重量，以及由于風(fēng)力、地震等產(chǎn)生的水平載荷。支撐梁通過(guò)支座把這些重量傳到鍋爐后的鋼支架大梁，鋼支架再通過(guò)立柱把這些載荷傳給基礎(chǔ)。支撐梁被設(shè)計(jì)成6片橫梁（見(jiàn)圖2），其間用縱梁相連，6mm鋼板密封，并設(shè)置24個(gè)吊點(diǎn)（見(jiàn)圖3，用H形狀表示），分散幾百?lài)嵉妮d荷。通過(guò)設(shè)置在6片橫梁下的12個(gè)支座，整個(gè)支撐梁放置在鋼架大梁上，支座安裝在鋼支架上，安裝時(shí)支座上平面必須校平，高度誤差小于3mm。支座有1個(gè)由不銹鋼與聚四氟乙烯組成的相對(duì)滑動(dòng)面，在受熱膨脹時(shí)能夠自由滑動(dòng)。在支撐梁內(nèi)還設(shè)置煙氣整流裝置，能使煙氣在整個(gè)截面上均勻地進(jìn)入催化劑流通斷面，保證脫硝效率。

圖2 支撐梁

圖3 吊點(diǎn)位置

3.2 確定反應(yīng)器

反應(yīng)器主要作用是放置催化劑，類(lèi)似一座3層疊加的矩形容器。四周用6mm鋼板封閉，懸吊于支撐梁上，形成密封的煙氣通道。每層內(nèi)部均由網(wǎng)格式框架（即催化劑托架）構(gòu)成，用于安放催化劑，托架上表面標(biāo)高與外部平臺(tái)格柵面平齊，方便催化劑由反應(yīng)器外部推入內(nèi)部。每個(gè)催化劑重量達(dá)1t左右，在與支撐梁吊點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置了吊桿組裝置（見(jiàn)圖4），提高催化劑托架的承載能力，把催化劑重量分散作用于支撐梁上。在催化劑托架上，設(shè)計(jì)了槽形鋼，并鋪設(shè)密封墊片，使催化劑嵌入其中，一方面起到了密封的作用，另一方面可以抵擋水平力產(chǎn)生的可能移位，起到了定位的作用。同時(shí)，在催化劑托架本身、催化劑與反應(yīng)器側(cè)板之間，以及催化劑與催化劑之間頂部也設(shè)置防積灰板和密封裝置，使煙氣有效地流過(guò)催化劑，保證脫硝效率，并可以減少壓力的損失。根據(jù)工程灰分的特性，每個(gè)反應(yīng)器設(shè)置2層耙式蒸汽吹灰器，每層設(shè)置4只，第3層預(yù)留吹灰器接口，避免運(yùn)行中積灰堵塞催化劑。反應(yīng)器側(cè)板上還設(shè)有人孔門(mén)及催化劑裝載門(mén)。

圖4 吊桿組

3.3 確定進(jìn)出口煙道

進(jìn)出口煙道連接省煤器出口與空預(yù)器進(jìn)口，與反應(yīng)器構(gòu)成整個(gè)脫硝系統(tǒng)的煙氣通道。煙道的設(shè)計(jì)首先要考慮整個(gè)系統(tǒng)橫截面積的煙氣流場(chǎng)分布均勻，流速不宜有顯著差別，不能出現(xiàn)過(guò)大的變徑，避免出現(xiàn)“袋形”、“死角”，以及局部流速過(guò)低的管段，并避免煙氣沖撞。脫硝工程的進(jìn)口煙道在省煤器與反應(yīng)器之間有一段梯形變徑煙道，有3個(gè)轉(zhuǎn)彎煙道，考慮到灰分的特性，還在第一個(gè)下彎煙道處設(shè)置了灰斗。為使氨注入裝置處氨與煙氣混合均勻，催化劑入口的煙氣流場(chǎng)分布均勻，改善煙氣以直線(xiàn)方向進(jìn)入催化劑，減少?zèng)_蝕情況，采取了在進(jìn)口煙道轉(zhuǎn)彎處安裝導(dǎo)流板、支撐梁中安裝整流器、安裝防積灰裝置減少灰塵沉積等措施，同時(shí)使用Fluent公司開(kāi)發(fā)的Fluent6.3商用CFD軟件，建立1／15比例物理模型，并用GAMBIT軟件生成流場(chǎng)網(wǎng)格（計(jì)算網(wǎng)格），進(jìn)行一系列煙氣流場(chǎng)變化模擬計(jì)算和數(shù)據(jù)分析，取得導(dǎo)流板的最佳設(shè)計(jì)方案，確保NOx／NH3分布均勻，煙氣速度分布均勻，獲得最小煙氣壓降，整個(gè)系統(tǒng)性能得以實(shí)現(xiàn)［3］。

本工程煙道壁按6mm設(shè)計(jì)，煙氣流速不超過(guò)15m／s，能夠承受如下負(fù)荷：自重、風(fēng)雪荷載、地震荷載、積灰以及保溫等重量，設(shè)計(jì)壓力和瞬時(shí)不變形承載壓力不低于±9800Pa。煙道加固肋的設(shè)計(jì)采用了帶內(nèi)撐桿的橫向加固肋支撐面板和承受載荷，縱向肋考慮失穩(wěn)的模式，必須滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和撓度要求，同時(shí)對(duì)加固肋的型式進(jìn)行優(yōu)化，盡可能減少規(guī)格和鋼材消耗。設(shè)計(jì)需要確定加固肋中心間距及規(guī)格兩大部分，其計(jì)算方法根據(jù)電力部《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道技術(shù)規(guī)程配套設(shè)計(jì)計(jì)算方法》中相關(guān)計(jì)算公式獲得。經(jīng)過(guò)計(jì)算和比較，煙道采用H型鋼加角鋼加固肋，內(nèi)部加裝撐桿的型式。此外，工程中，鍋爐出口煙道中心線(xiàn)在滿(mǎn)負(fù)荷工作時(shí)向下膨脹約200mm，而右側(cè)脫硝煙道向下膨脹約60mm，因此設(shè)計(jì)水平進(jìn)口煙道時(shí)令其在冷態(tài)安裝就預(yù)先向下落低100mm，可減少膨脹節(jié)載滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)的扭曲量（見(jiàn)圖5）。

圖5 水平煙道安裝

3.4 確定支座、定位裝置、膨脹節(jié)

支撐梁放置于鋼梁上，反應(yīng)器殼體懸掛于支撐梁上，與鋼梁有相對(duì)自由滑動(dòng)面，考慮到熱膨脹及地震產(chǎn)生的巨大橫向作用力下，設(shè)備不發(fā)生實(shí)質(zhì)性的位移，催化劑不被擠壓破壞，在標(biāo)高為44.79m的水平橫截面的中心對(duì)稱(chēng)線(xiàn)上設(shè)置4個(gè)定位柱頭，標(biāo)高為34.4m處四周設(shè)置了只允許單向水平位移和向下位移的限位擋塊，使設(shè)備工作時(shí)，盡可能保持正確的外形，中心線(xiàn)不發(fā)生任何方向的扭彎。與支撐梁相似，進(jìn)口煙道被放置于標(biāo)高為44.79m的鋼梁上，設(shè)置了定位柱頭，標(biāo)高為40.4m處設(shè)置導(dǎo)向裝置，只起定位導(dǎo)向作用，不影響自由膨脹。同樣地，水平進(jìn)出口煙道放置于鋼架上，固定居中支座，而其他支座則給以相應(yīng)的膨脹自由度；而又在頂蓋煙道與進(jìn)出口煙道的相應(yīng)位置設(shè)置了膨脹節(jié)來(lái)補(bǔ)償因變形引起的水平位移，垂直位移和角位移，都是為了使設(shè)備在長(zhǎng)期使用中在自由膨脹的情況下，不隨意移動(dòng)。

3.5 確定氨注入裝置

氨注入裝置為系統(tǒng)提供反應(yīng)所需的還原劑，均勻地分布于進(jìn)口煙道垂直段，噴射方向與煙氣方向一致，避免產(chǎn)生氣流的紊亂。裝置要能經(jīng)得起煙氣沖擊引起的磨損，因此特別加裝了防磨角鋼，噴嘴采用不銹鋼材料，設(shè)計(jì)成螺紋連接，可以在鍋爐停運(yùn)的情況下進(jìn)行檢查和更換。氨注入裝置設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，能根據(jù)煙氣不同的工況進(jìn)行調(diào)節(jié)。在距氨注入裝置下游1m處還設(shè)置了混合裝置，促使氨與煙氣混合均勻。

3.6 確定催化劑吊裝及其他

與反應(yīng)器催化層相對(duì)應(yīng)，鋼支架設(shè)有3層平臺(tái)。利用安裝于標(biāo)高為44.79m的鋼梁上的電動(dòng)葫蘆，將催化劑由地面吊到平臺(tái)上，鋪設(shè)輸送滾道、轉(zhuǎn)臺(tái)等裝置由反應(yīng)器外部推入反應(yīng)器內(nèi)部，安裝于正確位置。輸送工具設(shè)計(jì)成分段式，方便人力搬運(yùn)，可重復(fù)使用，節(jié)省了成本。

反應(yīng)區(qū)任何位置應(yīng)密封焊接，不允許有泄漏，應(yīng)嚴(yán)格檢查焊縫泄漏。

反應(yīng)器本體及煙道的工作溫度高達(dá)400℃左右，在所有受熱面都需鋪設(shè)保溫層。

4 結(jié) 語(yǔ)

脫硝反應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是SCR工藝的關(guān)鍵，其技術(shù)難點(diǎn)在于煙氣流場(chǎng)優(yōu)化和氨煙均勻混合，上海石洞口電廠二期項(xiàng)目脫硝工程很好地解決了這兩點(diǎn)。整個(gè)工程結(jié)構(gòu)合理，安裝方便，控制了成本，已于2009年12月正式投產(chǎn)運(yùn)行，性能考核中氮氧化物排放濃度小于100mg／Nm3，同時(shí)還為滿(mǎn)足以后更高的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)預(yù)留了空間。工程的投運(yùn)，較好地滿(mǎn)足了業(yè)主的要求，為今后的項(xiàng)目積累了經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)了煙氣脫硝技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

［1］陳進(jìn)生.火電廠煙氣脫硝技術(shù)—選擇性催化還原法［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.

［2］國(guó)家環(huán)境保護(hù)部.HJ562－2010火電廠煙氣脫硝工程技術(shù)規(guī)范—選擇性催化還原法［S］.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2010.

［3］劉 霞，葛新峰.FLUENT軟件及其在我國(guó)的應(yīng)用［J］.能源研究與利用，2003（2）：35－38.