7-2scr脱硝反应器设计说明书

1、1.1 设计说明11.2 注意.11.31.41.5主要反应机理及动力学2反应参数确定3煤质资料、脱硝处烟气物性参数32.1 反应器物料及能量. 4SCR 反应器中的物料平衡7SCR 反应器的能量平衡7还原剂消耗量估算8稀释风量估算8NOx 脱除效率9反应器尺寸计算92.32.3.12.3.22.3.32.3.4烟气横截面积尺寸计算9催化剂体积计算10催化剂层数计算10催化剂高度计算10尺寸的确定112.4SCR 反应器工艺计算结果汇总11设计条件图12厚度计算13反应器壁厚计算133.1.2烟道壁厚计算13按材料分类14按工作温度分类14按结构分类144.44.54.6催化剂的布置17反应器

2、布置17加固设计185.强度校核184.催化剂的选型计算143.结构设计及强度计算132.反应器计算（R0201）41.概述1目 录1.概述1.1 设计说明近年来，在经济快速发展的带动下，污染物氮氧化物的排放量也在急速增加。生态环境受到了严重的污染，人类健康也遭到了极大的危害，减少和控制火电厂氮氧化物的排放已迫在眉睫。在 1970 年代后期，应用在燃煤锅炉烟气脱硝的首先是选择性催化还原烟气脱硝技术。由于其成脱硝技术，高效的脱硝效率等特点。在世界范围内得到了十分广泛的应用，现在已经被公认为烟气脱硝的主流技术。选择性催化还原反应器的设计主要分为工艺设计和结构设计及强度校核，工艺设计包括反应器尺寸、

3、催化剂的尺寸、烟道尺寸等，结构设计包括导流板设计、人选型、梁的刚度校核、反应器的强度校核等。图 1-1 SCR 反应器示意图1.2 注意该反应器为 SCR 选择性催化还原脱硝反应器，反应压力为 1kpa，反应温度为 380 oC,反应类型为气固催化反应，进料烟气中含有灰尘，故在反应器的设计过需要考虑一下：严格控制反应器压降严格控制氨逃逸浓度确保脱硝运行处于设计参数范围内：浓度、烟温、烟气成分等4.硫份直接影响脱硝性能保证值中的SO2/SO3转化率与NH3逃逸指标以及空预器改造方案中的冷端镀搪瓷换热元件高度。5. 灰分直接影响催化剂选型（蜂窝/平板）与吹灰器选型（声波/蒸汽）。1.3 主要反应机

4、理及动力学选择性催化还原法（SCR）脱硝技术是指在催化剂的作用下，还原剂（液氨）与烟气中的氮氧化物反应生成无害的氮和水，从而去除烟气中的 NOx。 选择性是指还原剂 NH3 和烟气中的 NOx 发生还原反应，而不与烟气中的氧气发生反应。反应器内主要反应如下：4NO+4NH3+O2 4N2+6H2O（1-1）6NO+4NH3 5N2+6H2O（1-2）6NO2+8NH3 7N2+12H2O（1-3）2NO2+4O2+NH33N2+6H2O（1-4）该反应过程原理图如下所示：图 1-2脱硝反应过程示例图反应动力学方程如下：1.4 反应参数确定本项目设计采用的原料烟气直接来自省煤器的出口烟气，其气压

5、力为 1kpa。 SCR 脱硝反应温度控制在 240380oC 时，催化剂的活性最高，反应速率较快，考虑到设备投资和经济问题，最终确定该反应温度为 380oC。1.5 煤质资料、脱硝处烟气物性参数本项目总厂选址为山西大唐国际临汾热电公司，其所用煤质特性见下表所示。表 1-1 煤质成分分析表名称符号分子量含量/%收到基碳分收到基氢分CarHar12156.373.5收到基氧分收到基氮分收到基硫分收到基水分Oar Nar SarMt161432184.380.991.320.89收到基灰分Aar-32.55大唐临汾热电公司一号机组锅炉年燃煤量 95.622 万吨/年，年工作时间 7200小时，每小

6、时耗煤 132.81 吨。具体烟气参数见下表。表 1-2 烟气参数序号成分体积流量(Nm3/h)摩尔流量103(kmol/h)质量流量103(kg/h)1334.056.24274.512氮氧化物0.890.0160.53二氧化硫2.900.0543.514氧气总量157.842.9594.315氮气总量2077.2338.801086.506水汽总量53.792.9853.707合计2572.9148.131459.338湿基合计2626.51.121513.039灰分总量-43.232.1 反应器物料及能量表 2-1 反应器物料及能量一览表反应器进口反应器进口物流1113Mass Flow

7、 kg/hrH2O2684727071.35NH31420.6090381SO21752.961752.96H3O+00NH4+00OH-00HSO3-00SO3-200CO2137253137253NO2500.8832947N2547787548020O267393.1567326.74NH2COO-00HCO3-00CO3-00SO4-00NH4CL00NAOH00HCL00NA+00AMMON(S)00SALT900CL-00H2SO400SALT800HSO4-002.反应器计算（R0201）SALT100SALT200SALT300H200S2O8-00(NH4)-0100Mass

8、 FracH2O0.03435640.0346435NH30.0001817197.79395E-07SO20.002243290.00224329H3O+00NH4+00OH-00HSO3-00SO3-200CO20.17564390.1756439NO0.0003199291.13037E-06N20.70101070.7013083O20.08624390.0861589NH2COO-00HCO3-00CO3-00SO4-00NH4CL00NAOH00HCL00NA+00AMMON(S)00SALT900CL-00H2SO400SALT800HSO4-00SALT100SALT200SA

9、LT300H200S2O8-00(NH4)-0100Total Flow mol/hr2631350026315600Total Flow kg/hr781425781425Total Flow cum/hr142179000142907000Temperature C376.7222380Prere kPa11Vapor Frac11Liquid Frac00Solid Frac00Enlpy J/kmol-49525000-49540000Enlpy J/kg-1667700-1668300Enlpy Watt-361990000-311.3797Entropy J/kmol-K67840

10、.6267975.29Entropy J/kg-K2284.4462289.161Density kmol/cum0.0001850730.000184145Density kg/cum0.005496080.00546806Average MW29.6967529.69441Mass Flow kg/hrASH21365.821365.8Mass FracASH11Total Flow kg/hr21365.821365.8Temperature C376.7222380Prere kPa11Vapor Frac00Liquid Frac00Solid Frac11Enlpy J/kg-49

11、7160-493960Enlpy Watt-2950600-2520754Entropy2.1.1 SCR 反应器中的物料平衡根据实验研究，在SCR 脱硝工艺中，（NO 和 NO2）、NO、NO2 和 NH3 反应时的顺序为：（NO 和 NO2）NONO2。由于 NO 的含量在 SCR 工艺中占整个NOx 的 95%左右，所以式（2-1）是主要的反应,相同摩尔数的 NO 和 NO2 与NH3反应按照式（2-3）进行。当 NO 与 NH3 按相同的摩尔数反应时，化学方程式为（2-1）当 NO 与反应时，化学方程式为（2-2）当 NO 与 NO2 的混合气体（NONO2）和 NH3 按 1：1 的

12、摩尔比反应时，化学方程式为Density kg/cum3486.8843486.8842.2.1 还原剂消耗量估算实际脱硝工，还原剂及其稀释风量可以通过成物料平衡计算程序计算，NO 是 NOx 的主要含量，一台锅炉脱硝还原剂的消耗量可以进行估算，公式如下：2.2.3 NOx 脱除效率火电厂大气污染物排放标准要求燃煤电厂对 NOx 排放限量由200mg/Nm3 降至 100mg/Nm3。脱硝效率是反应器脱硝系统性能的重要指标之一。在实际工，通过分析仪表测量反应器的 NOx 浓度，经过系统计算比较后将信号反馈给氨流量调节阀，从而来控制喷入烟道的氨量，使得脱硝效率得到保证。催化剂横截面积 m2233

13、.82.6 设计条件图进过初步的设计，SCR 反应器的设计条件图如下图所示图 2-1 SCR 脱硝反应器设计条件图；5800mm9400mma： 烟气b：烟气出口；5800mm10000mm3. 结构设计及强度计算3.1 厚度计算3.1.1 反应器壁厚计算查阅相关资料并根据实际情况，SCR 反应器属于大型薄壁平板钢壳结构，其承受面向力和竖向载荷的能力相对比较弱，反应器的壁厚对承载能力的影响不大，取 6mm 即可，主要依靠强度和刚度。和外部加固承受负荷，从而保证了设备的3.1.2烟道壁厚计算根据火电厂烟气煤粉管道设计规程第 5.1.1 条，烟道壁厚一般为 5mm，可根据实际工程的具体情况来确定。

14、考虑到腐蚀裕量等问题，最终壁厚取值为 6mm。根据火电厂烟气煤粉管道设计规程第 5.2.1 条，SCR 反应器烟道采用Q345 低合金作为材料。4.催化剂的选型计算催化剂是燃煤发电厂 SCR 脱硝系统的，它的组成，结构，活性和相关参数对脱硝效率和SCR 系统运行有直接影响。SCR 催化剂可以根据材料，结构，工作温度，用途等来分类。4.1 按材料分类燃煤发电厂烟气脱硝一般都是贵金属型催化剂，金属氧化物型和离子交换的沸石分子筛型。第一类催化剂只要是贵金属类催化剂，载体以氧化铝等整体式陶瓷为主，SCR 反应活性较高的要求和较低的反应温度，并具有一定的氧化 NH3。第二类催化剂大多是以TiO2 为载体

15、，通常载体的主要功能是提供一种结构，表面积大，与 SCR 反应活性很小。第三类采用碳氢化合物为还原剂，其具有较高的活性温度区间，最高可达到 600，但是工业应用方面还不多。4.2 按工作温度分类在工程应用中，SCR 脱硝工艺按反应温度可分成高温、中温和低温。大于400为高温，300400为中温，小于 300为低温。根据催化剂种类的选择，反应器温度一般在表。280420。目前已经开发应用的催化剂及其使用温度见下表 4-1催化剂及其使用温度催化剂沸石催化剂氧化钛基催化剂氧化铁基催化剂使用温度（）3455902804203804304.3 按结构分类催化剂可以分为平板式（a）、波纹板式（b）和蜂窝式

16、（c），如图 3.1 所示。TiO2 为载体，其表面遭到灰分等破坏磨损后，催化平板式催化剂以玻璃和性能就不能维持。波纹板式催化剂以柔软为载体，其与平板式催化剂的缺陷一样。平板式和波纹板式催化剂都属于非均质催化剂。蜂窝式催化剂以TiO2、V2O5 和 WO3 为主要成分，其属于均相催化剂，催化材料是催化剂本身，被灰分等磨损失效的表面，仍然可以保持原先所具备的催化性能。另外，催化剂是可以再生的。（a）（b）图 4-1 几种催化剂常见的形式(c)平板式、波纹板式和蜂窝式催化剂各有特点，对比三种结构的催化剂性能，其性能对比如下表所示。表 4-2催化剂性能比较表性能参数蜂窝式平板式波纹板式基材整体挤压不

17、锈钢金属板玻璃板催化剂活性高中高SO2/SO3 氧化率高高低抗腐蚀性中高中抗磨损性中高低压力损失高低中比表面积高低中堵灰可能性中低中孔隙率低高中抗 As性中低高催化剂在燃煤电厂烟气 SCR 脱硝技术中的发挥着举足轻重的作用，脱硝过大部分投资来自于还原剂和催化剂。查阅相关文献资料得知，通常脱硝催化剂投资巨大，占整个脱硝投资的 40%60%，同时，“十二五”期间烟气脱硝给催化剂带来了巨大的新市场。目前国内正在研发拥有知识的 SCR 脱硝催，我国主要 SCR 脱硝催化剂生产化剂，这对我国烟气脱硝的发展意义十分商及产能表如下所示。表 4-3 我国主要催化剂生产厂商及产能规划产能/m3a-1公司技术来源

18、产品类型东方瑞德国 KWH蜂窝式15000远达环保意大利 TKC蜂窝式10000龙源环保触媒化成蜂窝式6000中天环保巴斯夫蜂窝式8000青岛SK蜂窝式3000大拇指触媒化成蜂窝式6000工程日立平板式、蜂窝式5000综合考虑各方面，最终选择蜂窝式催化剂，该催化剂由东方瑞生产商负责提供。DKC ZERONOXR 催化剂是陶制化、整体具有活性的蜂窝式催化剂，其基材是钛白粉（TiO2），主要活性物是五氧化二钒（V2O5）。催化剂示意图如下图所示，节距P 与烟气流通孔径d、板间距d、催化剂内壁厚度ti 的关系为：4.4 催化剂的布置根据东方布置。瑞公司提供的催化剂相关材料将催化剂按照下表所示的方式表

19、 4-4催化剂布置参数项目数值催化剂单体尺寸为国际通用尺寸催化剂单体长度每个模块中的催化剂单体数/个每层模块数/个层数/层反应器尺寸（长宽高）150mm150mm 1150mm72802(另加一层备用层)15.5m10m13.35m4.5 反应器布置SCR 反应器可以安装在不同位置的锅炉尾部后面，一般分为三种布局形式：高温低粉尘、高温高粉尘、低温低粉尘。高温低尘布置是在空预器、电除尘器之间布置SCR 反应器，如下图 (a)所示。其优点是可以防止烟气中飞灰对催化剂的污染以及对反应器的堵塞与磨损，但是催化反应需在 300400的高温下，这种情况下电除尘器运行条件较差。高温高尘布置是将 SCR 反应

20、器布置在省煤器的下游、空预器和除尘器装置的上游，如下图所示。反应器催化温度在 280420之间，这样一来对反应的进行有利。但由于催化剂处在高尘烟气中，条件相对比较恶劣，容易造成磨刷，催化剂的会受到较大的影响。低温低尘布置(或称尾部布置)是将SCR 反应器置于除尘器和脱硫系统后，如下图（c）所示。其催化剂不会受到飞灰和SO2 的影响，但是烟气的温度比较低，仅为 5060，需用燃烧器等升高烟气温度，相关的能耗和运行费用将会大大增加。（a）(b)图 4-3 SCR 反应器布置图(c)根据改造工程施工现场实际情况，SCR 反应器应布置在锅炉省煤器的下游、空预器和除尘器装置的上游，所以采用的是高温高尘布

21、置方式。4.6 加固设计参考火电厂烟气煤粉管道设计规程第 6.1.6 条，矩形的道体需要采用横向加固肋，面板及横向加固肋据需要满足各自的刚度、强度和防振要求。纵向加固肋仅作负压道体横向加固放失稳用。5.强度校核表 5-1 SW6 强度校核单拉撑矩形截面容器计算单位齐齐哈尔大学-小宇宙设计条件设计压力 p0.120MPa设计温度 t380.0计算压力 pc0.120腐蚀裕量 C22.0mm材料壳体13MnNiMoR型式壳体单拉撑矩形平盖左Q345R平盖左与壳体角接右Q345R右与壳体角接加强件加强件法兰法兰螺栓外形尺壳体短边矩形截面: 内侧长度 Hmm圆角矩形截面: 内侧长度 2ls长圆形截面:

22、 半圆内径 2r椭圆截面: 内短轴长度 2b长边矩形截面: 内侧长度 h圆角矩形截面: 内侧长度2lL,圆角半径r长圆形截面: 长圆长度 2*(r+L)椭圆截面: 内长轴长度 2b轴向长度 L113350.间距 lsmm单拉撑矩形截面壳体计算计算齐齐哈尔大学-小宇宙计 算 条 件简图计算压 力 pc0.120MPa设计温 度 t380材料名 称13MnNiMoR容器内侧长短边 H10000mm长边15500寸外加强件圆角矩形加强件长度短边 2l0长边 2L0平盖左短边长度99969996长边长度15496mm右15496法兰短边外侧长度D02长边外长D01mm螺栓中心圆短轴长Db2长轴长度Db1垫片外 / 内侧长度短边mm长边螺栓个数-公称直径计算结果厚度(规格)壳体短边(半圆)6.0mm重量壳体31863780.0Kg长边6.0加强件厚长边(拉撑)6.0-0.2加强件-0.23.7mm法兰3.7法兰mm度h壳体轴向长度 L113350mm初始名义厚度短边e16.0mm长边e26.0拉撑板e30.0钢板负 偏差参 数 IC1计入 C1腐蚀裕 量 C22.0mm焊接接头系数短边10.85长边21.00支撑板1.00焊接接头至板中心线距离短边 dj1800mm长边 dj2孔径短边 d1m