7-2SCR脱硝反应器设计说明书

年产4.4万吨过硫酸铵联产8万吨液态二氧化碳项目SCR反应器设计书 目 录1.概述11.1 设计说明11.2注意的问题11.3 主要反应机理及动力学21.4 反应参数确定31.5 煤质资料、脱硝入口处烟气物性参数32.反应器计算（R0201）42.1反应器物料及能量衡算42.1.1 SCR反应器中的物料平衡72.1.2 SCR反应器的能量平衡72.2.1 还原剂消耗量估算82.2.2 稀释风量估算82.2.3 NOx脱除效率92.3 反应器尺寸计算92.3.1 横截面积尺寸计算92.3.2 催化剂体积计算102.3.3 催化剂层数计算102.3.4 催化剂高度计算112.4 烟气进出口尺寸的确定112.5 SCR反应器工艺计算结果汇总112.6 设计条件图123.结构设计及强度计算133.1 厚度计算133.1.1 反应器壁厚计算133.1.2 进出口烟道壁厚计算134.催化剂的选型计算144.1 按材料分类144.2 按工作温度分类144.3按结构分类154.4 催化剂的布置174.5 反应器布置174.6 加固设计185.强度校核18 齐齐哈尔大学小宇宙团队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。由于其成熟的脱硝技术，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、催化剂的尺寸、进出口烟道尺寸等，结构设计包括导流板设计、人孔门选型、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 注意的问题该反应器为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程中需要考虑一下因素：1.严格控制反应器压降2.严格控制氨逃逸浓度3.确保脱硝运行处于设计参数范围内：入口浓度、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+O24N2+6H2O （1-1） 6NO+4NH35N2+6H2O （1-2） 6NO2+8NH37N2+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、脱硝入口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Car1256.37收到基氢分Har13.5收到基氧分Oar164.38收到基氮分Nar140.99收到基硫分Sar321.32收到基水分Mt180.89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)1二氧化碳334.056.24274.512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干基合计2572.9148.131459.338湿基合计2626.51.12 1513.039灰分总量-43.232.反应器计算（R0201）2.1反应器物料及能量衡算表2-1 反应器物料及能量衡算一览表反应器进口反应器进口物流1113Mass Flow kg/hrH2O2684727071.35NH31420.6090381SO21752.961752.96H3O+00NH4+00OH-00HSO3-00SO3-200CO2137253137253NO2500.8832947N2547787548020O267393.1567326.74NH2COO-00HCO3-00CO3-00SO4-00NH4CL00NAOH00HCL00NA+00AMMON(S)00SALT900CL-00H2SO400SALT800HSO4-00SALT100SALT200SALT300H200S2O8-00(NH4)-0100Mass 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-00H2SO400SALT800HSO4-00SALT100SALT200SALT300H200S2O8-00(NH4)-0100Total Flow mol/hr2631350026315600Total Flow kg/hr781425781425Total Flow cum/hr142179000142907000Temperature C376.7222380Pressure kPa11Vapor Frac11Liquid Frac00Solid Frac00Enthalpy J/kmol-49525000-49540000Enthalpy J/kg-1667700-1668300Enthalpy Watt-361990000-311.3797Entropy J/kmol-K67840.6267975.29Entropy 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 C376.7222380Pressure kPa11Vapor Frac00Liquid Frac00Solid Frac11Enthalpy J/kg-497160-493960Enthalpy Watt-2950600-2520754EntropyDensity kg/cum3486.8843486.8842.1.1 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 4NO+4NH3+O24N2+6H2O （2-1）当NO与O2反应时，化学方程式为4NH3+3O22N2+6H2O （2-2）当NO与NO2的混合气体（NONO2）和NH3按1：1的摩尔比反应时，化学方程式为 （2-3）2.1.2 SCR反应器的能量平衡理论上，当SCR系统运行正常时，NO、NO2被NH3还原反应都是反应热。（1）NO还原： （2-4）反应热约为Q=97 kcal/mol(NO)（2）NO与O2反应时，化学方程式为NH3+34O212N2+3H2O （2-5）反应热为Q=83kcal/mol（NH3+O2）NO2还原： （2-6） 反应热为Q=122kcal/mol（NO2）2.2.1 还原剂消耗量估算实际脱硝工程中，还原剂及其稀释风量可以通过成熟的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：= =199 式中：M - 摩尔比，通常为SCR系统的脱硝效率；M=86% CNOx - NOx含量（标态、干基、6%O2），mg/Nm3； qVg - 烟气流速（标态、湿基），m3/h； - 烟气中H2O的含量，%； - 氨的逃逸率，ppm； - 实际O2含量，%； - NH3的流量，kg/h； 10-8 - 单位转换系数。2.2.2 稀释风量估算 目前国内NH3稀释空气比设计时满足锅炉在BMCR时（ Boiler maximum continue rate，锅炉最大连续蒸发量，主要是在满足蒸汽参数、炉膛安全情况下的最大出力）NH3含量小于5%公式为。 qVNH3=10.771qmNH3= m3/h （2-7）Vair=955qVNH3=m3/h （2-8）式中：- 标态下NH3流量，m3/h； Vair - 标态下稀释空气比率，m3/h。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。在实际工程中，通过分析仪表测量反应器进出口的NOx浓度，经过DCS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。 （2-9） =式中：NOxin - 反应器入口处NOx 的含量，标态，mg/Nm3； NOxout - 反应器入口处NOx 的含量，标态，mg/Nm3； -NOx百分比脱除效率。2.3 反应器尺寸计算2.3.1 横截面积尺寸计算SCR反应器横截面尺寸是由锅炉烟气流量和表面速度决定的，典型的流经催化剂的表面速度一般为56m/s，本项目设计取5m/s。锅炉烟气流量折算成标况为Q=1169000Nm3/h(标况)，通过查阅文献得知，空速在40005000/h时催化剂活性最好，考虑到反应速率及脱硝效率，本项目选择空速为5000/h。催化剂层截面积计算过程如下：式中：v - 空速；h-1 Q 标况下锅炉烟气流量，m3/h； Acatalyst - 催化剂层截面积，m2。根据实际情况，考虑到温度变化、 催化剂几何形状、安装结构以及脱硝效率预留, 本项目SCR反应器的横截面积比计算催化剂截面积大约30%。取整ASCR=310m2。则单个反应器面积为155m3。2.3.2 催化剂体积计算在工程中，催典型燃煤锅炉SCR法脱硝催化剂层一般按照2+1层布置方式，即一般催化剂至少安装两层，其中催化剂体积的估算公式为：式中：M - NH3和NO2的摩尔比； Kcatalyst - 催化剂活性常数，Kcatalyst =18由厂家提供； specific - 催化剂比表面积，m2/m3；一般为427860 m2/m3；本设计取680 m2/m3 Vcatalyst - 催化剂估算体积，m3。 qVfluegas - 锅炉烟气流量，m3/h2.3.3 催化剂层数计算式中：hlayer - 催化剂模块的高度，暂定为1200mm； Acatalyst - 催化剂层截面积，m2； Vcatalyst - 催化剂估算体积，m3； Nlayer - 催化剂层数；根据上式计算结果，不包括后期需要安装的备用层，通常需要调整催化剂模块的高度，本设计中将催化剂模块高度调整到1150mm时，是催化剂层数接近2层。2.3.4 催化剂高度计算查阅相关文献并结合实际情况分析可知：SCR反应器的高度一般由催化剂的层数（包括初始安装和预留层）、催化剂的安装空间和整流层安装高度等因素确定。则反应器的高度计算过程如下：式中：N+1 - 催化剂的层数； C1 - 支撑、安装催化剂所需高度，m；C1=3.2m（经验值） C2 - 整理层安装所需高度，m；C2=0.3m（经验值） H - 反应器的高度，m；2.4 烟气进出口尺寸的确定烟气在烟道中流速一般为56m/s，烟气流量为2844280m3/h。进口烟道的横截面积为： 根据原先锅炉出口烟道部分形状以及改造现场的实际情况，将烟道横截面设计为矩形，尺寸为5800mm9400mm。出口接入低温省煤器，根据省煤器厂家提供尺寸，烟道出口尺寸为5800mm10000mm。2.5 SCR反应器工艺计算结果汇总表2-2 SCR反应器工艺计算汇总项目数值物性数据烟气流量Nm3/h2844280烟气温度380工作压力0.1入口处NOx含量mg/Nm3250出口处NOx含量mg/Nm325NOx脱除效率%90还原剂消耗量kg/h142稀释风量m3/h4902设备结构尺寸催化剂横截面积m2233.8催化剂体积m3535.07反应器横截面积m2尺寸数据15515.510反应器高度m13.35催化剂横截面积m2233.82.6 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a： 烟气入口；5800mm9400mmb：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，主要依靠内部和外部加固梁柱承受负荷，从而保证了设备的强度和刚度。3.1.2 进出口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。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脱硝系统的核心，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，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280420。目前已经开发应用的催化剂及其使用温度见下表。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（c），如图3.1所示。平板式催化剂以玻璃纤维和TiO2为载体，其表面遭到灰分等破坏磨损后，催化性能就不能维持。波纹板式催化剂以柔软纤维为载体，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） (c)图4-1 几种催化剂常见的形式平板式、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锈钢金属板玻璃纤维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中毒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，脱硝过程中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自主知识产权的SCR脱硝催化剂，这对我国烟气脱硝的发展意义十分重大，我国主要SCR脱硝催化剂生产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公司技术来源 产品类型规划产能/m3a-1东方凯特瑞德国KWH蜂窝式15000远达环保意大利TKC蜂窝式10000龙源环保日本触媒化成蜂窝式6000中天环保巴斯夫蜂窝式8000青岛华拓SK蜂窝式3000大拇指日本触媒化成蜂窝式6000中环工程有限公司日本巴布科克日立平板式、蜂窝式5000综合考虑各方面因素，最终选择蜂窝式催化剂，该催化剂由东方凯特瑞生产商负责提供。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：图4-2 催化剂示意图4.4 催化剂的布置根据东方凯特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布置。表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150mm150mm催化剂单体长度1150mm每个模块中的催化剂单体数/个72每层模块数/个80层数/层2(另加一层备用层)反应器尺寸（长宽高）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，催化剂的寿命会受到较大的影响。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) (c)图4-3 SCR反应器布置图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寸壳 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: 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.外加强件间距 lsmm圆角矩形加强件长度短边 2l0长边 2L0平盖左短边长度9996长边长度15496mm右999615496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左平盖-0.2加强件右平盖-0.2左平盖3.7mm法兰右平盖3.7法兰mm单拉撑矩形截面壳体计算计算单位齐齐哈尔大学-小宇宙计 算 条 件 简 图计算压力 pc0.120 MPa设计温度 t380材料名称13MnNiMoR容器内侧长度短边 H10000mm长边 h15500壳体轴向长度 L113350mm初始名义厚度短边 de16.0长边 de26.0mm拉撑板 de30.0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 f10.85长边 f21.00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 d1mm长边 d2孔间距短边 Lh1mm长边 Lh2侧板厚度计算及中间参数壳 体 设 计 温 度许 用 应 力短边 s1207.8MPa薄膜应力许用值短边 sm1176.6MPa长边 s2207.8长边 sm2207.8拉撑板s31797497138395132425000000000000000.0拉撑板sm31797497138395132425000000000000000.0短边组合应力许用值sT10.0MPa长边组合应力许用值sT21797707897686820761000000000000000.0MPa名义厚度短边 dn16.0mm计算厚度短边 d13.7mm长边 dn26.0长边 d23.7拉撑板 dn36.0拉撑板 d31.7板截面中心轴至内壁距离短边 ci11.9mm单位长度截面惯性矩短边 I10.0mm4长边 ci21.9长边 I20.0开孔削弱系数短边 h1长边 h2系数aa=H / h0.000KK =( I2 / I1 ) a0.000壳体侧板应力计算薄膜应力短边0.000MPa长边0.000拉撑板0.000内壁弯曲应力短边N点0.000MPaQ点0.000长边M点0.000Q点0.000内壁组合应力短边N点0.000MPaQ点0.000长边M点0.000Q点0.000外壁弯曲应力短边N点0.000MPaQ点0.000长边M点0.000Q点0.000外壁组合应力短边N点0.000MPaQ点0.000长边M点0.000Q点0.000焊接接头组合应力短边0.000MPa长边壳体应力校核结论应力类别各类应力计算值 MPa应力许用值薄膜应力短边 0.000207.800MPa长边 0.000207.800拉撑板0.0001797497138395132425000000000000000.000 壳 体 最 大 组 合 应 力 0.0000311.7000焊接接头组合应力短边0.00000.0000长边结论：校核通过上封头计算计算单位齐齐哈尔大学-小宇宙设 计 条 件简 图计算压力 pc0.120MPa设计温度 t380.0 C短轴长度 a10.0mm平长轴长度 b15.5mm材料名称Q345R盖许用应力 s t132.2MPa径向截面各开孔直径和0.0mm中心圆短轴长度 Db260.0mm螺中心圆长轴长度 Db1100.0mm公称直径 dB14.0