4-2反应器设计说明书

华电电厂2#机组活性焦干法烟气脱硫反应器设计说明书2017“东华科技-陕鼓杯”第十一届全国大学生化工设计大赛From：“北冥有鱼”设计团队许荣杰 李华诚 段一菲 陈昌梅 高诏诏华电电厂2#机组活性焦干法烟气脱硫项目第一章 设计概述1第二章 脱硫反应器的设计22.1 反应器选型22.1.1 类型选择22.2催化剂选择32.2.1活性焦32.3反应动力学42.3.1反应方程式42.3.2反应机理42.3.3反应动力学方程52.5反应条件的影响52.5.1 温度52.5.2 水蒸气浓度62.5.3 氧气浓度82.5.4 空速92.6 移动床反应器设计102.6.1 本次设计烟气的参数102.6.2 逆流移动床的吸附原理112.6.3 逆流移动床反应器体积的确定132.6.4 传质系数的求取142.6.5 反应器设计说明书17第三章 SCR脱硝反应器的设计283.1 反应器选型283.1.1 反应特点283.1.2 反应器对比283.2 催化剂的选择293.2.1催化剂的化学组成293.2.2催化剂类型303.3 脱硝工艺313.3.1 SCR基本原理313.3.2 SCR工艺流程333.4 反应条件的选择343.4.1 反应温度343.4.2 反应压力343.4.3 空间速度343.4.4 烟气流型与氨的湍流混合343.5 SCR系统的设计与计算353.5.1 设计执行标准353.5.2 脱硝入口烟气参数353.5.3 热力计算363.5.4 SCR尺寸计算估算373.5.5 烟气进出口尺寸的确定393.5.6 SCR反应器工艺计算结果汇总403.6 SCR固定床脱硝反应强度校核40参考文献563第一章 设计概述反应器是化工生产过程中一系列设备中的核心设备。化工技术过程开发的成功与否很大程度上取决于反应器内流体的温度、浓度、停留时间及温度分布、停留时间分布的控制水平和控制能力。化工生产的工艺过程决定了反应器的结构型式，反应器的结构型式对工艺过程又有一个促进和完善的作用，同时反应器的结构型式在某种程度上也决定着产品的质量和性能。因此，化学反应器的选型、设计计算和选择最优化的操作条件是化工生产中极为重要的课题。本项目为烟道气资源化利用项目，以总厂在宁夏回族自治区宁武市华电集团二号机组600MW发电机产生的烟道气为原料，用活性焦深度脱硫，回收烟道气中的硫资源，再把吸收了二氧化硫的活性焦进行解吸，将回收的硫资源制成工业硫酸并且解吸后的活性焦还可再次送回吸收塔再利用，最后将烟道气经脱硝脱尘处理。所有的废气、废水均采取了可行的处理方法进行处理处理后废气、废水均达到国家标准。此外本项目因使用了活性焦脱硫，故废水的产生很少，本项目的的固体废物基本就是部分失活的活性焦，在解析后基本不含有毒有害物质，可以直接堆放。因此本项目符合清洁生产的要求。此工艺主要涉及到的活性焦脱硫反应器、SCR脱硝反应器和二氧化硫催化氧化反应器，下面对其核心设备活性焦脱硫反应器进行了结构选型，并对反应器的制造工艺进行了详细的说明，最终确定的反应器设备在满足结构合理性的基础上，实现了温度分布、浓度分布及反应时间等化工工艺参数的控制要求，使得产品质量和性能得以保证；对于二氧化硫催化氧化反应器，不进行具体设计，只进行了体积计算，确定了反应器的体积以及大致结构。55第二章 脱硫反应器的设计2.1 反应器选型2.1.1 类型选择表2-1 各反应器的优缺点优点缺点移动床反应器催化剂可连续补充，解决丙烷脱氢反应中催化剂结焦失活的问题；反应均匀稳定，催化剂的活性和反应温度不随反应时间的推移而改变，保证产品组成始终恒定温度难以控制，影响转化率，级间加热的方式如果控制不好，对选择性影响很大。固定床反应器催化剂用量少且无磨损返混小，流体同催化剂可进行有效接触，当反应伴有串联副反应时可得较高选择性。结构简单。操作过程中催化剂不能更换，反应器成本较高。流化床反应器流固相界面积大，有利于非均相反应的进行，提高了催化剂的利用率。由于颗粒在床内混合激烈，使颗粒在全床内的温度和浓度均匀一致，床层与内浸换热表面间的传热系数很高，全床热容量大，热稳定性高，这些都有利于强放热反应的等温操作。气体流动状态与活塞流偏离较大，气流与床层颗粒发生返混，以致在床层轴向没有温度差及浓度差。加之气体可能成大气泡状态通过床层，使气固接触不良，使反应的转化率降低。催化剂颗粒间相互剧烈碰撞，造成催化剂的损失和除尘的困难。由于固体颗粒的磨蚀作用，管子和容器的磨损严重。活性焦烟气脱硫反应器根据反应过程原理,是一种吸附反应器,常见的吸附装置有固定床、移动床和流化床。固定床反应器是流体通过固定的固体物料所形成的床层而进行反应的装置,固定床反应器在反应时热量不易导出,传热和温度控制成为固定床反应器的应用的重要影响因素,其次不能实现过程的连续操作。流化床反应器虽然处理的气体量大,但其能耗高,对脱硫吸附剂的机械强度要求太高。移动床反应器可以适用于处理气体量大,连续操作的环境,可以解决固定床不能连续操作的问题,同时对脱硫剂的机械强度要求相对于流化床较低,对于活性焦烟气脱硫,采用移动床反应器比较适合。移动床又分为气体并流、逆流和错流等接触方式,本设计采用逆流移动床。2.2催化剂选择2.2.1活性焦 本设计选取活性焦催化剂。活性焦是以褐煤为主要原料研制出的一种具有吸附剂和催化剂双重性能的粒状物质，具有十分丰富的微孔结构，能吸附大分子、长链有机物。是SO2的优良吸附剂，也是NH3还原NOx的优良催化剂。作为催化剂的物质大都较一般物质具有更高程度的微孔结构，活性焦就是其中微孔结构最为发达的催化剂1。活性焦中微孔对活性焦吸附量起着支配作用，中孔和大孔一般为吸附分析的进入通道，在通道内的扩散过程的快慢也会影响吸附率的大小。活性焦的生产工艺与活性炭类似，生产设备基本相同，来源广泛，方便大规模生产，且价格低廉，生产成本不到活性炭的50，适于大规模工业应用3。一般火电厂烟气脱硫工艺使用的活性焦，形状是直径2.59mm、长度2.510mm的圆柱状。与活性炭相比，烟气脱硫用活性焦需要有很强的吸附能力， 而且机械强度高、燃点高、透气性好、具有较好的抗氧化性能， 并可多次解吸循环使用， 主要性能如下表：表2-2 烟气脱硫用活性焦主要技术指标强度（%）堆密度（g/L）燃点（）碘值（mg/g）吸附硫容（%）比表面积（m2/g）耐压强度N孔直径（nm）孔容积（ml/g）996007003504001015030038011000.051活性焦是一种具有吸附剂和催化剂双重性能的物质,具有活性炭的特点,相比活性炭,活性焦的比表面积（100m2/g-500m2/g）较小,但其价格低廉,机械强度高。活性焦炭广泛用于化工、制药、食品、冶金、环保等领域。特别的,随着环境保护意识的不断增强,活性焦炭被越来越广泛的用于污水处理,味口气体净化口,等环保领域。2.3反应动力学2.3.1反应方程式 主反应: 2SO2+O2 2SO3 （1） SO3+H2O H2SO4 （2） H2SO4H2O H2SO4H2O （3）总反应：2SO2+O2+4H2O 2H2SO4H2O2.3.2反应机理氧的化学吸附（Oxygen chemisorption） 瞬时结构（Fleeting complex） SO2的吸附（SO2 adsorption） H2SO4的形成（H2SO4 formation） 活性焦的再生（Regenration） 总反应（Overall reaction） 可以看出，在进行脱硫反应的时候，活性焦表面的碳元素会先与体系中存在的氧气形成碳氧表面氧化物，该氧化物的结构是瞬时可变的，之后碳氧结构会参与一系列的催化氧化反应。在再生阶段，生成的碳硫酸结构会分解，碳元素重新暴露出来，可以再次进行吸附作用。2.3.3反应动力学方程张香兰在固定床反应器上,使用模拟烟气研究了SO2、O2、H2O和反应温度对自制活性半焦脱出烟气中SO2的影响情况，结果表明模拟烟气中H2O和SO2含量对脱硫速率的影响高于O2的影响。在消除内外扩散后及368398K温度范围获得的活性半焦脱硫本征动力学方程式为：活化能为11.811，略去大于物理吸附的活化能，但远低于化学吸附的活化能值。2.5反应条件的影响2.5.1 温度查阅张伟的文献改活性半焦脱出烟气中SO2的反应动力学，我们得知了，在外扩散和内扩散的影响都消除的情况下，设定SO2浓度300010-6、空速1800h-1，半焦平均粒径为0.3mm，考察相同时间时的反应温度对转化率的影响，结果如下图所示：图2-1温度与转化率的关系可知，温度对活性半焦脱硫性能影响很大，特别是在活性半焦的温度工作区域（7090）附近。由图可知，在相同时间下，反应温度在110以上，转化率最高，且趋于平稳。又因为温度的升高对反应速率又促进作用，因此我们在保证催化剂性质不被破坏等的前提下，选择了120作为反应温度。2.5.2 水蒸气浓度 图2-2 水蒸气浓度对脱硫效率的影响图2-3 水蒸气浓度对硫容的影响朱慧峰发表的文献活性焦的制备及其烟气脱硫的实验研究中，其通过实验研究了水蒸气浓度对硫容的影响。由上图可知，随着水蒸气浓度的提高，活性焦保持较高脱硫的时间有所增加，而水蒸气含量为8%和12%的脱硫效率曲线基本相同。而水蒸气浓度对硫容的影响如下：活性焦的硫容随着水蒸气浓度的增加有所增加。一般而言，在活性焦的干燥表面上有利于SO2和O2发生氧化反应而生成SO3，而活性焦微孔中吸附的水分有利于产物H2SO4的生成和转移（引自文献徐息.活性炭吸附烟气脱硫技术的工业性试验J.电力环境保护，2001.17（1）:13），即活性焦微孔中的水分有助于SO3从其表面活性位上解离，使活性释放出来，从而使吸附得以继续。当水蒸气浓度较低时，将导致活性微孔表面吸附水的浓度增加，因此生成H2SO4的速率加快，当生成的H2SO4较多时，被吸附的税同时作为一种洗脱剂的H2SO4并将其储存在活性焦的孔内，从而释放活性位，促进脱硫反应的进行，提高活性焦的硫容。综合各项因素，本设计总谁的含量即为烟道气中自带的水蒸汽，体积分数为8.593%。2.5.3 氧气浓度 图2-4 O2浓度对脱硫效率的影响图2-5 O2浓度对硫容的影响 在朱慧峰的研究中，当O2浓度高于5%时，随着O2浓度的提高，活性焦的脱硫效率基本不变。主要原因是O2浓度已经足够大，其浓度的改变不会再影响活性焦对O2的催化氧化。当O2浓度低于5%时，活性焦的脱硫效率下降很快，原因可能是O2浓度低时，氧气的扩散速率低，致使部分SO2未参与反应就通过了床层，导致脱硫效率的下降，从上图可以看出，活性焦的硫容随着O2攻读的增加而有所增加；这是因为当O2是因为当O2浓度较低时,在活性焦表面吸附的推动力较低,被吸附的O2量较少,SO2的催化氧化就会受到限制,从而导致硫容相对较小，随着O2浓度的升高,SO2在活性焦表面的催化氧化加速,硫容增大。本设计中烟道气中O2的体积浓度为7.316% ，大于5%，故对脱硫效率基本无影响。2.5.4 空速 图2-6 空速对脱硫效率的影响图2-7 空速对硫容的影响 空速的大小决定气体在反应器内的停留时间，从而影响脱硫效率。停留时间过短，SO2与活性焦的接触时间不够，活性焦的利用率低；停留时间过长，则烟气流速低，SO2与活性焦的反应将受到外扩散浓度的影响。根据朱慧峰的研究，随着空速的增加,气体在反应器中的流速增加,致使部分未参与反应就通过了床层,导致脱硫效率的下降较快。从上图可以看出,活性焦的硫容与空速无关,这是因为在本设计空速下,活性焦烟气脱硫已经不受到外扩散控制。2.6 移动床反应器设计2.6.1 本次设计烟气的参数设计处理在10MPa、393.15K下烟气量为89824m3/h规模的逆流移动床脱硫塔。表2-3 设计要求项目参数项目参数SO2质量流量1131.3SO30.000054SO2浓度12435NO0.00047进口烟气温度120NO20.000054出口烟气温度120N20.592空速1000O20.063活性焦堆积530CO20.126脱硫效率%96.3注：惰性气体数据均为摩尔分数2.6.2 逆流移动床的吸附原理由文献有害气体控制工程可知，逆流连续吸附分离操作与吸附操作类似。气体中污染物浓度很低时，可视为等温吸附过程。取塔中任一截面分别与塔底、塔顶对单一组分的污染物作物料衡算，可得操作线方程。图2-8 逆流移动吸附分离示意图 （2-1） 或者 （2-2）式中： 通过吸附器床层的气体量，kg/（sm2） 吸附剂的纯质量流量，kg/（sm2） 进出口气体中污染物的浓度，kg（污染物）/kg（气体） 出口、进口吸附剂中污染物的浓度，kg（污染物）/kg（气体图2-9 逆流连续吸附分离平衡曲线示意图在稳态操作条件下，LS/GS为定值，故操作线为一直线，直线的斜率为LS/GS，且应通过E（X1，Y1）和（X2，Y2）两点，操作线上的任一点P（X,Y）代表吸附器内相应截面上的操作状况。因气相和固体中污染物的浓度沿床层高度是逐渐变化的，故取一微元dz作物料衡算，并假设在该委员吸附层内，气相和固相中污染物的浓度变化很小，可认为吸附速率为一定值，由此可得： （2-3）对dz积分得吸附剂移动床层高度计算公式： （2-4）式中：- 气相传质系数，kg/（sm2） - 单位体积吸附剂颗粒的表面积，m2/m3 - 与固相中污染物浓度呈平衡的气相组成，kg（污染物）/kg（气体）。与吸收操作类似，操作线斜率LS/GS称为“固气比”，它反映了单位气体处理量所需的吸附剂用量的大小。当GS一定时，若要减少吸附剂用量，操作线斜率就要变小，其极限状况为操作箱上的点E水平移至吸附平衡线上的点E*，逆流连续吸附分离平衡曲线示意图中的DE*线即为最小固气比时的操作线。实际操作条件下的固气比应为最小固气比的1.12.0（LS/GS）min。最小固气比可用图解法求出。如果吸附平衡线符合逆流移动床吸附分离示意图中情况，则需找到水平线Y1=Y2与平衡线的交点E*，从而读出X1*的值，然后用式（2-5）计算最小固气比即： （2-5）或 （2-6）可用式（2-7）计算吸附剂用： （2-7）2.6.3 逆流移动床反应器体积的确定 逆流床处理烟气量为89824m3/h，取空床气速为1000h-1。 反应器体积计算： V=Q/u （2-8） 烟气处理量m3/h； 空床气速，h-1.得出： 由于逆流床断面积较大，逆流移动床选取圆形断面积，设反应器主体断面的直径为3400mm。故V=90.75m3。烟道气入口断面积为。床层厚度为10m2.6.4 传质系数的求取影响传质速率的因素很多,关系错综复杂。除传质推动力外,其它所有影响传质速率的因素诸如气固相物系性质,设备及填料类型和尺寸,以及两相流动状况和操作条件等都集中体现传质系数中。由于对这些影响因素的作用机理及其定量影响尚未完全认识清楚,故迄今尚无统一的通用计算方法和计算公式。目前在进行吸附过程设计计算时,传质系数的获取均建立在实验的基础上。本设计使用固定床实验确定传质系数的。对于低浓度气体吸收，计算式有： （2-9） （2-10） 逆流床烟气处理量为89824，换算成=782151。（1） 活性焦流量的计算由于混合气体中NO、NO2、N2、O2、CO2、H2O、SO3的浓度远远大于的浓度,因此假定、和水蒸气的进出口浓度未发生变化,即将NO、NO2、N2、O2、CO2、H2O、SO3看成惰性气体来处理。惰性气体中各气体的摩尔比：N（NO）:n（NO2）:n（N2）:n（O2）：n（CO2）：n（H2O）：n（SO3）=0.00047：0.000054：0.592：0.063：0.126：0.218：0.000054惰性气体平均分子量：（惰性气体）惰性气体密度：（惰性气体）=P/(RT)=100000028.08/（8.31493.15）=8594.26进口SO2的浓度=1234510-3/8594.26=0.00145出口SO2的浓度=12345*10-3（1-0.98）/8594.26=0.0000289查文献活性焦的制备及其烟气脱硫-的实验研究得到活性焦吸附SO2的平衡曲线见下图：图2-10 活性焦逆流连续吸附实际操作线可从该途中查出与气想Y1平衡的=0.058，移动床进口固相组成=0，根据式（2-5）得：根据实际操作条件下的固气比应为最小固定值的1.12.0倍，本计算实际固气比取最小固气比的1.8倍，则：故，估算吸附剂的实际用量：。由平衡曲线图可看出，平衡关系是非线性，故用树枝积分法求解。现采用辛普生法求解。把操作线平均分成6等份，步长S=（0.00145-0.0000289）/6=0.00024.对于每一等份的y值查图算出对应的x、y*、1/（y-y*），列表，并把其值代入公式（2-10）计算的NOG=30.77。把计算所得的NOG代入公式（2-9）确定传质系数。传质单元高度的确定：NOG 传质单元数Z 有效床层高度（m）HOG 传质单元高度（m）故传质系数：把降料速度LS=34415换算，可得0.72。所以入口二氧化硫的平均浓度为12435，移动床厚度只需10m，控制空床气速为1000h-1，脱硫剂下移速度为0.72，就能使移动床的脱硫效率保持96%以上，并且底部排除的脱硫剂可以达到充分利用。表2-4 数据汇总项目参数设计温度130设计压力MPa1.2吸附剂实际用量LS（kg/h）34419传质单元数NOG30.77传质单元高度HOG（m）0.325传质系数Kya（kg（气体）/（mh）2406368吸附床有效厚度Za（m）10降料速度（m/s）0.72反应器体积m390.752.6.5 反应器设计说明书设计初步完成后，使用SW6-2011对反应器进行强度校核，形成设计说明书。由于逆流移动穿反应器，其中输入数据如下：表2-5输入数据值项目压力MPa管程/壳程设计温度/设备直径/mm计算长度/mm备注输入数据1.2130340013000见表2-7由SW6-2011计算结果如下：表2-6计算结果表项目计算结果/mm备注设备筒体壁厚18 表2-7上封头壁厚18表2-7上封头壁厚30表2-7表2-7 脱硫反应器强度校核脱硫反应器校核计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所筒体设计条件内 筒设计压力 pMPa内压: 1.2 外压: 0.1设计温度 t C130内径 Dimm3400名义厚度 dnmm18材料名称Q345R许用应力 s 185 s tMPa183.8压力试验温度下的屈服点 ReL325厚度负偏差 C1mm0.3腐蚀裕量 C2mm2厚度附加量 CC1C2mm2.3焊接接头系数 f0.85压力试验类型液压试验压力 pTMPa1.2筒体长度 Lwmm13000内筒外压计算长度 Lmm100封 头 设 计 条 件筒体上封头筒体下封头封头形式椭圆形椭圆形名义厚度 dnmm1830材料名称Q345RQ345R设计温度下的许用应力 s tMPa183.8183.8厚度负偏差 C1mm0.30.3腐蚀裕量 C2mm22厚度附加量 CC1C2mm2.32.3焊接接头系数 f0.850.85主 要 计 算 结 果内圆筒体内筒上封头内筒下封头校核结果校核合格校核合格校核合格质 量 m kg197241793.893015.62备 注内筒体内压计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 pc 1.33MPa设计温度 t 130.00 C内径 Di 3400.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 185.00MPa设计温度许用应力 st 183.80MPa试验温度下屈服点 ReL 325.00MPa负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 14.53mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 15.70mm名义厚度 dn = 18.00mm重量 19724.00Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值pT = 1.25p = 1.2000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ReL = 292.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 153.57 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 pw= = 1.43620MPa设计温度下计算应力 st = = 144.68MPastf 156.23MPa校核条件stf st结论 合格内筒体外压计算计算单位中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件筒体简图计算压力 pc 0.03MPa设计温度 t 130.00 C内径 Di 3400.00mm材料 Q345R ( 板材 )试验温度许用应力 s 185.00MPa设计温度许用应力 st 183.80MPa试验温度下屈服点 ReL 325.00MPa负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.85厚度及重量计算计算厚度 d = = 0.33mm有效厚度 de =dn - C1- C2= 15.70mm名义厚度 dn = 18.00mm重量 19724.00Kg压力试验时应力校核压力试验类型 液压试验试验压力值pT = 1.25p = 1.2000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力水平 sTsT 0.90 ReL = 292.50MPa试验压力下圆筒的应力 sT = = 153.57 MPa校核条件 sT sT校核结果 合格压力及应力计算最大允许工作压力 pw= = 1.43620MPa设计温度下计算应力 st = = 3.26MPastf 156.23MPa校核条件stf st结论 合格内筒上封头内压计算计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 pc 1.33MPa设计温度 t 130.00 C内径 Di 3400.00mm曲面深度 hi 850.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 183.80MPa试验温度许用应力 s 185.00MPa负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 pT = 1.25p= 1.2000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ReL = 292.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 153.22MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 14.50mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 15.70mm最小厚度 dmin = 5.10mm名义厚度 dnh = 18.00mm结论 满足最小厚度要求重量 1793.89 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 pw= = 1.43951MPa结论 合格内筒下封头内压计算计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 pc 1.33MPa设计温度 t 130.00 C内径 Di 3400.00mm曲面深度 hi 850.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 183.80MPa试验温度许用应力 s 185.00MPa负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 pT = 1.25p= 1.2000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ReL = 292.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 87.00MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 14.50mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 27.70mm最小厚度 dmin = 5.10mm名义厚度 dnh = 30.00mm结论 满足最小厚度要求重量 3015.62 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 pw= = 2.53530MPa结论 合格内筒下封头外压计算计算单位 中航一集团航空动力控制系统研究所计算所依据的标准GB 150.3-2011 计算条件椭圆封头简图计算压力 pc 0.03MPa设计温度 t 130.00 C内径 Di 3400.00mm曲面深度 hi 850.00mm材料 Q345R (板材)设计温度许用应力 st 183.80MPa试验温度许用应力 s 185.00MPa负偏差 C1 0.30mm腐蚀裕量 C2 2.00mm焊接接头系数 f 0.85压力试验时应力校核压力试验类型液压试验试验压力值 pT = 1.25p= 1.2000 (或由用户输入)MPa压力试验允许通过的应力stsT 0.90 ReL = 292.50MPa试验压力下封头的应力sT = = 87.00MPa校核条件sT sT校核结果合格厚度及重量计算形状系数 K = = 1.0000计算厚度 dh = = 0.33mm有效厚度 deh =dnh - C1- C2= 27.70mm最小厚度 dmin = 5.10mm名义厚度 dnh = 30.00mm结论 满足最小厚度要求重量 3015.62 Kg压 力 计 算最大允许工作压力 pw= = 2.53530MPa结论 合格第三章 SCR脱硝反应器的设计3.1 反应器选型3.1.1 反应特点SCR脱硝效率很高，与其他脱硝技术相比,具有反应温度较低、装置结构简单、脱硝效率高、技术成熟、运行可靠、便于维护等特点,并且没有副产物产生,不形成二次污染。SCR 反应原理SCR工艺本质上就是在一定温度条件下(200450)，借助于催化剂的帮助，用氨(NH3)来还原NOx的过程，在反应过程中，NH3有选择性地和NOx反应生成N2和H2O，而不是被O2所氧化。3.1.2 反应器对比氨气与NOX反应为气气反应，气体流速较大，反应热不大，基本采用绝热式固定床反应器。绝热式固定床反应器可分为轴向反应器和径向反应器:（1）轴向绝热式固定床反应器如图（a）所示，这种反应器结构最简单，实际上是一个容器，催化剂均匀堆置于床内，预热到一定温度的反应物料自上而下流过床层进行反应，床层同外界无热交换。（2）径向绝热式固定床反应器如图（b）所示，径向反应器的结构较轴向反应器复杂，催化剂装载两个同心园构成的环隙中，流体沿径向流过床层，可采用离心流动或向心流动。径向反应器的优点是流体流过的距离较短，流道截面积较大，床层阻力降较小。本设计选用径向绝热式固定床反应器，因为流道截面积较大，为了减小流体的压力降和流动距离，故选取径向绝热式固定床反应器。图3-1 轴向与径向反应器3.2 催化剂的选择3.2.1催化剂的化学组成目前市面上主要应用的SCR催化剂活性组分为V2O5，载体为锐钛矿型的TiO2，WO3或MoO3做助催化剂。表3-1 典型催化剂的成分及比例催化剂成分比例主要原材料TiO278WO39MoO30.2-1活性剂V2O50-3纤维SiO27.5Al2O31.5CaO1Na2O+K2O0.13.2.2催化剂类型电厂烟气脱硝催化剂的主要类型有蜂窝式、板式、和波纹式。其主要性能对比如下：表3-2 不同类型SCR催化剂的性能比较性能参数蜂窝式催化剂板式催化剂波纹式催化剂成型陶制挤压，成型均匀，整体均是活性成分金属作为载体，表面涂层为活性成分波纹状纤维作载体，表面涂层为活性成分特点 比表面积大、活性高、所需催化剂体积下；催化活性物质比其他类型多50-70；催化剂再生后仍保持选择性 表面积小、催化剂体积大；生产简便，自动化程度高；烟气通过性好，但上下模块间易堵塞；实际物性物质比蜂窝式少50% 表面积介于蜂窝式与平板式之间，质量轻；生产自动化程度高；活性物质比蜂窝式少70%；烟气流动性很敏感；上下模块之间易堵塞基材整体挤压不锈钢金属板玻璃纤维板催化剂活性中低高SO2氧化率高高低压力损失高中低抗中毒性（As）低低高堵塞可能性中低中模板质量中重轻耐热性中重中适用范围高尘及低尘均适用高尘及低尘均适用主要用于低尘，也用于高尘综合对比，选用蜂窝式催化剂。蜂窝式催化剂采用V2O5骨架材料，具有模块化、面对质量比较轻，长度易于控制、比表面积打、回收利用率高等优点。3.3 脱硝工艺3.3.1 SCR基本原理SCR法中催化剂的选取是关键。对催化剂的要求是活性高、寿命长、经济性和不产生二次污染。SCR法是国际上应用最多、技术最成熟的一种烟气脱硝技术。SCR法的优点有：使用了催化剂，反应温度较低，净化率高，可达85以上，工艺设备紧凑，运行可靠，还原后的氮气放空，无二次污染。但也存在一些明显的缺点：烟气成分复杂，某些污染物可使催化剂中毒，高分散度的粉尘微粒可覆盖催化剂表面使其活性下降，系统中存在一些未反应的NH3和烟气中的SO2作用，生成易腐和堵塞设备的硫酸铵盐，同时还会降低氨的利用率，投资和运行费用较高。SCR反应的基本原理：选择性催化还原(SCR)是在一定的温度和催化剂的作用下，还原剂有选择地把烟气中的NOX还原为无毒无污染的N2和H2O。催化的作用是降低分解反应的活化能，使其反应温度降低至150-450之间。若无催化剂，反应温度较高（980左右），超出了电厂温度范围。还原剂有氨水、液氨及尿素，工业上常应用的是液氨，其次是尿素。实际中液氨的使用最多，其反应如下：主反应方程式：主反应方程式：副反应方程式：因为烟气中的几乎95的NOX均是以NO的形式存在。在反应过程中，NH3可以选择性的和NOX反应生成N2和H2O而不是被O2所氧化，其基本原理如图1.1所示：图3-2 SCR基本反应原理3.3.2 SCR工艺流程典型的SCR主要工艺流程为：还原剂即液氨用灌装卡车运输，以液体形态储存于氨罐中，液态氨在注入SCR系统烟气之前经由蒸发器汽化，汽化的氨和稀释空气混合，通过喷氨格栅喷入SCR反应器上游的烟气中，充分混合后的还原剂和烟气在SCR反应器中催化剂的作用下发生反应，以达到去除NOX的目的。SCR的基本操作运行主要包含以下几个步骤：（1）氨的准备与储存；（2）氨的蒸发并与预混空气相混合；（3）氨与空气的混合气体在反应器的适当位置喷入烟气系统中，其位置通常在反应器入口附近的烟气管路内；（4）喷入的混合气体与烟气的混合（5）各反应物向催化剂表面的扩散并进行反应。 本反应采用低温低尘布置系：这种布置方式通常将SCR反应器布置在所有的气体排放控制系统之后，此时的烟气经前面的气体控制设备，已经除去了绝大多数对催化剂有害的成分。 低温布置的优点：（1）烟气经过了除尘脱硫，可采用更大的流速，使催化剂消耗量减少：（2）氨逃逸量与其它布置方式相比是最少的：（3）不会 产生SO3，防止二次污染缺点：（1） 烟气经除尘脱硫后，温度降低，低于氨还原NOX反应所需的温度，需重新加热，增加投资和运行成本；（2）很难找到符合反应条件的催化剂。3.4 反应条件的选择3.4.1 反应温度反应温度不仅决定反应物的反应速度也决定了催化剂的反应活性。烟气温度低于催化剂的反应温度时，氨分子与SO3和H2O反应生成NH3HSO4和（NH4）SO4，减少了与NOX的反应。而且生成物附着在催化剂的表面，容易引起积灰污染进而堵塞催化剂的通道和微孔，降低催化剂的活性和脱硝效率。烟气温度高于催化剂反应温度时，催化剂通道与微孔将发生变形，导致有效通道和面积的减少加速催化剂的老化。另外，温度过高还会使NH3直接转化为NOX。一般的SCR系统温度大多设定在300-400之间，本设计将温度设计在350。3.4.2 反应压力 反应压力选取1MPa，使反应速率更快。3.4.3 空间速度空间速度是烟气在催化剂容积内的停留尺寸。空间速度大，烟气在反应器内的停留时间段，则反应有可能不完全。一般在2500-3500。为了使反应完全，本设计选取空时在3000。3.4.4 烟气流型与氨的湍流混合在工程设计中必须重视烟气的流畅，喷氨点应具有湍流条件已实现与烟气的最佳混合，形成明确的均相流动区域。本设计中采用氨气喷入，故与烟气反应为均相反应，流动接触面积大，反应面积大。3.5 SCR系统的设计与计算3.5.1 设计执行标准1.火电厂大气污染物排放标准-GB13223-20152.燃煤电站SCR烟气脱硝技术及工程应用-20073.燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术-20093.5.2 脱硝入口烟气参数表3-3 脱硝入口烟气参数表项目参数烟气流量m3/h108732.396烟气温度200进口浓度NOXinppm以503进口O2in，vol%0.073进口H2O（g）浓度，H2Oin，vol%0.086操作压力MPa1空速范围h-18000-10000h-1脱硝效率97选择性903.5.3 热力计算1.SCR反应器中的物料平衡根据实验研究，在SCR硝工艺中（NO和NO2）、NO、NO2和NH3反应时的顺序为：（NO和NO2）NONO2。NO的含量在SCR工艺中占整个NOx的95%左右。当NO与NH3按相同的摩尔数反应时，化学方程式为当NO和NH3按3:4的摩尔比反应时，化学方程式为当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.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还原反应热约为Q=97kcal/mol（NO）（2） NO+NO2还原： 反应热约为Q=83kcal/mol（NO+NO2）（3） NO2还原： 反应热约为Q=122kcal/mol（NO）3.还原剂消耗量估算影响SCR脱硝设计的主要因素之一是还原剂的选择，目前世界上常用的还原剂有两种，液氨和尿素。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，即：式中：M -摩尔比，通常为SCR系统的脱硝效率，M=97%； -NOX含量（标态、干基、6%），mg/Nm3； -烟气流速（标态、湿基），m3/h； -烟气中H20的含量，%； -氨的逃逸率，ppm； -实际O2含量，%； -NH3的流量，kg/h； -单位转换系数。代入数据可以求得=20.513. 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：式中：- 标态下NH3流量，m3/h； - 标态下稀释空气比率，m3/h 。5.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排放限量为50mg/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