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摘要：本文对国内外脱硝反应器技术进行了系统梳理和总结，并分析探讨了几种创新脱硝反应器技术，新技术从工程适应性、安全性、经济性等各方面满足了不同工况的工程需要，具有良好的良好的工艺性能和成本优势。
关键词：脱硝；反应器；结构
前言
国外脱硝技术起步较早，发达国家在上个世纪已经基本完成其脱硝改造工作，目前全
球较出名的脱硝技术来源主要有美国B&W和FTI公司、德国鲁奇和FBE公司、三菱和日立公司、意大利TKC公司、丹麦托普索公司等的烟气脱硝技术。
我国03年颁布《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223－2003）后，国内脱硝市场日
见火热，随着环保标准的日益严格和脱硝发展高峰的到来，国内各个脱硝公司亦逐渐成长和发展壮大。目前国内脱硝公司主要有大唐环境、华电工程、国电龙源、国电清新、博奇、清华同方、浙大网新、福建龙净、苏源环保、湖南永清、上海石川岛等公司。
国内环保公司的脱硝技术大都引进国外技术，作为脱硝技术的核心设备，国内各家环保公司对脱硝反应器设计普遍存在技术单一、模式固定的问题，国内脱硝反应器设计技术具有很大的提升空间。本文将对目前国内外脱硝反应器技术进行一些梳理总结，并对大唐环境全面掌握外资技术并进行创新的反应器成套技术进行分析、探讨和共享。
1目前国内常见的几中脱硝反应器设计模式
SCR（选择性催化还原）法是国际上应用最多、技术最成熟的一种烟气脱硝技术。在此技术中，反应器是SCR装置的核心部件，是提供烟气中NOX与NH3在催化剂表面上生成N2和H2O的场所，其主要功能是承载催化剂，为脱硝反应提供空间，同时保证烟气流动的顺畅与气流分布的均匀，为脱硝反应的顺利进行创造条件。
燃煤电厂脱硝项目发展时间较短，国内外环保公司对脱硝反应器的技术模式各有特征，经过作者大量调研，根据支座形式我们将反应器形式总结为自立式（又分四支腿和多支腿两种形式）、悬挂式（又分反应器入口处悬挂、反应器中部悬挂及相应的单支腿和多支腿等形式）、悬吊式三种设计模式。
1.1自立式脱硝反应器
自立式反应器分为四支腿脱硝反应器和多支腿脱硝反应器。
图一为四支腿脱硝反应器剖面示意图，此种反应器自身承受催化剂、烟压等荷载且其止晃结构设置在反应器本体底部，四支腿滑动座落在其下钢结构框架梁上，因其壳体自身强度比较大，此种模式反应器自身用钢量经济性较弱，但此种模式反应器可有效降低脱硝钢结构支架用钢量（钢结构支架不用抬升到反应器顶部且传递到其下钢梁上荷载弯距较小）。
2几种新型反应器设计模式及创新技术
不同的工程项目有不同的工程特点。单一的反应器设计模式对有些项目不一定是最适应的，固守一种技术有时不但会增加工程成本、影响工期，甚至还会影响工艺整体布置，从而影响流场分布，造成催化剂磨损、烟道及反应器积灰等情况。
根据国内外脱硝项目的大量调研总结，大唐环境从2012年对脱硝核心设备反应器及其相关装置进行了系列研究，不但全面掌握了外资技术，还进行了全面创新，形成了具有独立知识产权的脱硝反应器成套技术。该研究在工艺技术模式、结构构件优化、设计与制作、施工与运行等方面着手，取得了系列成果，获得4项发明专利、13项实用新型专利和一项软件著作权的丰硕成果，并成功在二百余台锅炉进行了应用。应用结果表明：脱硝反应器工艺性能满足环保要求、运行稳定可靠、运行稳定可靠、节省工程量、缩短工期、运行维护方便。
该研究综合开发了反应器的烟道式、合体式、整体悬吊式、新式桁架-烟道式等系列新技术模式，提高了反应器技术对不同工程对象的适应性；该研究综合改进和创新了钢板剪力墙式壳体壁板、双层钢板壳体、吊轨与催化剂支撑梁合并、绳式吊轨、活动可拆装性检修平台、脱硝钢结构支架钢板剪力墙、整流设备等装置的集成融合技术，优化了反应器结构受力状态，降低了反应器用钢量，改善了反应器内烟气流场，提供了可广泛应用的新方法；该研究还创新开发了入口烟道内置凸起导流装置、双层喷氨格栅、水平吹灰等技术有效解决了催化剂磨损、喷氨不均匀等难题。
大唐环境的研究成果不仅在项目上取得了成绩，还获得了业界的认可，该反应器系列成套技术在10月份中国电机工程学会组织的鉴定会上，经权威专家取得了“在SCR反应器设计整体技术上达到国际先进水平，多种反应器综合利用技术达到国际领先水平”的鉴定结论。
鉴于篇幅限制，本文仅对反应器成套技术部分内容给予介绍分析讨论。
2.1合体式脱硝反应器
此技术将反应器入口烟道和反应器合体设计，反应器和入口烟道之间钢板隔开。此技术适用于空间狭窄，反应器入口烟道和反应器本体之间难以脱开的情形，但此技术将反应器和入口烟道合体后因反应器入口水平段变短引起的阻力变大问题需引起设计人员注意。
技术简图如右图五所示。其中，1—脱硝反应器；2—入口烟道顶部；3—反应器入口烟道；4—入口烟道悬挂部分；5—反应器出口烟道； 6—脱硝钢结构
3新式脱硝反应器在工程中的应用
笔者曾主持开发了合体式、烟道式、新式桁架—烟道式脱硝反应器、整体悬吊式脱硝反应器等系列技术，并取得了国家专利。鉴于篇幅所限，本文仅对烟道式脱硝反应器应用情况进行分析讨论。
3.1烟道式脱硝反应器技术介绍
此技术参考烟道设计技术并有效结合容器、结构设计思路，改进了反应器催化剂支撑梁及反应器壳体结构布置形式，反应器壳体由原来壁板不受力调整为靠壳体壁板主要受力，采用有限元计算模式。反应器结构构件受力更为合理，此技术适用性较强，支座形式可根据工程实际情况调整为悬挂式和自立式，采用此技术将有效缩减反应器无效空间并极大降低反应器用钢量。
此技术丰富了反应器新技术模式，该反应器可衍生出自立烟道式、中部悬挂烟道式、顶部悬挂烟道式等多种反应器技术模式，极大方便了工艺布置。此技术还改进了反应器催化剂支撑梁布置模式，将两层梁调整为一层梁。反应器壳体由原来壁板不受力调整为主要靠壳体壁板受力。此技术反应器用钢量节省明显，因此技术改进了反应器壳体和催化剂支撑梁结构布置，其流场要优于原技术，对一台600MW 机组脱硝工程新立钢柱方案来讲，其直接费用节省将达300 万以上（含引起的钢支架及基础节省）。因此技术由壁板主要受力，使受力模型主要靠框架和加固肋进行计算调整为有限元计算的模式，受力模型更加真实合力。本技术重新考虑反应器壁板的承重问题，将现有技术中由桁架上的荷载转移到反应器壁板上，从而提供一种能充分降低反应器整体用钢量且不易积灰、流场较好的脱硝反应器。该技术在目前脱硝超低排放工程改造项目中展现了很大的优势，以往的脱硝反应器大多是框架式结构体系，壁板并未参与模型计算，结构冗余度及安全瓶颈较大，加装催化剂后，荷载增大，如按原计算模式进行设计计算，反应器结构加固量较大且工期较长，采用此技术成果后，反应器壁板与加劲肋之间节点只需进行简单节点构造处理，反应器壁板即可按钢板剪力墙构件纳入模型计算，极大节省加固工程量和工期（据统计，可节省80%加固量和80%以上施工工期）。
此技术将使我公司目前反应器用钢量由110~130kg/m3 缩减到60~90kg/m3 ，反应器用钢量节省明显，因此技术改进了反应器壳体和催化剂支撑梁结构布置，其流场要优于原技术，对一台600MW机组脱硝工程新立钢柱方案来讲，其费用节省将达250万以上（含引起的钢支架及基础节省）。此技术在国内有一定的先进性。
3.2烟道式脱硝反应器技术改进要点
a、催化剂支撑梁双层梁调整为单层梁；
b、反应器壁板参与计算；
c、梁柱（或水平及竖向加固肋）结构布置形式调整优化；
d、竖向支撑和减少水平支撑设置；
e、优化节点图，强化节点设计
3.3烟道式脱硝反应器在工程应用中的优势比较
在某工程#2机设计当中，我公司采用传统引进技术进行反应器设计，反馈一般，在此工程#1机设计当中，笔者采用了烟道式脱硝反应器设计技术，使用及经济效果明显，现场反馈良好，受到了用户的好评。
现以图表形式对此两种反应器技术进行对比分析，如下表：
从上表及具体施工图中可以看出，采用新技术的#1机组相较采用老技术的#2机组反应器有以下明显优势：
a:#1机组结构构件简捷，工艺流场相比#2机组更好。#1机组成品型钢较多，#2机组现场制作型钢较多，制作安装工艺及工期#1机组优于#机组；
b:#1机采用催化剂单层支撑梁结构体系，#2机反应器采用催化剂双层支撑梁结构体系，新体系可有效降低反应器层高，#1机反应器整体高度为15.3m，相比#2机的16.52m降低了1.32m；
c:#1机壳体壁板参与整体受力计算，#2机壳体壁板仅承受烟压作用，新体系壁板对反应器整体构件作用明显，壳体水平加固肋和竖向加固肋（或梁柱）构件截面明显减小；
d:#1机结构布置受力合理，力传递方向明确，构件受力冗余度较小，#2机结构布置比较复杂，构件受力冗余度较大；
e:#1机结构布置因有壁板参与整体计算，取消了支撑设置，节点简单，绘图及制作安装方便，#2机结构布置因壁板不参与整体计算，支撑较多，节点复杂，绘图及制作安装均较复杂；
f:#1机结构标准节点较少，增加了节点牛腿设计，其绘图和制作安装均较方便且充分体现了强节点设计的结构设计原则，#2机结构标准节点较多，绘图和制作安装均较复杂。
3.4烟道式脱硝反应器在工程应用中的计算分析
本项目计算采用了STAAD.PRO、ANSYS两算对比，STAAD软件构建了20余个模型、
ANSYS软件构建了10余个模型，计算结果两个软件基本一致，构件应力比大部分控制在0.85以下，采用了强节点设计思路，构件具有较强的的安全性。
以下为图示STAAD和ANSYS两软件计算对比：
a:整体应力模型如下图十一所示。
b:壳体壁板应力等值云图对比如下图十二（STAAD)、图十三（ANSYS)所示：
由上面对比图可以看出，反应器结构由双层钢梁改为单层
钢梁，反应器内部结构的简化，弱化了钢梁的存在对原反应器内部流场的影响，主要表现在靠近钢梁侧的烟气流场更加均价。反应器结构由双层钢梁变成单层钢梁，优化了其流场分布，对保证脱硝效率以及催化剂的正常使用具有积极作用。
3.6烟道式脱硝反应器国内外技术对比
1>、同国外技术对比
本研发项目技术成果将脱硝反应器用钢量从原外资技术的120~130kg /m3 提升到60~100kg /m3，单台反应器工期可以提前10 天左右。以发耳电厂1 号机（利用本研发成果）和2 号机（外资日立技术）对比为例：发耳1 号机反应器设计单台本体整体用钢量258 吨（壳体160 吨、支撑梁70 吨、整流装置18.3 吨、防积灰板3.4 吨、其它6.3 吨），相比2 号机反应器整体用钢量单炉节省钢材约200 吨（两台反应器），整体用钢节省28.33%，单台反应器用钢可比指标84.4kg /m3（反应器本体轴线尺寸含柱脚长宽高15.9×11.2×15.3=2725m3，仅壳体和支撑梁用钢）。1 号机可比用钢指标84.4kg /m3，其用钢指标实现了突破，反应器设计模式突破了日立技术形式且具有明显的优势。国外发达国家因其脱硝工程市场规模较小，其技术研发较慢，我公司该研究成果是在外资技术上进行的研发，其成果效益及市场竞争力要优于国外技术。
2>、同国内同行业比较
本研发项目技术成果在国内属于首创（见专利、鉴定及查新报告），本研发项目在投入使用时国内某知名环保公司尚在联合国内某顶间高校对本研发项目的某些关键技术进行科研实验。可见，我公司该科技成果理论及实际应用都走在了同行的前列，在国内具有领先性。同时，该科研成果不但促进了我公司“两优化”的进展，也为行业的发展做出了贡献。该技术成果对反应器受力模型进行了大胆调整，突出了反应器壳体壁板的受力作用，采用ANSYS、STAAD.PRO 等大型有限元软件计算，设计成品安全可靠，用钢指标大副降低，受到了各方好评。目前，该技术成果已在发耳、安阳、三门峡、湘潭、洛阳等系列脱硝工程中得到了验证，其中发耳#1 机单台反应器直接节省用钢约100 吨，直接节省成本约27.3%。该技术成果已于2013 年7 月份在我公司全面推广应用。该技术成果用钢量、安全性能、使用效果、安装制造工期等各项指标国内领先。国内行业其他环保公司也在对反应器进行外资技术吸收提升。经我公司调研，国内其他公司脱硝反应器大都局限在单一模式当中，对工程不同条件状况其模式并非是最优的。其用钢量最节省的尚在90kg /m3，我公司研发成果相比用钢指标具有一定的优势（60~100kg /m3）。另外，我公司该研发成果可根据项目具体情况调整反应器布置形式，反应器设计模式比较广泛，其间接效益更大。
结论
国内脱硝技术大都引自国外，脱硝反应器设计模式做为技术转让内容之一也大都打上了原技术支持方的烙印，但在项目实施过程中，各个项目情况各异，做为公司常规设计的反应器设计模式在某些工程中并不一定是最适合的甚至是无法实施的。针对不同的工程实际应选用不同的反应器技术模式，这样才能使工程建设和实际运行达到最佳结合效果。大唐环境产业集团股份有限公司通过研发团队大量调查研究，梳理总结了国内外各种脱硝反应器技术，并在具体设计过程中不断总结创新，独立研发了反应器系列成套技术，该成套技术针对不同的工程实际具有不同解决方案，大大提高了工程适应性。其成套技术不但能降低工程成本、缩短工期，还可最大程度适应工艺整体布置，从而达到改善流场分布，降低催化剂磨损、减少烟道及反应器积灰等功效。
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论文作者:曹东
论文发表刊物:《基层建设》2017年第32期
论文发表时间:2018/1/24
标签：反应器论文; 技术论文; 壁板论文; 烟道论文; 壳体论文; 模式论文; 催化剂论文; 《基层建设》2017年第32期论文;