燃煤煙氣脫硫脫硝非標(biāo)設(shè)備的工程設(shè)計(jì)

馬洪明，季明國，張 楊

（中國昆侖工程公司，北京 100037）

燃煤煙氣脫硫脫硝非標(biāo)設(shè)備的工程設(shè)計(jì)

馬洪明，季明國，張 楊

（中國昆侖工程公司，北京 100037）

燃煤煙氣脫硫脫硝非標(biāo)設(shè)備的工程設(shè)計(jì)中，在脫硫吸收塔的設(shè)計(jì)、脫硫區(qū)非標(biāo)設(shè)備的防腐、SCR脫硝反應(yīng)器、煙道設(shè)計(jì)等方面，應(yīng)根據(jù)其各自不同的特點(diǎn)做特殊考慮，并提出需要解決的問題。

燃煤煙氣；脫硫；脫硝；非標(biāo)設(shè)備

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.71

0 前言

化石燃料開采利用量的不斷增加，造成有害物質(zhì)的排放越來越嚴(yán)重，其中二氧化硫和氮氧化物污染不斷加劇，使局部地區(qū)出現(xiàn)了酸雨、光化學(xué)煙霧等大氣污染。二氧化硫和氮氧化物排放主要來自于煤炭的直接燃燒，成為主要的大氣污染源之一。為減少燃煤煙氣中的二氧化硫和氮氧化物排放，必須對(duì)燃煤煙氣進(jìn)行脫硫脫硝處理，燃煤煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)中非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)與常規(guī)的化工機(jī)械設(shè)備相比，具有自身特有的結(jié)構(gòu)型式，在脫硫吸收塔、脫硫區(qū)的內(nèi)防腐、SCR脫硝反應(yīng)器、煙道設(shè)計(jì)等方面，需要在相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)中做特殊的考慮。

1 脫硫吸收塔

目前燃煤煙氣脫硫的主導(dǎo)技術(shù)是濕法煙氣脫硫，即WFGD系統(tǒng)。脫硫吸收塔是該系統(tǒng)的核心設(shè)備，作用是使煙氣中的二氧化硫與塔內(nèi)各噴淋層噴淋的石灰漿液發(fā)生氣液反應(yīng)，以脫除煙氣中的硫。

部分老裝置在改造過程中受空間限制，需脫硫、濕電除塵和煙囪三者一體化。脫硫吸收塔計(jì)算示意見圖1。其中濕電除塵裝置自重較大并設(shè)置在吸收塔之上，給脫硫吸收塔本體施加一高質(zhì)點(diǎn)的載荷，需要考慮脫硫塔的穩(wěn)定性問題。

圖1 吸收塔計(jì)算示意

該類脫硫吸收塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前還沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，缺乏比較清晰的理論分析和指導(dǎo)規(guī)范。根據(jù)國外的引進(jìn)技術(shù)（如美國的B&W公司），整個(gè)塔體自下而上依次分段采用不同的壁厚，塔體底部至矩形開孔段由于受力情況復(fù)雜采用比較大的壁厚值，向上依次減少壁厚值。這樣的壁厚布置，雖然在強(qiáng)度上能滿足要求，但是實(shí)際工程中并未達(dá)到很好的經(jīng)濟(jì)性能。部分研究發(fā)現(xiàn)，在正常工況下，除了矩形開孔部位有比較大的應(yīng)力外，其他區(qū)域應(yīng)力都不太大，可采用局部加結(jié)構(gòu)型鋼的方式減小局部應(yīng)力，整個(gè)塔體存在較大優(yōu)化空間。

2 脫硫區(qū)的內(nèi)防腐

脫硫吸收塔本體的內(nèi)防腐主要是以標(biāo)準(zhǔn)鱗片為主，部分設(shè)備、管道采用橡膠襯里。根據(jù)位置不同，確定不同的內(nèi)防腐厚度，并且局部應(yīng)采用雙相不銹鋼，特別注意對(duì)除霧器、噴淋層支撐梁的內(nèi)防腐要求。脫硫吸收塔入口段塔壁與高溫氣體接觸而受到熱沖擊，故干濕交界面的煙道、擋板門等位置選具有耐熱性的鱗片襯里材，襯里不宜很厚，避免在較大的溫差變化沖擊下產(chǎn)生裂紋。某些公司采用高性能的雙相不銹鋼、襯雙相鋼和鈦材等。

脫硫吸收塔出口至煙囪（或煙塔合一結(jié)構(gòu)中的煙囪）使用溫度不高且無磨損，可使用標(biāo)準(zhǔn)的鱗片襯里，但是由于本段的內(nèi)防腐屬于高空作業(yè)，內(nèi)防腐的效果除與內(nèi)防材料有關(guān)外，與施工驗(yàn)收也有很大關(guān)系，一些裝置需采用襯鈦復(fù)合板結(jié)構(gòu)。

排煙脫硫裝置使用橡膠襯里材料，是在考慮了耐水蒸氣透過性、耐砂漿磨損性、耐二氧化硫性、耐氯性、耐熱性等要求后決定的。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮襯里前的基本檢驗(yàn)、噴砂、粘接劑的底涂和面涂、膠板的粘貼、檢驗(yàn)和修補(bǔ)等。

3 SCR脫硝反應(yīng)器

SCR脫硝反應(yīng)器是完成脫硝化學(xué)反應(yīng)、提供氮氧化物降解的裝置，是脫硝系統(tǒng)中最核心的設(shè)備。催化劑以單元模塊形式疊放在若干層托架上，需要大型鋼結(jié)構(gòu)支撐，這些鋼結(jié)構(gòu)體型龐大，長期工作在高溫狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)形式與常規(guī)設(shè)備不同，還沒有一種精確的設(shè)計(jì)方法。

如圖2所示，SCR脫硝反應(yīng)器為矩形截面平板薄壁鋼殼結(jié)構(gòu)，為提高SCR脫硝反應(yīng)器的機(jī)械承載能力，反應(yīng)器采用梁柱—蒙皮、外加加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。所有機(jī)械載荷由梁柱結(jié)構(gòu)承受，蒙皮不承受機(jī)械載荷，可保證SCR脫硝反應(yīng)器安全穩(wěn)定長周期運(yùn)轉(zhuǎn)。SCR脫硝反應(yīng)器能承受長期載荷（如自重、催化劑重量及內(nèi)壓等）和短期載荷（如風(fēng)載荷、雪載荷和地震載荷等）。SCR脫硝反應(yīng)器的設(shè)計(jì)溫度較高，針對(duì)高溫?zé)嵝?yīng)下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，外部加強(qiáng)筋的布置及規(guī)格，既要滿足強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)要求，又要經(jīng)濟(jì)合理。為保證煙氣進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)分布均勻，反應(yīng)器進(jìn)口設(shè)置導(dǎo)流板和整流格柵，導(dǎo)流板、整流格柵的型式及分布對(duì)煙氣流形影響較大，除需要工程經(jīng)驗(yàn)外，還需要流場(chǎng)模擬的配合。大部分SCR反應(yīng)器采用中心固定，反應(yīng)器軸線為限位支架，其余四周為滑動(dòng)支架的結(jié)構(gòu)形式，最大限度的減小支架的熱應(yīng)力問題，計(jì)算支架的熱應(yīng)力以及外載荷下的設(shè)備傾覆在設(shè)備設(shè)計(jì)中需要考慮。SCR脫硝反應(yīng)器需要現(xiàn)場(chǎng)安裝制造，制造檢驗(yàn)的控制點(diǎn)以及焊接結(jié)構(gòu)的型式，需要在設(shè)計(jì)制造、檢驗(yàn)驗(yàn)收過程中斟酌。

圖2 SCR脫硝反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

4 煙道設(shè)計(jì)

高溫?zé)嵝?yīng)下的煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既要滿足剛度、強(qiáng)度要求，同時(shí)還要滿足振動(dòng)要求。如何確定外部加強(qiáng)筋的布置和規(guī)格成為關(guān)鍵。

如圖3所示，煙氣在煙道的彎頭、變徑處會(huì)分布均勻，增加合理的導(dǎo)流板能有效的改變煙氣的不均勻性，但是會(huì)有一定的壓力損失，因此煙道的設(shè)計(jì)除需要工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)外，還應(yīng)經(jīng)煙氣流場(chǎng)模擬校核（圖4）。

圖3 煙道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

圖4 煙道和反應(yīng)器流場(chǎng)

工程設(shè)計(jì)中既有高溫?zé)煔鉄煹?、又有低溫?zé)煔鉄煹?，針?duì)不同的工況確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。煙道的工作溫度相對(duì)較高，對(duì)煙道支座如何限位、如何釋放熱應(yīng)力、以及外載荷下的傾覆校核，都需要逐一考慮。為保證煙道的經(jīng)濟(jì)性和制造簡(jiǎn)易性，煙道的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮材料的采購、制造和運(yùn)輸，以及焊接結(jié)構(gòu)的型式等問題。

5 結(jié)語

（1）脫硫脫硝主設(shè)備的設(shè)計(jì)方法尚沒有一個(gè)確切的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如脫硫吸收塔的穩(wěn)定性分析以及局部應(yīng)力的分析，SCR脫硝反應(yīng)器的支撐梁柱的布置及大小的強(qiáng)度和剛度分析，煙道加固肋的布置及規(guī)格確定，現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)相對(duì)不完善，仍然依賴國外公司的技術(shù)成果。

（2）脫硫脫硝的非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)與設(shè)備布置、內(nèi)件布置以及工藝要求有密切的關(guān)系，如煙道的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)和流場(chǎng)分析，脫硫吸收塔的開孔及內(nèi)件布置，SCR脫硝反應(yīng)器進(jìn)出口導(dǎo)流板及催化劑的布置，需要多個(gè)專業(yè)協(xié)作完成。

（3）脫硫區(qū)非標(biāo)設(shè)備的內(nèi)防腐問題是關(guān)系到整個(gè)裝置安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一，在工程經(jīng)濟(jì)性能對(duì)比后，在設(shè)計(jì)上采用高性能的材料，隨著EPC工程的增多，設(shè)計(jì)應(yīng)與制造、檢驗(yàn)、驗(yàn)收等工作緊密結(jié)合，在保證安全運(yùn)行和工藝性能的前提下，給出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

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TK229.6

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〔編輯 李 波〕