催化剂层设计首先需要确定催化剂的目数（孔密度）和比表面积。目数越高（19孔、25孔、35孔等），比表面积越大，反应效率越高，但压力损失也越大，且对烟气洁净度要求更高。对于高灰工况（如燃煤锅炉），通常选用15~18目的低孔密度催化剂以兼顾效率和运行稳定性；对于低灰工况（如燃气轮机），可选用25~35孔的高孔密度催化剂以减小反应器体积。
催化剂层数配置是另一个关键参数。标准配置为"3+1"层（3层运行层+1层备用层），备用层用于催化剂活性下降时替换。超低排放改造项目通常设计为"3+2"层，在备用层位置安装新催化剂，可将系统整体脱硝能力提升30~40%。催化剂层之间的间距（催化剂层间距）通常不小于600mm，以满足检修和吹灰操作空间要求。最底层催化剂距反应器底板不小于800mm，以保证飞灰有足够的沉降空间，减少催化剂层的积灰。
脱硝反应器内的流场均匀性是影响脱硝效率和氨逃逸的关键因素。行业内通常要求反应器入口截面速度不均匀系数（CV值）小于15%，温度不均匀系数小于10°C，氨气浓度不均匀系数小于10%。
流场设计通常借助计算流体力学（CFD）软件进行模拟优化。在CFD模型中，需要建立反应器入口烟道、导流板、整流格栅、催化剂层和出口烟道的完整几何模型，设置合适的边界条件（入口速度、温度、组分浓度），计算流场和组分分布。导流板的设计原则是：将烟气由垂直方向平滑转向（角度不超过30°），消除高速射流和低速死区；在喷氨格栅上游设置整流格珊或蜂窝状整流器，将大尺度旋涡破碎为小尺度湍流，促进氨气与烟气的充分混合。
喷氨格栅（AIG）的设计目标是：在催化剂层入口前，将稀释后的氨气/空气混合气均匀分布到烟道全截面，确保氨气与NOx的摩尔比（NSR）在各处均接近设定值。AIG通常采用母管+支管+喷嘴的分级结构，支管数量和喷嘴间距根据烟道截面积和烟气流速确定，喷嘴间距通常为200~400mm。每根支管上设置独立的手动调节阀或电动调节阀，用于调整各支管的氨气流量。
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