引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和工業(yè)化水平的顯著提高，大氣污染狀況日益嚴重，我國SO2的排放量已經(jīng)位居世界第二位，NOx排放量也在持續(xù)增長。煙氣脫硫、脫硝已成為我國的一項重要任務(wù)，“十一五”規(guī)劃將“節(jié)能減排”列為重要的約束性指標，要求確保在2010年將我國的SO2排放量降低10%，目前“十一五”時間已經(jīng)接近尾聲，根據(jù)國家發(fā)改委的統(tǒng)計2008年底，我國已投運火電廠煙氣脫硫裝機容量超過3.79億千瓦，約占煤電裝機總?cè)萘康?6%，脫硫建設(shè)進入了高峰期。煙氣脫硝方面，已進入大規(guī)模工業(yè)示范階段，全國累計已有數(shù)十個脫硝項目在建設(shè)過程中。

在煙氣脫硫脫硝工程快速推進的過程中，我國脫硫脫硝的工程技術(shù)研究開發(fā)也進入了快速發(fā)展的階段。煙氣脫硫脫硝技術(shù)開發(fā)是一個多層次、涉及多學科的復雜過程工業(yè)系統(tǒng)開發(fā)過程，其技術(shù)開發(fā)過程具有周期長、技術(shù)難度大、投入大等特點，按照常規(guī)的技術(shù)開發(fā)模式，需要經(jīng)過機理研究->小試->中試->工業(yè)示范->逐級放大->投入應(yīng)用整個開發(fā)流程，綜合應(yīng)用相似理論和因次分析實現(xiàn)系統(tǒng)和核心設(shè)備的放大。其技術(shù)開發(fā)過程具有周期長、技術(shù)難度大、投入大等特點，難以滿足國內(nèi)對脫硫脫硝技術(shù)的迫切要求。目前我國不少環(huán)保企業(yè)在煙氣脫硫脫硝工程應(yīng)用的過程中已逐漸將數(shù)值模擬、計算流體力學等技術(shù)分散應(yīng)用于脫硫脫硝工程設(shè)計中，在一定程度上縮短了設(shè)計周期，降低了設(shè)計難度。但尚未形成系統(tǒng)設(shè)計方法，在煙氣脫硫脫硝設(shè)計開發(fā)技術(shù)方面仍有進一步優(yōu)化的潛力。

一、 目的與意義

煙氣脫硫、脫硝過程工藝是過程工業(yè)的重要組成部分，屬于能源和環(huán)境交叉領(lǐng)域，由于我國經(jīng)濟發(fā)展水平的限制，大氣污染目前基本仍處于先污染后治理的狀態(tài)，政策驅(qū)動型比較強。而環(huán)保需求又不以人、社會乃至國家的意志為轉(zhuǎn)移，沒有前期規(guī)劃的條件。當環(huán)保需求突然爆發(fā)時，傳統(tǒng)的以因次分析、相似準則為基礎(chǔ)，"設(shè)計-小試-中試-工程應(yīng)用"逐級放大的開發(fā)模式存在開發(fā)周期長，開發(fā)成本高，開發(fā)精度難以保證等一系列問題，很難滿足實際要求，因而不得不大量重復引進國外技術(shù)——甚至相當部分還是落后技術(shù)，導致了國民財富的浪費，并阻礙了國內(nèi)煙氣脫硫、脫硝環(huán)保技術(shù)和裝備的發(fā)展，因此煙氣脫硫、脫硝過程工藝的短周期、高精度、高成熟度開發(fā)成為快速響應(yīng)突發(fā)環(huán)保需求的關(guān)鍵。

二、 發(fā)展與趨勢

煙氣脫硫、脫硝中采用的核心處理過程幾乎都要采用化學反應(yīng)的手段，包括吸收、吸附、催化反應(yīng)等。與通常的過程工藝一樣，采用化學方法處理對象時，都可以概括的分為三個部分：1.原料的預處理，包括對處理對象的處理，如對火電廠煙氣進行除塵、降溫等。對添加的反應(yīng)物的處理，如煙氣脫硫中石灰石制粉，煙氣脫硝中制氨系統(tǒng)等；2.化學反應(yīng)，如石灰石與SO2反應(yīng)，氨與NOx反應(yīng)，氨與SO2反應(yīng)等；3.反應(yīng)產(chǎn)物的后處理，如硫酸銨的結(jié)晶、造粒，煙氣的升溫，工藝廢水的處理等。

與通常的化學工業(yè)過程不同的是，化學工業(yè)過程的目的是得到最終的化工的產(chǎn)品，從而得到經(jīng)濟效益?？梢詫υ系奶幚磉M行精細化的處理來適應(yīng)化學反應(yīng)器設(shè)計優(yōu)化，然后對反應(yīng)的產(chǎn)物進行進一步的加工處理，如分離、提純等，已達到對產(chǎn)品的要求。化學反應(yīng)器在多數(shù)化工過程中雖然是整個加工過程中的核心，但其對能量的需求和尺寸卻并不大。而大氣污染處理首先要適應(yīng)產(chǎn)生污染物的主體裝置的生產(chǎn)要求，處理污染物的裝置只是一個附屬裝置，要對主體裝置充分的響應(yīng)不能影響主體的運行。其次一般來說處理的氣量大，難以進行復雜的前處理，因此成分復雜，且污染物含量低，脫除要求卻比較高。再次，由于生產(chǎn)目的不同，污染物處理裝置只是為了將污染物轉(zhuǎn)化為無毒氣體、液體排放或固定到固相產(chǎn)物中，一般不進行復雜的后處理過程，對反應(yīng)器的提出了產(chǎn)物易于處理的要求。因此在大氣污染物處理中對核心化學反應(yīng)過程的要求更高、條件更苛刻。

目前在離散制造業(yè)領(lǐng)域, 國內(nèi)外學者已在新產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)的模型、策略、目標、方法、工具及其環(huán)境等方面做了大量研究, 取得了大量成果，各種新產(chǎn)品的開發(fā)模式如敏捷制造、快速原形、虛擬制造等亦應(yīng)運而生。然而在煙氣脫硫、脫硝領(lǐng)域, 工藝系統(tǒng)開發(fā)的研究尚處于幾乎空白的階段，已有的研究大多是就產(chǎn)品開發(fā)中涉及的具體技術(shù)及方法。由于過程工藝開發(fā)具有風險高、投資大、回收時期長的特點，專業(yè)化的、系統(tǒng)的、有較嚴謹科學性的開發(fā)過程就顯得更為重要。

煙氣脫硫脫硝的工業(yè)系統(tǒng)大多數(shù)為連續(xù)式物料反應(yīng)和加工過程，它處理的主要是物質(zhì)-能量流，涉及復雜的化學反應(yīng)和物理狀態(tài)變化，連續(xù)性和多變量是其顯著特點。其次，新的工藝過程層出不窮，系統(tǒng)日趨大型化、復雜化，現(xiàn)代的研究和開發(fā)工作投資大、周期短、風險大、競爭激烈；過程裝備與生產(chǎn)工藝即加工流程性材料緊密結(jié)合，有其獨特的過程單元設(shè)備和工程技術(shù)，與一般機械設(shè)備完全不同，有其獨特之處。因此，現(xiàn)有的一些工程技術(shù)方法和經(jīng)典計算技術(shù)在某些場合顯得力不從心，有必要從宏觀整體上對過程系統(tǒng)作出描述和把握。

現(xiàn)有的煙氣脫硫脫硝工藝開發(fā)大都沿用傳統(tǒng)的思維模式，主要有因次分析、經(jīng)驗放大、數(shù)學模型等方法，基于這些方法進行"設(shè)計-臺試-小試-中試-工程應(yīng)用"的逐級放大過程，曠日持久且費用高昂。

1、相似論和因次分析法。該法歸納實驗結(jié)果，可取得良好的效果。但對于過程復雜的工藝，效果不夠理想。

2、經(jīng)驗放大方法。通過多層次、逐級放大的試驗，探索、總結(jié)放大規(guī)律。這種經(jīng)驗方法耗資大、費時長、效果差，缺點是顯而易見的。

3、數(shù)學模型方法。通過對過程進行研究，以得到表示過程各有關(guān)參數(shù)與變量之間的關(guān)系的數(shù)學表達式。但是過程工業(yè)領(lǐng)域的過程很多都比較復雜，難以進行如實的數(shù)學描述。

三、 條件與基礎(chǔ)

東南大學能源與環(huán)境學院長期致力于煤燃燒污染物的生成機理研究與防治技術(shù)開發(fā)，對煤燃燒產(chǎn)物中硫氧化物、氮氧化物、重金屬、多環(huán)芳烴等有害污染成分的生成機理、遷移特性、控制或脫除規(guī)律，開發(fā)出了相應(yīng)的防治技術(shù)并逐步實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。擁有熱重分析儀、大型計算流體力學軟件、有限元分析軟件以及自主開發(fā)的一批軟件（脫硫系統(tǒng)仿真支撐環(huán)境、物料平衡計算軟件、工藝設(shè)備選型軟件），及液態(tài)化吸收式煙氣脫硫試驗裝置、增壓循環(huán)流化床等試驗裝置，具備相關(guān)實驗室研究和模擬中試的設(shè)施條件。

孫克勤及其團隊主要從事固定源硫、氮氧化物治理技術(shù)和成套裝備的研究、開發(fā)和工程化工作，先后承擔了2004年江蘇省科學技術(shù)成果轉(zhuǎn)化首批專項資金項目"大型火電機組煙氣脫硫OI2-WFGD成套裝置開發(fā)及應(yīng)用"、2005年國家火炬計劃項目"OI2-WFGD煙氣脫硫成套裝置"、2006年國家火炬計劃項目"OI2-SCR煙氣脫硝成套裝置"、江蘇省環(huán)保廳項目“燃煤煙氣脫硝技術(shù)研究和開發(fā)”、國家863重點項目“大型燃煤電站鍋爐SCR煙氣脫硝技術(shù)與示范”、江蘇省自然科學基金重大項目創(chuàng)新學者攀登項目“高性能SCR煙氣脫硝催化過程的幾個關(guān)鍵問題研究”等脫硫脫硝重大課題，先后成功開發(fā)出了國內(nèi)第一項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煙氣脫硫技術(shù)OI2-WFGD、國內(nèi)第一項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煙氣脫硝技術(shù)OI2-SCR，及具有國際先進水平的資源節(jié)約型濕法煙氣脫硫技術(shù)OI2-WFGD-Ⅱ，具備環(huán)保過程工藝開發(fā)的豐富經(jīng)驗，在工藝開發(fā)過程中在大氣污染控制技術(shù)工藝過程核心化學過程的開發(fā)、大型裝置流場預測和分析方法研究、大型復雜結(jié)構(gòu)反應(yīng)器的設(shè)計和分析方法、大氣污染系統(tǒng)可靠性評價方法、大氣污染控制技術(shù)工藝過程仿真及模型研究等領(lǐng)域進行了大量的基礎(chǔ)性工作，在煙氣脫硫、脫硝過程工藝設(shè)計技術(shù)方法方面具有良好的研究基礎(chǔ)，同時在工程領(lǐng)域?qū)嵤┝藬?shù)十項煙氣治理工程對于示范工程的組織、實施、管理具有豐富的成功經(jīng)驗。

四、 開發(fā)與研究

針對現(xiàn)有煙氣脫硫、脫硝工藝開發(fā)過程中存在的問題，依托現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合大氣環(huán)保工藝的共性特點，開發(fā)以全方位、多尺度、系統(tǒng)級的數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，要點實驗和工程實測為校正的平臺化煙氣脫硫、脫硝過程工藝開發(fā)設(shè)計技術(shù)。

1、開發(fā)煙氣脫硫、脫硝工藝核心反應(yīng)裝置多重理化場耦合的數(shù)值模擬平臺及大尺度、多參數(shù)精確測量技術(shù)。系統(tǒng)研究反應(yīng)區(qū)氣液相、氣氣相及化學反應(yīng)之間的耦合特性，揭示多場耦合規(guī)律，直接以傳質(zhì)為目標綜合尋優(yōu)，開發(fā)借助多場之間的相互作用進而強化反應(yīng)的多場耦合設(shè)計方法。

2、煙氣脫硫、脫硝工藝仿真支撐平臺開發(fā)及建模仿真模擬分析中的耦合/解耦問題研究。

以系統(tǒng)過程模擬+類比試驗校正解決系統(tǒng)物料、熱量平衡及復雜工況下關(guān)鍵工藝參數(shù)的精確設(shè)計。

3、開發(fā)煙氣脫硫、脫硝過程工藝開發(fā)設(shè)計技術(shù)可靠性、價值工程設(shè)計優(yōu)化工具包，建立煙氣脫硫、脫硝過程工藝可靠性、成熟度繼承/預控指標體系。

4、開發(fā)煙氣脫硫、脫硝過程工藝共性開發(fā)及工程設(shè)計平臺。

5、依托煙氣脫硫、脫硝過程工藝共性開發(fā)及工程設(shè)計平臺進行多種大氣污染物脫除工藝開發(fā)及集成示范工程。

五、 機制與模式

采用以下述機制與模式展開相關(guān)研究(如圖1所示)，依據(jù)項目目標，分成四大主線并行展開，即設(shè)計主線(概念設(shè)計——基本設(shè)計——詳細設(shè)計——實施設(shè)計——運行設(shè)計)，研發(fā)主線(解決方案——專題研究——現(xiàn)代設(shè)計分析工具開發(fā)——仿真試驗——機制設(shè)計)，試驗主線(核心技術(shù)驗證——類比驗證——實施建造——運行)，成果主線(專利群——專有技術(shù)——標準——運行數(shù)據(jù)——數(shù)據(jù)挖掘)。在項目運行實施過程中，以設(shè)計主線和研發(fā)主線確保項目各研究內(nèi)容的順利展開，依托成果主線鼓勵項目各相關(guān)單位擴充項目專利池，以多種形式包括專利、標準、專有技術(shù)等多種形式對項目成果進行鑒別和劃分，并以成果主線為基本依據(jù)，按照開發(fā)設(shè)計平臺、依托平臺開發(fā)的核心專有工藝技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備等不同的成果層次來區(qū)分項目成果的歸屬。

(1)概念設(shè)計階段：首先根據(jù)所要開發(fā)的(工藝、裝置、設(shè)備、部件、材料)特點，采用QFD和價值工程工具包進行功能分析，并確定其中要解決的矛盾(技術(shù)矛盾、物理矛盾)，采用TRIZ理論并結(jié)合開發(fā)團隊經(jīng)驗，利用發(fā)明原理工具庫、系統(tǒng)進化理論及效應(yīng)工具庫等獲取所要開發(fā)的(工藝、裝置、設(shè)備、部件、材料)的解決方案，并開始進行概念設(shè)計，形成方案，在概念設(shè)計階段綜合采用專利檢索和分析工具，繪制專利地圖，制訂(企業(yè)、行業(yè))的知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略，并將其中有價值的方案申報專利，形成專利池(群)；

(2)基本設(shè)計階段：在概念設(shè)計階段形成的方案基礎(chǔ)上進行基本設(shè)計，并對在概念設(shè)計階段部分尚未確定的部分進行專題研究，完善基本設(shè)計方案，形成系統(tǒng)，并對其中的關(guān)鍵部分(如核心化學過程、主要參數(shù)選取等)進行實驗室研究，探究基本設(shè)計方案的可行性和合理性，并將形成的整套系統(tǒng)技術(shù)申請專有技術(shù)(核心關(guān)鍵技術(shù))進行保護；

(3)詳細設(shè)計階段：在基本設(shè)計階段形成的系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行詳細設(shè)計，并對在基本設(shè)計階段部分中提出的設(shè)計方案采用現(xiàn)代設(shè)計工具(可靠性工具、價值工程工具、多學科優(yōu)化工具及多物理場模擬工具等)確定詳細的設(shè)計參數(shù)，完善基本設(shè)計方案，并在前期進行的類似工程或雖不類似但要驗證部分的功能在該系統(tǒng)和本系統(tǒng)中以同等方式實現(xiàn)同等或類似功能的工程(或工程的部分)上進行類比驗證，形成相關(guān)的(設(shè)計、測試、檢驗等)標準；

(4)實施設(shè)計階段：在詳細設(shè)計階段形成的系統(tǒng)和參數(shù)基礎(chǔ)上進行實施設(shè)計階段，對于詳細設(shè)計階段尚不能完全確定的部分采用仿真試驗等手段加以完善，進入實施建造階段，形成相關(guān)的準則；

(5)運行設(shè)計階段：在實施設(shè)計中引入機制設(shè)計理念，對新技術(shù)運行可能出現(xiàn)的問題進行充分的預測和風險控制，并建立廣域數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對運行數(shù)據(jù)進行采集、分析和挖據(jù)，找出新的設(shè)計矛盾(或需要改進的地方)，提出新的(或改進的)解決方案，再次進入上述流程，最終得到的設(shè)計方案是經(jīng)上述流程不斷優(yōu)化和完善的結(jié)果。

六、 成果與業(yè)績

1、煙氣脫硫、脫硝共性技術(shù)設(shè)計開發(fā)平臺

在長期從事煙氣脫硫、脫硝技術(shù)的研究開發(fā)過程中，針對傳統(tǒng)開發(fā)模式的不足，我們采用全方位多尺度系統(tǒng)級數(shù)值模擬和仿真為核心，以實驗研究為校正的開發(fā)模式對煙氣脫硫脫硝反應(yīng)器及其關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵設(shè)備進行了分析，對系統(tǒng)工藝進行開發(fā)，突破了“設(shè)計—小試—中試—工程應(yīng)用”的傳統(tǒng)及因次分析、相似理論等的限制，成功解決了脫硫脫硝多相反應(yīng)器的設(shè)計放大問題，避免曠日持久和費用高昂的逐級開發(fā)過程。

煙氣脫硫、脫硝共性技術(shù)設(shè)計開發(fā)平臺首先基于對資料、參考工程及先前投產(chǎn)工程的經(jīng)驗和運行數(shù)據(jù)的分析，確定基本的設(shè)計方案；然后，根據(jù)確定的基本設(shè)計方案進行設(shè)計，對設(shè)計中不確定的因素進行大量的跨尺度的數(shù)值計算和模擬，其間不確定的參數(shù)(如熱力學性質(zhì)、傳遞性質(zhì)等)進行少量的實驗室試驗獲取，以此確定基本的運行參數(shù)，并返回至跨尺度的數(shù)值計算和模擬過程，形成內(nèi)封閉循環(huán)，驗證數(shù)值計算結(jié)果，提高其計算精度；并投入工程設(shè)計和應(yīng)用，工程投運后對大量的運行數(shù)據(jù)進行測試和分析，并以此來修正設(shè)計和運行參數(shù)，形成外封閉循環(huán)，完成技術(shù)的自我升級和更新，提高其成熟度。

在煙氣脫硫、脫硝共性技術(shù)設(shè)計開發(fā)平臺基礎(chǔ)上，將上述技術(shù)路線中涉及的各個層次的內(nèi)容進行抽象和提高，將其中共性技術(shù)歸納成研發(fā)、設(shè)計、工程管理三大通用的技術(shù)開發(fā)平臺。從分子尺度、單元尺度、設(shè)備尺度至系統(tǒng)尺度的多尺度數(shù)值計算和模擬，其支撐學科分別是計算量子化學、計算反應(yīng)動力學、計算傳質(zhì)學/流體力學和過程系統(tǒng)工程等。這種平臺化開發(fā)模式具有很強的移植性。

2、煙氣脫硫、脫硝共性技術(shù)設(shè)計開發(fā)平臺開發(fā)實例

依托煙氣脫硫、脫硝共性技術(shù)設(shè)計開發(fā)平臺，成功開發(fā)了OI2-WFGD煙氣脫硫技術(shù)、OI2-SCR煙氣脫硝技術(shù)，同時實現(xiàn)了技術(shù)開發(fā)的快速拓展，將技術(shù)迅速拓展至冶金燒結(jié)煙氣脫硫、水泥煙氣脫硝等相關(guān)工程領(lǐng)域。

以煙氣脫硫技術(shù)的開發(fā)設(shè)計為例，針對電力、冶金、化工等行業(yè)煙氣脫硫的技術(shù)要求采用上述的實驗研究→設(shè)計→數(shù)值模擬→要點試驗和工程實測為校正的基本研究方法。在冷態(tài)實驗平臺上開展過程工藝、吸收劑活性強化途徑等原理性研究，獲取指導工程設(shè)計的關(guān)鍵工藝參數(shù)，通過全方位、多尺度、系統(tǒng)級的數(shù)值模擬突破吸收塔大比例放大的難題，同時通過熱態(tài)試驗平臺和在煙氣脫硫裝置建設(shè)過程中預留分步驗證的條件，適時開展系統(tǒng)要點試驗和工程實測校正，逐步驗證并完善數(shù)值計算模型，優(yōu)化反應(yīng)器及塔內(nèi)件的結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)，實現(xiàn)塔型的不斷改進和創(chuàng)新。在此過程中，以全方位多尺度的數(shù)值模擬為核心，簡化試驗過程，冷、熱態(tài)試驗臺均為局部要點試驗裝置，作為全方位模擬的輔助與補充，無需中試裝置。在高精度數(shù)值仿真模擬的支撐下，可有效降低開發(fā)成本，大大縮短開發(fā)周期，開發(fā)周期由10年縮短為2～3年，而在短周期開發(fā)的過程中，技術(shù)成熟度仍能夠得到有效的保證。

3、采用煙氣脫硫、脫硝共性技術(shù)設(shè)計開發(fā)平臺的有益效果

采用煙氣脫硫、脫硝共性技術(shù)設(shè)計開發(fā)平臺開發(fā)的OI2-WFGD煙氣脫硫技術(shù)和OI2-SCR煙氣脫硝技術(shù)投產(chǎn)成套裝置一次投運成功率100%，脫硫效率>95%，Ca/S<1.03，石膏純度>90%，脫硝效率90%，殘氨逃逸率<5ppm，SO2氧化率<1%，各項指標均達到國際先進水平，大幅降低了投資和運行費用，縮短建設(shè)周期。

OI2煙氣脫硫、脫硝共性技術(shù)設(shè)計開發(fā)平臺的成功應(yīng)用和相關(guān)技術(shù)的成功開發(fā)及應(yīng)用，突破了國外公司的技術(shù)壁壘，大幅度壓低了國外技術(shù)的要價，實現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)的可升級性，提高對國情的適應(yīng)能力,并促進了國內(nèi)相關(guān)環(huán)保技術(shù)研究水平的提高和設(shè)備制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

七、 結(jié)語

通過對我國在煙氣脫硫、脫硝技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)狀的分析，針對我國煙氣脫硫、脫硝技術(shù)開發(fā)過程中遭遇的難以突破的瓶頸，提出了在突發(fā)的社會需求、國外技術(shù)搶占市場的條件下，開發(fā)出一種在較少資金投入、較短時間內(nèi)開發(fā)出技術(shù)成熟度高、滿足市場要求的煙氣脫硫、脫硝技術(shù)的共性開發(fā)設(shè)計平臺。并實現(xiàn)了在短周期內(nèi)大型復雜工業(yè)系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)模式的創(chuàng)新和新技術(shù)開發(fā)的有益嘗試，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的OI2-WFGD/SCR系列技術(shù)，實現(xiàn)了大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。希望通過在煙氣脫硫、脫硝共性開發(fā)設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域的探索能夠為我國煙氣脫硫、脫硝工程技術(shù)的發(fā)展提供參考，同時希望我國積極支持環(huán)保開發(fā)設(shè)計技術(shù)的共性化和平臺化創(chuàng)新，為我國環(huán)保工程技術(shù)的發(fā)展提供可靠技術(shù)保證。