《安全技术》之中国烟气脱硫脱硝技术研发现状分析与发展

我国烟气脱硫脱硝技术研发现状分析与发展引言近年来，随着我国经济的快速发展和工业化水平的大幅度提高，大气污染状况日益严重，我国的SO2排放量已居世界第二位，NOx排放量也在继续增加。烟气脱硫及脱硝已成为我国的重要课题，“十一五”计划要求将“节能减排”作为重要限制指标，20xx年我国的SO2排放量减少10%，目前“十一五”计划已接近尾声，据国家发改委统计20xx说，我国已达到火电厂烟气脱硫设备容量3在烟气脱硝领域已经进入大规模产业示范阶段，全国累计的数十个脱硝项目正在建设中。在烟气脱硫脱硝工程快速推进的过程中，中国脱硫脱硝工程技术研发也进入了快速发展阶段。烟气脱硫脱硝技术开发是涉及多个领域的复杂工艺产业系统开发过程，技术开发过程具有长周期、技术难度、大投入等特点，根据现有的技术开发方式，综合应用机制研究小规模试验试点产业示范逐步扩大通过相似理论和子分析扩大系统和核心设备。其技术开发过程中，很难满足长周期、难技术、大投入等国内脱硫脱硝技术的迫切要求。目前我国不少环境企业在烟气脱硫脱硝项目应用过程中逐渐将数值模拟、计算流体力学等技术分散到脱硫脱硝工程设计中，在一定程度上缩短了设计周期，减少了设计困难。但是系统设计方法尚未形成，烟气脱硫脱硝设计开发技术有进一步优化的可能性。一、目的和意义烟气脱硫、脱硝工艺流程是工程产业的重要组成部分，属于能源与环境交叉领域，属于我国经济发展水平的限制，大气污染目前基本停留在先污染后的处理状态，政策推进型比较强。环境保护要求不是转移到人、社会、甚至国家的意志，而是没有事先计划的条件。环境保护要求突然爆发时，传统是基于子分析、相似标准”，逐步扩大“设计-反试验-试验-工程应用”的开发模式，由于开发周期长、开发成本高、难以确保开发准确度等一系列问题，难以满足实际要求，大量引进海外技术3354的大部分或落后技术，造成国民部的浪费。由于阻碍了国内烟气脱硫、脱硝环境技术和设备的开发，烟气脱硫、脱硝工艺的短周期、高精度、成熟度的开发成为快速应对突然环境保护要求的关键。二、发展和趋势烟气脱硫、脱硝中使用的核心处理工艺几乎大部分都要采用吸收、吸附、催化反应等化学反应手段。像通常的工序一样，以化学方式处理对象时，可以分为可一般化的三个部分。1.原料的预处理包括对火电厂烟气除尘、冷却等处理对象的处理。烟气脱硫中石灰石粉、烟气脱硝的氨系统等添加反应物的处理；2.石灰石和SO2反应、氨和NOx反应、氨和SO2反应等化学反应；3.反应产物的后处理，如硫酸铵的结晶、造粒、烟气的加热、工艺废水的处理等。与通常的化学工业过程不同，化学工业过程的目的是获得最终的化学工业产品，从而获得经济效益。为了优化化学反应器设计，可以对原料的处理进行精细处理，然后进一步加工分离、精制等反应产物，以满足产品的要求。化学反应器是大多数化学过程中整个加工过程的核心，但对能源的需求和大小并不大。大气污染处理首先要接受产生污染物的主体装置的生产要求，处理污染物的装置只是配件，对主体装置的充分应对不能影响主体的运行。第二，由于一般气体流量大，复杂的预处理困难，组成部分复杂，污染物含量少，消除要求高。再次，根据生产目的，污染物质处理厂为了将污染物质转换为无毒气体，排出液体，或将液体固定为固定相产物，一般不经过复杂的后处理过程，对反应器的产物提出了易于处理的要求。因此，在处理大气污染物时，对核心化学反应过程的要求更高，条件也更苛刻。目前，在离散制造业领域，已有国内外学者广泛研究新产品开发技术的模式、战略、目标、方法、工具、环境等，取得了很多成果，各种新产品的开发模式敏捷制造、快速原型、虚拟制造等也在出现。但是在烟气脱硫及脱硝领域，对工艺系统开发的研究还几乎是空的，已经有的研究大部分是关于产品开发中涉及的具体技术和方法。流程工程开发具有风险高、投资多、回收时间长等特点，因此专业化、系统化、更严格、更科学的开发过程更为重要。烟气脱硫脱硝的产业系统大部分是连续材料反应和加工过程，主要涉及物质-能量流，复杂的化学反应和物理状态变化，连续性和多样化是其突出特点。第二，新的进程不断出现，系统越来越大，越来越复杂，现代研究与开发工作的投资越来越多，周期短，风险大，竞争激烈。工艺设备和生产工艺工艺材料紧密结合，具有独特的工艺单位设备和工程技术，具有与一般机械设备完全不同的独特特性。因此，现有的一些工程和经典计算技术在某些情况下似乎是无能为力的，需要对工艺系统进行全面的说明和掌握。现有烟气脱硫脱硝工艺的开发大部分是按照二次分析、扩大经验、数学模型等方法逐步扩大“设计-对试验-反试验-试验-工程应用”的过程进行的。需要很长时间，费用很高。1、相似性理论及因素分析。该方法总结了实验结果，取得了良好的效果。但是，对于流程复杂的流程，效果并不理想。2、经验放大法。通过多层次、分步放大实验，探索和总结放大规律。这种经验法的缺点是成本高，时间长，效果小。3、数学模型方法。研究进程，获得表示参数和变量之间进程关系的数学表达式。但是，公平产业领域的过程大部分比较复杂，很难进行真实的数学说明。三、条件和基础东南大学能源环境学院长期致力于煤燃烧污染物的生成机制研究和预防技术开发，制定了煤燃烧产物中硫氧化物、氮氧化物、重金属、多环芳烃等有害污染成分的生成机制、迁移特性、控制或去除规律，开发了相应的防治技术，逐步实现了工业应用。拥有热重量分析器、大型计算流体力学软件、有限元分析软件和自行开发软件(脱硫系统模拟支持环境、物料平衡计算软件、工艺设备选择软件)、液体吸收烟气脱硫试验装置、加压循环流化床等试验装置，并具备相关实验室研究和模拟中试装置条件。Sun keqin及其团队主要从事固定原硫、氮氧化物处理技术和成套设备的研究、开发和工程工作，20xx年江苏科技成果转化第一个专项资金项目“大型火电厂烟气脱硫OI2-WFGD设备开发和应用”，20xx年国家火炬计划项目“OI2-WFGD烟气脱硫设备集” 继江苏省环境厅项目“燃煤烟气脱硝技术研发”后，国家863个主要项目“大型燃煤电厂锅炉SCR烟气脱硝技术及示范”、江苏省自然科学基金主要项目创新学者攀登项目“高性能SCR烟气脱硝催化剂工艺的几个关键问题研究”等脱硫脱硝主要课题，国内首次拥有自己知识产权的烟气脱硫技术OI2-WFGD 环境工艺开发经验、工艺开发过程中大气污染控制技术工艺关键化学工艺开发、大型厂房流场预测分析方法研究、大型复杂结构反应器的设计分析方法、大气污染系统可靠性评价方法、大气污染控制技术工艺模拟和模型研究等领域的基础工作很多，并在对烟气脱硫、脱硝工艺设计技术方法的良好研究基础上，在工程领域有数十个烟气处理项目的组织、实施、管理方面取得了丰富的成功四、发展和研究现有烟气脱硫、脱硝工艺开发中存在的问题，依靠现代设计技术开发，大气环境保护工艺的共同特点，全方位、多尺度、系统水平数值模拟为基础开发，主要实验和工程测量校准平台烟气脱硫、脱硝工艺开发设计技术。1、烟气脱硫、脱硝工艺关键反应装置多理化场耦合数值模拟平台及大规模、多参数精密测量技术的开发。该系统研究了反应区的气液、气相和化学反应之间的耦合特性，揭示了多场耦合规律，为物质传递目的进行了直接综合优化，开发了通过多场相互作用加强反应的多场耦合设计方法。2、烟气脱硫脱硝工艺模拟支持平台开发及建模模拟分析耦合/解耦问题研究。通过系统过程模拟模拟测试校准，对系统材料、热平衡和复杂条件下的关键过程参数进行了精确设计。3、开发烟气脱硫、脱硝工艺开发设计技术可靠性、价值工程设计优化工具包、烟气脱硫、脱硝工艺可靠性、成熟度继承/预控制指标体系。4、开发烟气脱硫、脱硝工艺共同开发及工程设计平台。5、基于烟气脱硫、脱硝工艺共同开发和工程设计平台，开发和集成各种大气污染物去除工艺示范项目。五、机制和模式如图1所示，使用以下机制进行模式展开相关研究，根据项目目标进行设计主线(概念设计基本设计详细设计实施设计运行设计)、研究开发主线(解决方案主题研究现代设计分析工具开发模拟测试机制设计)、试验主线(核心技术验证)在项目运行实施过程中，确保项目各项研究内容顺利展开的设计主线和研发主线，将项目专利池按项目各相关单位进行扩展，以各种形式识别和分割项目结果，结果主线鼓励根据开发设计平台、平台开发的核心诀窍、核心设备等区分项目结果的所有权。(1)概念设计阶段：首先，根据正在开发的(流程、设备、设备、部件、材料)特性确定使用和解决QFD和价值工程工具包的矛盾(技术矛盾、物理矛盾)，采用TRIZ理论，结合开发团队经验，使用发明原理工具库、系统进化理论和效果工具库等进行开发(2)基本设计阶段：基于概念设计阶段形成的方案进行基本设计，对概念设计阶段中尚未确定的部分进行专题研究，完成基本设计方案，形成系统，对核心组件(例如核心化学工艺、关键参数选择等)进行实验室研究，探讨基本设计方案的可行性和合理性，并申请对专有技术(核心技术)的保护。(3)详细设计阶段：基于在基本设计阶段形成的系统进行详细设计，使用现代设计工具(可靠性工具、价值工程工具、多学科优化工具和多物理场模拟工具等)确定详细设计参数，完成基本设计方案，完成基本设计方案，并对在前面阶段进行的类似工程或类似但想要验证部分的功能与该系统实现同等或类似功能的工程(或工程的一部分)进行类比验证(4)实施设计阶段：根据详细设计阶段形成的系统和参数，进行实施设计阶段，对详细设计阶段尚未完全确定的部分使用模拟测试等手段对其进行补充，然后继续实施实施实施阶段，生成相关说明。(5)执行设计阶段：在实施设计中引入机制设计理念，充分预测和控制新技术运行中可能出现的问题，建立广域数据收集系统，收集、分析和分析生产数据，发现新的设计矛盾(或需要改进的部分)，提出新(或改进的)解决方案，然后重新进入上述流程，最终由这些流程持续优化六、结果和成果1、烟气脱硫、脱硝通用技术设计开发平台对于烟气脱硫、脱硝技术研发过程中现有开发模式的不足，本公司以全方位多尺度系统级数值模拟和模拟为核心，通过实验研究，分析烟气脱硫、脱硝反应器及其相关的关键设备，开发系统工艺，克服“设计-小规模试验-试验-工程应用”的传统和子分析、相似理论等限制，成功解决脱硫、脱硝多相反应器的设计扩大问题，避免了耗时、成本高的多阶段开发过程。烟气脱硫、脱硝通用技术设计和开发平台首先根据数据、参考工程和以前生产项目的经验和运行数据分析，确定基本设计方案。然后，根据确定的基本设计方案设计了设计，对设计的不确定因素进行了广泛的尺度间数值计算和模拟，同时，对不确定参数(如热力学特性、传递特性等)进行了少量的实验室测试，确定了基本运行参数，返回尺度间数值计算和模拟过程，形成了内部闭环，验证了数值计算结果，提高了计算精度。然后在工程设计和应用、工程启动后测试和分析大量生产数据，修改设计和操作参数，形成闭环，完成技术的自我升级和更新，提高完成度。基于烟气脱硫、脱硝通用技术设计和开发平台，对上述技术路线中涉及的各个层次的内容进行抽象和改进，将这些通用技术总结为研究开发、设计、工程管理的三大通用技术开发平台。分子尺度、单位尺度、设备尺度到系统尺度的多尺度数值计算和模拟分别是量子化学计算、计算反应动力学、计算物质传递学/流体力学和工艺系统工程。这个平台开发模式可移植性强。2、烟气脱硫、脱硝通用技术设计开发平台开发实例依靠烟气脱硫、脱硝通用技术设计和开发平台，成功开发OI2-WFGD烟气脱硫技术、OI2-SCR烟气脱硝技术，同时实现了技术开发的快速扩展，将技术迅速扩展到冶金烧结烟气脱硫、水泥烟气脱硝等相关工程领域。以烟气脱硫技术的开发与设计为例，对电力、冶金、化工等行业烟气脱硫的技术要求，采用上述实验研究设计数值模拟要点实验和工程测量作为校正的基本研究方法。在冷实验平台上进行工艺、吸收剂活动强化途径等原理研究，取得指导工程设计的关键工艺