《安全技术》之中国烟气脱硫脱硝技术研发现状分析与发展

中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显著提高，大气污染状况日益严重，我国SO2的排放量已经位居世界第二位，NOx排放量也在持续增长。烟气脱硫、脱硝已成为我国的一项重要任务，“十一五”规划将“节能减排”列为重要的约束性指标，要求确保在20xx年将我国的SO2排放量降低10%，目前“十一五”时间已经接近尾声，根据国家发改委的统计20xx年底，我国已投运火电厂烟气脱硫装机容量超过3.79亿千瓦，约占煤电装机总容量的66%，脱硫建设进入了高峰期。烟气脱硝方面，已进入大规模工业示范阶段，全国累计已有数十个脱硝项目在建设过程中。在烟气脱硫脱硝工程快速推进的过程中，我国脱硫脱硝的工程技术研究开发也进入了快速发展的阶段。烟气脱硫脱硝技术开发是一个多层次、涉及多学科的复杂过程工业系统开发过程，其技术开发过程具有周期长、技术难度大、投入大等特点，按照常规的技术开发模式，需要经过机理研究->小试->中试->工业示范->逐级放大->投入应用整个开发流程，综合应用相似理论和因次分析实现系统和核心设备的放大。其技术开发过程具有周期长、技术难度大、投入大等特点，难以满足国内对脱硫脱硝技术的迫切要求。目前我国不少环保企业在烟气脱硫脱硝工程应用的过程中已逐渐将数值模拟、计算流体力学等技术分散应用于脱硫脱硝工程设计中，在一定程度上缩短了设计周期，降低了设计难度。但尚未形成系统设计方法，在烟气脱硫脱硝设计开发技术方面仍有进一步优化的潜力。

一、目的与意义

烟气脱硫、脱硝过程工艺是过程工业的重要组成部分，属于能源和环境交叉领域，由于我国经济发展水平的限制，大气污染目前基本仍处于先污染后治理的状态，政策驱动型比较强。而环保需求又不以人、社会乃至国家的意志为转移，没有前期规

划的条件。当环保需求突然爆发时，传统的以因次分析、相似准则为基础，”设计-小试-中试-工程应用”逐级放大的开发模式存在开发周期长，开发成本高，开发精度难以保证等一系列问题，很难满足实际要求，因而不得不大量重复引进国外技术——甚至相当部分还是落后技术，导致了国民财富的浪费，并阻碍了国内烟气脱硫、脱硝环保技术和装备的发展，因此烟气脱硫、脱硝过程工艺的短周期、高精度、高成熟度开发成为快速响应突发环保需求的关键。

二、发展与趋势

烟气脱硫、脱硝中采用的核心处理过程几乎都要采用化学反应的手段，包括吸收、吸附、催化反应等。与通常的过程工艺一样，采用化学方法处理对象时，都可以概括的分为三个部分：1.原料的预处理，包括对处理对象的处理，如对火电厂烟气进行除尘、降温等。对添加的反应物的处理，如烟气脱硫中石灰石制粉，烟气脱硝中制氨系统等；2.化学反应，如石灰石与SO2反应，氨与NOx反应，氨与SO2反应等；

3.反应产物的后处理，如硫酸铵的结晶、造粒，烟气的升温，工艺废水的处理等。与通常的化学工业过程不同的是，化学工业过程的目的是得到最终的化工的产品，从而得到经济效益。可以对原料的处理进行精细化的处理来适应化学反应器设计优化，然后对反应的产物进行进一步的加工处理，如分离、提纯等，已达到对产品的要求。化学反应器在多数化工过程中虽然是整个加工过程中的核心，但其对能量的需求和尺寸却并不大。而大气污染处理首先要适应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一个附属装置，要对主体装置充分的响应不能影响主体的运行。其次一般来说处理的气量大，难以进行复杂的前处理，因此成分复杂，且污染物含量低，脱除要求却比较高。再次，由于生产目的不同，污染物处理装置只是为了将污染物转化为无毒气体、液体排放或固定到固相产物中，一般不进行复杂的后处理过程，对反应器的提出了产物易于处理的要求。因此在大气污染物处理中对核心化学反应过程的要求更高、条件更苛刻。

目前在离散制造业领域, 国内外学者已在新产品开发技术的模型、策略、目标、方法、工具及其环境等方面做了大量研究, 取得了大量成果，各种新产品的开发模式如敏捷制造、快速原形、虚拟制造等亦应运而生。然而在烟气脱硫、脱硝领域, 工

艺系统开发的研究尚处于几乎空白的阶段，已有的研究大多是就产品开发中涉及的具体技术及方法。由于过程工艺开发具有风险高、投资大、回收时期长的特点，专业化的、系统的、有较严谨科学性的开发过程就显得更为重要。

烟气脱硫脱硝的工业系统大多数为连续式物料反应和加工过程，它处理的主要是物质-能量流，涉及复杂的化学反应和物理状态变化，连续性和多变量是其显著特点。其次，新的工艺过程层出不穷，系统日趋大型化、复杂化，现代的研究和开发工作投资大、周期短、风险大、竞争激烈；过程装备与生产工艺即加工流程性材料紧密结合，有其独特的过程单元设备和工程技术，与一般机械设备完全不同，有其独特之处。因此，现有的一些工程技术方法和经典计算技术在某些场合显得力不从心，有必要从宏观整体上对过程系统作出描述和把握。

现有的烟气脱硫脱硝工艺开发大都沿用传统的思维模式，主要有因次分析、经验放大、数学模型等方法，基于这些方法进行”设计-台试-小试-中试-工程应用”的逐级放大过程，旷日持久且费用高昂。

1、相似论和因次分析法。该法归纳实验结果，可取得良好的效果。但对于过程复杂的工艺，效果不够理想。

2、经验放大方法。通过多层次、逐级放大的试验，探索、总结放大规律。这种经验方法耗资大、费时长、效果差，缺点是显而易见的。

3、数学模型方法。通过对过程进行研究，以得到表示过程各有关参数与变量之间的关系的数学表达式。但是过程工业领域的过程很多都比较复杂，难以进行如实的数学描述。

三、条件与基础

东南大学能源与环境学院长期致力于煤燃烧污染物的生成机理研究与防治技术开发，对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理、迁移特性、控制或脱除规律，开发出了相应的防治技术并逐步实现工业应用。拥有热重分析仪、大型计算流体力学软件、有限元分析软件以及自主开发的一批软件（脱硫系统仿真支撑环境、物料平衡计算软件、工艺设备选型软件），及液态化吸收式烟气脱硫试验装置、增压循环流化床等试验装置，具备相关实验室研究和

模拟中试的设施条件。

孙克勤及其团队主要从事固定源硫、氮氧化物治理技术和成套装备的研究、开发和工程化工作，先后承担了20xx年江苏省科学技术成果转化首批专项资金项目”大型火电机组烟气脱硫OI2-WFGD成套装置开发及应用”、20xx年国家火炬计划项目”OI2-WFGD烟气脱硫成套装置”、20xx年国家火炬计划项目”OI2-SCR烟气脱硝成套装置”、江苏省环保厅项目“燃煤烟气脱硝技术研究和开发”、国家863重点项目“大型燃煤电站锅炉SCR烟气脱硝技术与示范”、江苏省自然科学基金重大项目创新学者攀登项目“高性能SCR烟气脱硝催化过程的几个关键问题研究”等脱硫脱硝重大课题，先后成功开发出了国内第一项具有自主知识产权的烟气脱硫技术OI2-WFGD、国内第一项具有自主知识产权的烟气脱硝技术OI2-SCR，及具有国际先进水平的资源节约型湿法烟气脱硫技术OI2-WFGD-Ⅱ，具备环保过程工艺开发的丰富经验，在工艺开发过程中在大气污染控制技术工艺过程核心化学过程的开发、大型装置流场预测和分析方法研究、大型复杂结构反应器的设计和分析方法、大气污染系统可靠性评价方法、大气污染控制技术工艺过程仿真及模型研究等领域进行了大量的基础性工作，在烟气脱硫、脱硝过程工艺设计技术方法方面具有良好的研究基础，同时在工程领域实施了数十项烟气治理工程对于示范工程的组织、实施、管理具有丰富的成功经验。

四、开发与研究

针对现有烟气脱硫、脱硝工艺开发过程中存在的问题，依托现代设计技术的发展，结合大气环保工艺的共性特点，开发以全方位、多尺度、系统级的数值模拟为基础，要点实验和工程实测为校正的平台化烟气脱硫、脱硝过程工艺开发设计技术。

1、开发烟气脱硫、脱硝工艺核心反应装置多重理化场耦合的数值模拟平台及大尺度、多参数精确测量技术。系统研究反应区气液相、气气相及化学反应之间的耦合特性，揭示多场耦合规律，直接以传质为目标综合寻优，开发借助多场之间的相互作用进而强化反应的多场耦合设计方法。

2、烟气脱硫、脱硝工艺仿真支撑平台开发及建模仿真模拟分析中的耦合/解耦问题研究。

以系统过程模拟+类比试验校正解决系统物料、热量平衡及复杂工况下关键工艺参数的精确设计。

3、开发烟气脱硫、脱硝过程工艺开发设计技术可靠性、价值工程设计优化工具包，建立烟气脱硫、脱硝过程工艺可靠性、成熟度继承/预控指标体系。

4、开发烟气脱硫、脱硝过程工艺共性开发及工程设计平台。

5、依托烟气脱硫、脱硝过程工艺共性开发及工程设计平台进行多种大气污染物脱除工艺开发及集成示范工程。

五、机制与模式

采用以下述机制与模式展开相关研究(如图1所示)，依据项目目标，分成四大主线并行展开，即设计主线(概念设计——基本设计——详细设计——实施设计——运行设计)，研发主线(解决方案——专题研究——现代设计分析工具开发——仿真试验——机制设计)，试验主线(核心技术验证——类比验证——实施建造——运行)，成果主线(专利群——专有技术——标准——运行数据——数据挖掘)。在项目运行实施过程中，以设计主线和研发主线确保项目各研究内容的顺利展开，依托成果主线鼓励项目各相关单位扩充项目专利池，以多种形式包括专利、标准、专有技术等多种形式对项目成果进行鉴别和划分，并以成果主线为基本依据，按照开发设计平台、依托平台开发的核心专有工艺技术、关键设备等不同的成果层次来区分项目成果的归属。

(1)概念设计阶段：首先根据所要开发的(工艺、装置、设备、部件、材料)特点，采用QFD和价值工程工具包进行功能分析，并确定其中要解决的矛盾(技术矛盾、物理矛盾)，采用TRIZ理论并结合开发团队经验，利用发明原理工具库、系统进化理论及效应工具库等获取所要开发的(工艺、装置、设备、部件、材料)的解决方案，并开始进行概念设计，形成方案，在概念设计阶段综合采用专利检索和分析工具，绘制专利地图，制订(企业、行业)的知识产权战略，并将其中有价值的方案申报专利，形成专利池(群)；

(2)基本设计阶段：在概念设计阶段形成的方案基础上进行基本设计，并对在概念设计阶段部分尚未确定的部分进行专题研究，完善基本设计方案，形成系统，并对

其中的关键部分(如核心化学过程、主要参数选取等)进行实验室研究，探究基本设计方案的可行性和合理性，并将形成的整套系统技术申请专有技术(核心关键技术)进行保护；

(3)详细设计阶段：在基本设计阶段形成的系统基础上进行详细设计，并对在基本设计阶段部分中提出的设计方案采用现代设计工具(可靠性工具、价值工程工具、多学科优化工具及多物理场模拟工具等)确定详细的设计参数，完善基本设计方案，并在前期进行的类似工程或虽不类似但要验证部分的功能在该系统和本系统中以同等方式实现同等或类似功能的工程(或工程的部分)上进行类比验证，形成相关的(设计、测试、检验等)标准；

(4)实施设计阶段：在详细设计阶段形成的系统和参数基础上进行实施设计阶段，对于详细设计阶段尚不能完全确定的部分采用仿真试验等手段加以完善，进入实施建造阶段，形成相关的准则；

(5)运行设计阶段：在实施设计中引入机制设计理念，对新技术运行可能出现的问题进行充分的预测和风险控制，并建立广域数据采集系统对运行数据进行采集、分析和挖据，找出新的设计矛盾(或需要改进的地方)，提出新的(或改进的)解决方案，再次进入上述流程，最终得到的设计方案是经上述流程不断优化和完善的结果。

六、成果与业绩

1、烟气脱硫、脱硝共性技术设计开发平台

在长期从事烟气脱硫、脱硝技术的研究开发过程中，针对传统开发模式的不足，我们采用全方位多尺度系统级数值模拟和仿真为核心，以实验研究为校正的开发模式对烟气脱硫脱硝反应器及其关联的关键设备进行了分析，对系统工艺进行开发，突破了“设计—小试—中试—工程应用”的传统及因次分析、相似理论等的限制，成功解决了脱硫脱硝多相反应器的设计放大问题，避免旷日持久和费用高昂的逐级开发过程。

烟气脱硫、脱硝共性技术设计开发平台首先基于对资料、参考工程及先前投产工程的经验和运行数据的分析，确定基本的设计方案；然后，根据确定的基本设计方案进行设计，对设计中不确定的因素进行大量的跨尺度的数值计算和模拟，其间不确

定的参数(如热力学性质、传递性质等)进行少量的实验室试验获取，以此确定基本的运行参数，并返回至跨尺度的数值计算和模拟过程，形成内封闭循环，验证数值计算结果，提高其计算精度；并投入工程设计和应用，工程投运后对大量的运行数据进行测试和分析，并以此来修正设计和运行参数，形成外封闭循环，完成技术的自我升级和更新，提高其成熟度。

在烟气脱硫、脱硝共性技术设计开发平台基础上，将上述技术路线中涉及的各个层次的内容进行抽象和提高，将其中共性技术归纳成研发、设计、工程管理三大通用的技术开发平台。从分子尺度、单元尺度、设备尺度至系统尺度的多尺度数值计算和模拟，其支撑学科分别是计算量子化学、计算反应动力学、计算传质学/流体力学和过程系统工程等。这种平台化开发模式具有很强的移植性。

2、烟气脱硫、脱硝共性技术设计开发平台开发实例

依托烟气脱硫、脱硝共性技术设计开发平台，成功开发了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拓展，将技术迅速拓展至冶金烧结烟气脱硫、水泥烟气脱硝等相关工程领域。

以烟气脱硫技术的开发设计为例，针对电力、冶金、化工等行业烟气脱硫的技术要求采用上述的实验研究→设计→数值模拟→要点试验和工程实测为校正的基本研究方法。在冷态实验平台上开展过程工艺、吸收剂活性强化途径等原理性研究，获取指导工程设计的关键工艺参数，通过全方位、多尺度、系统级的数值模拟突破吸收塔大比例放大的难题，同时通过热态试验平台和在烟气脱硫装置建设过程中预留分步验证的条件，适时开展系统要点试验和工程实测校正，逐步验证并完善数值计算模型，优化反应器及塔内件的结构和运行参数，实现塔型的不断改进和创新。在此过程中，以全方位多尺度的数值模拟为核心，简化试验过程，冷、热态试验台均为局部要点试验装置，作为全方位模拟的辅助与补充，无需中试装置。在高精度数值仿真模拟的支撑下，可有效降低开发成本，大大缩短开发周期，开发周期由10年缩短为2～3年，而在短周期开发的过程中，技术成熟度仍能够得到有效的保证。

3、采用烟气脱硫、脱硝共性技术设计开发平台的有益效果

采用烟气脱硫、脱硝共性技术设计开发平台开发的OI2-WFGD烟气脱硫技术和

OI2-SCR烟气脱硝技术投产成套装置一次投运成功率100%，脱硫效率>95%，Ca/S90%，脱硝效率90%，残氨逃逸率OI2烟气脱硫、脱硝共性技术设计开发平台的成功应用和相关技术的成功开发及应用，突破了国外公司的技术壁垒，大幅度压低了国外技术的要价，实现了关键技术的可升级性，提高对国情的适应能力,并促进了国内相关环保技术研究水平的提高和设备制造产业的发展。

七、结语

通过对我国在烟气脱硫、脱硝技术领域现状的分析，针对我国烟气脱硫、脱硝技术开发过程中遭遇的难以突破的瓶颈，提出了在突发的社会需求、国外技术抢占市场的条件下，开发出一种在较少资金投入、较短时间内开发出技术成熟度高、满足市场要求的烟气脱硫、脱硝技术的共性开发设计平台。并实现了在短周期内大型复杂工业系统技术开发模式的创新和新技术开发的有益尝试，开发了具有自主知识产权的OI2-WFGD/SCR系列技术，实现了大规模的工业应用，取得了巨大的经济效益和环境效益。希望通过在烟气脱硫、脱硝共性开发设计技术领域的探索能够为我国烟气脱硫、脱硝工程技术的发展提供参考，同时希望我国积极支持环保开发设计技术的共性化和平台化创新，为我国环保工程技术的发展提供可靠技术保证。