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中國煙氣脫硫脫硝技術研發現狀分析與發展

  來源:安全管理網 
評論: 更新日期:2019年12月05日

引言

近年來,隨著我國經濟的快速發展和工業化水平的顯著提高,大氣污染狀況日益嚴重,我國SO2的排放量已經位居世界第二位,NOx排放量也在持續增長。煙氣脫硫、脫硝已成為我國的一項重要任務,“十一五”規劃將“節能減排”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”時間已經接近尾聲,根據國家發改委的統計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,約占煤電裝機總容量的66%,脫硫建設進入了高峰期。煙氣脫硝方面,已進入大規模工業示范階段,全國累計已有數十個脫硝項目在建設過程中。

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研究開發也進入了快速發展的階段。煙氣脫硫脫硝技術開發是一個多層次、涉及多學科的復雜過程工業系統開發過程,其技術開發過程具有周期長、技術難度大、投入大等特點,按照常規的技術開發模式,需要經過機理研究->小試->中試->工業示范->逐級放大->投入應用整個開發流程,綜合應用相似理論和因次分析實現系統和核心設備的放大。其技術開發過程具有周期長、技術難度大、投入大等特點,難以滿足國內對脫硫脫硝技術的迫切要求。目前我國不少環保企業在煙氣脫硫脫硝工程應用的過程中已逐漸將數值模擬、計算流體力學等技術分散應用于脫硫脫硝工程設計中,在一定程度上縮短了設計周期,降低了設計難度。但尚未形成系統設計方法,在煙氣脫硫脫硝設計開發技術方面仍有進一步優化的潛力。

一、 目的與意義

煙氣脫硫、脫硝過程工藝是過程工業的重要組成部分,屬于能源和環境交叉領域,由于我國經濟發展水平的限制,大氣污染目前基本仍處于先污染后治理的狀態,政策驅動型比較強。而環保需求又不以人、社會乃至國家的意志為轉移,沒有前期規劃的條件。當環保需求突然爆發時,傳統的以因次分析、相似準則為基礎,"設計-小試-中試-工程應用"逐級放大的開發模式存在開發周期長,開發成本高,開發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——甚至相當部分還是落后技術,導致了國民財富的浪費,并阻礙了國內煙氣脫硫、脫硝環保技術和裝備的發展,因此煙氣脫硫、脫硝過程工藝的短周期、高精度、高成熟度開發成為快速響應突發環保需求的關鍵。

二、 發展與趨勢

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的手段,包括吸收、吸附、催化反應等。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。對添加的反應物的處理,如煙氣脫硫中石灰石制粉,煙氣脫硝中制氨系統等;2.化學反應,如石灰石與SO2反應,氨與NOx反應,氨與SO2反應等;3.反應產物的后處理,如硫酸銨的結晶、造粒,煙氣的升溫,工藝廢水的處理等。

與通常的化學工業過程不同的是,化學工業過程的目的是得到最終的化工的產品,從而得到經濟效益。可以對原料的處理進行精細化的處理來適應化學反應器設計優化,然后對反應的產物進行進一步的加工處理,如分離、提純等,已達到對產品的要求。化學反應器在多數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產生污染物的主體裝置的生產要求,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,由于生產目的不同,污染物處理裝置只是為了將污染物轉化為無毒氣體、液體排放或固定到固相產物中,一般不進行復雜的后處理過程,對反應器的提出了產物易于處理的要求。因此在大氣污染物處理中對核心化學反應過程的要求更高、條件更苛刻。

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

煙氣脫硫脫硝的工業系統大多數為連續式物料反應和加工過程,它處理的主要是物質-能量流,涉及復雜的化學反應和物理狀態變化,連續性和多變量是其顯著特點。其次,新的工藝過程層出不窮,系統日趨大型化、復雜化,現代的研究和開發工作投資大、周期短、風險大、競爭激烈;過程裝備與生產工藝即加工流程性材料緊密結合,有其獨特的過程單元設備和工程技術,與一般機械設備完全不同,有其獨特之處。因此,現有的一些工程技術方法和經典計算技術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作出描述和把握。

現有的煙氣脫硫脫硝工藝開發大都沿用傳統的思維模式,主要有因次分析、經驗放大、數學模型等方法,基于這些方法進行"設計-臺試-小試-中試-工程應用"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、經驗放大方法。通過多層次、逐級放大的試驗,探索、總結放大規律。這種經驗方法耗資大、費時長、效果差,缺點是顯而易見的。

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

三、 條件與基礎

東南大學能源與環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開發,對煤燃燒產物中硫氧化物、氮氧化物、重金屬、多環芳烴等有害污染成分的生成機理、遷移特性、控制或脫除規律,開發出了相應的防治技術并逐步實現工業應用。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的一批軟件(脫硫系統仿真支撐環境、物料平衡計算軟件、工藝設備選型軟件),及液態化吸收式煙氣脫硫試驗裝置、增壓循環流化床等試驗裝置,具備相關實驗室研究和模擬中試的設施條件。

孫克勤及其團隊主要從事固定源硫、氮氧化物治理技術和成套裝備的研究、開發和工程化工作,先后承擔了2004年江蘇省科學技術成果轉化首批專項資金項目"大型火電機組煙氣脫硫OI2-WFGD成套裝置開發及應用"、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"、江蘇省環保廳項目“燃煤煙氣脫硝技術研究和開發”、國家863重點項目“大型燃煤電站鍋爐SCR煙氣脫硝技術與示范”、江蘇省自然科學基金重大項目創新學者攀登項目“高性能SCR煙氣脫硝催化過程的幾個關鍵問題研究”等脫硫脫硝重大課題,先后成功開發出了國內第一項具有自主知識產權的煙氣脫硫技術OI2-WFGD、國內第一項具有自主知識產權的煙氣脫硝技術OI2-SCR,及具有國際先進水平的資源節約型濕法煙氣脫硫技術OI2-WFGD-Ⅱ,具備環保過程工藝開發的豐富經驗,在工藝開發過程中在大氣污染控制技術工藝過程核心化學過程的開發、大型裝置流場預測和分析方法研究、大型復雜結構反應器的設計和分析方法、大氣污染系統可靠性評價方法、大氣污染控制技術工藝過程仿真及模型研究等領域進行了大量的基礎性工作,在煙氣脫硫、脫硝過程工藝設計技術方法方面具有良好的研究基礎,同時在工程領域實施了數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驗。

四、 開發與研究

針對現有煙氣脫硫、脫硝工藝開發過程中存在的問題,依托現代設計技術的發展,結合大氣環保工藝的共性特點,開發以全方位、多尺度、系統級的數值模擬為基礎,要點實驗和工程實測為校正的平臺化煙氣脫硫、脫硝過程工藝開發設計技術。

1、開發煙氣脫硫、脫硝工藝核心反應裝置多重理化場耦合的數值模擬平臺及大尺度、多參數精確測量技術。系統研究反應區氣液相、氣氣相及化學反應之間的耦合特性,揭示多場耦合規律,直接以傳質為目標綜合尋優,開發借助多場之間的相互作用進而強化反應的多場耦合設計方法。

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

以系統過程模擬+類比試驗校正解決系統物料、熱量平衡及復雜工況下關鍵工藝參數的精確設計。

3、開發煙氣脫硫、脫硝過程工藝開發設計技術可靠性、價值工程設計優化工具包,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、開發煙氣脫硫、脫硝過程工藝共性開發及工程設計平臺。

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

五、 機制與模式

采用以下述機制與模式展開相關研究(如圖1所示),依據項目目標,分成四大主線并行展開,即設計主線(概念設計——基本設計——詳細設計——實施設計——運行設計),研發主線(解決方案——專題研究——現代設計分析工具開發——仿真試驗——機制設計),試驗主線(核心技術驗證——類比驗證——實施建造——運行),成果主線(專利群——專有技術——標準——運行數據——數據挖掘)。在項目運行實施過程中,以設計主線和研發主線確保項目各研究內容的順利展開,依托成果主線鼓勵項目各相關單位擴充項目專利池,以多種形式包括專利、標準、專有技術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,按照開發設計平臺、依托平臺開發的核心專有工藝技術、關鍵設備等不同的成果層次來區分項目成果的歸屬。

(1)概念設計階段:首先根據所要開發的(工藝、裝置、設備、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(技術矛盾、物理矛盾),采用TRIZ理論并結合開發團隊經驗,利用發明原理工具庫、系統進化理論及效應工具庫等獲取所要開發的(工藝、裝置、設備、部件、材料)的解決方案,并開始進行概念設計,形成方案,在概念設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、行業)的知識產權戰略,并將其中有價值的方案申報專利,形成專利池(群);

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

(3)詳細設計階段:在基本設計階段形成的系統基礎上進行詳細設計,并對在基本設計階段部分中提出的設計方案采用現代設計工具(可靠性工具、價值工程工具、多學科優化工具及多物理場模擬工具等)確定詳細的設計參數,完善基本設計方案,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和本系統中以同等方式實現同等或類似功能的工程(或工程的部分)上進行類比驗證,形成相關的(設計、測試、檢驗等)標準;

(4)實施設計階段:在詳細設計階段形成的系統和參數基礎上進行實施設計階段,對于詳細設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,形成相關的準則;

(5)運行設計階段:在實施設計中引入機制設計理念,對新技術運行可能出現的問題進行充分的預測和風險控制,并建立廣域數據采集系統對運行數據進行采集、分析和挖據,找出新的設計矛盾(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,最終得到的設計方案是經上述流程不斷優化和完善的結果。

六、 成果與業績

1、煙氣脫硫、脫硝共性技術設計開發平臺

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

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

在煙氣脫硫、脫硝共性技術設計開發平臺基礎上,將上述技術路線中涉及的各個層次的內容進行抽象和提高,將其中共性技術歸納成研發、設計、工程管理三大通用的技術開發平臺。從分子尺度、單元尺度、設備尺度至系統尺度的多尺度數值計算和模擬,其支撐學科分別是計算量子化學、計算反應動力學、計算傳質學/流體力學和過程系統工程等。這種平臺化開發模式具有很強的移植性。

2、煙氣脫硫、脫硝共性技術設計開發平臺開發實例

依托煙氣脫硫、脫硝共性技術設計開發平臺,成功開發了OI2-WFGD煙氣脫硫技術、OI2-SCR煙氣脫硝技術,同時實現了技術開發的快速拓展,將技術迅速拓展至冶金燒結煙氣脫硫、水泥煙氣脫硝等相關工程領域。

以煙氣脫硫技術的開發設計為例,針對電力、冶金、化工等行業煙氣脫硫的技術要求采用上述的實驗研究→設計→數值模擬→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,獲取指導工程設計的關鍵工藝參數,通過全方位、多尺度、系統級的數值模擬突破吸收塔大比例放大的難題,同時通過熱態試驗平臺和在煙氣脫硫裝置建設過程中預留分步驗證的條件,適時開展系統要點試驗和工程實測校正,逐步驗證并完善數值計算模型,優化反應器及塔內件的結構和運行參數,實現塔型的不斷改進和創新。在此過程中,以全方位多尺度的數值模擬為核心,簡化試驗過程,冷、熱態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。在高精度數值仿真模擬的支撐下,可有效降低開發成本,大大縮短開發周期,開發周期由10年縮短為2~3年,而在短周期開發的過程中,技術成熟度仍能夠得到有效的保證。

3、采用煙氣脫硫、脫硝共性技術設計開發平臺的有益效果

采用煙氣脫硫、脫硝共性技術設計開發平臺開發的OI2-WFGD煙氣脫硫技術和OI2-SCR煙氣脫硝技術投產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,縮短建設周期。

OI2煙氣脫硫、脫硝共性技術設計開發平臺的成功應用和相關技術的成功開發及應用,突破了國外公司的技術壁壘,大幅度壓低了國外技術的要價,實現了關鍵技術的可升級性,提高對國情的適應能力,并促進了國內相關環保技術研究水平的提高和設備制造產業的發展。

七、 結語

通過對我國在煙氣脫硫、脫硝技術領域現狀的分析,針對我國煙氣脫硫、脫硝技術開發過程中遭遇的難以突破的瓶頸,提出了在突發的社會需求、國外技術搶占市場的條件下,開發出一種在較少資金投入、較短時間內開發出技術成熟度高、滿足市場要求的煙氣脫硫、脫硝技術的共性開發設計平臺。并實現了在短周期內大型復雜工業系統技術開發模式的創新和新技術開發的有益嘗試,開發了具有自主知識產權的OI2-WFGD/SCR系列技術,實現了大規模的工業應用,取得了巨大的經濟效益和環境效益。希望通過在煙氣脫硫、脫硝共性開發設計技術領域的探索能夠為我國煙氣脫硫、脫硝工程技術的發展提供參考,同時希望我國積極支持環保開發設計技術的共性化和平臺化創新,為我國環保工程技術的發展提供可靠技術保證。

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