OI²模式的开创与应用

一、过程工业的概念

以化学加工技术作为核心技术建立的工业称为过程工业，也称为化学加工工业。据统计，我国各种过程工业的总产值占GDP的60%以上。我国过程工业所包括的范围见下表：

过程工业各行业共性的科技瓶颈问题是新工艺的开发、过程放大和系统集成。火电机组烟气脱硫脱硝是典型的过程工业，苏源环保公司长期从事烟气脱硫脱硝工艺的研发、工程的设计和建设，在解决该行业的科技瓶颈问题过程中逐渐形成了OI²模式，对该模式进行上位化的研究，将为整个过程工业瓶颈问题的解决起到举一反三的效果。

二、OI²模式

2.1 背景

我国自20世纪70年代就开始进行烟气脱硫技术的研究和工业试验，并于80-90年代引进建设了一批烟气脱硫示范工程，但大型火电机组烟气脱硫脱硝技术始终未能实现自主开发与应用。其主要原因表现在以下几个方面：

Ø  区域和部门壁垒，影响资源优化配置和产业组织调整；

Ø  企业不是依靠核心技术拓展业务，而是靠资金引进新技术，导致低水平重复，无法形成长期的技术优势；

Ø  科研、设计、工程实施严重隔离，无法发挥继承优势，技术转移困难。特别是企业研发投入不足，技术由科研到产业化的过渡困难。

2.2 总体思路

烟气脱硫脱硝属于过程工业的范畴，其反应器（吸收塔）存在着设备尺度大、负荷范围宽、装置适应性强、设计精度高等特点。这对过程设备的放大设计而言，是个全新的挑战。

通常机械制造和电子信息等很多领域上相似理论和因次分析为基准的相似放大法是非常有效的，但相似放大法在化学反应器放大方面则无能为力，主要原因是无法在保持物理相似的同时保持化学相似。目前，反应器的多相反应过程的描述仅使用拟均相模型以及含有诸如有效因子、失活因子等人为调节参数的宏观表达式，即使用粗糙的宏观表达式来描述，导致过程放大过程必须通过多阶段的逐级放大，以保持每段放大的操作条件逐步改变，而每次放大均是关联前一次的循序渐进。这种基于单一尺度的平均化方法由于无法反映过程的内在机制而必须引入诸多可调参数，致使预测性能差，无法解决定量放大和调控问题。因此，相似放大法制约了大尺度反应器的开发。

近年来，随着计算流体力学在车辆、航空、气象和国防等领域的广泛应用，其功能不断提升，逐渐实现了紧密耦合的“三传一反”（质量、动量、能量传递和化学反应）计算机数值模拟。OI²模式正是采用全尺度数值模拟和实验研究的方法对烟气脱硫脱硝反应器（吸收塔）及其关联的关键设备进行了分析，突破了“设计—台试—小试—中试—工程应用”的传统及因次分析、相似理论等的限制，实现了反应器的设计放大的跨越式发展，避免旷日持久和费用高昂的逐级开发过程。

凭借外国已有SCR工程经验，以及采用现代测量方法获得海量工程数据，为数值模拟结果提供了三维动态数据的验证，实现了信息化推动产业化。

也就是说，传统的开发过程采用逐级经验放大方法；而OI²模式采用数学模型方法。计算科学技术的飞速发展和大量工程数据的合理引用为该方法的先进性和科学性提供了有力的保障。

2.3 具体内容

1. 工艺研究

脱硫脱硝工艺成熟，而我国没有自主知识产权的核心技术。OI²模式通过相关基础理论研究和核心技术攻关，结合国内外工程经验，通过对已建工程的数据挖掘和参数提取，建立脱硫脱硝的数学模型，并对海量数据进行分析和提炼，得到优化的操作参数和边界条件，在此基础上降低化学基础研究的复杂性，减少实验工作量。基础研究的内容包括：

Ø  脱硫脱硝物料平衡和热量平衡计算

Ø  脱硫脱硝反应动力学研究

Ø  脱硫脱硝效率影响因素分析

Ø  脱硫剂活性及其强化技术途径实验研究

Ø  催化剂钝化机理研究

2. 设备开发

以流场适应型为主导，实现紧密耦合的“三传一反”（质量、动量、能量传递和化学反应）计算机数值模拟。在此基础上，采用全方位、全尺度、系统级的数值模拟和实验研究的方法对脱硫吸收塔和脱硝反应器及其关联的关键设备进行了分析，突破了“设计—台试—小试—中试—工程应用”的传统及因次分析、相似理论等的限制，成功解决了吸收塔、反应器等大尺度设备的大比例放大的难题，一次放大比例达1000倍。

3. 系统集成及优化

完成脱硫脱硝系统级建模，通过动态过程模型模拟FGD和SCR装置与锅炉本体、烟风系统各参数之间的相互关系，确定最优化的运行参数，完成各子系统的优化配置，实现脱硫脱硝反应装置与锅炉主体、烟风系统一体化兼容设计方法，从而达到锅炉系统与烟气脱硫脱硝系统的优化集成。

4. 工程设计及项目实施

Ø  基于数据库的三维设计平台，解决脱硫脱硝装置的空间规划和设计；

Ø  科学的项目管理平台，解决项目各节点的进度安排，控制项目的建设周期；

Ø  可靠性和价值工程理论的应用，从设计、设备采购和工程建设各环节的风险系数和价值指数分析，从而实现成本和质量双达标。

三、小结

OI²模式是一种快速而有效地追赶国外先进技术、实现自主知识产权技术的模式。该模式具有一定的后发性：需要以已有工程经验积累为基础，同时充分利用近20年来飞速发展的计算机科学技术来处理、解决各种类型的科学与工程技术问题。

OI²模式是一种不断完善、不断发展的模式，通过持续的技术创新来保持已有技术在其领域的领先地位。

OI²模式是一种开放的模式。通过国内外各科研院所、设计单位和应用单位的联合，实现科研成果的尽快转化。

OI²模式建立在数学、物理、化学和生物等基础学科的基础上，充分柔和了环境、能源、材料、生物等工程学科和机电工程等知识，实现科学技术指导工程应用，同时迅速将工程经验反馈科研和设计。

OI²模式对于我国整个过程工业都具有一定的借鉴意义。