l       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2010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2008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、       大气污染治理的特点及技术发展趋势

大气污染治理与传统的污染治理如水污染治理相比具有几个鲜明的特点：

1、目前大气污染治理的对象也就是污染物种类相对比较单一，治理技术的开发针对的是单一污染物，处理对象的体积质量比是水的1000倍，污染治理的单位体积能耗远大于水污染治理。预计2010全国年煤炭消耗量将超过22亿吨，由此产生的工业烟气体量将超过30万亿Nm³/年，大气污染治理的处理量极大，装置大型化要求高。

2、大气污染治理工艺为物理、化学过程，变温变压过程耗能来源于外界能源，水污染治理为生物处理过程，可实现生物自训练，能量消耗部分来源于水体内在能量和有害污染物自身的能量。因此大气污染治理过程中降低系统能耗的要求更为迫切。

3、由于工业烟气成分的复杂性，对单一污染物脱除的干扰较大，且污染物含量低，脱除要求却比较高，工艺约束条件多，实施工艺的有效区间窄，工作区域受限，对工艺精确、优化设计提出了很高的要求。

4、大气污染治理装置与主体工艺的嵌合度远大于水污染治理装置，装置的设备复杂程度大于水污染治理工艺。由于主体工艺的高可靠性要求迫使大气污染治理装置应具备与主体相匹配的可靠性。因此要求系统工艺具备极高的成熟度。

5、对核心反应器要求高,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，但其反应体系单纯易控。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，要对主体装置的变化充分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，因此成分复杂多变，且反应物含量低，除尽要求却比较高。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，在大气污染物处理的核心化学反应过程更复杂、更苛刻，核心反应器常存在多化学反应耦合、多过程耦合。

基于大气污染治理装置的一系列特点，长期来看除了针对新型污染物对象开发多种脱除工艺外，在当前乃至今后一段时间，大气污染治理技术的研究和发展的重点不在于提出多少更新的工艺，而在于在成熟工艺路线的基础上，综合考虑成本、工艺指标、能耗敏感性、装置可靠性以及与宿主系统的最优匹配等多种约束条件，基于现代设计技术建立大气污染治理过程工艺的短周期、高精度、高成熟度开发设计模式及创新方法。这一研究方向的发展成为提升大气污染治理装置工艺技术水平、降低装置运行消耗、提高装置成熟度的关键。

二、       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。

三、       设计机制与模式

采用以下述机制与模式展开相关研究（图1），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。

图1 大气污染治理技术开发设计机制与模式

(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。