基于反应动态平衡的喷淋塔氨法脱硫过程机理研究

SO2 is a pollutant, but also a shortage resource in our country. Ammonia-based desulfurization process is an effective way for solving this contradiction as it is a resource recovery desulfurization technology. Spray scrubber is the core device of ammonia-based flue gas desulfurization process, and building the mathematical model of spray scrubber is significant for advancing the stability and economy and suppressing the volatile loss of ammonia and ammonium sulfate aerosol escape. However, related theoretical model is not yet mature. The integral mathmatical model of spray tower is our research object in this application. On the basis of experiments, the variation of the mass transfer characteristics of SO2 with the major technological conditions is revealed by graphical differentiation and the gas phase mass transfer coefficient of SO2 is built up. The dynamic balance between the gas-liquid during SO2 absorption process is clarified by systematic studying charge conservation and materials conservation of ions and by analyzing the thermodynamic properties and ion balance principle of NH3-SO2-H2O system. On this basis, comprehensively analyze of the chemical reaction in the spray scrubber by combining the previous study of the kinetics of oxidation of total sulfite, then a coupling mathematical model of ammonia-based desulfurization of spray scrubber is establish basing on reaction dynamic equilibrium. This application aims to reveal the mechanism of chemical processes in spray tower, and this would lay the theoretical foundation and technical foundation for accurate design and running spray scrubber.

氨法脱硫作为资源回收型的脱硫技术是缓解我国SO2污染和硫资源短缺这一矛盾问题的有效途径，建立其核心装置喷淋吸收塔的数学模型对提高该技术的稳定和经济性及抑制氨的挥发性损耗和硫酸铵气溶胶的逃逸具有重要的意义，目前还有待进一步的研究。本项目以喷淋塔氨法脱硫的整体数学模型为研究对象，拟通过实验并采用微分法深入研究氨法脱硫吸收过程中SO2的传质特性随各主要工艺条件的变化规律，建立SO2吸收气相传质系数的表达式；系统分析液相中的离子电荷守恒和元素物料守恒，结合NH3-SO2-H2O体系的热力学特性及离子平衡原理阐明喷淋塔内SO2吸收过程中的气-液间动态平衡关系；在此基础上，结合前期+4价硫氧化动力学研究，深入分析喷淋塔内的化学反应过程，建立基于反应动态平衡的喷淋塔氨法脱硫的整体耦合数学模型。本项目旨在揭示氨法脱硫喷淋塔内部的化学反应过程机理，为氨法脱硫工程设计和运行的精确表达奠定理论和技术基础。

二氧化硫（SO2）是我国目前危害仅次于可吸入颗粒物的主要大气污染物，但它也是一种资源。氨法脱硫以化学活性较高的（NH3）为吸收剂吸收烟气中的SO2，在脱除SO2的同时，还能实现硫资源的回收，成为缓解上述矛盾的有效途径。吸收塔是氨法脱硫系统的核心，涉及传质吸收和+4价硫氧化两个主要化学过程，相关技术理论尚未得到合理的诠释，吸收塔的设计主要还依赖于经验。因此，本项目结合氨法脱硫工艺的特点对氨法脱硫的化学过程机理展开了相关研究。.传质系数是吸收塔的一个关键设计参数，在分析影响SO2吸收的主要工艺条件的基础上，实验测定不同浆液pH值、烟气流速和液气比等条件下进出口烟气中SO2的浓度，结合对喷淋液滴和塔壁液膜运动的计算，进而计算得到SO2的面积传质速率，最终采用非线性拟合的方法得到SO2吸收传质系数。实验验证结果表明，计算值与实验值的相对误差小于±12%，该系数有效克服了体积传质系数和准数关联传质系数适用性不强的缺陷。.氨法脱硫SO2吸收过程的模拟计算是吸收塔设计的核心。在研究获得传质系数表达式的基础上，将吸收区沿高度方向上进行离散化，构建微元中气、液两相总硫浓度的平衡方程，结合分析NH3-SO2-H2O体系的气液平衡，以及浆液中各离子的电荷平衡，建立吸收区的数学模型。利用该模型能够计算不同浆液pH值、烟气流速、液气比、SO2浓度和吸收区高度等条件下的脱硫效率。.+4价硫的氧化是氨法脱硫稳定、经济运行的基础。将吸收塔底部的持液槽看作是连续流全混鼓泡反应器，在前期+4价硫氧化动力学研究的基础上，建立氨法脱硫+4价硫氧化数学模型。利用该模型能够计算不同浆液pH值、氧化空气量、总硫浓度和停留时间等条件下+4价硫的氧化率，实验验证结果表明，计算值与实验值的相对误差小于±20%。.本项目基于氨法脱硫工艺的特点，结合SO2吸收传质系数的研究，建立了能够反映SO2吸收过程的数学模型，另外，在研究+4价硫氧化动力学的基础上，建立氨法脱硫氧化槽的数学模型，为氨法脱硫系统的精确化设计和运行提供了理论指导。