一种氨法脱硫喷淋塔系统及SO2吸收传质系数的确定方法

摘要

本发明公开了一种氨法脱硫喷淋塔系统及SO2吸收传质系数的确定方法，属于氨法烟气脱硫技术领域。本发明基于喷淋塔氨法烟气脱硫工艺的特点，选取喷淋塔内浆液pH值、烟气流速ug和液气比L/Q为参数，先计算出不同pH值、烟气流速ug及液气比L/Q条件下的氨法脱硫SO2吸收传质速率ky，然后采用数值拟合的方法重新构建出具有普遍适用性的氨法脱硫SO2吸收传质系数ky′的表达式。采用本发明的方法得到的氨法脱硫SO2传质系数能够全面、准确的反映工艺操作条件对SO2传质吸收过程的影响，且具有普遍适用性，能够为优化氨法脱硫吸收塔的设计和运行提供理论指导，具有较强的实际意义和工程应用价值，且其计算结果与实验结果的误差小于14.77％。

说明书

技术领域

本发明属于氨法烟气脱硫技术领域，更具体地说，涉及一种氨法脱硫喷淋塔系统及SO₂吸收传质系数的确定方法。

背景技术

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，但它同时也是一种重要资源，目前我国脱硫方法主要采用石灰石-石膏法脱硫工艺，一是因为脱硫剂石灰石来源丰富且价格便宜，二是因为石灰石-石膏法技术在国外相当成熟且公开，获取容易。但是该方法所用系统较复杂、投资多、占地面积大，且容易产生二次污染、运行费用高，中小热电厂难以承受，从而限制了该法的应用。

氨法脱硫是以化学反应活性较高的氨(NH₃)为脱硫剂吸收烟气中的SO₂，系统动力消耗低，在高效脱除SO₂的同时，还能实现硫资源的回收，得到硫酸铵副产品(该过程涉及的主要反应如下(1)～(5)式)，且无废水和废渣的排放，符合我国发展循环经济、创建节约型社会的政策需求，成为缓解上述石灰石-石膏法脱硫工艺存在问题的有效途径，该技术目前在我国大中型燃煤烟气脱硫项目上也逐步得到了广泛应用，发展前景良好。

2NH₃+H₂O+SO₂→(NH₄)₂SO₃(1)

(NH₄)₂SO₃+SO₂+H₂O→2NH₄HSO₃(2)

NH₄HSO₃+NH₃→(NH₄)₂SO₃(3)

(NH₄)₂SO₃+1/2O₂→(NH₄)₂SO₄(4)

NH₄HSO₃+1/2O₂→NH₄HSO₄(5)

吸收塔是氨法脱硫工艺的核心设备，工程上普遍采用的是喷淋吸收塔。目前，我国氨法烟气脱硫喷淋塔的设计和运行主要依据流场模拟对气、液流速分布进行优化，以及根据经验控制pH值和停留时间等参数来实现，系统在运行过程中很难达到技术性和经济性的最优组合，且容易发生明显的氨的挥发性损耗和硫酸铵气溶胶逃逸等问题。另外，2012年1月1日开始实施的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)进一步收紧了SO₂和颗粒物的排放浓度限值，这就对现有氨法脱硫技术提出了更高的要求。研究并确立氨法烟气脱硫SO₂吸收传质系数的表达式，是对氨法脱硫喷淋塔工程的设计和运行进行有效优化的关键，对实现该“绿色”脱硫技术的高效、稳定运行，提高氨法脱硫效率以及抑制氨的挥发性损耗和气溶胶粒子的逃逸具有重要的意义。

目前，有关氨法脱硫SO₂吸收传质系数方面的研究尚未见报道，国内外学者通过对与之相关的SO₂吸收反应动力学和吸收过程建模进行了一些研究，比较典型的有：Gao>4)₂SO₃来吸收SO₂这一特点，对(NH₄)₂SO₃吸收SO₂的反应动力学过程进行了研究，结果表明当(NH₄)₂SO₃浓度在0.05mol/L以下时，吸收过程由气膜和液膜共同控制，当(NH₄)₂SO₃浓度在0.05mol/L以上时由气膜控制，且吸收反应速率与(NH₄)₂SO₃浓度无关，与初始SO₂浓度呈0.6级响应。陈梅倩等对氨法脱硫化学反应动力学进行了实验研究，并建立了氨法脱硫反应的Arrhenius方程(环境科学学报，2005，25(7)：886～890)。刘国荣(化工学报，2010，61(9)：2463～2467)和彭健(高校化学工程学报，2011，25(6)：1073～1077)等基于气相传质系数和液相传质系数相等这一原理，建立数学模型分别对喷淋塔和湿壁塔氨法脱硫过程进行了数值模拟。上述氨法脱硫吸收反应动力学及模型的研究为氨法脱硫技术的应用和发展提供了很多有价值的参考。然而，氨法脱硫过程中，吸收浆液的pH值沿吸收段高度方向上逐渐下降，液相中+4价硫浓度及SO₂、H₂SO₃、与之间的平衡均不断变化，SO₂吸收是一个动态的过程，现有氨法脱硫SO₂吸收模型的气相传质推动力的计算未从气-液动态平衡的角度出发，且对SO₂吸收传质系数的简化程度较大，考察不全面，一般仅考虑了浆液的物理化学特性，从而导致不能够真实、准确地反映氨法脱硫工艺中的传质过程，进而导致对氨法脱硫喷淋塔及脱硫工艺的优化设计不理想，不能够有效地用于指导实际生产过程。

Codolo M C等(International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，66：80～89)对喷淋塔NaOH溶液吸收SO₂的体积传质系数进行了研究，考察了烟气流速、液体流速、喷嘴直径等因素的影响。Kaji>2的传质系数。然而，上述文献均是对喷淋塔NaOH溶液吸收SO₂的体积传质系数的研究，其体积传质系数是在特定的实验条件下获得的，实验环境及条件与氨法脱硫工艺悬殊较大，因此获得的体积传质系数在其它吸收设备中也就不具有通用性，不能够反映氨法脱硫工艺中的传质过程。此外，由于考虑不全面，上述研究中得出的体积传质系数也不能真实地反映其传质过程。

因此，研究并建立具有普遍适用性的氨法脱硫SO₂吸收传质系数的表达式，且能够全面、准确的反映出不同工艺条件下SO₂的吸收速率，对指导并优化氨法脱硫喷淋塔的设计和运行，提高脱硫效率具有重要的理论意义和工程应用价值。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有氨法脱硫喷淋塔实验系统易发生明显的氨的挥发性损耗和硫酸铵气溶胶逃逸等问题，不能真实地模拟氨法脱硫工艺过程，以及现有氨法脱硫SO₂吸收传质系数不能够真实、准确地反映氨法脱硫工艺中SO₂的吸收过程，从而导致不能用于有效地指导氨法脱硫喷淋塔工程的设计和运行的不足，提供了一种氨法脱硫喷淋塔系统及SO₂吸收传质系数的确定方法。本发明的氨法脱硫喷淋塔实验系统能够真实地模拟工业中的氨法脱硫工艺过程，有效避免氨的挥发性损耗及硫酸铵气溶胶的逃逸现象；采用本发明的SO₂吸收传质系数的确定方法对SO₂吸收传质系数进行优化，得到的SO₂吸收传质系数能够真实、准确地反映氨法脱硫工艺中SO₂的吸收过程，且具有普遍适用性，从而能够为氨法脱硫喷淋塔的精确设计和运行控制提供理论依据，有利于推动氨法烟气脱硫技术的发展。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种氨法脱硫喷淋塔系统，包括喷淋塔本体，该喷淋塔本体内部自上而下依次包括除雾区、喷淋区和浆液槽，除雾区设有除雾器，除雾器的上方设有烟气出口，所述喷淋区设有喷淋管，喷淋管的进水口通过循环管道及循环泵与浆液槽底部相连通，还包括气压式加氨系统，该气压式加氨系统包括氨水罐和气泵，氨水罐的进气口通过管道与气泵相连，且氨水罐的出液口通过管道与循环泵的输出口相连。

更进一步地，所述喷淋塔本体侧壁底部的烟气进口通过进气管与混合罐相连，该混合罐分别通过管道与SO₂钢瓶及氧化风机相连，来自SO₂钢瓶的SO₂气源与来自氧化风机的空气经混合罐混合均匀后通过喷淋塔本体侧壁底部的烟气进口管道进入喷淋塔本体内部。

本发明的一种氨法烟气脱硫SO₂吸收传质系数的计算方法，该方法基于喷淋塔氨法烟气脱硫工艺的特点，选取喷淋塔内浆液pH值、烟气流速u_g和液气比L/Q为参数，先计算出不同pH值、烟气流速u_g及液气比L/Q条件下的氨法脱硫SO₂吸收传质速率k_y，然后采用数值拟合的方法重新构建出具有普遍适用性的氨法脱硫SO₂吸收传质系数k_y′的表达式。

更进一步地，所述喷淋塔内浆液pH值的范围为4.5～6.0，烟气流速u_g的范围为2.0～4.0m/s，液气比L/Q的范围为2.0～4.0L/m³。

更进一步地，该计算方法的具体步骤如下：

步骤一、确定如下参数：氨法脱硫系统喷淋塔的D、G、L、pH、P、Q、T、y₁、y₂、Z、ρ、μ、ν、σ；

其中，D为喷淋塔直径，通过直接测量得出，单位m；L为浆液喷淋量，通过流量计测量得出，单位为L/h；pH为喷淋塔内浆液pH值，由pH计测量得到；P为烟气总压力，近似与大气压相等，为101325Pa；Q为烟气流量，通过流量计测量得出，单位m³/h；T为烟气温度，通过温度传感器测量得出，单位K；G为烟气摩尔流率，根据公式G＝10^-3·PQ/(RTπD²)/4计算得出，单位为kmol/(m²·h)；y₁、y₂分别为喷淋塔进口、出口烟气中SO₂的摩尔分率，由烟气分析仪测得，单位均为ppm；Z为喷淋塔吸收区高度，直接测量得到，单位m；ρ为喷淋塔内浆液密度，通过密度计测量得到，单位kg/m³；浆液的粘度μ和表面张力σ分别利用粘度计和表面张力仪测得，其单位分别为Pa·s和N/m；ν为浆液的运动粘度，根据公式ν＝μ/ρ计算得出，单位m²/s；

步骤二、氨法烟气脱硫SO₂吸收传质速率的计算：启动氨法脱硫喷淋塔系统，改变浆液pH值、烟气流速u_g和浆液喷淋量L，测定不同pH值、烟气流速u_g和液气比L/Q条件下喷淋塔进、出口烟气中SO₂的浓度y₁、y₂，通过对液滴运动和塔壁液膜流动状态的计算，确定气-液传质接触面积a，进而计算出不同实验条件下的氨法脱硫SO₂吸收传质速率k_y；

步骤三、氨法脱硫SO₂吸收传质系数表达式的构建：

选取pH值、烟气流速u_g和液气比L/Q为参数，构建SO₂吸收传质系数的表达式如下：

$k_y^{\prime }=k_0\times {\mathrm{pH}}^{x_1}·u_g^{x_2}·{(L/Q)}^{x_3}---\left(1\right),$

上式中k₀为系数，x₁、x₂和x₃均为指数，对上式两边取对数可得：

ln k′_y＝ln>0+x₁ln>2ln>g+x₃ln(L/Q)(2)，

将步骤二中通过测量计算所得的氨法脱硫SO₂吸收传质速率k_y与pH、u_g及L/Q按公式(2)进行多元线性拟合，确定系数k₀及指数x₁、x₂和x₃的值，进而重新构建出氨法脱硫SO₂吸收传质系数k_y′的表达式。

更进一步地，步骤二中不同条件下的氨法脱硫SO₂吸收传质速率k_y根据如下公式进行计算：

$k_y=\frac{G}{aZ}ln\left(\frac{y_1}{y_2}\right)---\left(3\right),$

式(3)中，a为喷淋塔内气-液传质接触面积，单位为m²/m³，包含两部分：一是喷淋塔内液滴的比表面积A_d/((πD²/4)Z)，m²/m³；二是喷淋塔壁液膜的比表面积A_m/((πD²/4)Z)，m²/m³，因此公式(3)可表述为如下形式：

$k_y=\frac{G}{\frac{(A_d+A_m)}{\pi {(D/2)}^{2}Z}Z}ln\left(\frac{y_1}{y_2}\right)---\left(4\right).$

更进一步地，所述喷淋塔微元内液滴的表面积A_d根据如下公式进行计算：

$A_d=\frac{1}{3600}\times \frac{L_d}{\frac{{\mathrm{\pi d}}^3}{6}}\times {\mathrm{\pi d}}^2\times \frac{dz}{u_d}---\left(5\right),$

上式(5)中，L_d为以液滴形式存在的浆液喷淋量，单位为L/h；u_d为液滴的下落速度，单位m/s；d为液滴的Sauter平均直径，单位为m，液滴直径d根据如下公式(6)进行计算：

d＝133.0·(D/2)·We^-0.74(6)，

上式中，韦博数We根据公式(7)进行计算：

$We=\frac{{\mathrm{\rho u}}_d^0(D/2)}{\sigma }---\left(7\right),$

上式中，为喷嘴浆液的喷出速度，单位为m/s，根据动量守恒方程进行计算，其中，m₁为喷嘴喷出浆液的质量流量，单位为kg/s，通过测量得到；P₁为喷嘴运行压力，单位为MPa，通过测量得到；d_k为喷嘴孔径，单位m；σ为浆液表面张力，N/m；

公式(5)中液滴下落速度u_d表述为：

$\frac{{\mathrm{du}}_d}{dt}=g\left(\frac{{\rho }_d-{\rho }_g}{{\rho }_d}\right)-\frac{3}{4}\left(\frac{{\rho }_g{(u_d-u_g)}^2{C}_d}{{\rho }_{d}g}\right)---\left(8\right),$

该公式中，g为重力加速度，单位为m/s²；ρ_d、ρ_g分别为液滴密度和气体密度，单位均为kg/m³，其中液滴密度ρ_d即为喷淋塔内浆液密度ρ；u_g为气体速度，单位m/s，通过下式计算得到：

u_g＝Q/(3600πD²)/4(9)，

公式(8)中C_d为曳力系数，根据下式进行计算：

$C_d=\frac{24}{{\mathrm{Re}}_d}(1+0.125{\mathrm{Re}}_d^{0.72})---\left(10\right),$

上式中，雷诺数Re_d根据公式(11)进行计算：

${\mathrm{Re}}_d=\frac{d\left|u_d-u_g\right|{\rho }_g}{{\mu }_g}---\left(11\right),$

液滴的运动方程为：

${\int }_0^{t_z}{u}_{d}dt=dz---\left(12\right),$

联立公式(5)～(12)，沿喷淋塔吸收区高度方向上积分即计算出液滴表面积A_d；

所述喷淋塔壁液膜的面积A_m按照如下公式进行计算：

A_m＝π(D-2h_m)·dz(13)，

式(13)中，h_m为喷淋塔壁液膜厚度，单位为m，根据如下公式进行计算：

$h_m=0.369{\left(\frac{3v^2}{g}\right)}^{\frac{1}{3}}{\mathrm{Re}}_m^{0.5}---\left(14\right),$

上式中，Re_m为液膜流动雷诺数，根据如下公式进行计算：

Re_m＝4L_mρ/πdμ(15)，

公式(15)中，L_m为塔壁液体流量，L/h；联立公式(13)～(15)，沿喷淋塔吸收区高度方向上积分即计算出喷淋塔壁液膜面积A_m。

更进一步地，塔壁液体流量L_m和以液滴形式存在的浆液量L_d分别近似为总浆液流量L的8％、92％。

如表1所示为本发明中的参数说明。

表1本发明中的参数说明

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种氨法脱硫喷淋塔系统，通过气压式加氨系统对向系统内补充吸收剂NH₃，从而可以有效克服采用高位槽和泵来加氨带来的氨的挥发问题。通过该喷淋塔系统对工业中的氨法脱硫工艺进行模拟，能够更加真实地反映氨法脱硫工艺过程，从而为工业中氨法脱硫喷淋塔的优化设计和运行提供可靠依据。

(2)本发明的氨法烟气脱硫SO₂吸收传质系数的确定方法，该方法基于喷淋塔氨法烟气脱硫工艺的特点，选取喷淋塔内浆液pH值、烟气流速u_g和液气比L/Q为参数，先计算出不同pH值、烟气流速u_g及液气比L/Q条件下的氨法脱硫SO₂吸收传质速率k_y，然后采用数值拟合的方法重新构建出具有普遍适用性的氨法脱硫SO₂吸收传质系数k_y′的表达式。采用本发明的方法得到的氨法烟气脱硫SO₂吸收传质系数k_y′能够更加真实、准确地反映氨法脱硫工艺中的SO₂传质吸收过程，从而能够直接、有效地用于指导氨法脱硫喷淋塔及脱硫工艺的优化设计与运行，有利于提高氨法脱硫工艺的脱硫效率，更具有实际意义和工程应用价值。

(3)本发明的氨法烟气脱硫SO₂吸收传质系数的确定方法，通过对喷淋塔内液滴运动和塔壁液膜流动的理论分析，在计算氨法脱硫SO₂吸收传质速率的过程中全面考虑了喷淋液滴面积和塔壁液膜面积的影响，从而保证建立的传质系数表达式不只是针对特定的喷淋吸收塔有效，具有普遍适用性。

(4)本发明的氨法烟气脱硫SO₂吸收传质系数的确定方法，通过该方法得到的氨法烟气脱硫SO₂吸收传质系数的表达式更加准确，对该表达式进行试验验证，结果表明采用本发明获得的表达式进行计算得到的计算值与实验结果之间的误差较小，小于14.77％。

附图说明

图1为本发明的氨法脱硫喷淋塔系统的结构示意图；

图2为本发明的喷淋塔氨法脱硫的物理模型图；

图3为本发明的喷淋塔氨法脱硫SO₂吸收物料的平衡示意图。

示意图中的标号说明：

1、SO₂钢瓶；2、减压阀；3、稳流器；4、风机；5、流量计；6、取样口；7、混合罐；8、气泵；9、除雾器；10、喷淋塔；11、浆液槽；12、循环泵；13、控制柜；14、氨水罐；15、烟气分析仪。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，现结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

1、氨法脱硫SO₂吸收传质系数的确定

本实施例的氨法脱硫喷淋塔系统如图1所示，喷淋塔直径D为0.3m，吸收区高度Z为2.0m。该氨法脱硫喷淋塔系统包括喷淋塔本体10，该喷淋塔本体10内部自上而下依次包括除雾区、喷淋区和浆液槽11，除雾区设有除雾器9，除雾器9的上方设有烟气出口，该烟气出口与尾气排放管道相连，且尾气排放管道上设有控制柜13。所述喷淋区设有喷淋管，该喷淋管的进水口通过循环管道及循环泵12与浆液槽11底部相连通。浆液槽11底部还通过管道与气泵8相连。来自SO₂钢瓶1的SO₂气源与来自氧化风机4的空气经混合罐7混合均匀后通过喷淋塔本体10侧壁底部的烟气进口管道进入喷淋塔本体10内部，由喷淋塔下部向上流过喷淋区并与喷淋而下的液滴逆流接触，以(NH₄)₂SO₃-NH₄HSO₃混合溶液为基础对SO₂进行吸收。

浆液中，对SO₂起吸收作用的是(NH₄)₂SO₃，NH₄HSO₃不具有吸收SO₂的能力。随着吸收反应的进行，吸收液中NH₄HSO₃的浓度逐渐增大，浆液吸收SO₂的能力开始下降，为了维持浆液的吸收能力，需要向系统内补充吸收剂NH₃，使部分NH₄HSO₃转化为(NH₄)₂SO₃。吸收剂NH₃的补给采用气压式加氨系统，该气压式加氨系统包括氨水罐14和气泵8，氨水罐14的进气口通过管道与气泵8相连，且氨水罐14的出液口通过管道与循环泵12的输出口相连，利用气泵8提供的空气的压力将氨水(含量25～28wt.％)从氨水罐14中压出，经氨水罐14的出液管道上的流量计5调节流量后，在浆液循环泵12入口处与浆液进行混合，有效地克服了采用高位槽和泵来加氨带来的氨的挥发问题。氧化空气量根据单位时间吸收的SO₂的量确定，由气泵8来提供。本实施例中，所述SO₂钢瓶1与混合罐7之间的管道上设有减压阀2和稳流器3，所述氧化风机4的出气管道、气泵8与浆液槽11之间的管道以及氨水罐14的出液管道均设有流量计5。所述喷淋塔本体10侧壁底部的烟气进口管道、与喷淋管相连的循环管道以及喷淋塔本体10顶部的尾气排放管道上均设有取样口6，通过烟气分析仪15对喷淋塔本体10的进口和出口烟气进行分析。通过该喷淋塔系统对工业中的氨法脱硫工艺进行模拟，能够更加真实地反映氨法脱硫工艺过程，从而为工业中氨法脱硫喷淋塔的优化设计和运行提供可靠依据。

本实施例的氨法烟气脱硫SO₂吸收传质系数的确定方法，该方法基于喷淋塔氨法烟气脱硫工艺的特点，选取喷淋塔内浆液pH值、烟气流速u_g和液气比L/Q为参数，先计算出不同pH值、烟气流速u_g及液气比L/Q条件下的氨法脱硫SO₂吸收传质速率k_y，然后采用数值拟合的方法重新构建出具有普遍适用性的氨法脱硫SO₂吸收传质系数k_y′的表达式，该方法适用于喷淋塔内浆液pH值的范围为4.5～6.0，烟气流速u_g的范围为2.0～4.0m/s，液气比L/Q的范围为2.0～4.0L/m³的情况，其具体步骤为：

步骤一、确定如下参数：氨法脱硫系统喷淋塔的D、G、L、pH、P、Q、T、y₁、y₂、Z、ρ、μ、ν、σ；

其中，D为喷淋塔直径，通过直接测量得出，单位m；L为浆液喷淋量，通过流量计测量得出，单位为L/h；pH为喷淋塔内浆液pH值，由pH计测量得到；P为烟气总压力，近似与大气压相等，为101325Pa；Q为烟气流量，通过流量计测量得出，单位m³/h；T为烟气温度，通过温度传感器测量得出，单位K；G为烟气摩尔流率，根据公式G＝10^-3·PQ/(RTπD²)/4计算得出，单位为kmol/(m²·h)，该式中R为气体状态常数，单位为J/(mol·K)；y₁、y₂分别为喷淋塔进口、出口烟气中SO₂的摩尔分率，由烟气分析仪测得，单位均为ppm；Z为喷淋塔吸收区高度，直接测量得到，单位m；ρ为喷淋塔内浆液密度，通过密度计测量得到，单位kg/m³；浆液的粘度μ和表面张力σ分别利用粘度计和表面张力仪测得，其单位分别为Pa·s和N/m；ν为浆液的运动粘度，根据公式ν＝μ/ρ计算得出，单位m²/s。

步骤二、氨法烟气脱硫SO₂吸收传质速率的计算：

启动氨法脱硫喷淋塔系统，改变浆液pH值、烟气流速u_g和浆液喷淋量L，测定不同pH值、烟气流速u_g和液气比L/Q条件下喷淋塔进、出口烟气中SO₂的浓度y₁、y₂，通过对液滴运动和塔壁液膜流动状态的计算，确定气-液传质接触面积a，进而计算出不同实验条件下的氨法脱硫SO₂吸收传质速率k_y，如表2所示为不同pH值、烟气流速u_g和液气比L/Q条件下计算得到的SO₂吸收传质速率k_y。具体的，本实施例以表2中序号1实验为例，详细描述氨法脱硫SO₂吸收传质速率k_y的计算过程。控制实验条件浆液pH为5.5，烟气流速u_g为1.76m/s，浆液喷淋量L为1350L/h，液气比3L/m³，T为323.15K，实验测得进口SO₂浓度y₁为360ppm，出口SO₂浓度y₂为184ppm。

氨法脱硫SO₂吸收传质速率k_y根据如下公式进行计算：

$k_y=\frac{G}{aZ}ln\left(\frac{y_1}{y_2}\right)---\left(3\right),$

式(3)中，a为喷淋塔内气-液传质接触面积，单位为m²/m³，因此要想计算得到吸收传质速率k_y，必须要先计算出喷淋塔内气-液传质接触面积a，喷淋塔内气-液传质接触面积a包含两部分：一是喷淋塔内液滴的比表面积A_d/((πD²/4)Z)，m²/m³；二是喷淋塔壁液膜的比表面积A_m/((πD²/4)Z)，m²/m³，因此公式(3)可表述为如下形式：

$k_y=\frac{G}{\frac{(A_d+A_m)}{\pi {(D/2)}^{2}Z}Z}ln\left(\frac{y_1}{y_2}\right)---\left(4\right).$

沿喷淋塔高度方向上将吸收塔划分为多个微元，由于微元高度很小，假定微元内液滴下落的速度不变，另外，忽略液滴的凝并和破碎，液滴直径采用Sauter平均直径。因此，喷淋塔微元内液滴的表面积A_d可表述为：

$A_d=\frac{1}{3600}\times \frac{L_d}{\frac{{\mathrm{\pi d}}^3}{6}}\times {\mathrm{\pi d}}^2\times \frac{dz}{u_d}---\left(5\right),$

上式(5)中，L_d为以液滴形式存在的浆液喷淋量，单位为L/h，近似为总浆液流量L的92％。u_d为液滴的下落速度，单位m/s；d为液滴的Sauter平均直径，单位为m，液滴直径d根据如下公式(6)进行计算：

d＝133.0·(D/2)·We^-0.74(6)，

上式中，韦博数We根据公式(7)进行计算：

$We=\frac{{\mathrm{\rho u}}_d^0(D/2)}{\sigma }---\left(7\right),$

上式中，为喷嘴浆液的喷出速度，单位为m/s，根据动量守恒方程进行计算，其中，m₁为喷嘴喷出浆液的质量流量，单位为kg/s，通过测量得到；P₁为喷嘴运行压力，单位为MPa，通过测量得到；d_k为喷嘴孔径，单位m，直接测量得到；σ为浆液表面张力，N/m。本实施例中，浆液密度ρ为1273.9kg·m^-3，浆液表面张力σ为0.073N/m，喷嘴运行压力P₁为0.4MPa，喷嘴孔径d_k为4×10^-3m，计算得到为15m/s，联立式(6)和(7)，计算出液滴的直径d为1.3×10^-3m，考虑到液滴的凝并，取液滴直径d为2.0×10^-3m，从而减小计算误差。

公式(5)中液滴下落速度u_d表述为：

$\frac{{\mathrm{du}}_d}{dt}=g\left(\frac{{\rho }_d-{\rho }_g}{{\rho }_d}\right)-\frac{3}{4}\left(\frac{{\rho }_g{(u_d-u_g)}^2{C}_d}{{\rho }_{d}g}\right)---\left(8\right),$

该公式中，g为重力加速度，单位为m/s²；ρ_d、ρ_g分别为液滴密度和气体密度，单位均为kg/m³，其中液滴密度ρ_d即为喷淋塔内浆液密度ρ；u_g为气体速度，单位m/s，通过下式计算得到：

u_g＝Q/(3600πD²)/4(9)，

公式(8)中C_d为曳力系数，根据下式进行计算：

$C_d=\frac{24}{{\mathrm{Re}}_d}(1+0.125{\mathrm{Re}}_d^{0.72})---\left(10\right),$

上式中，雷诺数Re_d根据公式(11)进行计算：

${\mathrm{Re}}_d=\frac{d\left|u_d-u_g\right|{\rho }_g}{{\mu }_g}---\left(11\right),$

上式中，气体粘度μ_g通过查《化学化工物性手册》获得；液滴的运动方程为：

${\int }_0^{t_z}{u}_{d}dt=dz---\left(12\right),$

通过查询《化学化工物性手册》得到烟气密度ρ_g取1.23kg/m³，烟气流速u_g为1.76m/s，烟气粘度μ_g为1.81×10^-4Pa·s，微元高度dz取0.01m，联立公式(5)～(12)，沿喷淋塔吸收区高度方向上积分即计算出液滴表面积A_d为0.199m²。

喷淋塔氨法脱硫过程中，部分浆液落在喷淋塔壁上并形成液膜，塔壁液膜在与烟气接触的过程中参与SO₂吸收反应，喷淋塔壁液膜的面积A_m按照如下公式进行计算：

A_m＝π(D-2h_m)·dz(13)，

式(13)中，h_m为喷淋塔壁液膜厚度，单位为m，喷淋塔壁液膜按层流流动考虑，其厚度h_m可按Feind公式计算：

$h_m=0.369{\left(\frac{3v^2}{g}\right)}^{\frac{1}{3}}{\mathrm{Re}}_m^{0.5}---\left(14\right),$

上式中，Re_m为液膜流动雷诺数，根据如下公式进行计算：

Re_m＝4L_mρ/πdμ(15)，

公式(15)中，L_m为塔壁液体流量，L/h，近似为总浆液流量L的8％，浆液运动粘度v为0.79×10^-6m²/s，浆液粘度μ为1.005×10^-3Pa·s，微元高度为0.01m，联立公式(13)～(15)，沿喷淋塔吸收区高度方向上积分即计算出喷淋塔壁液膜厚度为0.0031m，喷淋塔壁液膜面积A_m为1.84m²。

将实验测得的喷淋塔进、出口SO₂浓度y₁和y₂，以及计算得到的液滴表面积A_d和塔壁液膜面积A_m带入式(4)，可以计算得到SO₂吸收传质速率k_y为3.11kmol/(m²·h)。同理，改变pH、烟气流速u_g和浆液喷淋量L，计算出不同实验条件下的氨法脱硫SO₂吸收传质速率k_y。

本实施例中，氨法脱硫SO₂吸收传质速率k_y的计算式即公式(3)的推导过程如下：

氨法脱硫过程中，稳态条件下SO₂的传质速率可表述为：

$N_{{\mathrm{SO}}_2}=K_G(p-p_{{\mathrm{SO}}_2}^{*})---\left(16\right),$

其中，K_G为气相总传质速率，p和分别为SO₂在气相主体和相界面上的分压，根据双膜理论，气相总传质速率K_G与气、液相传质分速率k_G、k_L的关系可表述为：

$\frac{1}{K_G}=\frac{1}{k_G}+\frac{1}{{\mathrm{Hk}}_L}---\left(17\right),$

上式中，H为SO₂溶解度系数，单位为mol/m³。

由于SO₂易溶于水，SO₂溶解度系数较大，氨法脱硫SO₂液相传质阻力可以忽略不计，传质总阻力等于气相传质分阻力，式(17)可表达为：

$\frac{1}{K_G}\approx \frac{1}{k_G}---\left(18\right),$

因此，式(16)可转化为：

$N_{{\mathrm{SO}}_2}=k_G(p-p_{{\mathrm{SO}}_2}^{*})=k_y(y-y_i)---\left(19\right),$

在吸收塔高度方向上dz微元内对SO₂进行物料衡算(如附图2、附图3所示)，得到如下方程：

$N_{{\mathrm{SO}}_2}a=k_{y}a(y-y_i)=G(1-y_1)\frac{y}{1-y}{|}_{z+dz}-G(1-y_1)\frac{y}{1-y}{|}_z---\left(20\right),$

式中，a为传质接触面积，m²/m³；y为气相主体中SO₂的摩尔分率，y_i为气液界面处SO₂的平衡摩尔分率；G为烟气摩尔流率，kmol/(m²·h)。

式(20)可转化为：

$\frac{d}{dz}\left(\frac{y}{1-y}\right)=\frac{k_{y}a(y-y_i)}{G(1-y_1)}---\left(21\right),$

由溶液中H₂SO₃、和的分布系数(公开号：CN>2SO₃的量极少，几乎没有游离态的SO₂，因而气相中的SO₂的体积分数远远大于气液界面的SO₂的体积分数，即y＞＞y_i。另外，燃煤烟气中SO₂的浓度较低，式(21)可以简化为：

Gdy＝k_yaydz(22)，

式(22)可转化为：

$G\frac{1}{y}dy=k_{y}adz---\left(23\right),$

沿吸收塔高度上从上向下对式(23)两边进行积分(如附图3所示)：

${\int }_{y_2}^{y_1}G\frac{1}{y}dy={\int }_0^Z{k}_{y}adz---\left(24\right),$

式中，y₁、y₂分别为喷淋吸收塔进、出口烟气中SO₂的摩尔分率(体积比浓度)；Z为喷淋塔吸收区高度，m；由积分式(24)计算可得：

因此，由公式(25)即可推导出气相分传质速率k_y的表达式：

表2不同实验条件下氨法脱硫SO₂吸收传质速率

步骤三、氨法脱硫SO₂吸收传质系数表达式的构建：

选取pH值、烟气流速u_g和液气比L/Q为参数，构建SO₂吸收传质系数的表达式如下：

$k_y^{\prime }=k_0\times {\mathrm{pH}}^{x_1}·u_g^{x_2}·{(L/Q)}^{x_3}---\left(1\right),$

上式中k₀为系数，x₁、x₂和x₃均为指数，对上式两边取对数可得：

ln k′_y＝ln>0+x₁ ln>2 ln>g+x₃>

将步骤二中通过测量计算所得的氨法脱硫SO₂吸收传质速率k_y与pH、u_g及L/Q(具体数据见表2所示)按公式(2)进行多元线性拟合，确定系数k₀及指数x₁、x₂和x₃的值，进而重新构建出氨法脱硫SO₂吸收传质速率k_y的表达式，本实施例重新构建的氨法脱硫SO₂吸收传质速率k_y′的表达式为：

鉴于现有技术中氨法脱硫喷淋塔及脱硫工艺的优化设计效果在很大程度上依赖于氨法烟气脱硫SO₂吸收传质系数表达式的准确性，

由于现有技术中氨法烟气脱硫SO₂吸收传质系数的表达式不能够真实、准确地反映SO₂吸收传质过程，从而不能有效用于指导氨法脱硫喷淋塔工程的优化设计和运行，导致氨法脱硫工艺的脱硫效率不能得到有效提高。基于此，发明人一直致力于氨法烟气脱硫工艺的研究，发明人通过大量实验研究及实践经验发现，氨法烟气脱硫工艺中SO₂吸收传质过程主要受喷淋塔内浆液pH值、烟气流速u_g和液气比L/Q的影响较大，因此其选用这三个参数为计算参数，重新构建出氨法烟气脱硫SO₂吸收传质速率与pH值、u_g及L/Q之间的计算表达式。采用本发明的方法得到的氨法烟气脱硫SO₂吸收传质系数能够更加真实、准确地反映氨法脱硫工艺中的SO₂传质吸收过程，从而能够直接、有效地用于指导氨法脱硫喷淋塔及脱硫工艺的优化设计与运行，更具有实际意义和工程应用价值。

此外，本发明的氨法烟气脱硫SO₂吸收传质系数的计算方法，通过对喷淋塔内液滴运动和塔壁液膜流动的理论分析，在计算氨法脱硫SO₂吸收传质系数的过程中全面考虑了喷淋液滴面积和塔壁液膜面积的影响，建立的传质系数表达式不只是针对特定的喷淋吸收塔有效，具有普遍适用性。

2、氨法脱硫SO₂吸收传质系数表达式的实验验证

采用如图1所示的喷淋塔氨法脱硫实验系统，控制浆液pH为5.5，烟气流速u_g为1.76m/s，液气比为3L/m³，实验测得喷淋塔进口SO₂浓度为360ppm，喷淋塔出口SO₂浓度为184ppm，联立式(3)～(15)计算得到的SO₂吸收传质系数为3.11kmol/(m²·h)。将实验条件pH为5.5，u_g为1.76m/s，液气比为3L/m³代入建立的氨法脱硫SO₂传质速率表达式：计算得到SO₂吸收传质系数为3.08kmol/(m²·h)，二者之间的误差为1.1％。因此，采用本发明的方法得到的SO₂吸收传质系数较为准确，能够较好地反映的SO₂吸收传质过程。

实施例2

采用如实施例1中的喷淋塔氨法脱硫实验系统，控制浆液pH为5.5，烟气流速u_g为3.34m/s，液气比为3L/m³，实验测得喷淋塔进口SO₂浓度为360ppm，喷淋塔出口SO₂浓度为233ppm，联立式(3)～(15)计算得到的SO₂吸收传质系数为3.545kmol/(m²·h)，计算方法同实施例1。将实验条件pH为5.5，u_g为3.34m/s，液气比为3L/m³代入建立的氨法脱硫SO₂传质速率表达式，计算得到SO₂吸收传质系数为3.54kmol/(m²·h)，二者之间的误差仅为0.13％。

实施例3

采用如实施例1中的喷淋塔氨法脱硫实验系统，控制浆液pH为5.68，烟气流速u_g为2.16m/s，液气比为3L/m³，实验测得喷淋塔进口SO₂浓度为360ppm，喷淋塔出口SO₂浓度为183.7ppm，联立式(3)～(15)计算得到的SO₂吸收传质系数为3.75kmol/(m²·h)，计算方法同实施例1。将实验条件pH为5.68，u_g为2.16m/s，液气比为3L/m³代入建立的氨法脱硫SO₂传质速率表达式，计算得到SO₂吸收传质系数为3.60kmol/(m²·h)，二者之间的误差为3.94％。

实施例4

采用如实施例1中的喷淋塔氨法脱硫实验系统，控制浆液pH为5.95，烟气流速u_g为2.16m/s，液气比为3L/m³，实验测得喷淋塔进口SO₂浓度为360ppm，喷淋塔出口SO₂浓度为162ppm，联立式(3)～(15)计算得到的SO₂吸收传质系数为4.45kmol/(m²·h)，计算方法同实施例1。将实验条件pH为5.95，u_g为2.16m/s，液气比为3L/m³代入建立的氨法脱硫SO₂传质速率表达式，计算得到SO₂吸收传质系数为4.23kmol/(m²·h)，二者之间的误差为4.86％。

实施例5

采用如实施例1中的喷淋塔氨法脱硫实验系统，控制浆液pH为5.5，烟气流速u_g为2.16m/s，液气比为2.5L/m³，实验测得喷淋塔进口SO₂浓度为360ppm，喷淋塔出口SO₂浓度为235ppm，联立式(3)～(15)计算得到的SO₂吸收传质系数为2.41kmol/(m²·h)，计算方法同实施例1。将实验条件pH为5.5，u_g为2.16m/s，液气比为2.5L/m³代入建立的氨法脱硫SO₂传质速率表达式，计算得到SO₂吸收传质系数为2.83kmol/(m²·h)，二者之间的误差为14.6％。

实施例6

采用如实施例1中的喷淋塔氨法脱硫实验系统，控制浆液pH为5.5，烟气流速u_g为2.16m/s，液气比为3L/m³，实验测得喷淋塔进口SO₂浓度为360ppm，喷淋塔出口SO₂浓度为220ppm，联立式(3)～(15)计算得到的SO₂吸收传质系数为2.74kmol/(m²·h)，计算方法同实施例1。将实验条件pH为5.5，u_g为2.16m/s，液气比为3L/m³代入建立的氨法脱硫SO₂传质速率表达式，计算得到SO₂吸收传质系数为3.22kmol/(m²·h)，二者之间的误差为14.77％。