基于反应动态平衡的喷淋塔氨法脱硫过程机理研究

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。

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。

除铜过程作为锌直接浸出冶炼工艺净化工段首道关键工序，具有竞争反应机理复杂、多反应器关联以及入口矿源多变、晶种返回底流不确定等特征，导致除铜过程优化控制困难，造成生产能耗物耗高、出口铜离子浓度波动大。为此，本项目基于化学反应动力学原理和固液非催化反应模型，联立反应器物料衡算原理，建立了除铜过程竞争-连续反应体系机理模型，并研究了面向多工况的模型参数自适应辨识方法；建立基于趋势分布特征的锌粉有效性预测方法，提出了基于锌粉有效性预测的锌粉添加量多目标优化设定方法；提出了基于模糊评估的除铜过程可控域划分方法以及基于可控域的除铜过程锌粉模糊校正方法，实现了除铜过程锌粉添加量优化控制，并将成果应用于实际工业过程，提高了除铜过程出口溶液铜离子的合格率和稳定度，降低了锌粉的消耗。 项目执行过程中，发表论文12篇，其中SCI收录6篇，申请国家发明专利4项。

直接浸出冶炼是最先进的湿法炼锌绿色生产工艺，除铜过程通过添加锌粉置换杂质铜，是该工艺净化工段首道关键工序，具有竞争反应机理复杂、晶种返回底流不确定等特征，使得除铜过程建模和优化控制困难，造成锌粉消耗高、工况波动大，严重影响后续生产流程的稳定。为此，本项目针对除铜过程连续搅拌反应槽（CSTR）内竞争反应的随机性和闭环链式结构底流返回晶种的不确定性，研究竞争反应体系概率动力学模型和基于反应深度的闭环链式CSTR模型；分析研究基于竞争判别因子的锌粉有效性，建立各反应槽锌粉添加量控制的可行域描述，提出面向工况稳定的满意优化控制方法，应用于锌直接浸出冶炼除铜生产过程以验证方法的有效性，形成竞争反应体系下除铜过程控制理论与方法。本项目研究对湿法冶炼流程的稳定和节能降耗具有重要意义，也将推动湿法冶金科学和控制科学的学科交叉发展，具有重要的科学意义和工业应用价值。

本课题围绕基于过程的城市建筑三维建模技术开展理论方法和关键技术研究工作，重点开展了基于单张图像的建筑物组件重复性检测与几何过程建模技术，基于图像集的建筑建模、组件几何和反射属性建模技术，基于GIS数据的城市虚拟场景快速建模技术与工具等研究工作。 在基于单张图像的建筑物过程建模技术方面，研究了针对单张图像建筑物重复性组件的检测算法、建筑规则和组件生成算法。从分割的单张图像中自动生成三维建筑组件、建筑规则及三维建筑模型。通过简单的人工交互可以生成风格相同、形状可变的三维建筑模型。在基于图像集的建筑建模技术方面，以未标定数码相机拍摄的建筑物多幅照片为输入，提出了一系列算法，研究了建筑物三维点云数据的恢复与分割、建筑物组件重复性检测、建筑物前后层结构自动提取等技术，能够全自动的重构出逼真度较高的建筑物三维模型。在基于图像集的建筑物组件几何和反射属性建模技术方面，研究了基于本征图像分解的建筑物组件材质反射属性建模技术、基于径向基函数的逐像素组件深度插值算法，从而构建出可重光照的建筑物组件模型。在基于GIS数据和过程建模技术的城市场景快速建模方面，通过解析地理信息数据，提取地图数据中的建筑位置和朝向信息，结合本课题已研究的单个建筑建模方法生成的建筑模型, 快速生成城市局部区域的三维场景，研制了场景建模工具原型系统。 在本项目资助下，发表论文10篇（SCI检索2篇、EI检索4篇）、专利申请2项、专利授权2项，其中8篇文章发表在《Computers & Graphics》、《The Visual Computer》、《Computer Graphics Forum》、Graphics Interface (GI2013)、Pacific Graphics (PG2013)、Eurographics Symposium on Geometry Processing (SGP2014)，Asian Conference on Computer Vision (ACCV2014)， IEEE International Conference on Image Processing (ICIP2015)等CCF推荐国际B类、C类期刊与会议上。项目负责人获2013年教育部技术发明一等奖1项，排名第7（总发明人数为9），并晋升副教授。3名硕士在本项目资助下完成毕业论文，2名博士基本完成论文。 2100433B