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大气是人类赖以生存的自然环境组成之一,随着我国能源消费总量的增长以及大气环保标准的日趋严格,亟需开发高效二氧化硫、颗粒物等污染物的高效协同脱除技术。湿法烟气脱硫技术（WetFlueGasDesulfurization,WFGD）是我国应用最广泛的二氧化硫脱除技术,然而其在日益严格的环保要求及经济运行的要求下,进一步提高二氧化硫脱除效率及多种污染物协同控制能力是实现低成本火电厂超低排放技术的关键。本文重点研究了湿法烟气脱硫技术中的SO2控制机制、颗粒物脱除机制及脱硫系统运行优化技术,揭示了湿法烟气脱硫技术高效脱除及协同优化机制。通过实验结合数值模拟的方法建立了包括脱硫塔喷淋区、鼓泡区、pH分区等的超低排放SO2吸收模型,随后研究了颗粒物在脱硫塔内捕集的机理及规律,得到了湿法烟气脱硫塔中二氧化硫及颗粒物强化脱除的规律,并在火电机组上开展了工业验证。提出了采用数据模型校正机理模型误差的新型混合预测模型,并应用在WFGD出口 SO2排放浓度的精准预测,随后研究了基于粒子群优化（Particle Swarm Optimization,PSO）算法的WFGD系统的运行优化方法。第一,建立了包括喷淋区、鼓泡区及pH分区模块的超低排放SO2脱除模型,对关键鼓泡区建立了两相流数值模型,得到了鼓泡构件对气液传质面积的影响规律,筛板鼓泡区的单位气液传质面积主要受到气含率、烟气流速、开孔率、喷淋量等的影响,随着烟气流速的在增加而增加,随着开孔率的增大而就减小。建立的超低排放SO2脱除模型首先在某660MW脱硫机组进行了模型的验证,机组技术路线为通过塔外浆池pH分区控制,吸收塔内部加装筛板构件强化脱硫传质,数值计算基本能较好的预测不同工况条件下的出口 SO2浓度,绝对误差<5mg/m3。探究了鼓泡区强化高效SO2及颗粒物协同脱除的影响规律,提出了鼓泡区强化二氧化硫脱除的方法,为新型高效SO2超低排放排放技术的设计提供了理论基础。第二,结合实验验证了增效构件高效脱除SO2协同脱除颗粒物的规律,筛板塔细颗粒脱除效率随粒径增加先降低后升高,分级脱除效率曲线呈现“V”形分布,在0.2～1.0μm粒径段,颗粒物分级脱除效率最低,最终开展了新型筛板塔协同颗粒物脱除技术的工程示范研究。第三,分析了布朗扩散、拦截、惯性碰撞、热泳力等对颗粒物作用的机理,建立了脱硫塔内颗粒物脱除机理的通用动力学方程,建立了定步长的蒙特卡洛求解计算算法,分析了喷淋强度、喷淋条件、烟气流速、气溶胶尺度对气溶胶颗粒的脱除影响规律,随着喷淋层数的增加、烟气流速的降低,颗粒物脱除效率随之增加。浆液液滴几何平均尺度越小,颗粒物脱除效率越高。颗粒物在进入脱硫塔后快速的被脱除,在脱硫塔垂直高度分别为5、10、15、20m时,脱除效率分别为75.01%、82.57%、85.95%、87.92%。最后,结合工程应用测试结果分析数值模拟方法作为脱硫塔协同除尘效率计算的可行方案。第四,研究了基于机理、数据和机理与数据融合的脱硫系统出口 SO2浓度预测模型,在实际的电厂运行数据验证条件下,基于机理与数据驱动的混合模型能实现98%的预测精度,相比机理模型精度提高了 25%。建立了脱硫系统的运行成本模型,耦合粒子群优化（Particle Swarm Optimization,PSO）算法对WFGD系统进行运行优化研究,研究结果为不同工况下脱硫系统达标节能运行提供了运行策略。最后,建立了全国包括1966台燃煤电厂/热电厂的机组容量、控制技术、煤种含硫量的SO2排放清单,结合SO2费效成本模型及整数线性规划（IntegerLinear Programming,ILP）算法研究实现了成本最优的全国脱硫装备升级策略。当前情景下全国平均脱硫效率为92.14%,完成全国总量减排目标为10%、20%、40%时,全国的平均脱硫效率分别可达到92.55%、93.22%及94.56%,对应的最优运行成本分别为530.81亿元、533.84亿元、540.03亿元,相比当前情景下分别增加0.98%、2.16%及5.21%。在不同减排目标下,300MW、600MW机组均占55%以上的减排比例,大机组具有更大的减排潜力。提出了政府部门在制定实现全国污染物总量减排目标政策时,需综合考虑因地制宜,实施机组差异化、区域差异化、技术差异化的政策。