李軒 韓建濤 任冬雪 潘廣宏 孫永偉（北京低碳清潔能源研究所，北京 102211）

六西格瑪設(shè)計(jì)（DFSS,Design for Six Sigma）是一種以顧客為中心，基于事實(shí)和數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)不斷提高產(chǎn)品指標(biāo)的科學(xué)的、系統(tǒng)的企業(yè)管理方法。西格瑪在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中表示“標(biāo)準(zhǔn)差”，是衡量數(shù)據(jù)離散程度的指標(biāo)，其大小可以反映處質(zhì)量水平的高低。過程能力用西格瑪來度量后，西格瑪越小，過程的波動(dòng)越小，則容差內(nèi)所包含的西格瑪個(gè)數(shù)越多，如果過程能力達(dá)到六個(gè)西格瑪即意味著每一百萬個(gè)機(jī)會(huì)中僅有3.4個(gè)缺陷機(jī)會(huì)，即合格率為99.99966%，則過程可以以最低的成本損失、最短的時(shí)間周期、滿足顧客要求的能力就越強(qiáng)，因此該管理法在通用電氣、三星、戴爾、惠普、西門子、索尼、東芝、華碩等眾多跨國企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用并取得了空前的成功。

與傳統(tǒng)六西格瑪方法不同的是，六西格瑪設(shè)計(jì)是專門面對(duì)研發(fā)項(xiàng)目的管理流程，實(shí)施步驟主要包括定義、測(cè)量、分析、設(shè)計(jì)、優(yōu)化和驗(yàn)證等六個(gè)階段。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法（DOE，Design of Experiment）是低碳所六西格瑪設(shè)計(jì)理論體系的核心工具，它通過科學(xué)地安排實(shí)驗(yàn)，以最少的實(shí)驗(yàn)個(gè)數(shù)獲取所需要的信息，找到傳統(tǒng)方法無法找到的新規(guī)律，新現(xiàn)象，從而，大大減少研發(fā)項(xiàng)目的工作量，縮短研發(fā)周期，減少人力、物力的消耗。

乙炔是一種非常重要的有機(jī)化工原料，被廣泛用于生產(chǎn)PVC、乙烯基乙炔、氯丁二烯、乙醛、乙酸、丙烯腈等重要化工產(chǎn)品。目前我國90%以上乙炔生產(chǎn)仍采用電石法。電石法乙炔雖然具有工藝技術(shù)成熟、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、乙炔產(chǎn)品純度高等優(yōu)點(diǎn)，但仍存在著生產(chǎn)流程長、資源消耗量大、污染嚴(yán)重等問題。熱等離子體裂解煤等碳質(zhì)材料制乙炔技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一步法制乙炔過程，具有流程短、無催化劑、超短接觸、反應(yīng)設(shè)備小、投資少及環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)成本方面與傳統(tǒng)電石法相比具有競(jìng)爭潛力，是基于煤炭資源生產(chǎn)乙炔的綠色流程技術(shù)[1]。該技術(shù)最早起源于20世紀(jì)60年代，研究表明利用高溫、高焓、高反應(yīng)活性的熱等離子體射流可將煤直接轉(zhuǎn)化為乙炔[2,3]。此后英國、美國、德國和波蘭等國家的研究組對(duì)這一過程進(jìn)行了不同程度的實(shí)驗(yàn)和理論研究[4-6]。該過程基于的熱力學(xué)基礎(chǔ)為：在于高溫下乙炔相對(duì)于其他小分子烴類的具有更高的熱力學(xué)穩(wěn)定性[7]。其反應(yīng)過程與常規(guī)、傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)過程有所不同，需要在毫秒級(jí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)高溫高速熱等離子體流和原料的空間高效率接觸、反應(yīng)和淬冷過程，反應(yīng)條件極端苛刻，實(shí)驗(yàn)工作難度較大[6]。此外結(jié)焦問題、反應(yīng)器壽命等也對(duì)實(shí)驗(yàn)造成了影響[8]。

基于六西格瑪設(shè)計(jì)中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)規(guī)劃和分析方法可以在諸多影響因素中篩選出影響煤焦油轉(zhuǎn)化率和乙炔收率的關(guān)鍵因素，并得到這些關(guān)鍵因素對(duì)上述二個(gè)指標(biāo)影響的量化模型，以最少的代價(jià)找出最佳搭配組合。綜上所述，本文采用了六西格瑪設(shè)計(jì)中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了熱等離子體熱解煤焦油過程的實(shí)驗(yàn)研究，確定了影響乙炔收率和煤焦油轉(zhuǎn)化率的關(guān)鍵因素，為煤焦油深加工和熱等離子體技術(shù)應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

使用實(shí)驗(yàn)室自制的熱等離子體反應(yīng)裝置進(jìn)行熱等離子體熱解煤焦油制乙炔實(shí)驗(yàn)，包括等離子體電源、等離子體炬、反應(yīng)器、氣固分離系統(tǒng)、以及產(chǎn)物檢測(cè)系統(tǒng)組成。等離子體電源為銳龍LGK160逆變空氣等離子切割機(jī)整流電源，最大輸出功率為20 kW。使用自行設(shè)計(jì)的直流電弧等離子體炬產(chǎn)生熱等離子體，采用氫氬混合氣體作為等離子體工作氣體，等離子體工作氣體流量為15L/min。等離子體炬的工作電壓為25-100V，工作電流為20-100A。煤焦油從內(nèi)徑為30mm、長50mm的下行式反應(yīng)器頂部的原料入口噴入反應(yīng)器中進(jìn)行熱解反應(yīng)，反應(yīng)完成后使用流量為15L/min氬氣作為淬冷氣體從下行式反應(yīng)器底部的淬冷噴口噴入防止乙炔分解。經(jīng)過淬冷后的氣體進(jìn)入氣固分離器中形成最終的氣體產(chǎn)品，采用一臺(tái)在線質(zhì)譜（Extrel CMS,MAX300-LG）和兩臺(tái)氣相色譜（Agilent Technologies,Micro-GC 490）來分析其組分和濃度。

實(shí)驗(yàn)中使用陜西省神木三江煤化工有限責(zé)任公司所產(chǎn)生的煤焦油作為原料，煤焦油性質(zhì)如表1所示。在實(shí)驗(yàn)中將煤焦油預(yù)熱到50℃，以提高其流動(dòng)性，使用自行設(shè)計(jì)的進(jìn)料裝置在載氣的作用下將原料送入等離子體反應(yīng)器中進(jìn)行熱解反應(yīng)，煤焦油的進(jìn)樣速率為10-20g/min。

表1 煤焦油物性分析

在實(shí)驗(yàn)中使用北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司生產(chǎn)的質(zhì)量流量控制器（D07-9E）來精確控制氬氣和氫氣的流量。由于氬氣是惰性氣體，這樣就可通過產(chǎn)品氣體中各組分的濃度和氬氣流量計(jì)算出熱解反應(yīng)后乙炔的體積產(chǎn)率和質(zhì)量產(chǎn)率。乙炔收率采用公式1來計(jì)算：

式(1)中YA：乙炔收率；WYA：乙炔的質(zhì)量產(chǎn)率（g/min）；CF：進(jìn)樣速率（g/min）。

實(shí)驗(yàn)完成后采用氫元素跟蹤法來計(jì)算轉(zhuǎn)化率。計(jì)算公式如下：

式（2）中C：轉(zhuǎn)化率；TH：氣體產(chǎn)物中氫元素總量總產(chǎn)率；TIH工作氣中氫元素質(zhì)量流量；CF原料進(jìn)料速率；THC煤焦油中氫元素含量

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在熱等離子體熱解煤焦油實(shí)驗(yàn)中需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)就是乙炔收率和煤焦油轉(zhuǎn)化率，影響這些關(guān)鍵因素主要有：輸入功率、等離子體中的氫濃度、煤焦油進(jìn)樣速率、淬冷介質(zhì)、淬冷介質(zhì)流量、反應(yīng)器設(shè)計(jì)等。因此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)前先采用六西格瑪設(shè)計(jì)方法對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行了梳理，以提高項(xiàng)目的成功率，降低風(fēng)險(xiǎn)。

過程失效模式及后果分析表明（PFMEA）整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)主要集中在煤焦油進(jìn)樣過程中。進(jìn)行過程失效模式及后果分析后，識(shí)別實(shí)驗(yàn)過程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并且對(duì)識(shí)別出來的風(fēng)險(xiǎn)采取措施，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。設(shè)計(jì)失效模式及后果分析（DFMEA）對(duì)可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果潛在關(guān)鍵因素進(jìn)行識(shí)別，主要在與煤焦油進(jìn)樣過程是否穩(wěn)定，同時(shí)考慮到在實(shí)驗(yàn)中改變輸入功率和煤焦油進(jìn)樣速率均可改變單位質(zhì)量的煤焦油所分配得到的能量，因此在實(shí)驗(yàn)中將煤焦油進(jìn)樣保持穩(wěn)定以取得可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；過程工藝參數(shù)分析結(jié)果指出淬冷介質(zhì)種類和淬冷介質(zhì)流量只會(huì)影響到乙炔收率，而不會(huì)影響到煤焦油轉(zhuǎn)化率，而反應(yīng)器設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程影響較小。綜上所述實(shí)驗(yàn)中選擇輸入功率和等離子體中的氫濃度作為關(guān)鍵指標(biāo)，采用六西格瑪中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇最佳搭配。最后進(jìn)行了測(cè)量系統(tǒng)分析（MSA），結(jié)果表明氣體產(chǎn)物檢測(cè)分析系統(tǒng)的重復(fù)性與再現(xiàn)性（量具R&R）為21.144%，精度與容差比率為0.0639，可區(qū)分組數(shù)為6，得出檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、重復(fù)性和再現(xiàn)性較好，可為實(shí)驗(yàn)工作提供準(zhǔn)確可靠的分析數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的種類包括因子設(shè)計(jì)、響應(yīng)面設(shè)計(jì)、混料設(shè)計(jì)等，數(shù)據(jù)的分析方法又有極差分析、方差分析、多元回歸分析等方法。通過前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明煤焦油轉(zhuǎn)化率和乙炔收率與輸入功率和等離子體中的氫濃度均存在非線性關(guān)系，因此使用有二個(gè)中心點(diǎn)的響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 有二個(gè)中心點(diǎn)的響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

使用有兩個(gè)中心點(diǎn)的響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了熱等離子體熱解煤焦油制乙炔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。初步分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明乙炔收率和煤焦油轉(zhuǎn)化率均隨著輸入功率和熱等離子體中的氫濃度增加而升高。這是因?yàn)樵诜磻?yīng)中溫度是影響該反應(yīng)過程的主要驅(qū)動(dòng)力。增加輸入功率提高了煤焦油的反應(yīng)溫度，使煤焦油的熱分解反應(yīng)更為充分，并且輸入功率的增加提高了氣相反應(yīng)溫度，從而提高了煤焦油轉(zhuǎn)化率和乙炔收率。而氫等離子體有較高的焓值和導(dǎo)熱系數(shù)[9-10]，提供了更高的熱解能量；增加等離子體中的氫濃度提供了高密度的活性離子，包括H原子、H離子等，這些高活性離子可以打破煤焦油中的環(huán)以及側(cè)鏈，使更多的煤焦油得到轉(zhuǎn)化。反應(yīng)過程中的氣相反應(yīng)溫度決定了乙炔的平衡濃度[11]，增加輸入功率和氫濃度顯著提高了氣相反應(yīng)溫度，為乙炔生成提供了更有利的環(huán)境。此外，乙炔在高溫條件下易發(fā)生分解反應(yīng)，生成氫氣和炭黑，而氫氣的加入改變了氣相反應(yīng)中的碳?xì)浔葟亩种埔胰驳姆纸夥磻?yīng)，從而提高了乙炔的平衡濃度。

表3 熱等離子體熱解煤焦油實(shí)驗(yàn)結(jié)果

8910110 a 0000--9.113.5212.981.987392.59026

使用JMP軟件對(duì)乙炔收率進(jìn)行了分析，乙炔收率的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值如圖1所示，乙炔收率殘差的正態(tài)分位圖如圖2所示。分析結(jié)果表明乙炔收率的調(diào)整R平方值為0.991198，乙炔收率的誤差較小，制程能力指數(shù)（Cpk）分析表明乙炔收率的制程能力指數(shù)為5.692，遠(yuǎn)大于1.33，表明實(shí)驗(yàn)過程中乙炔收率波動(dòng)很小，得到的預(yù)測(cè)模型較好。

圖1 乙炔收率的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值對(duì)比

圖2 乙炔收率殘差的正態(tài)分位圖

同樣使用JMP軟件對(duì)煤焦油轉(zhuǎn)化進(jìn)行了分析，煤焦油轉(zhuǎn)化的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值如圖3所示，殘差的正態(tài)分位圖如圖4所示。分析結(jié)果表明煤焦油轉(zhuǎn)化的R平方值為0.979309，誤差較小，制程能力指數(shù)（Cpk）分析表明煤焦油轉(zhuǎn)化率的制程能力指數(shù)為64.256，同樣表明實(shí)驗(yàn)過程中煤焦油轉(zhuǎn)化率波動(dòng)較小，表明得到的預(yù)測(cè)模型較好。

誤差傳遞分析結(jié)果如表4所示，結(jié)果表明輸入功率的波動(dòng)對(duì)乙炔收率和煤焦油轉(zhuǎn)化率的影響較大，而等離子體中的氫濃度波動(dòng)對(duì)乙炔收率和煤焦油轉(zhuǎn)化率影響較小。此外因子的標(biāo)準(zhǔn)差越大，輸入功率的影響也就越大。這充分說明了溫度是熱等離子體熱解煤焦油反應(yīng)過程的主要驅(qū)動(dòng)力，而溫度主要來源于輸入功率的大小，所以輸入功率的波動(dòng)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成嚴(yán)重的影響。因此在熱等離子體熱解煤焦油過程中控制輸入功率的精度具有重要意義。

圖3 煤焦油轉(zhuǎn)化率的實(shí)際值和預(yù)測(cè)值對(duì)比

圖4 煤焦油轉(zhuǎn)化率殘差的正態(tài)分位圖

表4 誤差傳遞分析

采用JMP軟件中的預(yù)測(cè)刻畫器進(jìn)行了預(yù)測(cè)刻畫分析，意愿設(shè)置為乙炔收率20%（下限為10%），煤焦油轉(zhuǎn)化率100%（下限為80%），同樣在煤焦油進(jìn)樣速率為10g/min的條件下得到了最佳操作參數(shù)，即輸入功率5.5kW，等離子體工作氣體中氫氣濃度30%，并進(jìn)行了6次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明重復(fù)實(shí)驗(yàn)中煤焦油轉(zhuǎn)化率達(dá)到了大值，制程能力指數(shù)（CPK）為19.721。乙炔收率則波動(dòng)較大，最大值為19.4%，其制程能力指數(shù)（CPK）為19.721為2.841，大于1.33，實(shí)驗(yàn)結(jié)果處于可以接受的范圍內(nèi)。

表5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語

4.1 運(yùn)用六西格瑪設(shè)計(jì)的方法對(duì)熱等離子體熱解煤焦油制乙炔進(jìn)行了研究，確定了影響實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性的因素和風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)作出了應(yīng)對(duì)措施。

4.2 使用過程失效模式及后果分析、可靠性設(shè)計(jì)分析和過程工藝參數(shù)分析確定了影響乙炔收率和煤焦油轉(zhuǎn)化率的兩個(gè)關(guān)鍵因素：輸入功率和熱等離子體中的氫濃度。

4.3 通過測(cè)量系統(tǒng)和誤差分析確保了實(shí)驗(yàn)中得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.4 通過對(duì)初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，采用有兩個(gè)中心點(diǎn)的響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了熱解實(shí)驗(yàn)，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

4.5 六西格瑪設(shè)計(jì)方法不僅減少了實(shí)驗(yàn)次數(shù)，縮短了實(shí)驗(yàn)周期，還提高項(xiàng)目的成功率。JMP軟件分析驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性好，制程能力指數(shù)較大，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠，完全達(dá)到六西格瑪項(xiàng)目要求。

4.6 通過得到的預(yù)測(cè)模型推測(cè)得到乙炔收率最高為26.5，煤焦油轉(zhuǎn)化率最高為100%，并確定了相應(yīng)的最佳參數(shù)。

4.7 乙炔收率和煤焦油轉(zhuǎn)化率均隨著輸入功率和熱等離子體中氫濃度的增加而升高，輸入功率對(duì)乙炔收率和煤焦油轉(zhuǎn)化率影響的波動(dòng)較大。控制輸入功率可有效的提高整體實(shí)驗(yàn)精度。

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