陳士磊， 嚴(yán)雪南， 司 桐， 張 月

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

近年來，石灰石—石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)在我國燃煤電站被廣泛應(yīng)用，SO2排放得到了一定的控制[1, 2]。但隨著環(huán)保態(tài)勢(shì)不斷嚴(yán)峻，燃煤電廠的污染物排放指標(biāo)進(jìn)一步提高，在SO2脫除方面?zhèn)鹘y(tǒng)脫硫設(shè)備已逐漸不能滿足經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的要求，更高效、經(jīng)濟(jì)的新型脫硫技術(shù)和設(shè)備逐漸被開發(fā)和研究[3, 4]。其中以石灰石漿液為脫硫劑的新型噴淋散射塔脫硫技術(shù)是眾多新型脫硫技術(shù)中一種非常具有潛力的深度脫硫技術(shù)，有著較高的研究?jī)r(jià)值和較好的應(yīng)用前景[5]。

脫硫效率是衡量脫硫塔性能最重要的參數(shù)，目前已有許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。劉國榮等[6]對(duì)氨法煙氣脫硫噴淋塔的脫硫效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)脫硫效率隨液氣比和漿液pH值的增大而提高，而煙氣溫度和流速的增加會(huì)降低脫硫效率。潘棟[7]研究了某大型噴射鼓泡塔脫硫特性，結(jié)果表明石灰石漿液pH值對(duì)鼓泡塔脫硫效率的影響較噴管浸液深度更為顯著。趙健植等[8]研究了以石灰石為脫硫劑的噴淋塔脫硫特性，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)制氧化以及入口較小的SO2濃度也可以帶來較高的脫硫效率。

但這些研究普遍采用單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，即在保持其他變量不變的情況下，考察某一變量對(duì)脫硫效率的影響，因此不易得出多個(gè)參數(shù)對(duì)脫硫效率的綜合作用結(jié)果，同時(shí)也難以估計(jì)各個(gè)參數(shù)對(duì)脫硫效率的影響大小。本文將多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)運(yùn)用到噴淋散射塔的脫硫效率的研究中，以更好地描述脫硫效率與液氣比、噴射管浸液深度、漿液CaCO3質(zhì)量濃度以及SO2濃度等重要參數(shù)之間的關(guān)系。響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)是最重要的多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法之一，近年來在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越引起國內(nèi)外專家學(xué)者的重視，許多學(xué)者利用此方法在化學(xué)工業(yè)、生物學(xué)、工程學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了諸多研究[9～11]，但目前該方法應(yīng)用在脫硫性能方面的研究還較少。

本文將建立新型煙氣脫硫噴淋散射塔實(shí)驗(yàn)臺(tái)，基于響應(yīng)曲面法探究新型噴淋散射塔各重要參數(shù)與脫硫效率的關(guān)系，得到脫硫塔性能的預(yù)測(cè)模型。通過模型分析，既可以考察單個(gè)因素對(duì)噴淋散射塔脫硫效率影響，又可以考察兩兩因素交互作用對(duì)脫硫效率的影響，同時(shí)還可以根據(jù)各參數(shù)對(duì)脫硫效率的影響程度優(yōu)化調(diào)整噴淋散射塔的運(yùn)行參數(shù)。

1 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)

響應(yīng)曲面法是借助多元回歸方法來擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，并通過分析所得模型來考察各因素對(duì)目標(biāo)響應(yīng)的影響程度以尋求最佳工藝參數(shù)，解決多變量問題的一種統(tǒng)計(jì)方法[12]，其原理如圖1所示，其中前兩個(gè)步驟被稱為響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)。

圖1 響應(yīng)曲面法原理

1.1 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

圖2為新型噴淋散射塔的結(jié)構(gòu)圖。塔體內(nèi)設(shè)置有上隔板和下隔板，將脫硫塔分割為上中下3個(gè)腔室。上腔室設(shè)置有除霧器，中腔室設(shè)置有噴淋裝置，下腔室設(shè)置有散射器，下腔室底部可以容納吸收漿液。待凈化的煙氣可以通過中腔室一側(cè)的入口進(jìn)入塔內(nèi)，先后經(jīng)歷噴淋、水浴、泡沫層3次氣液摻混過程，得到的凈煙氣通過上下隔板中間設(shè)置的上升通道經(jīng)塔頂排出。

根據(jù)文獻(xiàn)研究成果及大量的預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為石灰石—石膏法煙氣脫硫噴淋散射塔的脫硫效率主要受到液氣比、噴射管浸液深度、SO2濃度以及CaCO3質(zhì)量濃度這4個(gè)因素的影響。因此本論文重點(diǎn)研究液氣比、噴射管浸液深度、SO2濃度以及CaCO3質(zhì)量濃度對(duì)噴淋散射塔對(duì)脫硫效率的影響。

把這4個(gè)因素依次記為X1、X2、X3和X4，每個(gè)因素分3個(gè)水平研究，由小到大依次記為極小值點(diǎn)、中心點(diǎn)和極大值點(diǎn)，具體參數(shù)值如表1所示。每個(gè)因素全部析因設(shè)計(jì)方案即測(cè)量在3個(gè)不同水平下所有因素的脫硫效率值，共有81個(gè)實(shí)驗(yàn)工況，可以使曲面方程的擬合更加精確，但同時(shí)也帶來了巨大的工作量，選擇具有代表性的實(shí)驗(yàn)工況是一種較好的解決方案。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)工況

本文采用響應(yīng)曲面法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的中心復(fù)合設(shè)計(jì)，該方案僅有25個(gè)實(shí)驗(yàn)工況，并且能夠滿足擬合需要。所選擇的25個(gè)點(diǎn)位于一個(gè)面中心的設(shè)計(jì)域中，由3部分組成16個(gè)各因素的極值水平點(diǎn)的正交組合；8個(gè)所有因素的極值水平點(diǎn)與其他因素的中心水平點(diǎn)的組合；1個(gè)中心水平點(diǎn)的組合。

1.2 選擇響應(yīng)曲面方程的形式

研究脫硫塔各參數(shù)與脫硫效率的關(guān)系通常選擇二次曲面方程即可滿足需要[13]，本文研究噴淋散射塔脫硫效率同樣選用二次曲面方程，包括所有的一次項(xiàng)、二次項(xiàng)及交互項(xiàng)。因此，新型噴淋散射塔的響應(yīng)曲面方程可表示為：

(1)

式中：Y表示噴淋散射塔的脫硫效率；β表示回歸系數(shù)；Xi表示脫硫塔各參數(shù)值；ε為誤差。

曲面方程的回歸系數(shù)通過最小二乘法擬合得到，為了使各參數(shù)指標(biāo)具有綜合性和可比性，將所有變量進(jìn)行無量綱化處理[14]：

(2)

式中：XiL和XiH分別表示某參數(shù)的極小值點(diǎn)和極大值點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖3是噴淋散射吸收塔實(shí)驗(yàn)臺(tái)的系統(tǒng)圖，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由模擬煙氣與加熱系統(tǒng)、吸收塔、漿液制備與循環(huán)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)4部分組成。模擬煙氣由SO2和空氣按比例混合而成，SO2濃度由煙氣分析儀標(biāo)定并通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)，模擬煙氣的溫度通過吸收塔入口前裝設(shè)的熱電阻和溫控儀控制，模擬煙氣量通過風(fēng)機(jī)功率控制。吸收塔內(nèi)徑為40 cm、高180 cm，材料為有機(jī)玻璃，主要由噴淋系統(tǒng)和散射系統(tǒng)組成，模擬煙氣首先通過吸收塔入口進(jìn)入噴淋系統(tǒng)，與噴淋系統(tǒng)的漿液滴順流接觸發(fā)生氣液傳熱傳質(zhì)實(shí)現(xiàn)SO2的初步脫除，然后通過噴射管進(jìn)入散射系統(tǒng)完成SO2的深度脫除，凈煙氣由吸收塔中間的上升管排出吸收塔。漿液由粒徑為325目的CaCO3細(xì)粉與水按比例混合而成，漿液pH通過鹽酸調(diào)節(jié)，漿液循環(huán)量由調(diào)節(jié)閥的開度控制。脫硫塔出入口的煙氣成分由德國MRU型煙氣分析儀測(cè)量，漿液循環(huán)量通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量，漿液pH通過pH計(jì)測(cè)量。

1-空氣泵；2-SO2鋼瓶；3-減壓閥；4-轉(zhuǎn)子流量計(jì)；5-混氣室；6-進(jìn)氣管路；7-進(jìn)口壓力表；8-溫度表；9-溫控儀；10-除霧器；11-中倉環(huán)形煙氣室；12-散射管；13-電動(dòng)攪拌器；14-氧化風(fēng)機(jī)；15-漿液補(bǔ)給倉；16-pH計(jì)；17-漿液循環(huán)泵；18-數(shù)顯流量計(jì)；19，21-干燥管；20，22-煙氣分析儀；23-排氣扇；24-排漿泵；圖3 噴淋散射吸收塔實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)開始前，通過漿液補(bǔ)給倉向漿液池中加入指定質(zhì)量濃度和深度的石灰石漿液，用鹽酸將漿液pH值調(diào)節(jié)至5.5，打開攪拌器使?jié){液混合均勻。將空氣泵、加熱裝置、漿液循環(huán)泵及氧化風(fēng)機(jī)調(diào)至實(shí)驗(yàn)所需工況，連續(xù)運(yùn)行20 min以上使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)開始后，打開SO2鋼瓶閥門，并用煙氣分析儀將入口SO2標(biāo)定至指定實(shí)驗(yàn)濃度，實(shí)驗(yàn)過程中保持入口SO2濃度不變。用煙氣分析儀測(cè)量噴淋散射塔出口SO2濃度值并實(shí)時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

噴淋散射塔的脫硫效率η由式(3)計(jì)算：

(3)

式中：Cin、Cout分別為脫硫塔入口和脫硫塔出口處的SO2濃度，單位：ppm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2給出了上文中響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)的25個(gè)實(shí)驗(yàn)工況的設(shè)計(jì)點(diǎn)(已無量綱化處理)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表2 響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)點(diǎn)及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合所選用的曲面方程，經(jīng)過多元回歸可以得到噴淋散射塔脫硫效率的預(yù)測(cè)模型：

Y=0.963 64+0.016 21X1+0.027 46X2-

0.017 39X3+0.006 96X4+0.001 28X12-

0.004 06X22+0.011 61X32-0.001 39X42-

0.010 25X1*X2+0.001 25X1*X3+

0.001 50X1*X4+0.001 25X2*X3-

0.005 00X2*X4+0.000 50X3*X4

(4)

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)軟件Minitab R18將原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入該模型進(jìn)行方差分析[15]，結(jié)果如表3所示。F值是各組樣本組間均方與組內(nèi)均方之比；P值表示樣本間由抽樣誤差所致的概率；R2是回歸平方和占總離差平方和的比率；而校正R2是考慮了模型總項(xiàng)數(shù)增加帶來的影響后的R2值。F值遠(yuǎn)大于1，說明各組均值間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。較小的P值以及R2值接近于1都說明預(yù)測(cè)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，因此該預(yù)測(cè)模型可以用于研究噴淋散射塔的脫硫效率。

表3 預(yù)測(cè)模型的方差分析

注：R2=0.989 8，校正R2=0.975 6。

3.2 操作參數(shù)的影響檢驗(yàn)與結(jié)果分析

根據(jù)各因素項(xiàng)顯著性檢驗(yàn)值的大小可以分析預(yù)測(cè)方程中各參數(shù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)產(chǎn)生影響的大小和形式，表4給出了操作參數(shù)的影響檢驗(yàn)結(jié)果值。其中T值是由分布理論推論得到的顯著性差異發(fā)生的概率，P值如上所述，表示樣本間由抽樣誤差所致的概率；在涉及到多個(gè)因素顯著性比較時(shí)多用P值判斷因素影響的顯著性。對(duì)某一因素來說，較小的P值說明對(duì)應(yīng)因素的影響是顯著的。如果因素的P值大于0.05，則說明該因素的影響程度低于95%置信區(qū)間。還有一些因素項(xiàng)(標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)大于回歸系數(shù))的P值接近于1，通常認(rèn)為這些因素對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響不明顯。

上述預(yù)測(cè)模型中共有8項(xiàng)P值小于0.05，對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響比較顯著，包括常數(shù)項(xiàng)，3個(gè)線性項(xiàng)X1、X2、X4，1個(gè)平方項(xiàng)X32和2個(gè)交叉項(xiàng)X1X2、X2X4，本文主要分析線性項(xiàng)和交叉項(xiàng)對(duì)目標(biāo)函數(shù)脫硫效率的影響。

對(duì)線性項(xiàng)來說，根據(jù)各線性項(xiàng)P值大小可知液氣比、噴射管浸液深度、CaCO3質(zhì)量濃度以及SO2濃度對(duì)脫硫效率都有著較為顯著的影響，相比之下噴射管浸液深度對(duì)噴淋散射塔的脫硫效率影響最大，其次液氣比同樣也對(duì)脫硫效率有比較重要的影響，而SO2濃度和CaCO3質(zhì)量濃度對(duì)脫硫效率影響相對(duì)較小。

圖4所示為各線性項(xiàng)對(duì)噴淋散射塔脫硫效率的影響曲線圖。在噴射管浸液深度為3～7 cm之間，隨著浸液深度的增加脫硫效率迅速增大，這是由于隨著噴射管浸液深度的增加，吸收時(shí)間增加，并且在漿液池中發(fā)生的SO2吸收過程近似為連續(xù)相傳質(zhì)，與噴淋相比有著更大的傳質(zhì)效率，因此噴射管浸液深度會(huì)對(duì)脫硫效率有較大影響。隨液氣比增加脫硫效率也以較大速度增大，這是因?yàn)樵龃笠簹獗却蟠筇岣吡薙O2氣體與石灰石漿液的接觸面積，有利于SO2的脫除[16]。隨著SO2濃度增大，脫硫效率以非常緩慢的速度減小，增大CaCO3質(zhì)量濃度，脫硫效率的增大幅度也較小，這是因?yàn)樵谛滦蛧娏苌⑸渌袩煔庀群蠼?jīng)歷噴淋、水浴、泡沫層3次氣液摻混過程，具有比同等條件下噴淋塔或鼓泡塔更充分的氣液接觸和傳質(zhì)效率[17]，在高SO2濃度和較低的CaCO3質(zhì)量濃度條件下依然對(duì)SO2有著較高的脫除效率，因此在本文實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)改變SO2濃度和CaCO3質(zhì)量濃度對(duì)脫硫效率影響不大。

表4 各因素項(xiàng)的影響檢驗(yàn)

圖4 各線性項(xiàng)對(duì)脫硫效率的影響曲線圖

通過對(duì)表4中參數(shù)交互項(xiàng)的影響檢驗(yàn)分析可得，液氣比與噴射管浸液深度的交互作用對(duì)噴淋散射塔脫硫效率的影響較為明顯，較高的液氣比和高的浸液深度會(huì)帶來較高的脫硫效率，并且在不同的液氣比條件下噴射管浸液深度對(duì)脫硫效率影響不同。另外，噴射管浸液深度與CaCO3質(zhì)量濃度的交互作用對(duì)噴淋散射塔脫硫效率也有著比較明顯的影響，同時(shí)提高噴射管浸液深度和CaCO3質(zhì)量濃度可以較為有效提高脫硫效率；但在不同的CaCO3質(zhì)量濃度條件下增加噴射管浸液深度對(duì)脫硫效率的提高幅度不同。

圖5 X1和X2(液氣比和噴射管浸液深度)對(duì)脫硫效率的響應(yīng)曲面和響應(yīng)曲線

圖5所示為液氣比和噴射管浸液深度對(duì)脫硫效率的影響曲面和影響曲線。從圖5可以看出，相對(duì)于高浸液深度條件下，在低浸液深度條件下增大液氣比對(duì)脫硫效率的影響更為明顯。這可能是因?yàn)榈徒荷疃葪l件下鼓泡部分由于吸收時(shí)間較短對(duì)S02脫除能力較小[18]，此時(shí)噴淋散射塔的脫硫效率會(huì)更依賴于噴淋部分，增大液氣比會(huì)較為有效地提高脫硫效率。

圖6所示為噴射管浸液深度和CaCO3質(zhì)量濃度對(duì)脫硫效率的影響曲面和曲線。從圖6可以看出，在低CaCO3質(zhì)量濃度條件下相對(duì)于高CaCO3質(zhì)量濃度條件下，增大噴射管浸液深度對(duì)脫硫效率的影響更為顯著。這可能是因?yàn)橐环矫鍯aCO3質(zhì)量濃度增大會(huì)提高噴淋部分的脫硫效率和脫硫容量[19]，從而使得鼓泡脫硫過程中的SO2脫除負(fù)荷下降，噴淋散射塔的脫硫效率對(duì)噴射管浸液深度依賴性減小；另一方面相比于噴淋部分鼓泡脫硫過程更依賴于CaCO3質(zhì)量濃度，高CaCO3質(zhì)量濃度條件下SO2在漿液池中具有較高的傳質(zhì)效率，漿液對(duì)SO2吸收能力較強(qiáng)，此時(shí)改變噴射管浸液深度對(duì)脫硫效率的影響比較小，因此增大噴射管浸液深度對(duì)脫硫效率的提高沒有低CaCO3質(zhì)量濃度條件下明顯。

圖6 X2和X4(噴射管浸液深度和CaCO3質(zhì)量濃度)對(duì)脫硫效率的響應(yīng)曲面和響應(yīng)曲線

3.3 預(yù)測(cè)模型的改進(jìn)

從表4中參數(shù)的影響檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，上述預(yù)測(cè)模型中存在一些對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響較小的因素項(xiàng)，去掉這些項(xiàng)可以使預(yù)測(cè)模型更具典型性和易用性[20]。僅保留式(4)中對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響較大的8項(xiàng)即可得到改進(jìn)預(yù)測(cè)模型：

Y=0.962 632+0.0188 66X1+0.024 03X2-

0.013 37X3+0.006 574X4+0.009 10X32-

0.010 25X1*X2-0.005 00X2*X4

(5)

為了評(píng)估改進(jìn)預(yù)測(cè)模型的性能，同樣使用統(tǒng)計(jì)軟件Minitab R18將原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入該改進(jìn)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了方差分析,結(jié)果如表5所示。較小的P值以及較好的R2值都說明新的改進(jìn)模型與原始數(shù)據(jù)有良好的吻合度，改進(jìn)預(yù)測(cè)模型可更方便地用于計(jì)算噴淋散射塔的脫硫效率。

表5 改進(jìn)模型的方差分析

注：R2=0.968 4，校正R2=0.959 6。

4 結(jié)論

(1)本文對(duì)石灰石—石膏法煙氣脫硫新型噴淋散射塔進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，應(yīng)用響應(yīng)曲面法建立了液氣比、噴射管浸液深度、CaCO3質(zhì)量濃度以及SO2濃度等重要參數(shù)對(duì)噴淋散射塔脫硫效率的影響預(yù)測(cè)模型，此模型具有較高的可靠性。

(2)通過模型分析得到噴射管浸液深度對(duì)噴淋散射塔的脫硫效率影響最大，其次是液氣比，SO2濃度和CaCO3質(zhì)量濃度對(duì)脫硫效率影響較?。煌瑫r(shí)液氣比與噴射管浸液深度以及噴射管浸液深度與CaCO3質(zhì)量濃度的交互作用均對(duì)噴淋散射塔的脫硫效率有重要的影響。

(3)去除模型中對(duì)脫硫效率影響較小的因素項(xiàng)得到了更具典型性和易用性的改進(jìn)預(yù)測(cè)模型，經(jīng)方差分析發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的模型與原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，可以用來計(jì)算和研究噴淋散射塔的脫硫效率。