基于响应曲面法新型喷淋散射塔脱硫性能预测及实验研究

2018-10-13陈士磊严雪南

电力科学与工程 2018年9期

陈士磊，严雪南，司桐，张月

(华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定 071003)

0 引言

近年来，石灰石—石膏湿法烟气脱硫技术在我国燃煤电站被广泛应用，SO2排放得到了一定的控制[1, 2]。但随着环保态势不断严峻，燃煤电厂的污染物排放指标进一步提高，在SO2脱除方面传统脱硫设备已逐渐不能满足经济性和环保性的要求，更高效、经济的新型脱硫技术和设备逐渐被开发和研究[3, 4]。其中以石灰石浆液为脱硫剂的新型喷淋散射塔脱硫技术是众多新型脱硫技术中一种非常具有潜力的深度脱硫技术，有着较高的研究价值和较好的应用前景[5]。

脱硫效率是衡量脱硫塔性能最重要的参数，目前已有许多学者对其进行了大量实验研究。刘国荣等[6]对氨法烟气脱硫喷淋塔的脱硫效率进行了实验研究，发现脱硫效率随液气比和浆液pH值的增大而提高，而烟气温度和流速的增加会降低脱硫效率。潘栋[7]研究了某大型喷射鼓泡塔脱硫特性，结果表明石灰石浆液pH值对鼓泡塔脱硫效率的影响较喷管浸液深度更为显著。赵健植等[8]研究了以石灰石为脱硫剂的喷淋塔脱硫特性，发现强制氧化以及入口较小的SO2浓度也可以带来较高的脱硫效率。

但这些研究普遍采用单因素实验设计，即在保持其他变量不变的情况下，考察某一变量对脱硫效率的影响，因此不易得出多个参数对脱硫效率的综合作用结果，同时也难以估计各个参数对脱硫效率的影响大小。本文将多因素实验设计运用到喷淋散射塔的脱硫效率的研究中，以更好地描述脱硫效率与液气比、喷射管浸液深度、浆液CaCO3质量浓度以及SO2浓度等重要参数之间的关系。响应曲面设计是最重要的多因素实验设计方法之一，近年来在实验设计中的应用越来越引起国内外专家学者的重视，许多学者利用此方法在化学工业、生物学、工程学等多个领域进行了诸多研究[9～11]，但目前该方法应用在脱硫性能方面的研究还较少。

本文将建立新型烟气脱硫喷淋散射塔实验台，基于响应曲面法探究新型喷淋散射塔各重要参数与脱硫效率的关系，得到脱硫塔性能的预测模型。通过模型分析，既可以考察单个因素对喷淋散射塔脱硫效率影响，又可以考察两两因素交互作用对脱硫效率的影响，同时还可以根据各参数对脱硫效率的影响程度优化调整喷淋散射塔的运行参数。

1 响应曲面设计

响应曲面法是借助多元回归方法来拟合因素与响应值之间的函数关系，并通过分析所得模型来考察各因素对目标响应的影响程度以寻求最佳工艺参数，解决多变量问题的一种统计方法[12]，其原理如图1所示，其中前两个步骤被称为响应曲面设计。

图1 响应曲面法原理

1.1 实验工况设计

图2为新型喷淋散射塔的结构图。塔体内设置有上隔板和下隔板，将脱硫塔分割为上中下3个腔室。上腔室设置有除雾器，中腔室设置有喷淋装置，下腔室设置有散射器，下腔室底部可以容纳吸收浆液。待净化的烟气可以通过中腔室一侧的入口进入塔内，先后经历喷淋、水浴、泡沫层3次气液掺混过程，得到的净烟气通过上下隔板中间设置的上升通道经塔顶排出。

根据文献研究成果及大量的预实验结果，认为石灰石—石膏法烟气脱硫喷淋散射塔的脱硫效率主要受到液气比、喷射管浸液深度、SO2浓度以及CaCO3质量浓度这4个因素的影响。因此本论文重点研究液气比、喷射管浸液深度、SO2浓度以及CaCO3质量浓度对喷淋散射塔对脱硫效率的影响。

把这4个因素依次记为X1、X2、X3和X4，每个因素分3个水平研究，由小到大依次记为极小值点、中心点和极大值点，具体参数值如表1所示。每个因素全部析因设计方案即测量在3个不同水平下所有因素的脱硫效率值，共有81个实验工况，可以使曲面方程的拟合更加精确，但同时也带来了巨大的工作量，选择具有代表性的实验工况是一种较好的解决方案。

表1 实验参数工况

本文采用响应曲面法实验设计中的中心复合设计，该方案仅有25个实验工况，并且能够满足拟合需要。所选择的25个点位于一个面中心的设计域中，由3部分组成16个各因素的极值水平点的正交组合；8个所有因素的极值水平点与其他因素的中心水平点的组合；1个中心水平点的组合。

1.2 选择响应曲面方程的形式

研究脱硫塔各参数与脱硫效率的关系通常选择二次曲面方程即可满足需要[13]，本文研究喷淋散射塔脱硫效率同样选用二次曲面方程，包括所有的一次项、二次项及交互项。因此，新型喷淋散射塔的响应曲面方程可表示为：

(1)

式中：Y表示喷淋散射塔的脱硫效率；β表示回归系数；Xi表示脱硫塔各参数值；ε为误差。

曲面方程的回归系数通过最小二乘法拟合得到，为了使各参数指标具有综合性和可比性，将所有变量进行无量纲化处理[14]：

(2)

式中：XiL和XiH分别表示某参数的极小值点和极大值点。

2 实验系统及方法

2.1 实验系统

图3是喷淋散射吸收塔实验台的系统图，该实验台主要由模拟烟气与加热系统、吸收塔、浆液制备与循环系统和测量系统4部分组成。模拟烟气由SO2和空气按比例混合而成，SO2浓度由烟气分析仪标定并通过转子流量计调节，模拟烟气的温度通过吸收塔入口前装设的热电阻和温控仪控制，模拟烟气量通过风机功率控制。吸收塔内径为40 cm、高180 cm，材料为有机玻璃，主要由喷淋系统和散射系统组成，模拟烟气首先通过吸收塔入口进入喷淋系统，与喷淋系统的浆液滴顺流接触发生气液传热传质实现SO2的初步脱除，然后通过喷射管进入散射系统完成SO2的深度脱除，净烟气由吸收塔中间的上升管排出吸收塔。浆液由粒径为325目的CaCO3细粉与水按比例混合而成，浆液pH通过盐酸调节，浆液循环量由调节阀的开度控制。脱硫塔出入口的烟气成分由德国MRU型烟气分析仪测量，浆液循环量通过转子流量计测量，浆液pH通过pH计测量。

1-空气泵；2-SO2钢瓶；3-减压阀；4-转子流量计；5-混气室；6-进气管路；7-进口压力表；8-温度表；9-温控仪；10-除雾器；11-中仓环形烟气室；12-散射管；13-电动搅拌器；14-氧化风机；15-浆液补给仓；16-pH计；17-浆液循环泵；18-数显流量计；19，21-干燥管；20，22-烟气分析仪；23-排气扇；24-排浆泵；图3 喷淋散射吸收塔实验系统

2.2 实验方法

实验开始前，通过浆液补给仓向浆液池中加入指定质量浓度和深度的石灰石浆液，用盐酸将浆液pH值调节至5.5，打开搅拌器使浆液混合均匀。将空气泵、加热装置、浆液循环泵及氧化风机调至实验所需工况，连续运行20 min以上使系统达到稳定。实验开始后，打开SO2钢瓶阀门，并用烟气分析仪将入口SO2标定至指定实验浓度，实验过程中保持入口SO2浓度不变。用烟气分析仪测量喷淋散射塔出口SO2浓度值并实时记录实验数据。

喷淋散射塔的脱硫效率η由式(3)计算：

(3)

式中：Cin、Cout分别为脱硫塔入口和脱硫塔出口处的SO2浓度，单位：ppm。

3 实验结果与分析

3.1 实验结果

表2给出了上文中响应曲面设计的25个实验工况的设计点(已无量纲化处理)与实验结果。

表2 响应曲面设计的设计点及其实验结果

利用表2中的实验数据结合所选用的曲面方程，经过多元回归可以得到喷淋散射塔脱硫效率的预测模型：

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)

应用统计软件Minitab R18将原始实验数据代入该模型进行方差分析[15]，结果如表3所示。F值是各组样本组间均方与组内均方之比；P值表示样本间由抽样误差所致的概率；R2是回归平方和占总离差平方和的比率；而校正R2是考虑了模型总项数增加带来的影响后的R2值。F值远大于1，说明各组均值间的差异有统计学意义。较小的P值以及R2值接近于1都说明预测模型和实验数据吻合较好，因此该预测模型可以用于研究喷淋散射塔的脱硫效率。

表3 预测模型的方差分析

注：R2=0.989 8，校正R2=0.975 6。

3.2 操作参数的影响检验与结果分析

根据各因素项显著性检验值的大小可以分析预测方程中各参数对目标函数产生影响的大小和形式，表4给出了操作参数的影响检验结果值。其中T值是由分布理论推论得到的显著性差异发生的概率，P值如上所述，表示样本间由抽样误差所致的概率；在涉及到多个因素显著性比较时多用P值判断因素影响的显著性。对某一因素来说，较小的P值说明对应因素的影响是显著的。如果因素的P值大于0.05，则说明该因素的影响程度低于95%置信区间。还有一些因素项(标准偏差远大于回归系数)的P值接近于1，通常认为这些因素对目标函数的影响不明显。

上述预测模型中共有8项P值小于0.05，对目标函数影响比较显著，包括常数项，3个线性项X1、X2、X4，1个平方项X32和2个交叉项X1X2、X2X4，本文主要分析线性项和交叉项对目标函数脱硫效率的影响。

对线性项来说，根据各线性项P值大小可知液气比、喷射管浸液深度、CaCO3质量浓度以及SO2浓度对脱硫效率都有着较为显著的影响，相比之下喷射管浸液深度对喷淋散射塔的脱硫效率影响最大，其次液气比同样也对脱硫效率有比较重要的影响，而SO2浓度和CaCO3质量浓度对脱硫效率影响相对较小。

图4所示为各线性项对喷淋散射塔脱硫效率的影响曲线图。在喷射管浸液深度为3～7 cm之间，随着浸液深度的增加脱硫效率迅速增大，这是由于随着喷射管浸液深度的增加，吸收时间增加，并且在浆液池中发生的SO2吸收过程近似为连续相传质，与喷淋相比有着更大的传质效率，因此喷射管浸液深度会对脱硫效率有较大影响。随液气比增加脱硫效率也以较大速度增大，这是因为增大液气比大大提高了SO2气体与石灰石浆液的接触面积，有利于SO2的脱除[16]。随着SO2浓度增大，脱硫效率以非常缓慢的速度减小，增大CaCO3质量浓度，脱硫效率的增大幅度也较小，这是因为在新型喷淋散射塔中烟气先后经历喷淋、水浴、泡沫层3次气液掺混过程，具有比同等条件下喷淋塔或鼓泡塔更充分的气液接触和传质效率[17]，在高SO2浓度和较低的CaCO3质量浓度条件下依然对SO2有着较高的脱除效率，因此在本文实验范围内改变SO2浓度和CaCO3质量浓度对脱硫效率影响不大。

表4 各因素项的影响检验

图4 各线性项对脱硫效率的影响曲线图

通过对表4中参数交互项的影响检验分析可得，液气比与喷射管浸液深度的交互作用对喷淋散射塔脱硫效率的影响较为明显，较高的液气比和高的浸液深度会带来较高的脱硫效率，并且在不同的液气比条件下喷射管浸液深度对脱硫效率影响不同。另外，喷射管浸液深度与CaCO3质量浓度的交互作用对喷淋散射塔脱硫效率也有着比较明显的影响，同时提高喷射管浸液深度和CaCO3质量浓度可以较为有效提高脱硫效率；但在不同的CaCO3质量浓度条件下增加喷射管浸液深度对脱硫效率的提高幅度不同。

图5 X1和X2(液气比和喷射管浸液深度)对脱硫效率的响应曲面和响应曲线

图5所示为液气比和喷射管浸液深度对脱硫效率的影响曲面和影响曲线。从图5可以看出，相对于高浸液深度条件下，在低浸液深度条件下增大液气比对脱硫效率的影响更为明显。这可能是因为低浸液深度条件下鼓泡部分由于吸收时间较短对S02脱除能力较小[18]，此时喷淋散射塔的脱硫效率会更依赖于喷淋部分，增大液气比会较为有效地提高脱硫效率。

图6所示为喷射管浸液深度和CaCO3质量浓度对脱硫效率的影响曲面和曲线。从图6可以看出，在低CaCO3质量浓度条件下相对于高CaCO3质量浓度条件下，增大喷射管浸液深度对脱硫效率的影响更为显著。这可能是因为一方面CaCO3质量浓度增大会提高喷淋部分的脱硫效率和脱硫容量[19]，从而使得鼓泡脱硫过程中的SO2脱除负荷下降，喷淋散射塔的脱硫效率对喷射管浸液深度依赖性减小；另一方面相比于喷淋部分鼓泡脱硫过程更依赖于CaCO3质量浓度，高CaCO3质量浓度条件下SO2在浆液池中具有较高的传质效率，浆液对SO2吸收能力较强，此时改变喷射管浸液深度对脱硫效率的影响比较小，因此增大喷射管浸液深度对脱硫效率的提高没有低CaCO3质量浓度条件下明显。