船用海水法脫硫技術(shù)及DOE試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)介紹

陳秋燕，劉寶城，李曉波，沈 騰，楊 陽(yáng)，陳萍萍

(1.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海200082；2.黃河三角洲建設(shè)工程有限公司，山東 濱州256600)

1 引言

隨著MARPOL73/78防污公約的提出[1]，SOX的控制已上升到法律層面。附則規(guī)定對(duì)于非排放區(qū)域航行的船舶，從2012年1月1日起，燃用油含硫量由以前的4.5%降低到3.5%。2020年全球船用燃油含硫量再減少到0.5%。對(duì)于排放控制區(qū)SECA航行的船舶，從2010年7月開(kāi)始該區(qū)域的燃油含硫量1.5%降到1.0%，到2015年降到0.1%。附則同時(shí)指出SECA排放SOX超標(biāo)問(wèn)題的解決方法主要有兩種：一是使用燃油量低于標(biāo)準(zhǔn)的燃油；二是通過(guò)安裝脫硫系統(tǒng)，從煙氣中脫硫。由于低硫燃油價(jià)格昂貴且船舶再切換使用高燃油轉(zhuǎn)化為低燃油過(guò)程中存在許多附加問(wèn)題，致使低燃油的使用爭(zhēng)議十分巨大[2]。

目前主要的脫硫系統(tǒng)有濕法、半干法、干法、電子束法、海水法等，其中海水法以吸收劑來(lái)源廣、副產(chǎn)品對(duì)海洋環(huán)境影響小、工藝簡(jiǎn)單、占地面積小等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。但海水脫硫也存在對(duì)中高含硫煙氣脫硫效率不高，欲加強(qiáng)海水脫硫能力需增加液氣比致使體積增大的缺點(diǎn)。如何提高海水脫硫效率，減少設(shè)備占地面積是當(dāng)今海水脫硫系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。

影響海水脫硫的因素有很多，如吸收塔、煙氣流量、液氣比、吸收塔溫度等，現(xiàn)階段針對(duì)影響脫硫效率的研究多為單因子的試驗(yàn)研究，即控制其他變量不變改變一個(gè)因素來(lái)分析判斷脫硫效率的變化情況進(jìn)而確定影響效果，但此類試驗(yàn)需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不能發(fā)現(xiàn)最佳的可控因子組合，不能有效地說(shuō)明交互效應(yīng)，而由于脫硫系統(tǒng)影響效率的因素眾多，可能存在2個(gè)或2個(gè)以上因素共同作用影響的情況，采用單因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)會(huì)將該情況忽略，從而難以分析出當(dāng)海水脫硫法達(dá)到最佳效率時(shí)系統(tǒng)各因素的最優(yōu)設(shè)計(jì)值。

在分析明確影響海水脫硫系統(tǒng)的因素的基礎(chǔ)上，采用Minitab中DOE模塊試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理對(duì)海水脫硫系統(tǒng)主要影響參數(shù)的確定進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，明確具體設(shè)計(jì)分析流程，闡述優(yōu)化過(guò)程，為相關(guān)行業(yè)工程師及試驗(yàn)人員提供合理的海水脫硫法試驗(yàn)研究新思路[3]。

2 海水法脫硫

2.1 原理

海水煙氣脫硫主要利用海水的天然弱堿性來(lái)吸收煙氣中的SO2，最終生成可溶性的硫酸鹽，是海水中的天然組分之一，不會(huì)對(duì)海洋水質(zhì)產(chǎn)生影響。海水通常呈堿性，海水p H值的正常范圍7.6－8.3之間，自然堿度為1.2～2.5 mmol/L，海水所含碳酸鹽對(duì)酸性物質(zhì)有緩沖作用及吸收能力。同時(shí)，脫硫后的海水在海水恢復(fù)系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)添加堿液中和、通入空氣氧化處理，使排入海洋的廢水值等指標(biāo)不會(huì)破壞海洋環(huán)境。主要化學(xué)反應(yīng)方程式為，SO2溶解吸收過(guò)程：

2.2 影響因素

2.2.1 吸收塔的影響

吸收塔是煙氣脫硫系統(tǒng)的核心設(shè)備，SO2的吸收主要在吸收塔中進(jìn)行。吸收塔的結(jié)構(gòu)設(shè)置直接關(guān)系到的吸收效率，增加煙氣在吸收塔內(nèi)的停留時(shí)間以及煙氣與洗滌水的接觸面積，使煙氣與洗滌水充分接觸，可提高SO2的吸收效率。

吸收塔的主要設(shè)計(jì)思路就是釆取有效措施提高塔內(nèi)氣液的接觸面積、時(shí)間，強(qiáng)化氣液傳質(zhì)過(guò)程[4]。

2.2.2 煙氣流量的影響

若液氣比，海水值等不變的條件下，煙氣流量大小直接影響到濃度，即脫硫負(fù)荷大小。煙氣流量越大，脫硫負(fù)荷越大，脫硫效率降低。同時(shí)煙氣流量較大，增加煙氣在吸收塔中的流速，使吸收反應(yīng)時(shí)間縮短，影響脫硫效率。

2.2.3 海水流量的影響

改變海水流量，實(shí)際上是改變液氣比大小。海水流量越大，液氣比越大，則噴淋密度增加，氣相與液相接觸面積增加，脫硫負(fù)荷降低，效率提高。但液氣比進(jìn)一步增大對(duì)脫硫效率提高有限，一方面海水的能耗增加，另一方面影響柴油機(jī)背壓。海水煙氣脫硫?yàn)楸ＷC脫硫效率，一般液氣比在3以上。

2.2.4 吸收塔內(nèi)溫度的影響

SO2的吸收效率和溫度有關(guān)，溫度越低，溶解度越高，吸收效率提高。減小吸收塔內(nèi)溫度可以用換熱器降低進(jìn)口煙氣溫度，用冷卻器降低入口處海水溫度。從而有利于的吸收效率。

2.2.5 PH值的影響

反應(yīng)式中，離子SO2－3和HSO－3共存，當(dāng)p H值較低時(shí)，HSO－3占主導(dǎo)，反應(yīng)無(wú)法向形成進(jìn)行，脫硫效率低。對(duì)于海水脫硫，海水p H值隨船舶航行海域變化，p H值提高有利于提高脫硫效率。

2.3 DOE在脫硫系統(tǒng)中的試驗(yàn)設(shè)計(jì)介紹

由影響因素分析可知吸收塔結(jié)構(gòu)、煙氣濃度、海水量(液氣比)、塔內(nèi)溫度、海水p H值均為影響系統(tǒng)脫硫效率的因素[5]，陳洪偉在論文《海水法煙氣脫硫試驗(yàn)》中明確了各單項(xiàng)因素對(duì)脫硫效率的影響，劉學(xué)在論文《鈉堿法船舶尾氣處理技術(shù)及試驗(yàn)》[6]中對(duì)吸收塔不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及各因素對(duì)系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析，明確了單一變量對(duì)脫硫效率的影響程度，但此類試驗(yàn)均只進(jìn)行了單一變量的分析驗(yàn)證，忽略了2種及2種以上因素共同作用對(duì)效率的影響，雖然試驗(yàn)數(shù)量眾多，但不能全面地對(duì)影響脫硫系統(tǒng)所有因素進(jìn)行分析，故相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果存在局限性。Minitab軟件中DOE模塊主要用于研究正確的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)改變過(guò)程的輸入因素，確定各個(gè)輸入的因素的重要性以及各因素如何輸出響應(yīng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)?？捎糜?因素及以上因素的分析設(shè)計(jì)，結(jié)合DOE設(shè)計(jì)的以上特點(diǎn)，可以利用DOE模塊進(jìn)行脫硫系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

步驟一：確定脫硫系統(tǒng)主要影響參數(shù)的水平，水平是指因子的兩個(gè)或多個(gè)不同取值，確定的脫硫系統(tǒng)各因素的高低水平見(jiàn)表1。

表1 各因素的水平

步驟二：確定試驗(yàn)方案，將試驗(yàn)因子選為5個(gè)，DOE會(huì)生成試驗(yàn)組數(shù)，由圖1可知系統(tǒng)進(jìn)行16組或者32組試驗(yàn)即可進(jìn)行試驗(yàn)分析，在試驗(yàn)條件及組數(shù)有限制時(shí)可選擇進(jìn)行少量試驗(yàn)，本文擬選取16組試驗(yàn)進(jìn)行后續(xù)分析論證。

圖1 試驗(yàn)組數(shù)設(shè)計(jì)

確定試驗(yàn)組數(shù)后，軟件自動(dòng)設(shè)計(jì)具體試驗(yàn)，DEO設(shè)計(jì)的試驗(yàn)見(jiàn)圖2，試驗(yàn)人員根據(jù)圖2進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)操作，將試驗(yàn)結(jié)果填入C10中，進(jìn)行主要影響參數(shù)分析。

圖2 試驗(yàn)方法及結(jié)果

步驟三：影響因素分析，利用Minitab對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)主要影響因素，由圖3可知系統(tǒng)主要影響因素為脫硫塔塔板數(shù)和液氣比交互作用，這一定程度上彌補(bǔ)了單因素試驗(yàn)法的不足。

將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行殘差分析后確定相關(guān)數(shù)據(jù)的正確性并進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)果分析和輸出。

步驟4：各因素的關(guān)系曲線、等值線、等曲面輸出，DOE試驗(yàn)分析可根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果輸出主要影響因素的擬合曲線，用以為設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)參考，亦可根據(jù)工作人員的需求進(jìn)行相關(guān)等值曲線和曲面的輸出，用以預(yù)估不同脫硫效率下對(duì)應(yīng)的影響因素的數(shù)值，輸出擬合曲線為：

脫硫效率＝82.0＋2.521脫硫塔塔板＋0.750液氣比＋0.0187塔內(nèi)溫度－0.36p H－0.1417脫硫塔塔板×液氣比

假設(shè)輸出塔內(nèi)溫度80℃，p H值7.95時(shí)，輸出脫硫效率與塔板板數(shù)及液氣比間的等值線圖及等曲面圖，見(jiàn)圖4。

由圖4彎曲程度可以確定，液氣比及脫硫塔板對(duì)脫硫效率影響很大，并可以確定在不同脫硫效率的范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)的塔板及液氣比的數(shù)值。

圖3 主要影響因素分析

圖4 等值線及等曲面

步驟5：優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用DOE模塊可進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定效率最高時(shí)各因素的數(shù)值，試驗(yàn)人員可通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證相關(guān)數(shù)據(jù)的正確性，若偏差不大則整個(gè)DOE試驗(yàn)分析結(jié)果可為脫硫系統(tǒng)工程實(shí)踐提供最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)表2。

表2 系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果

由系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果可知，在脫硫塔塔板數(shù)為2塊，液氣比為5、塔內(nèi)溫度60℃、p H值為8.3時(shí)，系統(tǒng)效率最優(yōu)。

3 結(jié)論

采用DOE進(jìn)行脫硫系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)有效地減少了試驗(yàn)人員的工作量并能更全面地進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化分析，系統(tǒng)可利用DOE設(shè)計(jì)分析確定主要影響因素，分析各因素間關(guān)系，形成最優(yōu)的方案，大大優(yōu)化系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析過(guò)程。