陳艷艷，冷 健，閆業(yè)成，張 瑜，向 軼

（1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安710100；2.西安航天源動(dòng)力工程有限公司，陜西 西安710100；3.西安交通大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710049）

我國(guó)SO2排放量伴隨著工業(yè)的迅速發(fā)展持續(xù)攀 升，2018年SO2排放984.2 萬(wàn)t， 而同年進(jìn)口硫酸93.5 萬(wàn)t、進(jìn)口硫磺1078.1 萬(wàn)t，我國(guó)SO2嚴(yán)重污染與硫資源短缺形成了鮮明對(duì)比[1]。氨法脫硫技術(shù)以氨為吸收劑與煙氣中的SO2發(fā)生中和反應(yīng)產(chǎn)生硫酸銨等副產(chǎn)品，具有較高的脫硫效率，無(wú)二次污染，并且可以實(shí)現(xiàn)硫的資源化[2]。近年來(lái)氨法脫硫技術(shù)不斷成熟并在我國(guó)得到了快速推廣和應(yīng)用， 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2015年簽訂合同的煙氣脫硫新建工程機(jī)組中，氨法脫硫機(jī)組占4%[3]。

氨法脫硫效率是反應(yīng)氨法脫硫性能的主要指標(biāo)， 影響脫硫效率的操作參數(shù)有漿液pH 值、SO2入口濃度、煙氣流速、氣液比等[4]。目前對(duì)氨法脫硫效率的研究方法主要采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)， 只能考察單一參數(shù)對(duì)脫硫效率的影響， 無(wú)法得出多因素交互作用對(duì)脫硫效率的影響， 也無(wú)法得出脫硫效率與重要操作參數(shù)之間的函數(shù)模型。 本文通過(guò)響應(yīng)曲面法對(duì)氨法脫硫效率進(jìn)行了建模分析， 得到了脫硫效率和漿液pH 值、SO2入口濃度、煙氣流速、氣液比等重要操作參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系， 并分析了各重要參數(shù)對(duì)脫硫效率的影響， 有助于評(píng)價(jià)操作參數(shù)對(duì)氨法脫硫效率的影響程度， 為氨法脫硫運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化提供了參考。

1 試驗(yàn)

本文數(shù)據(jù)來(lái)源于某化工廠燃煤鍋爐煙氣氨法脫硫裝置（如圖1 所示），煙氣鍋爐煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)加壓后進(jìn)入吸收塔內(nèi)， 在濃縮段利用煙氣熱量對(duì)硫酸銨溶液進(jìn)行增濃，同時(shí)對(duì)煙氣進(jìn)行增濕降溫，增濃后的硫酸銨漿液落入塔底漿液池中，達(dá)到一定濃度后，經(jīng)漿液排出泵送往硫銨后處理系統(tǒng)生產(chǎn)硫酸銨化肥。在濃縮段增濕降溫后的煙氣經(jīng)升氣帽上升至脫硫段，在脫硫段煙氣與霧化的吸收循環(huán)液充分接觸，脫除煙氣中的SO2，生成的亞硫酸銨經(jīng)塔盤(pán)收集至循環(huán)槽內(nèi)，與氧化風(fēng)機(jī)鼓入的空氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，生成硫酸銨溶液。凈化后的煙氣由吸收塔上部的除霧器、濕式電除霧器除去煙氣中的微小液滴， 最后潔凈的煙氣經(jīng)塔頂煙囪達(dá)標(biāo)排放。

圖1 氨法脫硫工藝流程示意圖

本文中SO2入口濃度和煙氣流速和由入口CEMS 測(cè)點(diǎn)測(cè)量，SO2出口濃度由出口CEMS 測(cè)點(diǎn)測(cè)量，漿液pH 值由pH 測(cè)試箱測(cè)量，液氣比為吸收液流量和煙氣流量之比，脫硫效率η 由式（1）定義。

式中，Cin，Cout分別為脫硫塔入口、 出口氣體中的SO2體積分?jǐn)?shù)，×10-6。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

本文采用響應(yīng)曲面模型中的Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選取X1（SO2入口濃度，×10-6）、X2（漿液pH 值）、X3（煙氣流速，m/s）和X4（液氣比，L/m3）四個(gè)試驗(yàn)因素，以Y（脫硫效率，%）為試驗(yàn)響應(yīng)值，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

2.2 模型建立與方差分析

運(yùn)用Design-Expert 11.0 的二次回歸模型對(duì)響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分析， 得到脫硫效率與影響因子之間的二次多項(xiàng)式回歸方程如式（2）所示。回歸方程的方差分析和顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，模型的顯著性系數(shù)P值<0.0001，說(shuō)明該模型顯著性和可信度較高[5]，同時(shí)，模型決定系數(shù)R2和校正系數(shù)的差值很小， 說(shuō)明試驗(yàn)數(shù)據(jù)與回歸模型高度吻合， 因此該方程可以對(duì)脫硫效率進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)[6]。

表2 回歸方程的方差分析和顯著性檢驗(yàn)

圖2 為氨法脫硫效率的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的對(duì)比圖，圖中斜線表示實(shí)際值與預(yù)測(cè)值完全吻合，由圖2可見(jiàn)，在本文研究范圍內(nèi)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值十分接近，進(jìn)一步說(shuō)明預(yù)測(cè)模型擬合度較好[7]。

2.3 操作參數(shù)的影響檢驗(yàn)

由表2 中P值和F值可知， 本脫硫效率預(yù)測(cè)模型中有6 項(xiàng)（一個(gè)線形項(xiàng)X1、三個(gè)交叉項(xiàng)X1X2、X1X3、X1X4和兩個(gè)平方項(xiàng)和）對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響顯著。在預(yù)測(cè)模型的線形項(xiàng)中，SO2入口濃度對(duì)脫硫效率的影響最大，根據(jù)雙膜理論可知[8]，隨著SO2入口濃度升高，煙氣中SO2分壓增加，從而增加了氣相主體與相界面間的分壓差， 加快了氣液吸收過(guò)程， 有利于 SO2的吸收。

圖2 氨法脫硫效率預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比圖

圖3 為脫硫效率響應(yīng)曲面圖。 對(duì)于模型中的交叉項(xiàng)，由圖3（a）可知，SO2入口濃度X1與漿液pH 值X2的交互作用對(duì)脫硫效率影響明顯， 當(dāng)入口SO2濃度較低時(shí)，在漿液pH 值由4.0～6.7 逐漸增大的過(guò)程中，等勢(shì)線的密集程度增大，即pH 值對(duì)過(guò)程脫硫效率的影響較為顯著，說(shuō)明當(dāng)SO2入口濃度較低時(shí)，提高漿液pH 值可以顯著提高整體脫硫效率。 而漿液pH 值在高于6.1 以后，pH 值的變化對(duì)系統(tǒng)脫硫效率的影響非常小，可以忽略不計(jì)。 漿液pH 值的升高主要是其中氨水含量的增多導(dǎo)致的， 由氨法脫硫過(guò)程發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)可知[9]，系統(tǒng)中氨水含量增多使NH4HSO3轉(zhuǎn)化為（NH4）2SO3的可逆反應(yīng)正向進(jìn)行，系統(tǒng)中的（NH4）2SO3含量增多，提高了吸收液對(duì)SO2的吸收能力，從而系統(tǒng)脫硫效率升高。

圖3 脫硫效率響應(yīng)曲面圖

由圖3（b）可知，SO2入口濃度X1與煙氣流速X3的交互作用對(duì)脫硫效率影響明顯，SO2入口濃度與煙氣流速的有效匹配能保證系統(tǒng)較高的脫硫效率，SO2入口濃度較高時(shí)， 沿?zé)煔饬魉偕叻较虻牡葎?shì)線分布較為密集， 即此時(shí)提高煙氣流速對(duì)系統(tǒng)整體脫硫效率的影響較為顯著。SO2入口濃度由極低值不斷升高時(shí)， 煙氣流速在一定范圍內(nèi)適當(dāng)降低可以保持系統(tǒng)較高的脫硫效率，這是因?yàn)闊煔饬魉龠^(guò)快時(shí)，煙氣在塔內(nèi)與吸收液的接觸時(shí)間有限，不能充分反應(yīng)。 適當(dāng)降低煙氣流速可以保證充分的氣液接觸時(shí)間，利于吸收及進(jìn)一步的氧化反應(yīng)，保持較高的脫硫效率。

由圖3（c）可知，SO2入口濃度X1與液氣比X4的交互作用對(duì)脫硫效率影響明顯， 當(dāng)SO2入口濃度一定時(shí)，提高液氣比可以提高系統(tǒng)的脫硫效率。由于運(yùn)行數(shù)據(jù)的SO2入口濃度和液氣比取值都在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，整體變化不太明顯，但是從趨勢(shì)分析及預(yù)測(cè)可以看出，在SO2入口濃度較高時(shí)，液氣比升高等勢(shì)線分布密集， 即提高液氣比對(duì)過(guò)程系統(tǒng)的脫硫效率影響較為明顯。這是由于SO2入口濃度較低時(shí)，系統(tǒng)的處理能力可以輕松除去其中的SO2，改變參數(shù)對(duì)脫硫效率的影響并不明顯，而SO2入口濃度較高時(shí)，系統(tǒng)處理能力的進(jìn)一步提高需要改變操作參數(shù)來(lái)有效實(shí)現(xiàn)，提高液氣比可以強(qiáng)化兩相的湍流程度，增加氣液接觸面積，從而提高脫硫效率。

2.4 預(yù)測(cè)模型的改進(jìn)

從表2 中可知預(yù)測(cè)模型中含有影響較小的因素項(xiàng)，將其去除后可以使模型更具典型性，校正后的脫硫效率預(yù)測(cè)模型如式（3）所示。 為了評(píng)價(jià)校正模型的性能，將原始數(shù)據(jù)代入式（3）中進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表3 所示。 從表3 中可知，模型的F值高達(dá)2219.74，可見(jiàn)校正模型與原始數(shù)據(jù)的擬合度很高[10]，P值低于0.05，即表示該參數(shù)項(xiàng)對(duì)模型的影響顯著，可見(jiàn)校正模型中的每一項(xiàng)均為顯著影響因素，即X1，X2，X3，X4，X1X2，X1X3，X1X4，X2X3，均為影響系統(tǒng)脫硫效率的重要因素。

3 結(jié)論

本文對(duì)某化工廠燃煤煙氣氨法脫硫效率進(jìn)行了建模分析，采用響應(yīng)曲面法建立了SO2入口濃度、漿液pH 值、煙氣流速和液氣比等參數(shù)對(duì)脫硫效率的影響預(yù)測(cè)模型， 通過(guò)方差分析得出SO2入口濃度對(duì)脫硫效率的影響最大， 同時(shí)SO2入口濃度與其他三項(xiàng)的交互作用對(duì)脫硫效率也有較大影響。 通過(guò)對(duì)操作參數(shù)的檢驗(yàn)，去除不顯著因素的影響，得到了脫硫效率的校正預(yù)測(cè)模型，校正模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合，為氨法脫硫工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了一定依據(jù)。

表3 校正模型的方差分析和顯著性檢驗(yàn)