船用海水法脫硫技術及DOE試驗優化設計介紹

陳秋燕，劉寶城，李曉波，沈 騰，楊 陽，陳萍萍

(1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海200082；2.黃河三角洲建設工程有限公司，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。附則規定對于非排放區域航行的船舶，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%。對于排放控制區SECA航行的船舶，從2010年7月開始該區域的燃油含硫量1.5%降到1.0%，到2015年降到0.1%。附則同時指出SECA排放SOX超標問題的解決方法主要有兩種：一是使用燃油量低于標準的燃油；二是通過安裝脫硫系統，從煙氣中脫硫。由于低硫燃油價格昂貴且船舶再切換使用高燃油轉化為低燃油過程中存在許多附加問題，致使低燃油的使用爭議十分巨大[2]。

目前主要的脫硫系統有濕法、半干法、干法、電子束法、海水法等，其中海水法以吸收劑來源廣、副產品對海洋環境影響小、工藝簡單、占地面積小等特點被廣泛應用。但海水脫硫也存在對中高含硫煙氣脫硫效率不高，欲加強海水脫硫能力需增加液氣比致使體積增大的缺點。如何提高海水脫硫效率，減少設備占地面積是當今海水脫硫系統研究的重點。

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，現階段針對影響脫硫效率的研究多為單因子的試驗研究，即控制其他變量不變改變一個因素來分析判斷脫硫效率的變化情況進而確定影響效果，但此類試驗需要大量的實驗數據，不能發現最佳的可控因子組合，不能有效地說明交互效應，而由于脫硫系統影響效率的因素眾多，可能存在2個或2個以上因素共同作用影響的情況，采用單因子試驗設計會將該情況忽略，從而難以分析出當海水脫硫法達到最佳效率時系統各因素的最優設計值。

在分析明確影響海水脫硫系統的因素的基礎上，采用Minitab中DOE模塊試驗設計原理對海水脫硫系統主要影響參數的確定進行試驗設計，明確具體設計分析流程，闡述優化過程，為相關行業工程師及試驗人員提供合理的海水脫硫法試驗研究新思路[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，不會對海洋水質產生影響。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，海水所含碳酸鹽對酸性物質有緩沖作用及吸收能力。同時，脫硫后的海水在海水恢復系統中經過添加堿液中和、通入空氣氧化處理，使排入海洋的廢水值等指標不會破壞海洋環境。主要化學反應方程式為，SO2溶解吸收過程：

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的核心設備，SO2的吸收主要在吸收塔中進行。吸收塔的結構設置直接關系到的吸收效率，增加煙氣在吸收塔內的停留時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。

吸收塔的主要設計思路就是釆取有效措施提高塔內氣液的接觸面積、時間，強化氣液傳質過程[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，即脫硫負荷大小。煙氣流量越大，脫硫負荷越大，脫硫效率降低。同時煙氣流量較大，增加煙氣在吸收塔中的流速，使吸收反應時間縮短，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，脫硫負荷降低，效率提高。但液氣比進一步增大對脫硫效率提高有限，一方面海水的能耗增加，另一方面影響柴油機背壓。海水煙氣脫硫為保證脫硫效率，一般液氣比在3以上。

2.2.4 吸收塔內溫度的影響

SO2的吸收效率和溫度有關，溫度越低，溶解度越高，吸收效率提高。減小吸收塔內溫度可以用換熱器降低進口煙氣溫度，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

反應式中，離子SO2－3和HSO－3共存，當p H值較低時，HSO－3占主導，反應無法向形成進行，脫硫效率低。對于海水脫硫，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在脫硫系統中的試驗設計介紹

由影響因素分析可知吸收塔結構、煙氣濃度、海水量(液氣比)、塔內溫度、海水p H值均為影響系統脫硫效率的因素[5]，陳洪偉在論文《海水法煙氣脫硫試驗》中明確了各單項因素對脫硫效率的影響，劉學在論文《鈉堿法船舶尾氣處理技術及試驗》[6]中對吸收塔不同結構設計及各因素對系統的影響進行分析，明確了單一變量對脫硫效率的影響程度，但此類試驗均只進行了單一變量的分析驗證，忽略了2種及2種以上因素共同作用對效率的影響，雖然試驗數量眾多，但不能全面地對影響脫硫系統所有因素進行分析，故相關的試驗結果存在局限性。Minitab軟件中DOE模塊主要用于研究正確的設計實驗計劃、分析實驗數據，通過改變過程的輸入因素，確定各個輸入的因素的重要性以及各因素如何輸出響應，并對系統進行最優化設計。可用于2因素及以上因素的分析設計，結合DOE設計的以上特點，可以利用DOE模塊進行脫硫系統試驗設計。

步驟一：確定脫硫系統主要影響參數的水平，水平是指因子的兩個或多個不同取值，確定的脫硫系統各因素的高低水平見表1。

表1 各因素的水平

步驟二：確定試驗方案，將試驗因子選為5個，DOE會生成試驗組數，由圖1可知系統進行16組或者32組試驗即可進行試驗分析，在試驗條件及組數有限制時可選擇進行少量試驗，本文擬選取16組試驗進行后續分析論證。

圖1 試驗組數設計

確定試驗組數后，軟件自動設計具體試驗，DEO設計的試驗見圖2，試驗人員根據圖2進行相關試驗操作，將試驗結果填入C10中，進行主要影響參數分析。

圖2 試驗方法及結果

步驟三：影響因素分析，利用Minitab對上述試驗結果進行分析，確定系統主要影響因素，由圖3可知系統主要影響因素為脫硫塔塔板數和液氣比交互作用，這一定程度上彌補了單因素試驗法的不足。

將相關數據進行殘差分析后確定相關數據的正確性并進行系統結果分析和輸出。

步驟4：各因素的關系曲線、等值線、等曲面輸出，DOE試驗分析可根據相關試驗結果輸出主要影響因素的擬合曲線，用以為設計人員提供設計參考，亦可根據工作人員的需求進行相關等值曲線和曲面的輸出，用以預估不同脫硫效率下對應的影響因素的數值，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塔內溫度－0.36p H－0.1417脫硫塔塔板×液氣比

假設輸出塔內溫度80℃，p H值7.95時，輸出脫硫效率與塔板板數及液氣比間的等值線圖及等曲面圖，見圖4。

由圖4彎曲程度可以確定，液氣比及脫硫塔板對脫硫效率影響很大，并可以確定在不同脫硫效率的范圍內對應的塔板及液氣比的數值。

圖3 主要影響因素分析

圖4 等值線及等曲面

步驟5：優化設計，利用DOE模塊可進行系統優化設計，確定效率最高時各因素的數值，試驗人員可通過試驗驗證相關數據的正確性，若偏差不大則整個DOE試驗分析結果可為脫硫系統工程實踐提供最優的設計方案，見表2。

表2 系統優化結果

由系統優化結果可知，在脫硫塔塔板數為2塊，液氣比為5、塔內溫度60℃、p H值為8.3時，系統效率最優。

3 結論

采用DOE進行脫硫系統試驗設計有效地減少了試驗人員的工作量并能更全面地進行試驗優化分析，系統可利用DOE設計分析確定主要影響因素，分析各因素間關系，形成最優的方案，大大優化系統試驗設計和分析過程。