熱等離子體熱解煤焦油制乙炔過程的六西格瑪研究

李軒 韓建濤 任冬雪 潘廣宏 孫永偉（北京低碳清潔能源研究所，北京 102211）

六西格瑪設計（DFSS,Design for Six Sigma）是一種以顧客為中心，基于事實和數據，采用統計技術、優化技術不斷提高產品指標的科學的、系統的企業管理方法。西格瑪在數理統計中表示“標準差”，是衡量數據離散程度的指標，其大小可以反映處質量水平的高低。過程能力用西格瑪來度量后，西格瑪越小，過程的波動越小，則容差內所包含的西格瑪個數越多，如果過程能力達到六個西格瑪即意味著每一百萬個機會中僅有3.4個缺陷機會，即合格率為99.99966%，則過程可以以最低的成本損失、最短的時間周期、滿足顧客要求的能力就越強，因此該管理法在通用電氣、三星、戴爾、惠普、西門子、索尼、東芝、華碩等眾多跨國企業中得到了廣泛的應用并取得了空前的成功。

與傳統六西格瑪方法不同的是，六西格瑪設計是專門面對研發項目的管理流程，實施步驟主要包括定義、測量、分析、設計、優化和驗證等六個階段。實驗設計方法（DOE，Design of Experiment）是低碳所六西格瑪設計理論體系的核心工具，它通過科學地安排實驗，以最少的實驗個數獲取所需要的信息，找到傳統方法無法找到的新規律，新現象，從而，大大減少研發項目的工作量，縮短研發周期，減少人力、物力的消耗。

乙炔是一種非常重要的有機化工原料，被廣泛用于生產PVC、乙烯基乙炔、氯丁二烯、乙醛、乙酸、丙烯腈等重要化工產品。目前我國90%以上乙炔生產仍采用電石法。電石法乙炔雖然具有工藝技術成熟、設備結構簡單、乙炔產品純度高等優點，但仍存在著生產流程長、資源消耗量大、污染嚴重等問題。熱等離子體裂解煤等碳質材料制乙炔技術可以實現一步法制乙炔過程，具有流程短、無催化劑、超短接觸、反應設備小、投資少及環境污染小等優點，在生產成本方面與傳統電石法相比具有競爭潛力，是基于煤炭資源生產乙炔的綠色流程技術[1]。該技術最早起源于20世紀60年代，研究表明利用高溫、高焓、高反應活性的熱等離子體射流可將煤直接轉化為乙炔[2,3]。此后英國、美國、德國和波蘭等國家的研究組對這一過程進行了不同程度的實驗和理論研究[4-6]。該過程基于的熱力學基礎為：在于高溫下乙炔相對于其他小分子烴類的具有更高的熱力學穩定性[7]。其反應過程與常規、傳統的化學反應過程有所不同，需要在毫秒級內實現高溫高速熱等離子體流和原料的空間高效率接觸、反應和淬冷過程，反應條件極端苛刻，實驗工作難度較大[6]。此外結焦問題、反應器壽命等也對實驗造成了影響[8]。

基于六西格瑪設計中的實驗設計規劃和分析方法可以在諸多影響因素中篩選出影響煤焦油轉化率和乙炔收率的關鍵因素，并得到這些關鍵因素對上述二個指標影響的量化模型，以最少的代價找出最佳搭配組合。綜上所述，本文采用了六西格瑪設計中實驗設計進行了熱等離子體熱解煤焦油過程的實驗研究，確定了影響乙炔收率和煤焦油轉化率的關鍵因素，為煤焦油深加工和熱等離子體技術應用提供了技術基礎。

1 實驗設備和方法

使用實驗室自制的熱等離子體反應裝置進行熱等離子體熱解煤焦油制乙炔實驗，包括等離子體電源、等離子體炬、反應器、氣固分離系統、以及產物檢測系統組成。等離子體電源為銳龍LGK160逆變空氣等離子切割機整流電源，最大輸出功率為20 kW。使用自行設計的直流電弧等離子體炬產生熱等離子體，采用氫氬混合氣體作為等離子體工作氣體，等離子體工作氣體流量為15L/min。等離子體炬的工作電壓為25-100V，工作電流為20-100A。煤焦油從內徑為30mm、長50mm的下行式反應器頂部的原料入口噴入反應器中進行熱解反應，反應完成后使用流量為15L/min氬氣作為淬冷氣體從下行式反應器底部的淬冷噴口噴入防止乙炔分解。經過淬冷后的氣體進入氣固分離器中形成最終的氣體產品，采用一臺在線質譜（Extrel CMS,MAX300-LG）和兩臺氣相色譜（Agilent Technologies,Micro-GC 490）來分析其組分和濃度。

實驗中使用陜西省神木三江煤化工有限責任公司所產生的煤焦油作為原料，煤焦油性質如表1所示。在實驗中將煤焦油預熱到50℃，以提高其流動性，使用自行設計的進料裝置在載氣的作用下將原料送入等離子體反應器中進行熱解反應，煤焦油的進樣速率為10-20g/min。

表1 煤焦油物性分析

在實驗中使用北京七星華創電子股份有限公司生產的質量流量控制器（D07-9E）來精確控制氬氣和氫氣的流量。由于氬氣是惰性氣體，這樣就可通過產品氣體中各組分的濃度和氬氣流量計算出熱解反應后乙炔的體積產率和質量產率。乙炔收率采用公式1來計算：

式(1)中YA：乙炔收率；WYA：乙炔的質量產率（g/min）；CF：進樣速率（g/min）。

實驗完成后采用氫元素跟蹤法來計算轉化率。計算公式如下：

式（2）中C：轉化率；TH：氣體產物中氫元素總量總產率；TIH工作氣中氫元素質量流量；CF原料進料速率；THC煤焦油中氫元素含量

2 實驗設計

在熱等離子體熱解煤焦油實驗中需要考慮的關鍵技術指標就是乙炔收率和煤焦油轉化率，影響這些關鍵因素主要有：輸入功率、等離子體中的氫濃度、煤焦油進樣速率、淬冷介質、淬冷介質流量、反應器設計等。因此進行實驗設計前先采用六西格瑪設計方法對整個過程進行了梳理，以提高項目的成功率，降低風險。

過程失效模式及后果分析表明（PFMEA）整個實驗過程中的風險主要集中在煤焦油進樣過程中。進行過程失效模式及后果分析后，識別實驗過程中的潛在風險，并且對識別出來的風險采取措施，保證實驗結果可靠。設計失效模式及后果分析（DFMEA）對可能影響實驗結果潛在關鍵因素進行識別，主要在與煤焦油進樣過程是否穩定，同時考慮到在實驗中改變輸入功率和煤焦油進樣速率均可改變單位質量的煤焦油所分配得到的能量，因此在實驗中將煤焦油進樣保持穩定以取得可靠的實驗結果；過程工藝參數分析結果指出淬冷介質種類和淬冷介質流量只會影響到乙炔收率，而不會影響到煤焦油轉化率，而反應器設計對實驗過程影響較小。綜上所述實驗中選擇輸入功率和等離子體中的氫濃度作為關鍵指標，采用六西格瑪中實驗設計選擇最佳搭配。最后進行了測量系統分析（MSA），結果表明氣體產物檢測分析系統的重復性與再現性（量具R&R）為21.144%，精度與容差比率為0.0639，可區分組數為6，得出檢測系統的準確性、重復性和再現性較好，可為實驗工作提供準確可靠的分析數據。

實驗設計的種類包括因子設計、響應面設計、混料設計等，數據的分析方法又有極差分析、方差分析、多元回歸分析等方法。通過前期的實驗結果分析表明煤焦油轉化率和乙炔收率與輸入功率和等離子體中的氫濃度均存在非線性關系，因此使用有二個中心點的響應曲面實驗設計，實驗參數設計如表2所示。

表2 有二個中心點的響應曲面實驗設計

3 實驗結果和分析

使用有兩個中心點的響應曲面實驗設計進行了熱等離子體熱解煤焦油制乙炔實驗，實驗結果如表3所示。初步分析的實驗結果表明乙炔收率和煤焦油轉化率均隨著輸入功率和熱等離子體中的氫濃度增加而升高。這是因為在反應中溫度是影響該反應過程的主要驅動力。增加輸入功率提高了煤焦油的反應溫度，使煤焦油的熱分解反應更為充分，并且輸入功率的增加提高了氣相反應溫度，從而提高了煤焦油轉化率和乙炔收率。而氫等離子體有較高的焓值和導熱系數[9-10]，提供了更高的熱解能量；增加等離子體中的氫濃度提供了高密度的活性離子，包括H原子、H離子等，這些高活性離子可以打破煤焦油中的環以及側鏈，使更多的煤焦油得到轉化。反應過程中的氣相反應溫度決定了乙炔的平衡濃度[11]，增加輸入功率和氫濃度顯著提高了氣相反應溫度，為乙炔生成提供了更有利的環境。此外，乙炔在高溫條件下易發生分解反應，生成氫氣和炭黑，而氫氣的加入改變了氣相反應中的碳氫比從而抑制乙炔的分解反應，從而提高了乙炔的平衡濃度。

表3 熱等離子體熱解煤焦油實驗結果

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使用JMP軟件對乙炔收率進行了分析，乙炔收率的實際值和預測值如圖1所示，乙炔收率殘差的正態分位圖如圖2所示。分析結果表明乙炔收率的調整R平方值為0.991198，乙炔收率的誤差較小，制程能力指數（Cpk）分析表明乙炔收率的制程能力指數為5.692，遠大于1.33，表明實驗過程中乙炔收率波動很小，得到的預測模型較好。

圖1 乙炔收率的實際值和預測值對比

圖2 乙炔收率殘差的正態分位圖

同樣使用JMP軟件對煤焦油轉化進行了分析，煤焦油轉化的實際值和預測值如圖3所示，殘差的正態分位圖如圖4所示。分析結果表明煤焦油轉化的R平方值為0.979309，誤差較小，制程能力指數（Cpk）分析表明煤焦油轉化率的制程能力指數為64.256，同樣表明實驗過程中煤焦油轉化率波動較小，表明得到的預測模型較好。

誤差傳遞分析結果如表4所示，結果表明輸入功率的波動對乙炔收率和煤焦油轉化率的影響較大，而等離子體中的氫濃度波動對乙炔收率和煤焦油轉化率影響較小。此外因子的標準差越大，輸入功率的影響也就越大。這充分說明了溫度是熱等離子體熱解煤焦油反應過程的主要驅動力，而溫度主要來源于輸入功率的大小，所以輸入功率的波動會對實驗結果造成嚴重的影響。因此在熱等離子體熱解煤焦油過程中控制輸入功率的精度具有重要意義。

圖3 煤焦油轉化率的實際值和預測值對比

圖4 煤焦油轉化率殘差的正態分位圖

表4 誤差傳遞分析

采用JMP軟件中的預測刻畫器進行了預測刻畫分析，意愿設置為乙炔收率20%（下限為10%），煤焦油轉化率100%（下限為80%），同樣在煤焦油進樣速率為10g/min的條件下得到了最佳操作參數，即輸入功率5.5kW，等離子體工作氣體中氫氣濃度30%，并進行了6次重復實驗，實驗結果如表5所示。結果表明重復實驗中煤焦油轉化率達到了大值，制程能力指數（CPK）為19.721。乙炔收率則波動較大，最大值為19.4%，其制程能力指數（CPK）為19.721為2.841，大于1.33，實驗結果處于可以接受的范圍內。

表5 驗證實驗設計參數及實驗結果

4 結語

4.1 運用六西格瑪設計的方法對熱等離子體熱解煤焦油制乙炔進行了研究，確定了影響實驗穩定性的因素和風險，并對風險作出了應對措施。

4.2 使用過程失效模式及后果分析、可靠性設計分析和過程工藝參數分析確定了影響乙炔收率和煤焦油轉化率的兩個關鍵因素：輸入功率和熱等離子體中的氫濃度。

4.3 通過測量系統和誤差分析確保了實驗中得到準確的實驗結果。

4.4 通過對初步實驗結果的分析，采用有兩個中心點的響應曲面實驗設計方法進行了熱解實驗，所得到的實驗結果準確可靠。

4.5 六西格瑪設計方法不僅減少了實驗次數，縮短了實驗周期，還提高項目的成功率。JMP軟件分析驗證實驗結果表明實驗數據重復性好，制程能力指數較大，驗證實驗表明實驗結果可靠，完全達到六西格瑪項目要求。

4.6 通過得到的預測模型推測得到乙炔收率最高為26.5，煤焦油轉化率最高為100%，并確定了相應的最佳參數。

4.7 乙炔收率和煤焦油轉化率均隨著輸入功率和熱等離子體中氫濃度的增加而升高，輸入功率對乙炔收率和煤焦油轉化率影響的波動較大?？刂戚斎牍β士捎行У奶岣哒w實驗精度。

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