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(shè)計（DFSS,Design for Six Sigma）是一種以顧客為中心，基于事實和數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)不斷提高產(chǎn)品指標的科學(xué)的、系統(tǒng)的企業(yè)管理方法。西格瑪在數(shù)理統(tǒng)計中表示“標準差”，是衡量數(shù)據(jù)離散程度的指標，其大小可以反映處質(zhì)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(nèi)所包含的西格瑪個數(shù)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(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用并取得了空前的成功。

與傳統(tǒng)六西格瑪方法不同的是，六西格瑪設(shè)計是專門面對研發(fā)項目的管理流程，實施步驟主要包括定義、測量、分析、設(shè)計、優(yōu)化和驗證等六個階段。實驗設(shè)計方法（DOE，Design of Experiment）是低碳所六西格瑪設(shè)計理論體系的核心工具，它通過科學(xué)地安排實驗，以最少的實驗個數(shù)獲取所需要的信息，找到傳統(tǒng)方法無法找到的新規(guī)律，新現(xiàn)象，從而，大大減少研發(fā)項目的工作量，縮短研發(fā)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(chǎn)PVC、乙烯基乙炔、氯丁二烯、乙醛、乙酸、丙烯腈等重要化工產(chǎn)品。目前我國90%以上乙炔生產(chǎn)仍采用電石法。電石法乙炔雖然具有工藝技術(shù)成熟、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、乙炔產(chǎn)品純度高等優(yōu)點，但仍存在著生產(chǎn)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(zhì)材料制乙炔技術(shù)可以實現(xiàn)一步法制乙炔過程，具有流程短、無催化劑、超短接觸、反應(yīng)設(shè)備小、投資少及環(huán)境污染小等優(yōu)點，在生產(chǎn)成本方面與傳統(tǒng)電石法相比具有競爭潛力，是基于煤炭資源生產(chǎn)乙炔的綠色流程技術(shù)[1]。該技術(shù)最早起源于20世紀60年代，研究表明利用高溫、高焓、高反應(yīng)活性的熱等離子體射流可將煤直接轉(zhuǎn)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(xué)基礎(chǔ)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(xué)穩(wěn)定性[7]。其反應(yīng)過程與常規(guī)、傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)過程有所不同，需要在毫秒級內(nèi)實現(xiàn)高溫高速熱等離子體流和原料的空間高效率接觸、反應(yīng)和淬冷過程，反應(yīng)條件極端苛刻，實驗工作難度較大[6]。此外結(jié)焦問題、反應(yīng)器壽命等也對實驗造成了影響[8]。

基于六西格瑪設(shè)計中的實驗設(shè)計規(guī)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(zhuǎn)化率和乙炔收率的關(guān)鍵因素，并得到這些關(guān)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(shè)計中實驗設(shè)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(zhuǎn)化率的關(guān)鍵因素，為煤焦油深加工和熱等離子體技術(shù)應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實驗設(shè)備和方法

使用實驗室自制的熱等離子體反應(yīng)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(yīng)器、氣固分離系統(tǒng)、以及產(chǎn)物檢測系統(tǒng)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(shè)計的直流電弧等離子體炬產(chǎn)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(nèi)徑為30mm、長50mm的下行式反應(yīng)器頂部的原料入口噴入反應(yīng)器中進行熱解反應(yīng)，反應(yīng)完成后使用流量為15L/min氬氣作為淬冷氣體從下行式反應(yīng)器底部的淬冷噴口噴入防止乙炔分解。經(jīng)過淬冷后的氣體進入氣固分離器中形成最終的氣體產(chǎn)品，采用一臺在線質(zhì)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(zé)任公司所產(chǎn)生的煤焦油作為原料，煤焦油性質(zhì)如表1所示。在實驗中將煤焦油預(yù)熱到50℃，以提高其流動性，使用自行設(shè)計的進料裝置在載氣的作用下將原料送入等離子體反應(yīng)器中進行熱解反應(yīng)，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(chuàng)電子股份有限公司生產(chǎn)的質(zhì)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(chǎn)品氣體中各組分的濃度和氬氣流量計算出熱解反應(yīng)后乙炔的體積產(chǎn)率和質(zhì)量產(chǎn)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(zhì)量產(chǎn)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(zhuǎn)化率。計算公式如下：

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

2 實驗設(shè)計

在熱等離子體熱解煤焦油實驗中需要考慮的關(guān)鍵技術(shù)指標就是乙炔收率和煤焦油轉(zhuǎn)化率，影響這些關(guān)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(zhì)、淬冷介質(zhì)流量、反應(yīng)器設(shè)計等。因此進行實驗設(shè)計前先采用六西格瑪設(shè)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(fēng)險。

過程失效模式及后果分析表明（PFMEA）整個實驗過程中的風(fēng)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(fēng)險，并且對識別出來的風(fēng)險采取措施，保證實驗結(jié)果可靠。設(shè)計失效模式及后果分析（DFMEA）對可能影響實驗結(jié)果潛在關(guān)鍵因素進行識別，主要在與煤焦油進樣過程是否穩(wěn)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(zhì)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(wěn)定以取得可靠的實驗結(jié)果；過程工藝參數(shù)分析結(jié)果指出淬冷介質(zhì)種類和淬冷介質(zhì)流量只會影響到乙炔收率，而不會影響到煤焦油轉(zhuǎn)化率，而反應(yīng)器設(shè)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(guān)鍵指標，采用六西格瑪中實驗設(shè)計選擇最佳搭配。最后進行了測量系統(tǒng)分析（MSA），結(jié)果表明氣體產(chǎn)物檢測分析系統(tǒng)的重復(fù)性與再現(xiàn)性（量具R&R）為21.144%，精度與容差比率為0.0639，可區(qū)分組數(shù)為6，得出檢測系統(tǒng)的準確性、重復(fù)性和再現(xiàn)性較好，可為實驗工作提供準確可靠的分析數(shù)據(jù)。

實驗設(shè)計的種類包括因子設(shè)計、響應(yīng)面設(shè)計、混料設(shè)計等，數(shù)據(jù)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(jié)果分析表明煤焦油轉(zhuǎn)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(guān)系，因此使用有二個中心點的響應(yīng)曲面實驗設(shè)計，實驗參數(shù)設(shè)計如表2所示。

表2 有二個中心點的響應(yīng)曲面實驗設(shè)計

3 實驗結(jié)果和分析

使用有兩個中心點的響應(yīng)曲面實驗設(shè)計進行了熱等離子體熱解煤焦油制乙炔實驗，實驗結(jié)果如表3所示。初步分析的實驗結(jié)果表明乙炔收率和煤焦油轉(zhuǎn)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(yīng)中溫度是影響該反應(yīng)過程的主要驅(qū)動力。增加輸入功率提高了煤焦油的反應(yīng)溫度，使煤焦油的熱分解反應(yīng)更為充分，并且輸入功率的增加提高了氣相反應(yīng)溫度，從而提高了煤焦油轉(zhuǎn)化率和乙炔收率。而氫等離子體有較高的焓值和導(dǎo)熱系數(shù)[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(huán)以及側(cè)鏈，使更多的煤焦油得到轉(zhuǎn)化。反應(yīng)過程中的氣相反應(yīng)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(yīng)溫度，為乙炔生成提供了更有利的環(huán)境。此外，乙炔在高溫條件下易發(fā)生分解反應(yīng)，生成氫氣和炭黑，而氫氣的加入改變了氣相反應(yīng)中的碳氫比從而抑制乙炔的分解反應(yīng)，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(jié)果

8910110 a 0000--9.113.5212.981.987392.59026

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(yù)測值如圖1所示，乙炔收率殘差的正態(tài)分位圖如圖2所示。分析結(jié)果表明乙炔收率的調(diào)整R平方值為0.991198，乙炔收率的誤差較小，制程能力指數(shù)（Cpk）分析表明乙炔收率的制程能力指數(shù)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(yù)測模型較好。

圖1 乙炔收率的實際值和預(yù)測值對比

圖2 乙炔收率殘差的正態(tài)分位圖

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

誤差傳遞分析結(jié)果如表4所示，結(jié)果表明輸入功率的波動對乙炔收率和煤焦油轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)過程的主要驅(qū)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(jié)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(zhuǎn)化率的實際值和預(yù)測值對比

圖4 煤焦油轉(zhuǎn)化率殘差的正態(tài)分位圖

表4 誤差傳遞分析

采用JMP軟件中的預(yù)測刻畫器進行了預(yù)測刻畫分析，意愿設(shè)置為乙炔收率20%（下限為10%），煤焦油轉(zhuǎn)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(shù)，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(fù)實驗，實驗結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明重復(fù)實驗中煤焦油轉(zhuǎn)化率達到了大值，制程能力指數(shù)（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(shù)（CPK）為19.721為2.841，大于1.33，實驗結(jié)果處于可以接受的范圍內(nèi)。

表5 驗證實驗設(shè)計參數(shù)及實驗結(jié)果

4 結(jié)語

4.1 運用六西格瑪設(shè)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(wěn)定性的因素和風(fēng)險，并對風(fēng)險作出了應(yīng)對措施。

4.2 使用過程失效模式及后果分析、可靠性設(shè)計分析和過程工藝參數(shù)分析確定了影響乙炔收率和煤焦油轉(zhuǎn)化率的兩個關(guān)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(tǒng)和誤差分析確保了實驗中得到準確的實驗結(jié)果。

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

4.5 六西格瑪設(shè)計方法不僅減少了實驗次數(shù)，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(jié)果表明實驗數(shù)據(jù)重復(fù)性好，制程能力指數(shù)較大，驗證實驗表明實驗結(jié)果可靠，完全達到六西格瑪項目要求。

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

4.7 乙炔收率和煤焦油轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化率影響的波動較大。控制輸入功率可有效的提高整體實驗精度。

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