基于TRIZ解決催化裂化催化劑粉塵污染問題的創新設計

孫鋼

1 項目簡介

催裂化裝置是煉廠重要的核心煉油裝置，目前各催裂化裝置催化劑在壓劑、卸劑、收劑的過程中均依靠蒸汽噴射器為催化劑罐提供負壓環境，蒸汽噴射器將催化劑罐中催化劑粉塵和蒸汽一同抽出噴灑到大氣環境中造成粉塵污染。2016年起，催裂化裝置廢催化劑已經被列入國家危險廢物名錄，采取措施治理催化劑粉塵污染這一行業共性問題勢在必行。

2 問題描述

2.1 基本情況

目前使用蒸汽噴射器給催化劑罐抽負壓主要有以下幾項工作內容：

1）自三旋回收催化劑儲罐V108向廢劑罐V103壓廢催化劑，簡稱壓劑工作；

2）自催化反再系統的再生器R102向廢劑罐V103卸出平衡催化劑，簡稱卸劑工作；

3）自外來運輸的新鮮催化劑收入到新鮮催化劑儲罐V101、V102，簡稱收劑工作。

在這三種工作中，都是用蒸汽噴射器將催化劑罐抽成負壓，然后與催化劑來料打通流程后，通過壓力差將粉末狀催化劑輸送到催化劑儲罐中的。為了提供負壓，蒸汽噴射器連接在催化劑罐頂，由于蒸汽噴射時形成流動，將催化劑罐內上部空間里彌漫的催化劑粉塵抽走，經蒸汽噴射器后噴撒到外部形成粉塵污染。

已經采取的措施有：1）在催化劑罐頂設計了旋風分離器，將抽走的催化劑粉塵在旋風分離器內進行分離，把收集的催化劑粉塵返回儲罐。2）在蒸汽噴射器的出口安裝了跑逸催化劑回收箱，將蒸汽夾帶的催化劑粉塵匯集到箱中。3）在跑逸催化劑回收箱上設計了噴淋水，在冷卻蒸汽的同時洗滌催化劑粉塵。

然而在采取了以上措施后，現場仍有大量蒸汽自回收箱內噴出，催化劑粉塵四溢，現場環境受到污染，工作環境惡劣。需要采用創新方法來解決問題。通過TRIZ理論對系統進行分析，利用TRIZ理論的解題工具提供的方案，對催化劑系統進行改造，在改造少和費用低前提下，做到在壓劑、轉劑、卸劑工作時減少乃至消除催化劑粉塵污染。

3 解題過程

通過對催化劑收、壓、卸劑系統的描述，利用TRIZ理論解題的步驟如下：

3.1 組件模型

首先利用TRIZ理論對系統進行了分析，建立了系統的組件列表。

根據組件列表，逐一構建系統組件之間的作用關系

根據組件之間的作用關系，構建了組件模型，對蒸汽有害的吹散作用，過度的抽取作用，分離的不足作用等功能結構進行了明確。

3.2 應用系統裁剪法對組件模型進行裁剪

從組件模型出發，應用系統裁剪法。首先，對組件進行價值度評價，蒸汽有害作用最大，價值度最低，優先裁剪，裁剪蒸汽后，蒸汽噴射器也被裁剪。但是蒸汽噴射器提供差壓實現催化劑輸送，這一有用功能必須保留，經過計算，認為可以在降低管道阻力的前提下實現自服務，用系統內組件資源“壓劑線”，提供催化劑輸送這一有用功能，代替了被裁剪組件。

3.2.1 如何增強噴嘴對洗塵水的分散效果

增強洗塵水對粉塵的洗滌效果，要改善噴嘴對洗塵水的分散作用，根據物理矛盾，查詢矛盾矩陣，選用10、35發明原理，通過“物場分析法”得到方案：在環管上增設高效噴嘴。

改善洗塵水與粉塵混合物的接觸效果。可以采用更好的中間接觸媒介，讓洗塵水在塔板或者填料上更好地洗滌粉塵。

3.2.2 如何增強洗塵水對催化劑粉塵的粘附作用

為了解決增強洗塵水對催化劑粉塵的粘附作用的問題，應用“物場分析法”尋找解決思路，根據S2.2.2 增加分割程度原理得到方案：采用塔板、填料等中間接觸媒介改善粘附作用。

3.2.3 如何增強旋風分離器對廢催化劑分離作用

為了解決增強旋風分離器對廢催化劑分離作用的問題，根據S2.1 轉化為復雜物場模型原理得到方案：多級旋風分離器。

通過“標準解法”得到方案：通過增加一級旋風分離器。保證了旋風分離器對催化劑粉塵的分離作用足夠強。

3.2.4 如何增強回收箱對廢催化劑分離作用

為了解決回收箱對廢催化劑分離不足的問題，應用九屏幕法來尋找資源：

通過“九屏幕法”得到方案有：（1）用自壓系統提供壓力差，不用蒸汽；（2）采用催化劑洗滌回收塔；（3）采用噴淋環管；（4）采用液環真空泵；（5）防止蒸汽跑逸的液體封溢流管。

3.3 How To模型

在新的組件模型基礎上，構建問題的HOW to模型

（1）如何增強噴嘴對洗塵水分散作用不足的問題？

（2）如何增強洗塵水對廢催化劑粘附作用不足的問題？

（3）如何增強旋風分離器對廢催化劑分離作用不足的問題？

（4）如何增強回收箱對廢催化劑分離作用不足的問題？

4 方案評價

通過采用TRIZ理論對催化劑壓劑、卸劑、收劑產生粉塵污染的問題進行分析和求解，得到了各種解決方案，將方案進行匯總，見表1。

從成本、維護和有用功能三個維度對以上11種方案進行評價，得到各種方案的價值，為最終方案提供依據（見表2）。評價方式：成本權重：30%；維護權重：20%；有用功能：50%。方案價值計算公式為：

5 最終方案

采用TRIZ理論對催化劑壓劑、卸劑、收劑產生粉塵污染的問題得到的解決方案，對各種方案從成本、維護和有用功能三個維度進行評價，評價后采用了方案一、方案二、方案四、方案七、方案十和方案十一匯總形成了最終方案，對催化劑壓劑、卸劑、收劑系統進行改造。

催化劑分離和輸送的壓力差，壓劑時由催化三旋回收催化劑儲罐V108與催化劑罐之間差壓提供，卸劑時由催化再生器R102與催化劑罐之間差壓提供，收劑時由充壓送劑槽車與催化劑罐之間差壓提供。

催化劑罐頂旋風分離器出口取消蒸汽噴射器，增設帶有旋分功能的跑逸催化劑洗滌筒，進一步回收催化劑粉塵。為了有效改善粉塵的洗滌回收效果，在洗滌筒和排空管內增設洗塵水，采用環管噴淋噴嘴結構提高洗塵水分布，采用類似催化分餾塔下部人字擋板塔盤結構增加對催化劑粉塵的洗滌效果。

最終方案的創新點在于：一、催化劑依靠設備間壓力差自動輸送，僅就不再耗費驅動蒸汽一項，每年能節約上百萬元。二、將創新方法設計的洗滌、降溫、分離多種功能結構整合在一個緊湊的洗滌筒內部，結構上可以自動排漿，有效抗塵泥堵塞，在進一步采用遠程控制閥的情況下，可以提高自動化程度，在實施壓劑、卸劑等操作時。無需人員到現場，遠程即可操作。這一設計方案得到了中國燃料與潤滑劑產品標準委員會秘書長、中石化科技部原副主任徐惠等專家的高度評價。獲得了2017年全國企業創新大賽一等獎。

責編/魏曉文