基于TRIZ理論對(duì)云式除塵在分子篩尾氣處理中堵塞的研究

梁維軍 楊柳 蔣飛華 盧輝 梁瓊

分子篩是一種粒子較細(xì)的結(jié)晶硅鋁酸鹽，生產(chǎn)過程中尾氣粉塵粒徑基本在10μm以下，甚至低于5μm，國(guó)內(nèi)很難找到一種適應(yīng)分子篩生產(chǎn)過程工況，同時(shí)又簡(jiǎn)單、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、高效的粉塵處理技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保一次達(dá)標(biāo)。國(guó)內(nèi)分子篩生產(chǎn)企業(yè)原有的除塵方式為布袋除塵加一級(jí)脫氨噴淋塔，外排粉塵濃度在60mg/m?左右，達(dá)不到2015年7月國(guó)家頒布的《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中工業(yè)粉塵外排指標(biāo)≤20mg/m?的要求，為此我們引入了新型空氣凈化裝置——云式除塵技術(shù)，并運(yùn)用TRIZ理論對(duì)其進(jìn)行二次改造開發(fā)，成功解決了該技術(shù)在分子篩除塵過程中的堵塞問題，成為國(guó)內(nèi)分子篩生產(chǎn)行業(yè)首家利用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)低成本解決外排尾氣不達(dá)標(biāo)的問題。

1 ?問題描述

1.1 定義系統(tǒng)名稱：

系統(tǒng)名稱：云式除塵裝置;系統(tǒng)功能：脫除分子篩生產(chǎn)中的尾氣粉塵;

目標(biāo)要求：不發(fā)生堵塞，脫除后尾氣外排分子篩粉塵濃度低于20mg/m?。

1.2 初始情況描述

工況背景：云式除塵系統(tǒng)起初是運(yùn)用于處理粉煤灰，效果很好，但是引入該系統(tǒng)處理分子篩粉塵時(shí)，由于分子篩粉塵粒徑小、遇水粘度大等物理性質(zhì)，導(dǎo)致云式除塵裝置在運(yùn)行過程不到一周的時(shí)間便出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞。

工作原理：

云式除塵系統(tǒng)中的云霧發(fā)生器是通過構(gòu)建云形成條件，飽和水蒸汽以粉塵顆粒為凝結(jié)核液化并附著在粉塵顆粒表面使粉塵顆粒粒徑不斷增大，一部分大云團(tuán)在云霧發(fā)生器內(nèi)重力沉降，體積小的云團(tuán)通過引風(fēng)機(jī)引入旋風(fēng)分離器進(jìn)行兩級(jí)重力沉降和一級(jí)反混沉降。云式除塵系統(tǒng)就是將云的物理形成過程同超重力相結(jié)合，使細(xì)粉塵顆粒（PM2.5）的捕集效率大大提高。

1.3 當(dāng)前系統(tǒng)存在的問題

（1）尾氣溫度過高>130℃，使霧滴氣化;

（2）云霧發(fā)生器產(chǎn)生的云霧量少，粉塵捕集效果差;

（3）云式除塵器內(nèi)部旋風(fēng)分離器及出口彎頭堵塞嚴(yán)重。

1.4 問題出現(xiàn)的條件及影響

條件一：分子篩粉塵遇水粘度大。

影響：云式除塵器內(nèi)的旋風(fēng)分離器內(nèi)壁積料嚴(yán)重引起堵塞。

條件二：分子篩粉塵粒徑太小（<10μm），不易被霧滴捕集、不易團(tuán)聚沉降。

影響：流體曳力大，離心分離不足，云式除塵器旋風(fēng)管及出口彎頭粉塵濃度高，易堵塞。

1.5 解決問題的初步思路

在未運(yùn)用TRIZ方法解題之前所能想到的解決方案：

（1）在云式除塵系統(tǒng)的入口處增加冷卻裝置，降低分子篩尾氣的入口溫度;

（2）增加水霧噴頭數(shù)量，提高云霧發(fā)生器的霧滴量;

（3）在旋風(fēng)分離器內(nèi)壁刷上某種涂料，改善內(nèi)壁光滑度。

1.6 明確要解決的問題

（1）如何增大云霧發(fā)生器對(duì)粉塵的捕集和團(tuán)聚效果。

（2）如何避免旋風(fēng)分離器及出口彎頭被粉塵堵塞。

1.7 對(duì)新技術(shù)的要求

（1）不減少系統(tǒng)的尾氣處理量（≥15000m?/h）且外排尾氣粉塵濃度 ≤20mg/m?;

（2）系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、能耗低，占地面積小，維護(hù)費(fèi)用少。

1.8 新技術(shù)系統(tǒng)的IFR

IFR： 分子篩粉塵能夠自行實(shí)現(xiàn)與尾氣完全分離。

次IFR： 云式除塵系統(tǒng)在工作過程中能夠永久自動(dòng)清除堵塞。

2 ?問題分析

2.1 系統(tǒng)組件分析

通過構(gòu)建組件列表，梳理組件相互作用關(guān)系，建立組件模型。

從組件模型中得出5個(gè)不足和1個(gè)有害的作用關(guān)系：

（1）現(xiàn)有噴頭對(duì)工業(yè)風(fēng)和工業(yè)水混合壓縮不足;

（2）工業(yè)水和工業(yè)風(fēng)在云霧發(fā)生器現(xiàn)有的云霧噴頭作用下，無(wú)法形成足夠多的云霧;

（3）高溫尾氣能夠使云霧氣化，對(duì)云霧產(chǎn)生有害作用，使云霧量減少;

（4）云霧對(duì)分子篩粉塵的捕集不足;

（5）云式除塵器外筒體對(duì)分子篩粉塵離心分離不足;

（6）8根旋風(fēng)分離器對(duì)分子篩粉塵離心分離不足。

2.2 因果分析

2.3 問題模型

結(jié)合系統(tǒng)組件分析與因果分析得到系統(tǒng)堵塞的根本原因：

（1）現(xiàn)有的云霧噴頭產(chǎn)生云霧量不足且形成霧滴粒徑過大，需重新選型更換;（如何尋找資源）

（2）現(xiàn)有的云霧與含塵尾氣為對(duì)流接觸，接觸時(shí)間短，捕集不充分;

（3）提高含塵尾氣流速有利于粉塵離心分離，但是，含塵尾氣流速過快會(huì)導(dǎo)致在云霧發(fā)生器內(nèi)停留時(shí)間不足，無(wú)法進(jìn)行充分捕集;

（4）如何降低旋風(fēng)分離器內(nèi)壁與粉塵之間的摩擦力，使粉塵更容易脫落，不粘壁堵塞;

（5）如何解決8根彎頭既能提供靜壓又能不因曲變導(dǎo)致粉塵流通受阻堵塞的問題？

（6）如何消除高溫尾氣使云霧霧滴氣化的有害作用。

3 ?解決問題

3.1 問題1：現(xiàn)有的霧化噴頭產(chǎn)生霧氣量不足且形成霧滴粒徑過大，需重新選型更換。（“九屏幕法”尋找合適的替代品）

應(yīng)用九屏幕法尋找資源：

√ 方案1：通過對(duì)取得的資源進(jìn)行科學(xué)分析比較，我們的到了能夠滿足“穩(wěn)定地產(chǎn)生細(xì)顆粒霧滴（霧滴的粒徑≤10μm），使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)費(fèi)用低”這一要求的替代產(chǎn)品——二流體噴霧系統(tǒng)，將現(xiàn)有的噴霧系統(tǒng)改造成二流體噴霧系統(tǒng)，只需要更換一個(gè)特殊的二流體噴頭，無(wú)需增加高壓水泵等其他設(shè)施，經(jīng)濟(jì)適用。

3.2 問題2： 現(xiàn)有的云霧與含塵尾氣為對(duì)流接觸，捕集不充分。（如何模擬兩者相互作用關(guān)系，得到最佳接觸方式）

應(yīng)用小人法模擬云霧對(duì)粉塵顆粒捕集過程：

第一步：描述系統(tǒng)的組成部分。用小人畫出系統(tǒng)的組成部分：粉塵、霧滴 。

用小人表示各組成部分：紅色小人代表粉塵，黑色小人代表霧滴。

第二步：結(jié)合現(xiàn)有系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)聯(lián)想系統(tǒng)的變化過程。

通過小人動(dòng)態(tài)模擬霧滴捕集粉塵的過程可知，霧滴與粉塵對(duì)流接觸時(shí)，由于前排粉塵阻擋了后排粉塵與霧滴的接觸，導(dǎo)致后排粉塵不能充分得到捕集。

第三步：結(jié)合現(xiàn)有資源，思考解決方案。

我們讓黑色小人（霧滴）從上、下、正面對(duì)紅色小人（粉塵）進(jìn)行捕集，并增補(bǔ)更多的黑色小人（霧滴）。隨著紅色小人不斷進(jìn)入，對(duì)流的黑色小人根本無(wú)法對(duì)抗紅色小人的沖擊而掉頭往后走了，導(dǎo)致入口粉塵面臨沒有霧滴捕集的現(xiàn)象。可見，對(duì)流接觸不可取，故改為粉塵與霧滴進(jìn)行逆流接觸。

√ 方案2：將云霧發(fā)生器內(nèi)云霧噴頭重新布局，改對(duì)流捕集為順流捕集和上下方向捕集。

3.3 問題3：提高含塵尾氣流速有利于粉塵離心分離。但是，含塵尾氣流速過快會(huì)導(dǎo)致在云霧發(fā)生器內(nèi)停留時(shí)間不足，無(wú)法進(jìn)行充分捕集。

技術(shù)矛盾： ? ? 改善的參數(shù)：速度

惡化的參數(shù)：運(yùn)動(dòng)物體的作用時(shí)間

查找矛盾矩陣得到的創(chuàng)新原理有：3，19，35，5。

創(chuàng)新原理3：局部質(zhì)量原理——將物體、環(huán)境作用的均勻結(jié)構(gòu)變?yōu)椴痪鶆蚪Y(jié)構(gòu)。

√ 方案3：將云霧發(fā)生器入口管徑增大，箱體內(nèi)增設(shè)不規(guī)則擋板，出口管徑縮小，改造后，既延長(zhǎng)了含塵尾氣在云霧發(fā)生器內(nèi)的停留時(shí)間，又保證了含塵尾氣能夠快速?gòu)脑旗F發(fā)生器排出進(jìn)入云式除塵器進(jìn)行有效離心分離。

創(chuàng)新原理19：周期性作用原理——用周期性動(dòng)作或脈沖，代替連續(xù)性動(dòng)作。

√ 方案4：將含塵尾氣連續(xù)進(jìn)出云霧發(fā)生器箱體改為周期性進(jìn)出到箱體中。

3.4 問題4：如何使粉塵易脫落，不粘壁堵塞。

應(yīng)用小人法模擬云霧對(duì)粉塵顆粒捕集過程：

第一步：描述系統(tǒng)的組成部分，用小人畫出。

系統(tǒng)的組成部分：濕粉塵、旋風(fēng)分離器壁面

用小人表示各組成部分：紅色小人代表濕粉塵，黑色小人代表旋風(fēng)分離器壁面。

第二步：結(jié)合現(xiàn)有系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)聯(lián)想系統(tǒng)的變化過程。

第三步：結(jié)合現(xiàn)有資源，思考解決方案。

通過模擬可知，黑色小人伸出手臂緊緊拖住了紅色小人，阻礙其往下掉落，那么我們就把黑色小人伸出的手臂砍掉。

√ 方案5：對(duì)旋風(fēng)分離器內(nèi)壁進(jìn)行拋光處理。

引入綠色小人的啟示：

1、綠色小人黏附黑色小人（壁面），但不黏附紅色小人（粉塵），使得紅色小人能夠以自身重力沉降。

√ 方案6：在旋風(fēng)分離器內(nèi)壁涂上油性涂料。

2、綠色小人不黏附黑色小人（壁面），但黏附紅色小人（粉塵），增加紅色小人的重量沉降下來(lái)。

√ 方案7：在旋風(fēng)分離器沿壁持續(xù)進(jìn)行水噴淋，形成一層持續(xù)流動(dòng)的水膜。

3.5 問題5：如何解決8根彎頭既能提供靜壓又能不因曲變導(dǎo)致粉塵流通受阻堵塞的問題。

物理矛盾：

既要：旋風(fēng)分離器出口管道存在曲變，提供靜壓抽吸;

又要：旋風(fēng)分離器出口管道不存在曲變，減輕堵料狀況。

分離方法：

（1）空間分離——對(duì)應(yīng)第3發(fā)明原理：局部質(zhì)量原理。

√ 方案8：因旋風(fēng)分離器出口粉塵濃度高，那么我們將出口附近改造成內(nèi)壁光滑的直管段，在直管遠(yuǎn)離出口端設(shè)置彎頭提供靜壓。

（2）時(shí)間分離——對(duì)應(yīng)第11發(fā)明原理：事先防范原理。

√ 方案9：在出口管道發(fā)生曲變的前端增設(shè)過濾網(wǎng)（膜），防范粉塵到達(dá)彎管處。

3.6 問題6：如何消除高溫尾氣使云霧霧滴氣化的有害作用。

應(yīng)用物場(chǎng)模型：

引入S3，消除高溫含塵尾氣的有害作用：S3可以是水、化學(xué)溶液、分子篩濾液。S3作為S2的變形體，即分子篩在氣體中是“粉塵”，在水中便是“濾液”，因此，可以用通過濾液對(duì)尾氣進(jìn)行降溫，同時(shí)濾液還能帶走尾氣中的部分分子篩粉塵。

√ 方案10：利用分子篩濾液進(jìn)行降溫。

4 ?方案評(píng)價(jià)

從成本、維護(hù)和有用功能三個(gè)維度對(duì)以上方案進(jìn)行評(píng)價(jià)， 成本權(quán)重：25 %，維護(hù)權(quán)重：25%，有用功能：50% ，方案價(jià)值計(jì)算公式為：

對(duì)方案1、2、3、7、12進(jìn)行綜合，確定了最終改造方案：

一、在云式除塵入口增加換能裝置，利用分子篩濾液置換掉含塵尾氣中的熱量，使含塵尾氣入口溫度降低;

二、將云霧發(fā)生器的噴霧系統(tǒng)更換成霧氣量大、霧滴小于10微米的二流體噴霧系統(tǒng)，增大捕集效果;

三、在云霧發(fā)生器內(nèi)增加兩道隔板，增加含塵尾氣與霧滴的接觸時(shí)間;

四、在云式除塵器旋風(fēng)管上部及出口彎頭處安裝旋轉(zhuǎn)水霧噴頭，沿壁對(duì)堵料進(jìn)行沖洗。

5 ?實(shí)施效果

云式除塵系統(tǒng)改造后，從每次開工運(yùn)行不足20天便引起堵塞，延長(zhǎng)到連續(xù)運(yùn)行100天以上，改造后粉塵排放濃度完全達(dá)標(biāo)。云式除塵技術(shù)成功運(yùn)用于分子篩尾氣處理不到一年的時(shí)間，便推廣至中國(guó)石化催化劑齊魯、南京、上海三家分公司，并在我公司新建的5萬(wàn)噸/年分子篩項(xiàng)目上取得成功應(yīng)用，累計(jì)減少粉塵排量約32.4t/a，環(huán)保效益顯著。

責(zé)編/魏曉文