基于TRIZ的新型恒壓實驗焦爐的設計*

馬亞菲，崔學鵬，李 月，齊 源，趙振寧

(遼寧科技大學化學工程學院，遼寧 鞍山 114000)

目前我國現有的實驗焦爐有40千克小型實驗焦[1]，有20千克實驗焦爐[2]，也有300千克實驗焦爐[3]，實驗焦爐中炭化室的空間大小各種各樣。絕大多數的焦爐都只采用底部加熱的方法，加熱方式比較單一，結焦的效率會大大的降低，大大增加了實驗時間。還有一些實驗焦爐對于煉焦過程中環境的壓強和溫度的控制沒有完善。因此，設計一個能夠調節炭化室，控制加煤量，提高實驗速率，控制壓力溫度的一個實驗焦爐具有重大意義。

圖1 TRIZ理論圖Flg.1 TRTZ theory diagram

TRIZ理論即“發明問題解決理論”。TRIZ理論是阿奇舒勒于1946年創立的，是一種解決發明問題的方法。有很多發明，例如，一種液壓支架豎井運輸裝備[4],一種直流加速泵造型設計[5],一種貯水式暖手寶[6]等等是在TRIZ理論的基礎上進行設計發明的。TRIZ理論是通過系統功能分析[7]以及三軸分析法分析問題，并將系統矛盾分為技術矛盾[8]，物理矛盾[9]，HOW TO模型，物場模型[10]，還提供了解決矛盾問題的工具。如圖1所示。

技術矛盾是兩個系統參數相互制約，當一個參數提高，導致另一參數惡化，可以通過創新原理方法解決。物理矛盾是系統同一元素有相反的需求，可以通過分離方法解決。

1 應用TRIZ理論分析實驗室用試驗焦爐問題

1.1 問題背景描述

如今實驗室應用實驗焦爐進行實驗室研究工廠焦爐實驗參數，有些實驗焦爐采用的是一種可以在恒壓條件下煉焦，如cn201610356818-小型恒壓煉焦裝置及恒壓煉焦方法，從而達到恒壓的條件。以上焦爐都可以達到煉焦的目的，但是這些試驗焦爐對于煤炭的投放量不可控，造成一定量的資源浪費；該實驗焦爐結構復雜，操作也復雜，另外就是爐內反應結束后運輸煤炭的過程比較復雜。

基于以上可以總結該試驗焦爐的問題

(1)功能問題:這些實驗焦爐在功能上不齊全，有所缺失，對于爐內溫度以及壓強的控制沒有實現。

(2)效率問題：煤炭的轉移過程沒有完善，所以在實驗時會消耗過多的時間，降低研究的效率。在加熱的時候，加熱形式比較單一，加熱的范圍只局限于焦爐底部，所以在實驗的過程中，大大的降低了效率。

(3)成本問題:大多數的實驗焦爐裝煤量比較大，所需要焦炭成本就會升高。

1.2 系統功能分析圖

新型恒壓實驗焦爐系統要素如下：控制系統，溫控器，溫度傳感器，壓力傳感器，硅碳棒，電爐絲，電動機，伸縮桿，調節板。目標對象：炭化室。環境因素為周圍環境大氣壓和所處環境的溫度。該實驗焦爐溫控器是用來檢測試驗焦爐的爐內的溫度；硅碳棒與電爐絲起到加熱作用；溫度傳感器用來測定炭化室內部溫度；壓力傳感器是用來檢測爐內壓力大小；控制系統可以控制電動機的操作，控制溫控器；電動機可以控制伸縮桿伸縮；伸縮桿可以使調節板左右移動；調節板可以控制炭化室空間大小，控制裝煤量。

在進行實驗的過程中，炭化室隨著實驗的進行，內部的溫度以及壓強發生變化。溫度傳感器以及壓強傳感器測定數據，將數據信號傳遞到控制系統。控制系統根據設定的值調節炭化室內部環境。控制系統控制電動機的發動，使伸縮桿左右移動，進而使調節板左右移動達到控制炭化室壓力的改變。控制系統可以控制溫控器，控制硅碳棒和電爐絲的電流，達到溫度大小的改變。

圖2 功能分析圖Flg.2 Functional analysis chart

1.3 矛盾導出及分析

(1)技術矛盾：由圖2可以看出，炭化室壓力測定的精準度很重要，所以壓力傳感器的敏感度至關重要。應變式壓力傳感器比較敏感，可以精確測出炭化室內部壓力。

(2)物理矛盾：所涉及的溫度的控制，既要可以升溫，也要可以降溫。所涉及的壓強，既要可以按照需求增大壓強，也可以按照需求減少壓強。溫度大小的控制，可以通過改變加熱元件的加熱能力來控制溫度的大小。炭化室壓力的控制可以通過改變炭化室空間大小來實現。炭化室的大小可以運用物理方法通過控制隔板的位置控制空間大小。

2 新型恒壓實驗焦爐

根據上述的分析，我們設計一個恒壓系統，控制炭化室里的壓力，使得炭化室的壓力恒定。設計一個恒溫系統，控制炭化室里的溫度，使得炭化室溫度恒定。設計一個可調節裝置，使得加入的煤炭量可控。設計一個簡易部件，使得練焦結束后，焦炭易轉移，易清理。

2.1 實驗焦爐恒壓系統。

恒壓系統包括電動機，伸縮桿，調節板，應變片式壓力傳感器，控制系統。壓力傳感器位于伸縮桿的末端，靠近調節板內壁，電動機上以及伸縮桿之間設有位移傳感器，用于監測調節板左右移動的距離。控制系統分別與應變片式壓力傳感器和電動機相連。

恒壓系統操控原理：應變式壓力傳感器可以精準的檢測到炭化室里的壓力，當檢測到炭化室里面的壓力比設定的壓力大時，壓力傳感器會將這種信號傳遞給控制系統，控制系統接收到信號后，控制電動機操作，電動機進而控制伸縮桿，伸縮桿收縮，使得調節板向左移動，減小炭化室內的壓強；當炭化室內的壓力比設定的壓力小時，控制系統控制電動機，進而控制伸縮桿使得調節板向右移動，增大炭化室的壓強，保證炭化室處于恒壓狀態。流程圖如圖3所示。

圖3 恒溫恒壓原理圖Flg.3 Principle diagram of constant temperature and constant pressure

2.2 實驗焦爐恒溫系統

恒溫系統，包括溫度傳感器，溫控器，電爐絲，硅碳棒，保溫層，控制系統。硅碳棒在焦爐的前后兩側，電阻絲在炭化室的下側，電阻絲下面設有保溫層，硅碳棒以及電阻絲都由溫控器控制。

恒溫系統操控原理：溫度傳感器可以準確的檢測炭化室的溫度，當檢測到炭化室里面的溫度比設定的溫度大的時候，溫度傳感器會將信息傳遞給控制系統，控制系統會控制溫控器減少電流，使硅碳棒和電阻絲減少加熱，當炭化室里面的溫度比設定的溫度小時，控制系統會控制溫控器增大電流，使得硅碳棒和電阻絲增大加熱，從而保證炭化室內溫度恒定。流程如圖3。

2.3 新型恒壓實驗焦爐的設計

圖4 實驗焦爐主視圖(a)和側視圖(b)Flg.4 Main view (a) and side view (b) of experimental coke oven

本新型實驗焦爐，除了包括恒溫系統，恒壓系統和控制系統，還包括爐頂，爐底，進料口，出氣煙囪，炭化室以及機側爐門，本實驗焦爐右側設有有機側爐門，焦爐內側為炭化室，進料口以及出氣煙囪與爐頂相接，并且進料口上端設有塞子，該塞子的材料為耐火材料；新型實驗焦爐的伸縮桿與電動機和調節板緊密相連，伸縮桿可以控制調節板的左右移動；新型實驗焦爐的溫度傳感器為多個，沿著炭化室周圍均勻分布；分布在新型實驗焦爐前后側的硅碳棒有多組。實驗焦爐的結構如圖4所示。

本新型實驗焦爐的發明優點：

(1)本裝置的炭化室空間可以自由控制，通過控制調節板的位置，來控制炭化室的空間，調節板向右移動，炭化室空間減小，調節板向左移動，炭化室空間增大，從而解決了煤量大的問題。

(2)本裝置的恒壓裝置采用了電動機控制伸縮桿進而控制調節板的移動，使得炭化室在煉焦過程中壓力恒定。

(3)本裝置的加熱系統采用電阻絲硅碳棒加熱，可以從炭化室各個方面加熱，可以有效的加快實驗的速率，并減少實驗時間，節省時間。

3 結 論

(1)針對實驗焦爐容量問題，溫度以及壓強控制問題，煤炭轉移問題，應用TRIZ理論進行深入分析，通過該問題進行系統功能分析，找到物理矛盾和技術矛盾，開發了一種可以恒溫恒壓的新型實驗焦爐。

(2)從實驗的結果可以看出，我們的實驗焦爐操作方法簡單，可行。該裝置可以控制炭化室大小，控制炭化室壓力和溫度，不存在環境污染問題，實驗效率較其他實驗焦爐大大提高。