TRIZ理論在蒸發法處理稀土碳沉廢水中的應用

馬麗佳 ，柳召剛 ，李 梅 ，趙治華

(1.內蒙古科技大學 材料與冶金學院，內蒙古包頭 014010；2.內蒙古包鋼稀土(集團)高科技股份有限公司，內蒙古包頭 014010)

0 概述

發明問題解決理論（TRIZ）是指導人們進行發明創新、解決工程問題的系統化的方法學體系。它是由蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller）為首的研究團隊提出的。TRIZ的系統性創新原理是對大量發明創造、技術問題的解決過程進行總結，得到的科學原理和法則能準確迅速地提出行業領域中的設計方法，創造有價值的新概念。

本文是將TRIZ應用于稀土碳沉廢水治理工藝中，較徹底解決稀土行業碳沉廢水中氨氮污染問題，回收氯化銨，變廢為寶，使得稀土濕法治煉更加經濟、環保，促進稀土行業可持續發展。

將TRIZ原理中技術系統進化法則和沖突解決原理應用于三效蒸氨法處理稀土碳沉廢水工藝中，對于解決技術難題，掌握設備進化規律，解決稀土碳沉廢水處理工藝的沖突問題具有重要作用，可以提高廢水處理效率，實現廢水零排放的目標。

2 三效蒸氨法處理稀土碳沉廢水工藝中存在的問題

1 TRIZ理論中技術系統進化法則及沖突解決原理

技術系統的定義為：由具有相互聯系的元件與運作所組成的、以實現某種功能或職能的事物的集合。技術系統是由多個子系統組成的，并通過子系統間的相互作用實現一定的功能。技術系統的進化是遵循某些客觀規律的，通過對大量專利的分析研究，阿奇舒勒發現產品通過不同的技術路線向理想解方向進化，并提出了八大類技術系統進化法則。運用這些法則，可以解決技術系統未來的發展方向，可以更好的預測出技術系統未來的發展方向。發明問題的核心就是解決沖突，沖突可以分為物理沖突和技術沖突。技術沖突是指：一個作用同時導致有用及有害兩種結果，也可指有用作用的引入或有害效應的消除導致一個或幾個子系統或系統變壞。物理沖突是指：為了實現某種功能，一個子系統或元件應具有一種特性，但同時出現了與該特征相反的特性。

稀土氨氮廢水主要產生在碳沉工藝，生產一噸的稀土氧化物，要產生 12噸的上清夜，氯化銨的濃度為 6%~12%，產生 6噸左右的淋洗水，氯化銨濃度為0.6g/L。2011年國家發布的《稀土工業污染物排放標準》中規定，廢水中的氨氮濃度必須小于50mg/L。然而，碳酸鹽沉淀工序產生的銨離子濃度高達10-20g/L，遠遠超出國家排放標準。

目前，我國大型的稀土治煉企業均采用三效蒸氨法處理稀土碳沉廢水，其主要工藝流程如圖1。

三效蒸氨法具有成本低、處理量大的優勢，但是在實際的操作應用中存在一些不足。主要缺點有：(1)、氯化銨產出量低。通過對北方礦幾家稀土企業調研，如果每月消耗碳酸氫銨1000噸，按分子量比折算成氯化銨為677噸，除以碳酸氫銨與稀土碳沉投量比1.1，得氯化銨615噸，則每天可回收氯化銨20.5噸。而現有的蒸氨設備，按照上述投放碳酸氫銨的量，日處理廢水100m3，實際產出氯化銨僅為1~2噸。氯化銨產出量低的原因主要有：①產出的氯化銨粘稠，不宜生長為氯化銨晶體。②一效蒸發溫度接近100℃，氯化銨在100℃時揮發量較大。（2）、能耗高。蒸氨法處理稀土碳沉廢水過程中，要消耗大量的電能和煤炭，使得廢水治理成本高，給企業造成很大負擔。

圖1 三效蒸發系統工藝流程圖

3 技術系統進化法則的應用

（1）動態性進化法則

動態性進化法則是技術系統會向提高其可移動性和可控性的方向進化。①可移動性，由于稀土碳酸鹽的產量每月、每季度不同，所產生的氨氮廢水量是不穩定的，如果采用儲水裝置，占地面積大且味道難聞，所以在稀土工業生產中，大多工廠是將廢水通入三效蒸氨設備。在廢水量較小的情況下，能耗較高且氯化銨的產出量極低。應用TRIZ理論的動態進化法則，可以將三效蒸氨設備設置成可以隨廢水量多少調節的裝置，如圖2所示，在蒸氨室內通入兩條蒸汽管道，在料液量較大的情況下，關閉蒸汽2，打開蒸汽1，使用蒸發室的整個內部容積；在料液量較小的情況下，關閉料液1，打開蒸汽2，使用蒸發室的半個內部容積。這樣一方面可以減少蒸汽的消耗量，節約能源，一方面提高氯化銨的蒸發效率。

圖2 三效蒸氨設備其中一效

②可控制性，技術系統的進化，應該沿著增加系統內各部件可控性的方向發展?，F有的三效蒸氨設備，各項技術監控尚不完善，對于三效蒸氨的每一效應安裝溫度、壓力監視裝置。料液入口應增加流量和濃度監測裝置。以便于隨時掌握設備的運行情況，提高運行效率。

（2）提高理想度法則

技術系統的理想度法則是技術系統向增加其理想化水平的方向進化?，F有的三效蒸氨工藝，水蒸汽是通過煤炭燃燒熱量獲得，煤炭需求量大且價格較貴，是造成能耗高的主要因素。應用提高理想度法則解決三效蒸氨能耗高的方法是：設定技術系統最理想的狀態是不需要花錢而獲得能源，具體做法是，將鍋爐設備加設太陽能板，即太陽能和燃燒能混合裝置，太陽能不能夠獲得足夠能源時，可以燃燒煤炭作為能源補充。既節約了能源，又綠色環保。

（3）技術系統協調性進化法則

進化到高級階段時技術系統的特征是：子系統為充分發揮其功能，各參數之間要有目的地相互協調或反協調，能夠實現動態調整和配合。應用系統協調性進化法則提高氯化銨產出量的方法是：控制冷卻槽內氯化銨液體冷卻速度并增加攪拌裝置。

降溫速率對產品粒度分布有著明顯影響，隨著降溫速率的增大，產品的住粒度先增大后減小，如表1所示：當降溫速率太小時，過飽和度很小，不利于生長。當降溫速率增大到一定程度后，致使出晶前溶液過飽和度過大，初級成核率增大，造成爆發性成核，致使產品主粒度減小，所以在氯化銨的結晶過程中，應選擇0.2℃/min的冷卻速率。

表1 冷卻速率對粒度的影響

增加攪拌裝置，可以使生長中的枝晶破碎，增加晶核數目，同時二次晶核由于流體作用而更快地從晶體表面脫落，促進成核。所以，為防止冷卻槽內溶液分散性不好，產生局部過飽和，應該增加攪拌裝置，并嚴格控制攪拌速度。

4 沖突解決原理的應用

三效蒸氨工藝中，第一個蒸發器（稱為第一效）以生蒸汽作為加熱蒸汽，其余兩個（稱為第二效、第三效）均以其前一效的二次蒸汽作為加熱蒸汽，每一效的二次蒸汽溫度總是低于其加熱蒸汽。故一效蒸發器內的溫度接近于生蒸汽溫度100℃，溫度越高，蒸發效率越高，且能夠為二效、三效蒸發器提供熱源，但是氯化銨在100℃時，揮發量較大，氯化銨損失嚴重。所以第一效蒸發器溫度升高有利于提高蒸發效率和氯化銨的揮發嚴重形成了TRIZ理論的技術沖突。

在此技術沖突中，改善的參數是溫度，在39個通用技術參數中對應的是17號參數；惡化的是氯化銨的揮發，即物質的量損失，查詢技術參數，對應的是23號參數物質損失。查詢阿奇舒勒沖突矩陣表，可以得到四條發明原理：21 減少有害作用的時間原理、29 氣壓和液壓結構原理。

（1）應用減少有害作用原理，可以減少一效蒸發時間，即降低一效蒸發器的體積，增加二效蒸發器體積，以減少一效蒸發氯化銨的揮發。

（2）應用氣壓和液壓結構原理，可以增加一效蒸發器的壓強，液體物質沸點隨壓強的增加而降低，氯化銨液體在80℃能夠濃縮且氯化銨的揮發大幅減少。

5 總結與建議

1）對于蒸發法處理稀土碳沉廢水工藝存在的不足，應根據稀土行業生產的特點，改善設備的可調節性，并增加溫度、壓力等監控裝置，可以減少能源消耗，準確監測設備運行，提高設備的運行效率。

2）系統中應盡量使用太陽能代替熱能，減少能源消耗，減輕企業生產經營負擔。

3）根據晶體生長特點，應降慢冷卻槽內氯化銨液體冷卻速度并增加攪拌裝置，使其均勻穩定生長，增加氯化銨晶粒直徑，提高氯化銨固體的回收率。

4）盡量減少一效蒸發器內氯化銨的損失，可以采用減少有害作用原理或氣壓和液壓結構原理。通過減少一效蒸發器內體積，從而縮短一效蒸發的時間。也可以增加一效蒸發器內壓強，從而降低蒸汽的溫度。

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