基于TRIZ理論對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的結晶硅鋁酸鹽，生產過程中尾氣粉塵粒徑基本在10μm以下，甚至低于5μm，國內很難找到一種適應分子篩生產過程工況，同時又簡單、實用、經濟、高效的粉塵處理技術，并實現環保一次達標。國內分子篩生產企業原有的除塵方式為布袋除塵加一級脫氨噴淋塔，外排粉塵濃度在60mg/m?左右，達不到2015年7月國家頒布的《石油化學工業污染物排放標準》中工業粉塵外排指標≤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，并運用TRIZ理論對其進行二次改造開發，成功解決了該技術在分子篩除塵過程中的堵塞問題，成為國內分子篩生產行業首家利用新技術實現低成本解決外排尾氣不達標的問題。

1 ?問題描述

1.1 定義系統名稱：

系統名稱：云式除塵裝置;系統功能：脫除分子篩生產中的尾氣粉塵;

目標要求：不發生堵塞，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：云式除塵系統起初是運用于處理粉煤灰，效果很好，但是引入該系統處理分子篩粉塵時，由于分子篩粉塵粒徑小、遇水粘度大等物理性質，導致云式除塵裝置在運行過程不到一周的時間便出現嚴重堵塞。

工作原理：

云式除塵系統中的云霧發生器是通過構建云形成條件，飽和水蒸汽以粉塵顆粒為凝結核液化并附著在粉塵顆粒表面使粉塵顆粒粒徑不斷增大，一部分大云團在云霧發生器內重力沉降，體積小的云團通過引風機引入旋風分離器進行兩級重力沉降和一級反混沉降。云式除塵系統就是將云的物理形成過程同超重力相結合，使細粉塵顆粒（PM2.5）的捕集效率大大提高。

1.3 當前系統存在的問題

（1）尾氣溫度過高>130℃，使霧滴氣化;

（2）云霧發生器產生的云霧量少，粉塵捕集效果差;

（3）云式除塵器內部旋風分離器及出口彎頭堵塞嚴重。

1.4 問題出現的條件及影響

條件一：分子篩粉塵遇水粘度大。

影響：云式除塵器內的旋風分離器內壁積料嚴重引起堵塞。

條件二：分子篩粉塵粒徑太小（<10μm），不易被霧滴捕集、不易團聚沉降。

影響：流體曳力大，離心分離不足，云式除塵器旋風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）增加水霧噴頭數量，提高云霧發生器的霧滴量;

（3）在旋風分離器內壁刷上某種涂料，改善內壁光滑度。

1.6 明確要解決的問題

（1）如何增大云霧發生器對粉塵的捕集和團聚效果。

（2）如何避免旋風分離器及出口彎頭被粉塵堵塞。

1.7 對新技術的要求

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

（2）系統操作簡便、能耗低，占地面積小，維護費用少。

1.8 新技術系統的IFR

IFR： 分子篩粉塵能夠自行實現與尾氣完全分離。

次IFR： 云式除塵系統在工作過程中能夠永久自動清除堵塞。

2 ?問題分析

2.1 系統組件分析

通過構建組件列表，梳理組件相互作用關系，建立組件模型。

從組件模型中得出5個不足和1個有害的作用關系：

（1）現有噴頭對工業風和工業水混合壓縮不足;

（2）工業水和工業風在云霧發生器現有的云霧噴頭作用下，無法形成足夠多的云霧;

（3）高溫尾氣能夠使云霧氣化，對云霧產生有害作用，使云霧量減少;

（4）云霧對分子篩粉塵的捕集不足;

（5）云式除塵器外筒體對分子篩粉塵離心分離不足;

（6）8根旋風分離器對分子篩粉塵離心分離不足。

2.2 因果分析

2.3 問題模型

結合系統組件分析與因果分析得到系統堵塞的根本原因：

（1）現有的云霧噴頭產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）現有的云霧與含塵尾氣為對流接觸，接觸時間短，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導致在云霧發生器內停留時間不足，無法進行充分捕集;

（4）如何降低旋風分離器內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：現有的霧化噴頭產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）

應用九屏幕法尋找資源：

√ 方案1：通過對取得的資源進行科學分析比較，我們的到了能夠滿足“穩定地產生細顆粒霧滴（霧滴的粒徑≤10μm），使用壽命長，維護費用低”這一要求的替代產品——二流體噴霧系統，將現有的噴霧系統改造成二流體噴霧系統，只需要更換一個特殊的二流體噴頭，無需增加高壓水泵等其他設施，經濟適用。

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

應用小人法模擬云霧對粉塵顆粒捕集過程：

第一步：描述系統的組成部分。用小人畫出系統的組成部分：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：結合現有系統，動態聯想系統的變化過程。

通過小人動態模擬霧滴捕集粉塵的過程可知，霧滴與粉塵對流接觸時，由于前排粉塵阻擋了后排粉塵與霧滴的接觸，導致后排粉塵不能充分得到捕集。

第三步：結合現有資源，思考解決方案。

我們讓黑色小人（霧滴）從上、下、正面對紅色小人（粉塵）進行捕集，并增補更多的黑色小人（霧滴）。隨著紅色小人不斷進入，對流的黑色小人根本無法對抗紅色小人的沖擊而掉頭往后走了，導致入口粉塵面臨沒有霧滴捕集的現象。可見，對流接觸不可取，故改為粉塵與霧滴進行逆流接觸。

√ 方案2：將云霧發生器內云霧噴頭重新布局，改對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導致在云霧發生器內停留時間不足，無法進行充分捕集。

技術矛盾： ? ? 改善的參數：速度

惡化的參數：運動物體的作用時間

查找矛盾矩陣得到的創新原理有：3，19，35，5。

創新原理3：局部質量原理——將物體、環境作用的均勻結構變為不均勻結構。

√ 方案3：將云霧發生器入口管徑增大，箱體內增設不規則擋板，出口管徑縮小，改造后，既延長了含塵尾氣在云霧發生器內的停留時間，又保證了含塵尾氣能夠快速從云霧發生器排出進入云式除塵器進行有效離心分離。

創新原理19：周期性作用原理——用周期性動作或脈沖，代替連續性動作。

√ 方案4：將含塵尾氣連續進出云霧發生器箱體改為周期性進出到箱體中。

3.4 問題4：如何使粉塵易脫落，不粘壁堵塞。

應用小人法模擬云霧對粉塵顆粒捕集過程：

第一步：描述系統的組成部分，用小人畫出。

系統的組成部分：濕粉塵、旋風分離器壁面

用小人表示各組成部分：紅色小人代表濕粉塵，黑色小人代表旋風分離器壁面。

第二步：結合現有系統，動態聯想系統的變化過程。

第三步：結合現有資源，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：對旋風分離器內壁進行拋光處理。

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：在旋風分離器內壁涂上油性涂料。

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。

√ 方案7：在旋風分離器沿壁持續進行水噴淋，形成一層持續流動的水膜。

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致粉塵流通受阻堵塞的問題。

物理矛盾：

既要：旋風分離器出口管道存在曲變，提供靜壓抽吸;

又要：旋風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——對應第3發明原理：局部質量原理。

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

（2）時間分離——對應第11發明原理：事先防范原理。

√ 方案9：在出口管道發生曲變的前端增設過濾網（膜），防范粉塵到達彎管處。

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。

應用物場模型：

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，可以用通過濾液對尾氣進行降溫，同時濾液還能帶走尾氣中的部分分子篩粉塵。

√ 方案10：利用分子篩濾液進行降溫。

4 ?方案評價

從成本、維護和有用功能三個維度對以上方案進行評價， 成本權重：25 %，維護權重：25%，有用功能：50% ，方案價值計算公式為：

對方案1、2、3、7、12進行綜合，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、將云霧發生器的噴霧系統更換成霧氣量大、霧滴小于10微米的二流體噴霧系統，增大捕集效果;

三、在云霧發生器內增加兩道隔板，增加含塵尾氣與霧滴的接觸時間;

四、在云式除塵器旋風管上部及出口彎頭處安裝旋轉水霧噴頭，沿壁對堵料進行沖洗。

5 ?實施效果

云式除塵系統改造后，從每次開工運行不足20天便引起堵塞，延長到連續運行100天以上，改造后粉塵排放濃度完全達標。云式除塵技術成功運用于分子篩尾氣處理不到一年的時間，便推廣至中國石化催化劑齊魯、南京、上海三家分公司，并在我公司新建的5萬噸/年分子篩項目上取得成功應用，累計減少粉塵排量約32.4t/a，環保效益顯著。

責編/魏曉文