基于TRIZ創新開發的高爐爐頂均壓煤氣全回收技術

洪軍 鄭楠 李文琦

（中冶京誠工程技術有限公司，北京 100176）

1.概述

TRIZ理論的創建人為前蘇聯的根里奇·阿奇舒勒，他分析了世界近250萬份高水平的發明專利，總結出各種技術發展進化遵循的規律模式，以及解決各種技術矛盾和物理矛盾的創新原理和法則，建立一個由解決技術、實現創新開發的各種方法和算法組成的綜合理論體系，并綜合多學科領域的原理和法則，建立起TRIZ理論體系[1~2]。

我國鋼鐵現階段仍以高爐煉鐵工藝為主，高爐冶煉過程是節能減排的主要環節。隨著環境保護要求的日益提高，解決高爐爐頂均壓煤氣回收的問題已經是刻不容緩的問題[3]。現有均壓煤氣回收技術已經無法滿足當下鋼鐵企業用戶實現“雙碳”目標的需求，徹底解決高爐爐頂料罐均壓煤氣排放問題勢在必行。

為此，我們基于TRIZ理論，在現有研發和工程應用的基礎上進行創新，研發“高爐爐頂均壓煤氣全回收技術”。對煤氣回收過程增設強制回收手段，通過氣體引射對料罐內殘余煤氣進行強制回收；同時合理設置強制回收過程的時間起始節點，縮短整個回收過程的時間，能夠解決煤氣回收過程時間長、影響爐頂裝料作業率且無法實現煤氣全回收的問題。

2.問題描述及分析

2.1 問題描述

高爐冶煉生產過程中，每次向爐內裝料前，爐頂料罐都必須進行均壓操作，使料罐內壓力和爐頂壓力平衡，下密封閥方可開啟，然后將爐料裝入爐內。料罐內爐料排空，關閉下密封閥后，須將料罐內的高壓煤氣對空放散，上密封閥方可開啟，繼續向料罐內裝入爐料，料罐均壓介質通常采用的是經過凈化后的高爐凈煤氣。料罐排壓過程中，煤氣通常都是經過爐頂的旋風除塵器和消音器后直接排入大氣，此部分煤氣為含有大量CO和粉塵的有毒、可燃物混合氣體，對大氣環境尤其是高爐生產區域造成污染，同時也浪費了能源。

將高爐爐頂料罐均壓放散煤氣回收進入凈煤氣管網的過程，初期是依靠壓差進行自然回收，其泄壓過程勢必要比直接向大氣排放的時間長，且當壓力將至某壓力值時，無法再繼續下降，需要對料罐殘余煤氣進行二次放散，延長了料罐排壓過程時間，且無法徹底解決高爐爐頂均壓煤氣放散的問題。

爐頂均壓煤氣全回收技術的關鍵難題有：

（1）高爐爐頂均壓煤氣在回收過程中存在壓力波動，回收煤氣的脈沖壓力波及凈煤氣管網，影響煤氣管網其它用戶點煤氣使用；脈沖式的高壓煤氣短時間內快速進入低壓凈煤氣管網，會對煤氣管網接入點附近造成一定的壓力波動，如果接入點附近有其他煤氣用戶點對煤氣壓力的穩定性要求較高，那么壓力不穩定的煤氣源會影響其系統的穩定運行；

（2）爐頂均壓煤氣的回收操作時間影響高爐正常生產，耗費時間較長，對高爐上料作業率影響較大，超過5%；管道內介質流速不能太大，否則會加劇管道磨損；管道內介質流速不能太小，否則會管道積灰堵塞。

（3）均壓煤氣回收率低，自然回收只能回收80%左右的煤氣。均壓煤氣經過凈化后回收進入凈煤氣管網，該過程初始階段是利用料罐和管網之間的自然壓差，由于管網壓力約為10~15kPa，無法實現料罐壓力泄壓至大氣壓，因此，在不增加額外驅動的情況下，只能完成均壓放散煤氣部分回收（即自然回收），剩余少量低壓煤氣仍需二次放散。

2.2 最終理想解IFR

最終理想解（IFR）：發明問題解決理論TRIZ在解決問題之初，首先拋開各種客觀限制條件，通過理想化來定義問題的最終理想解（Ideal Final Result，IFR），以明確理想解所在的方向和位置，保證在問題解決過程中沿著此目標前進并獲得最終理想解，從而避免了傳統創新涉及方法中缺乏目標的弊端，提升了創新設計的效率。

基于以上問題描述分析，確定最終理想解（IFR）為：不影響凈煤氣管網壓力，不影響高爐作業率，煤氣回收率100%。

3 解決方案

3.1 因果分析

因果分析是指從系統存在的問題入手，層層分析形成問題的原因。基于以上問題描述分析，確定因果分析結果如圖1所示。

圖1 因果分析圖

3.2 創新原理運用

TRIZ理論廣泛應用于工程技術領域，并已逐步向其他領域滲透和擴展。應用范圍越來越廣，由原來擅長的工程技術領域分別向自然科學、社會科學、管理科學、生物科學等領域發展。已總結出的40條發明創造原理[4~5]在工業、建筑、化學、生物學、社會學、醫療、食品、商業、教育的應用案例，用于指導各領域遇到問題的解決。

TRIZ系列的多種工具包括：沖突矩陣、76標準解答、ARIZ、物質-場分析、40個創新原理，39個工程技術特性等，常用的有基于宏觀的矛盾矩陣法（沖突矩陣法）和基于微觀的物場變換法。

運用TRIZ理論能夠幫助我們系統地分析問題情境，快速發現問題本質或者矛盾，它能夠準確確定問題探索方向，幫助我們突破思維障礙，打破思維定勢，以新的視覺分析問題，進行系統思維，根據技術進化規律預測未來發展趨勢，幫助我們開發富有競爭力的新產品。

（1）依據組合原理（TRIZ發明原理5）和多用性原理（TRIZ發明原理6），將第一代技術[6]里分割的緩沖罐和布袋除塵器組合起來，采用組合式干式除塵設備，在除塵器內設計緩沖區域，使煤氣在除塵器內獲得緩沖。另外，配合頂進頂出的進出氣方式增強氣流在筒內流動的穩定性，解決了高爐爐頂均壓煤氣回收壓力波動大、瞬時流量大等問題。通過旋風除塵、重力除塵和布袋除塵三級除塵對均壓煤氣先后處理；粉塵排放濃度≤5mg/m3。

（2）依據預先作用原理（TRIZ發明原理10）和減少有害作用的時間原理（TRIZ發明原理21），分析爐頂時序圖，研究出均壓煤氣回收工藝系統中關鍵閥門動作時間的合理匹配，采取提前動作閥門，以及增加引射器，100%回收，不用打開均壓放散閥，不影響爐頂作業率。

（3）依據自服務原理（TRIZ發明原理25），在料罐后設置單引射器或多級多噴嘴復合式引射器[7]，利用高爐凈煤氣作為高壓引射介質，不但能夠避免利用氮氣或其他高壓氣體作為引射介質導致因消耗氮氣而增加成本及降低回收煤氣品質的問題，而且能夠實現均壓煤氣的100%全回收。使用一次均壓凈煤氣作為引射介質，配合專用引射器，實現“以煤氣抽吸煤氣”，充分保障回收煤氣的品質。

（4）依據組合原理（TRIZ發明原理5）和復制原理（TRIZ發明原理26），設置帶有引射器的并聯全回收系統。均壓煤氣通過兩個并聯的通路完成回收：一個通路利用料罐均壓煤氣和凈煤氣管網的壓差實現自然回收，另一個通路把均壓煤氣引入料罐后的單引射器或多級引射器，利用高壓煤氣作為高壓引射介質實現強制回收。

（5）依據氣壓和液壓結構原理（TRIZ發明原理29）和反饋原理（TRIZ發明原理23），設置氣動或液動引射閥和均壓放散閥，設計帶有反饋的接近開關，顯示閥門開關信號。

（6）依據復合材料原理（TRIZ發明原理40），引射器材質采用Q355R低合金高強度壓力容器鋼板，強度高、耐腐蝕、抗開裂。

3.3 最終解決方案

本技術將原有高爐爐頂均壓煤氣回收專利技術進行改進升級，成功研發了“高爐爐頂均壓煤氣全回收技術”，將回收率從約80%提升至100%。最終確定的爐頂均壓煤氣全回收系統原理圖詳見圖2。

圖2 爐頂均壓煤氣全回收系統原理圖

新技術在原有煤氣部分回收系統的基礎上，增加引射器、引射閥、相關閥門及管道等配套設施和控制系統。當自然回收結束時，通過引射器對料罐內剩余的少量低壓煤氣進行引射強制回收。引射用高壓工作氣體采用爐頂料罐均壓使用的高壓凈煤氣，通過引射器強制回收，使料罐內的壓力在短時間內降至微正壓，然后可直接打開上密封閥和上料閘進行裝料，避免了煤氣二次放散，從而實現：爐頂均壓煤氣的“全回收”，煤氣和粉塵零排放；回收過程時間≤12s，對裝料作業率無影響；回收煤氣含塵量低至≤5mg/Nm3；消除煤氣放散噪音，延長消音器設備使用壽命；回收過程對凈煤氣管網無影響，管網無壓力波動。

同時，高爐爐頂均壓煤氣全回收系統配套的電控系統，可以在高爐控制室內實現系統的集中控制和顯示，操作簡便。如果該全回收系統出現故障時，能夠簡便、快捷的切換至原系統進行生產，不影響高爐的正常運行。

研發團隊從流體力學、物理化學等基礎理論分析到各種文獻檢索查閱，對引射器的關鍵結構尺寸進行了理論分析和計算，同時采用CFD流場分析軟件，對引射器進行三維模擬分析，最終獲得了引射器的關鍵尺寸，并通過工廠1:1模型試驗對引射器的引射效果進行驗證。引射器示意圖見圖3。

圖3 引射器示意圖

本技術主要科技創新點如下。

（1）首創高爐爐頂均壓煤氣干法全回收技術。針對高爐均壓煤氣對空排放造成的環境污染和能源浪費的問題，開發三級除塵系統和強制引射回收系統，實現均壓煤氣100%全回收；通過旋風除塵、重力除塵和布袋除塵三級除塵對均壓煤氣先后處理，粉塵排放濃度≤5mg/m3。

（2）首次開發智能控制回收系統，有效控制管道內介質流速和均壓煤氣回收時間，實現均壓煤氣的全回收，避免管道積灰堵塞、保障爐頂作業率不受影響。基于《冶金傳輸原理》中可壓縮氣體流動部分的“一元等熵恒定氣流理論”的基本方程及流速公式；確定均壓煤氣回收時間和緩沖容積，準確計算回收時間及壓力。

（3）首次采用組合式干式除塵設備，通過頂進頂出的氣體進出方式并集合重力除塵器的特點，解決高爐爐頂均壓煤氣回收壓力波動大、氣流周期性、瞬時流量大等多重問題。改變傳統干式布袋除塵器側進側出的進出氣方式，采用頂進頂出的進出氣方式延長布袋除塵器壽命約20%。

（4）首次開發多種形式專用引射器系統，利用引射器實現短時間內均壓煤氣全回收。開發專用引射器提高引射效率，促進均壓煤氣的高效100%全回收。

目前，爐頂均壓煤氣全回收技術已申請9項專利（詳見表1），形成專利群保護，在國內授權7項實用新型專利，兩項發明專利[8-9]。

表1 主要知識產權目錄

4 應用實踐

本技術已成功應用于國內江蘇聯峰鋼鐵新1#高爐，邢臺德龍鋼鐵1#2#3#高爐，天津榮程鋼鐵新4#高爐等10余座高爐，以本技術帶動爐頂均壓煤氣全回收產品的總承包合同額達到約3000萬元。

爐頂均壓煤氣全回收技術很好的解決了爐頂放散煤氣對空排放產生的環境污染和能源浪費的問題，改善了工人操作環境，消除了粉塵污染和噪音，創造了很好的社會效益。高爐投產后，長期保持穩定運行，各項性能指標達到國內領先水平。高爐實現了爐頂均壓煤氣100%全回收，煤氣和粉塵零排放；回收過程時間≤12s，不影響高爐爐頂裝料作業率；回收煤氣含塵量≤5mg/Nm3。

以一座1800m3高爐為例，高爐日回收煤氣量約40000Nm3/d，按照年工作日350d、每4Nm3煤氣發一度電、電價按0.6元/度計算，一年創造經濟效益約210萬元；爐頂料罐放散煤氣含塵量按10g/Nm3計算，一年減少粉塵排放量約140t；高爐煤氣中CO2含量約為21%，則一年直接減少CO2排放量約294萬Nm3，即減少碳排放量約5780t。

5 結論

基于TRIZ創新開發的高爐爐頂均壓煤氣全回收技術先進，使用效果良好。高爐實現了爐頂均壓煤氣100%全回收，煤氣和粉塵零排放；回收過程時間≤12s，不影響高爐爐頂裝料作業率；回收煤氣含塵量≤5mg/Nm3。該技術已成功應用于國內十余座高爐，創造了客觀的“科技創新、節能減排、環保低耗”社會效益的同時還獲得了一定的經濟效益，為高爐實現高效、環保奠定了良好的基礎。

實踐證明，運用TRIZ理論可大大加快創造發明的進程，而且能得到高質量的創新產品。