TRIZ 理論在磷酸銨生產裝置改造中的應用

王平飛, 何春云, 王雁芬

(云南云天化紅磷化工有限公司 云南開遠 661699)

TRIZ 理論來源于專利,1946 年由前蘇聯科學家根里奇·阿奇舒勒創立。TRIZ 理論的應用是以產生專利為目標,幫助企業提高自主創新的能力。 TRIZ 理論包括8 大系統進化法則、39 個通用工程參數、39×39 矛盾矩陣、40 條創新原理、76 個標準解、100 個科學效應等內容,是科技創新的重要手段和提高創新能力的重要工具,可以有目標地解決在科技創新中無法解決的問題,能消除盲目,減少資源浪費,節約時間、勞動力,同時還可為科技研發創新擇取捷徑。

1 問題背景和描述

1.1 現狀分析

云南云天化紅磷化工有限公司(以下簡稱云南紅磷化工公司)180 kt/a 磷酸銨生產裝置于2001 年投產,原設計生產能力為90 kt/a。 經過一系列的技改、工藝指標的優化,到2011 年底,該裝置產能已提升至180 kt/a。 該裝置采用預中和+管式反應器(PR+PN)生產工藝技術,既可生產粒狀磷酸二銨,又可生產粒狀磷酸一銨和復合肥。在生產過程中,因化學反應溫度較高,磷酸銨料漿噴灑在造粒機料床上,經黏結、涂布、自成粒等3 種形式成粒后,半成品需先通過干燥窯烘干降低產品水分,再經篩分、冷卻、包裝等工序得到磷酸二銨產品。 現有冷卻設備為轉鼓冷卻窯(以下簡稱冷卻窯),利用抄板將磷酸二銨抄起以實現降溫,不僅能耗高,且產品溫度得不到有效降低,導致產品包裝溫度較高。 產品包裝溫度高容易出現以下結果:①產品泛白,影響產品外觀質量;②產品結塊;③包裝袋損壞;④散裝庫運行費用高。 180 kt/a 磷酸銨生產裝置生產64%磷酸二銨時的產品溫度監控情況見表1。

表1 180 kt/a 磷酸銨生產裝置生產64%磷酸二銨時的產品溫度監控情況

1.2 冷卻窯工作原理

冷卻窯由抄板、筒體、大齒圈、傳動裝置、帶擋輪支撐、物料進出口、氣體進出口等組成,采用自然風作為冷源,轉動方式為順流式。 物料從冷卻窯進料口進入,自然風從冷卻窯出料口進入,回轉壁上的抄板將物料揚起與自然風進行熱量交換,產生的混合熱氣體被風機抽出。 180 kt/a 磷酸銨生產裝置中的冷卻窯結構見圖1。

圖1 180 kt/a 磷酸銨生產裝置中的冷卻窯結構

1.3 類似問題的現有解決方案及評價

結合云南紅磷化工公司實際情況,查閱了國內關于磷肥生產企業對產品冷卻的解決方案,分析了方案的優缺點,并進行了評價(見表2),評價結果均為不滿意。

表2 目前磷肥生產企業對產品冷卻采取的主要措施

2 問題分析過程

為了解決產品包裝溫度過高的問題,采用TRIZ 方法進行系統的分析,以期找到問題的主要矛盾。

2.1 價值流圖分析

生產過程中有浪費現象,價值流圖是實施精益系統、消除過程浪費的基礎和關鍵點,繪制的價值流圖見圖2。

圖2 價值流圖

通過分析圖2 可以發現,冷卻窯的設計處理能力為15 t/h,而實際生產需要冷卻的產品量為25 t/h,冷卻窯的設計能力無法滿足生產的實際需求。

2.2 功能分析

功能分析是價值工程活動的核心和重要手段,包括功能定義和功能整理兩方面的內容。 通過分析信息資料,用動詞和名詞的組合簡明、準確地表達各對象的功能,明確功能的特性要求,并繪制冷卻系統的功能分析模型,見圖3。

圖3 冷卻系統的功能分析模型

通過現有冷卻系統的功能分析模型,找出了1 個有害因素和6 個不足因素。 1 個有害因素為水分附著于化肥產品;6 個不足因素分別為輸送皮帶作用于化肥產品、抄板作用于化肥產品、散裝庫作用于化肥產品、外部空氣作用于化肥產品、冷卻風機作用于冷卻窯內部空間、冷卻窯作用于化肥產品。

2.3 因果鏈分析

因果鏈分析從初始問題、缺點開始,分析其影響因素,得出中間缺點,再繼續挖掘下一層級的影響因素,直至末端缺點,并繪制產品包裝溫度高的因果分析圖,見圖4。

圖4 產品包裝溫度高的因果分析圖

通過因果鏈分析找到3 個問題關鍵點,即冷卻窯處理能力不足、散裝庫面積不足、風機抽風量不足。

2.4 理想解分析

理想解是針對已有系統提出的未來應該具有的狀態,最終理想解(IFR)是系統的終極理想狀態,但很難達到。 理想解分析就是為了確定系統改進時能夠達到的目標,同時列出最終理想解分析表,見表3。

表3 最終理想解分析表

根據理想解分析,要達到的理想狀態為進入冷卻窯的產品能夠自動降溫,且安全環保。

2.5 可用資源分析

資源分析就是從系統的高度來研究和分析資源,挖掘系統的隱性資源,實現系統中隱性資源顯性化、顯性資源系統化,強調資源的聯系與配置,合理地組合、配置、優化資源結構,提升系統資源的應用價值或理想度(或資源價值),同時列出系統內部資源和系統外部資源,見表4。

表4 系統內部資源和外部資源

通過對系統內外部資源分析,找到循環冷卻水、重力場、溫度場、自然風等多種可利用的資源。

3 問題求解過程

3.1 冷卻窯處理能力不足問題

3.1.1 技術矛盾

技術矛盾就是一個參數的優化會引起另一個參數的惡化。 查找沖突矩陣表對應的發明原理,列出技術矛盾并提出解決方案,見表5。

表5 技術矛盾及所提方案

3.1.2 物理矛盾

物理矛盾是指當一個技術系統的工程參數具有相反的需求時出現的矛盾,列出的物理矛盾見表6。

表6 物理矛盾

考慮到“風量”在不同的時間、空間、系統層次上具有不同的特性,因此從時間、空間及系統上進行分離并提出方案,見表7。

表7 根據分離原理提出的方案

3.1.3 物質-場分析

物場分析法是指通過分析技術系統內部構成要素間相互關系、相互作用而導致技術創造的一種方法。 以冷卻窯對化肥產品的冷卻作用不足,建立問題的物質-場模型,見圖5。

圖5 改進前后的物質-場模型

76 個標準解法反映了技術系統必然的進化過程和進化方向,根據76 個標準解S1.2.1 系統無法改變,引入S3消除有害效應,提出方案9(在冷卻機入口處新增冷源)。

3.2 散裝庫面積不足問題

科學效應是普遍存在于各領域的特定科學現象,包括物理、化學、幾何、生物等在科學理論指導下,實施科學現象的技術結果,即在效應物質中,按照科學原理輸入量轉化為輸出量,并施加在作用對象上,以實現相應的功能。

通過科學效應應用(表8)實施的5 個步驟,運用篩選效應與現象為E63 冷卻,提出方案10(將散裝庫由單層改為多層空間堆放產品,減小產品堆積厚度,降低產品溫度)。

表8 科學效應應用

3.3 風機抽風量不足問題

由功能分析得到已有產品中存在的小問題可通過裁剪來解決,將問題功能對應的元件刪除,以改善整個功能模型。 通過功能裁剪分析,將冷卻風機裁減掉,提出方案11(利用引風機抽取冷卻機內熱風來實現抽風功能),見圖6。

圖6 裁剪前后的功能模型

4 問題的解

將以上問題求解過程所提出的方案進行匯總,然后根據成本、效益、能耗、目標等進行綜合性評估(用☆表示,☆越多表示方案越優),結果見表9。

表9 方案匯總

根據表9,將方案5、7、11 合并成總方案:取消冷卻風機,采用熱風爐引風機抽風,將冷卻窯改為立式冷卻機,利用夾套冷卻水與產品逆流換熱。繪制的改造后的工藝流程見圖7。

圖7 改造后的工藝流程

5 結語

本文中的方案主要運用TRIZ 理論中的功能分析、因果鏈分析、最終理想解、可用資源分析、技術矛盾、物理矛盾、物質-場分析、科學效應和功能裁剪等方法,找到最優方案來解決磷酸銨生產裝置冷卻窯處理能力不足的問題。 方案在云南紅磷化工公司180 kt/a 磷酸銨生產裝置上實施,成功使磷酸二銨產品包裝溫度由60 ℃降至39 ℃,改善了現場環境,減少了尾氣洗滌處理量,裝置運行穩定,降低了生產成本。 云南紅磷化工公司270 kt/a 磷酸銨生產裝置、300 kt/a 復合肥生產裝置也已相繼采用該方案實施改造。