TRIZ理论在磷酸铵生产装置改造中的应用.pdf

58 肥料与健康第 50 卷 第 3 期DOI:10.3969/j.issn.2096-7047.2023.03.014TRIZ 理论在磷酸铵生产装置改造中的应用王平飞,何春云,王雁芬(云南云天化红磷化工有限公司 云南开远 661699)摘 要:由于磷酸铵生产装置中的转鼓冷却窑的冷却能力不足,导致磷酸二铵产品包装温度过高,不仅造成包装袋易损坏,而且影响产品的外观质量。运用 TRIZ 理论中的功能分析、因果链分析、最终理想解、可用资源分析、技术矛盾、物理矛盾、物质-场分析、科学效应、功能裁剪等方法,寻找最优的改造方案。采用热风炉引风机抽风,取消冷却风机;将转鼓冷却窑改为立式冷却器,利用夹套冷却水与产品逆流换热。改造方案实施后,解决了磷酸二铵产品包装温度过高的问题。关键词:TRIZ 理论;磷酸二铵;包装温度;转鼓冷却窑;立式冷却器中图分类号:TQ442.14文献标志码:B文章编号:2096-7047(2023)03-0058-07Application of TRIZ Theory in the Renovation of Ammonium Phosphate Production UnitWANG Pingfei,HE Chunyun,WANG Yanfen(Yunnan Yuntianhua Honglin Chemical Co.,Ltd.,Kaiyuan,Yunnan 661699,China)Abstract:Due to the insufficient cooling capacity of rotary drum cooling kiln in ammonium phosphate production unit,which leads to high packaging temperature of diammonium phosphate products.The problem not only causes easy damage to the packaging bags but also affects the appearance quality of the products.Functional analysis,causal chain analysis,final ideal solution,available resources analysis,technical contradiction,physical contradiction,substance-field analysis,scientific effect and functional tailoring in TRIZ theory are used to find the optimal transformation solution.By adopting the hot blast furnace induced draft fan to extract air and cancel the cooling fan,changing the rotary drum cooling kiln into a vertical cooler,and using the jacket cooling water to heat exchange with the product against the flow,the problem of high packing temperature of diammonium phosphate products is solved after the implementation of the transformation plan.Keywords:TRIZ theory;diammonium phosphate;packaging temperature;rotary drum cooling kiln;vertical cooler作者简介:王平飞(1985),男,大学本科,化工工艺高级工程师,主要从事磷肥与复肥技术研发工作; TRIZ 理论来源于专利,1946 年由前苏联科学家根里奇阿奇舒勒创立。TRIZ 理论的应用是以产生专利为目标,帮助企业提高自主创新的能力。TRIZ 理论包括8 大系统进化法则、39 个通用工程参数、3939 矛盾矩阵、40 条创新原理、76 个标准解、100 个科学效应等内容,是科技创新的重要手段和提高创新能力的重要工具,可以有目标地解决在科技创新中无法解决的问题,能消除盲目,减少资源浪费,节约时间、劳动力,同时还可为科技研发创新择取捷径。1 问题背景和描述1.1 现状分析 云南云天化红磷化工有限公司(以下简称云2023 年 6 月王平飞等:TRIZ 理论在磷酸铵生产装置改造中的应用59 南红磷化工公司)180 kt/a 磷酸铵生产装置于2001 年投产,原设计生产能力为 90 kt/a。经过一系列的技改、工艺指标的优化,到 2011 年底,该装置产能已提升至 180 kt/a。该装置采用预中和+管式反应器(PR+PN)生产工艺技术,既可生产粒状磷酸二铵,又可生产粒状磷酸一铵和复合肥。在生产过程中,因化学反应温度较高,磷酸铵料浆喷洒在造粒机料床上,经黏结、涂布、自成粒等3 种形式成粒后,半成品需先通过干燥窑烘干降低产品水分,再经筛分、冷却、包装等工序得到磷酸二铵产品。现有冷却设备为转鼓冷却窑(以下简称冷却窑),利用抄板将磷酸二铵抄起以实现降温,不仅能耗高,且产品温度得不到有效降低,导致产品包装温度较高。产品包装温度高容易出现以下结果:产品泛白,影响产品外观质量;产品结块;包装袋损坏;散装库运行费用高。180 kt/a 磷酸铵生产装置生产 64%磷酸二铵时的产品温度监控情况见表 1。表 1 180 kt/a 磷酸铵生产装置生产 64%磷酸二铵时的产品温度监控情况项目本地气温/生产负荷/(t h-1)物料温度/成品温度/造粒窑干燥窑冷却窑散装库包装2017 年 4 月 14 日监测292599947875552017 年 4 月 20 日监测2825100917473542017 年 4 月 30 日监测282599917667522017 年 5 月 9 日监测302597927568562017 年 5 月 10 日监测302510092806753平均值292599927770541.2 冷却窑工作原理 冷却窑由抄板、筒体、大齿圈、传动装置、带挡轮支撑、物料进出口、气体进出口等组成,采用自然风作为冷源,转动方式为顺流式。物料从冷却窑进料口进入,自然风从冷却窑出料口进入,回转壁上的抄板将物料扬起与自然风进行热量交换,产生的混合热气体被风机抽出。180 kt/a 磷酸铵生产装置中的冷却窑结构见图 1。图 1 180 kt/a 磷酸铵生产装置中的冷却窑结构1.3 类似问题的现有解决方案及评价 结合云南红磷化工公司实际情况,查阅了国内关于磷肥生产企业对产品冷却的解决方案,分析了方案的优缺点,并进行了评价(见表 2),评价结果均为不满意。2 问题分析过程 为了解决产品包装温度过高的问题,采用TRIZ 方法进行系统的分析,以期找到问题的主要矛盾。2.1 价值流图分析 生产过程中有浪费现象,价值流图是实施精益系统、消除过程浪费的基础和关键点,绘制的价值流图见图 2。通过分析图 2 可以发现,冷却窑的设计处理能力为 15 t/h,而实际生产需要冷却的产品量为60 肥料与健康第 50 卷 第 3 期 表 2 目前磷肥生产企业对产品冷却采取的主要措施主要措施优点缺点方案评价更换大型冷却机能降低产品冷却温度占地面积和投资大,需停产技改不满意增加散装库散热能降低产品冷却温度,投资小,无需停产技改占地面积大,扬尘严重,翻运成本高不满意增大冷却风机能力能降低产品冷却温度尾气排放量增加不满意新增一套冷却系统能降低产品冷却温度,无需停产技改占地面积和投资大不满意图 2 价值流图25 t/h,冷却窑的设计能力无法满足生产的实际需求。2.2 功能分析 功能分析是价值工程活动的核心和重要手段,包括功能定义和功能整理两方面的内容。通过分析信息资料,用动词和名词的组合简明、准确地表达各对象的功能,明确功能的特性要求,并绘制冷却系统的功能分析模型,见图 3。图 3 冷却系统的功能分析模型 通过现有冷却系统的功能分析模型,找出了1 个有害因素和 6 个不足因素。1 个有害因素为2023 年 6 月王平飞等:TRIZ 理论在磷酸铵生产装置改造中的应用61 水分附着于化肥产品;6 个不足因素分别为输送皮带作用于化肥产品、抄板作用于化肥产品、散装库作用于化肥产品、外部空气作用于化肥产品、冷却风机作用于冷却窑内部空间、冷却窑作用于化肥产品。2.3 因果链分析 因果链分析从初始问题、缺点开始,分析其影响因素,得出中间缺点,再继续挖掘下一层级的影响因素,直至末端缺点,并绘制产品包装温度高的因果分析图,见图 4。图 4 产品包装温度高的因果分析图 通过因果链分析找到 3 个问题关键点,即冷却窑处理能力不足、散装库面积不足、风机抽风量不足。2.4 理想解分析 理想解是针对已有系统提出的未来应该具有的状态,最终理想解(IFR)是系统的终极理想状态,但很难达到。理想解分析就是为了确定系统改进时能够达到的目标,同时列出最终理想解分析表,见表 3。根据理想解分析,要达到的理想状态为进入冷却窑的产品能够自动降温,且安全环保。2.5 可用资源分析 资源分析就是从系统的高度来研究和分析资 表 3 最终理想解分析表IFR 实施推演 6 步法分析结果设计的最终目标是什么?降低产品包装温度至40 问题的最终理想解是什么?产 品能 够 自 动 降 温 至 40,安全环保达到理想解的障碍是什么?冷却窑、散装库、输送皮带降温效果差出现这种障碍的结果是什么?产品包装温度超过 40,产品出现质量问题不出现这种障碍的条件是什么?进入冷却窑、散装库物料的热量被有效带走创造这些条件可用的资源是什么?物质资源、场资源、其他资源源,挖掘系统的隐性资源,实现系统中隐性资源显性化、显性资源系统化,强调资源的联系与配置,62 肥料与健康第 50 卷 第 3 期合理地组合、配置、优化资源结构,提升系统资源的应用价值或理想度(或资源价值),同时列出系统内部资源和系统外部资源,见表 4。通过对系统内外部资源分析,找到循环冷却水、重力场、温度场、自然风等多种可利用的资源。3 问题求解过程3.1 冷却窑处理能力不足问题3.1.1 技术矛盾 技术矛盾就是一个参数的优化会引起另一个参数的恶化。查找冲突矩阵表对应的发明原理,列出技术矛盾并提出解决方案,见表 5。3.1.2 物理矛盾 物理矛盾是指当一个技术系统的工程参数具有相反的需求时出现的矛盾,列出的物理矛盾见表 6。表 4 系统内部资源和外部资源资源类别资源名称可用性分析系统内部资源物质资源场资源其他资源冷却风机加大抽风机抽风量,对物料进行冷却冷却窑筒体 实现物料均匀抛撒输送皮带增大输送皮带的宽度,降低产品密度散装库加大散装库堆存空间低温场直接冷却物料机械场增加物料接触面积冷却时间增加冷却作用时间系统外部资源物质资源场资源其他资源自然风冷却化肥产品循环冷却水 提高换热效率,降低产品温度冰机产生低于常温的冷风高温场将冷却窑出口热风引入干燥窑重力场分散物料,减少能耗抽风量加大抽风量,提高冷却效率表 5 技术矛盾及所提方案冲突描述转换成 TRIZ标准冲突查找冲突矩阵表得到对应的发明原理提出的方案 为了降低产品包装温度,需要加大冷却风量,但会导致冷却尾气处理量增加优化的参数:温度恶化的参数:物质的量3 局部质量 方案 1:改变电机功率,提高风机风量17 多维化 方案 2:直型抄板改为倾斜型抄板30 柔性壳体和薄膜材料 方案 3:将冷却窑的材质改为具有散热功能的新型材质39 惰性环境 方案 4:在冷却窑内充入氮气表 6 物理矛盾描述物理冲突解决过程冲突描述为了“降低温度”,需要“增大风量”为了“尾气达标排放”,需要“减少风量”参数描述风量增大,降低产品温度风量减少,尾气排放达标 考虑到“风量”在不同的时间、空间、系统层次上具有不同的特性,因此从时间、空间及系统上进行分离并提出方案,见表 7。3.1.3 物质-场分析 物场分析法是指通过分析技术系统内部构成要素间相互关系、相互作用而导致技术创造的一种方法。以冷却窑对化肥产品的冷却作用不足,建立问题的物质-场模型,见图 5。76 个标准解法反映了技术系统必然的进化过程和进化方向,根据 76 个标准解 S1.2.1 系统 表 7 根据分离原理提出的方案分离原理提出的方案空间分离 方案 5:将冷却窑改为立式冷却机时间分离 方案6:在增大抽风量的情况下,增大尾气处理能力系统分离 方案7:利用夹套水冷却代替自然风冷却,将产品与冷源分离 方案 8:将冷却风机抽取的风量供热风炉引风机使用图 5 改进前后的物质-场模型2023 年 6 月王平飞等:TRIZ 理论在磷酸铵生产装置改造中的应用63 无法改变,引入 S3消除有害效应,提出方案 9(在冷却机入口处新增冷源)。3.2 散装库面积不足问题 科学效应是普遍存在于各领域的特定科学现象,包括物理、化学、几何、生物等在科学理论指导下,实施科学现象的技术结果,即在效应物质中,按照科学原理输入量转化为输出量,并施加在作用对象上,以实现相应的功能。通过科学效应应用(表 8)实施的 5 个步骤,运用筛选效应与现象为 E63 冷却,提出方案 10(将散装库由单层改为多层空间堆放产品,减小产品堆积厚度,降低产品温度)。表 8 科学效应应用科学效应实施5 个步骤找出对应的科学效应库名称及功能代码问题的功能?扩大面积,降低温度找到功能代码?F23 改变对象内部的状态或性质功能与现象?E94 相变;E63 冷却;E62 扩散;E20 弹性变形筛选效应现象E63 冷却;E62 扩散;E20 弹性变形运用筛选效应与现象E63 冷却3.3 风机抽风量不足问题 由功能分析得到已有产品中存在的小问题可通过裁剪来解决,将问题功能对应的元件删除,以改善整个功能模型。通过功能裁剪分析,将冷却风机裁减掉,提出方案 11(利用引风机抽取冷却机内热风来实现抽风功能),见图 6。图 6 裁剪前后的功能模型4 问题的解 将以上问题求解过程所提出的方案进行汇总,然后根据成本、效益、能耗、目标等进行综合性评估(用表示,越多表示方案越优),结果见表 9。表 9 方案汇总序号方案名称所用创新原理可用性评估最优选择方案 1改变电机功率,提高风机风量发明原理 3方案 2直型抄板改为倾斜型抄板发明原理 17方案 3将冷却窑的材质改为具有散热功能的新型材质发明原理 30方案 4在冷却窑内充入氮气发明原理 39方案 5将冷却窑改为立式冷却机空间分离方案 6在增大抽风量的情况下,增大尾气处理能力时间分离方案 7利用夹套水冷却代替自然风冷却,将产品与冷源分离系统分离方案 8将冷却风机抽取的风量供热风炉引风机使用系统分离方案 9在冷却机入口处增加新冷源76 个标准解 S1.2.1方案 10将散装库由单层改为多层空间堆放产品,减小产品堆积厚度,降低产品温度E63 冷却方案 11利用引风机抽取冷却机内热风来实现抽风功能发明原理 2264 肥料与健康第 50 卷 第 3 期 根据表 9,将方案 5、7、11 合并成总方案:取消冷却风机,采用热风炉引风机抽风,将冷却窑改为立式冷却机,利用夹套冷却水与产品逆流换热。绘制的改造后的工艺流程见图 7。图 7 改造后的工艺流程5 结语 本文中的方案主要运用 TRIZ 理论中的功能分析、因果链分析、最终理想解、可用资源分析、技术矛盾、物理矛盾、物质-场分析、科学效应和功能裁剪等方法,找到最优方案来解决磷酸铵生产装置冷却窑处理能力不足的问题。方案在云南红磷化工公司 180 kt/a 磷酸铵生产装置上实施,成功使磷酸二铵产品包装温度由 60 降至 39,改善了现场环境,减少了尾气洗涤处理量,装置运行稳定,降低了生产成本。云南红磷化工公司270 kt/a 磷酸铵生产装置、300 kt/a 复合肥生产装置也已相继采用该方案实施改造。(收到修改稿日期 2023-04-21)(上接第 57 页)3.4 针对棒磨机筒体漏浆采取的措施及效果 为解决密封压套与筒体之间无法完全接触的问题,在压盖和筒体间增设了金属钢圈,螺栓紧固力通过压盖、压套和钢圈最后传递至棒磨机筒体,使压盖与压套间、压套与钢圈间、钢圈与棒磨机筒体间形成刚性连接。同时在每个螺栓孔中注入凝胶,用凝胶填充螺栓与螺栓孔之间的间隙,防止煤浆泄漏。改造完成后,棒磨机运行状态良好,2 年内筒体较少出现漏浆。4 结语 通过原因分析并采取有针对性的改造措施后,煤浆含量偏低、高压煤浆泵和煤浆槽搅拌器频繁跳车、棒磨机筒体严重漏浆等问题均得到有效解决,煤浆质量分数由 59.5%提高至 61.5%,气化炉比煤耗由 610 kg 降至 580 kg,比氧耗由420 m3降至 410 m3,合成气中有效气体(C0+H2)的体积分数由 79%提高至 80%。参考文献 1 唐凤金,张宗飞,游伟,等.提高水煤浆成浆浓度的几种方法J.化学工业,2014,32(6):27-30.2 赵国华,王秋粉,陈良勇,等.温度对高浓度水煤浆流变特性的影响J.锅炉技术,2007,38(6):74-78.3 李刚.煤浆槽搅拌器异常晃动分析处理与优化J.煤化工,2021,49(2):64-68.4 赵瑞强,高志刚,张临乐.GE 水煤浆气化煤浆制备运行情况总结J.天然气化工,2017,42(4):62-65.(收到修改稿日期 2022-10-28)