TRIZ理論在蒸發(fā)法處理稀土碳沉廢水中的應(yīng)用

馬麗佳 ，柳召剛 ，李 梅 ，趙治華

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

0 概述

發(fā)明問題解決理論（TRIZ）是指導人們進行發(fā)明創(chuàng)新、解決工程問題的系統(tǒng)化的方法學體系。它是由蘇聯(lián)發(fā)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(tǒng)性創(chuàng)新原理是對大量發(fā)明創(chuàng)造、技術(shù)問題的解決過程進行總結(jié)，得到的科學原理和法則能準確迅速地提出行業(yè)領(lǐng)域中的設(shè)計方法，創(chuàng)造有價值的新概念。

本文是將TRIZ應(yīng)用于稀土碳沉廢水治理工藝中，較徹底解決稀土行業(yè)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(jīng)濟、環(huán)保，促進稀土行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

將TRIZ原理中技術(shù)系統(tǒng)進化法則和沖突解決原理應(yīng)用于三效蒸氨法處理稀土碳沉廢水工藝中，對于解決技術(shù)難題，掌握設(shè)備進化規(guī)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(xiàn)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(shù)系統(tǒng)進化法則及沖突解決原理

技術(shù)系統(tǒng)的定義為：由具有相互聯(lián)系的元件與運作所組成的、以實現(xiàn)某種功能或職能的事物的集合。技術(shù)系統(tǒng)是由多個子系統(tǒng)組成的，并通過子系統(tǒng)間的相互作用實現(xiàn)一定的功能。技術(shù)系統(tǒng)的進化是遵循某些客觀規(guī)律的，通過對大量專利的分析研究，阿奇舒勒發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品通過不同的技術(shù)路線向理想解方向進化，并提出了八大類技術(shù)系統(tǒng)進化法則。運用這些法則，可以解決技術(shù)系統(tǒng)未來的發(fā)展方向，可以更好的預測出技術(shù)系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。發(fā)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(shù)沖突。技術(shù)沖突是指：一個作用同時導致有用及有害兩種結(jié)果，也可指有用作用的引入或有害效應(yīng)的消除導致一個或幾個子系統(tǒng)或系統(tǒng)變壞。物理沖突是指：為了實現(xiàn)某種功能，一個子系統(tǒng)或元件應(yīng)具有一種特性，但同時出現(xiàn)了與該特征相反的特性。

稀土氨氮廢水主要產(chǎn)生在碳沉工藝，生產(chǎn)一噸的稀土氧化物，要產(chǎn)生 12噸的上清夜，氯化銨的濃度為 6%~12%，產(chǎn)生 6噸左右的淋洗水，氯化銨濃度為0.6g/L。2011年國家發(fā)布的《稀土工業(yè)污染物排放標準》中規(guī)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(chǎn)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(yè)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(yōu)勢，但是在實際的操作應(yīng)用中存在一些不足。主要缺點有：(1)、氯化銨產(chǎn)出量低。通過對北方礦幾家稀土企業(yè)調(diào)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(xiàn)有的蒸氨設(shè)備，按照上述投放碳酸氫銨的量，日處理廢水100m3，實際產(chǎn)出氯化銨僅為1~2噸。氯化銨產(chǎn)出量低的原因主要有：①產(chǎn)出的氯化銨粘稠，不宜生長為氯化銨晶體。②一效蒸發(fā)溫度接近100℃，氯化銨在100℃時揮發(fā)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(yè)造成很大負擔。

圖1 三效蒸發(fā)系統(tǒng)工藝流程圖

3 技術(shù)系統(tǒng)進化法則的應(yīng)用

（1）動態(tài)性進化法則

動態(tài)性進化法則是技術(shù)系統(tǒng)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(chǎn)量每月、每季度不同，所產(chǎn)生的氨氮廢水量是不穩(wěn)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(yè)生產(chǎn)中，大多工廠是將廢水通入三效蒸氨設(shè)備。在廢水量較小的情況下，能耗較高且氯化銨的產(chǎn)出量極低。應(yīng)用TRIZ理論的動態(tài)進化法則，可以將三效蒸氨設(shè)備設(shè)置成可以隨廢水量多少調(diào)節(jié)的裝置，如圖2所示，在蒸氨室內(nèi)通入兩條蒸汽管道，在料液量較大的情況下，關(guān)閉蒸汽2，打開蒸汽1，使用蒸發(fā)室的整個內(nèi)部容積；在料液量較小的情況下，關(guān)閉料液1，打開蒸汽2，使用蒸發(fā)室的半個內(nèi)部容積。這樣一方面可以減少蒸汽的消耗量，節(jié)約能源，一方面提高氯化銨的蒸發(fā)效率。

圖2 三效蒸氨設(shè)備其中一效

②可控制性，技術(shù)系統(tǒng)的進化，應(yīng)該沿著增加系統(tǒng)內(nèi)各部件可控性的方向發(fā)展?，F(xiàn)有的三效蒸氨設(shè)備，各項技術(shù)監(jiān)控尚不完善，對于三效蒸氨的每一效應(yīng)安裝溫度、壓力監(jiān)視裝置。料液入口應(yīng)增加流量和濃度監(jiān)測裝置。以便于隨時掌握設(shè)備的運行情況，提高運行效率。

（2）提高理想度法則

技術(shù)系統(tǒng)的理想度法則是技術(shù)系統(tǒng)向增加其理想化水平的方向進化?，F(xiàn)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(yīng)用提高理想度法則解決三效蒸氨能耗高的方法是：設(shè)定技術(shù)系統(tǒng)最理想的狀態(tài)是不需要花錢而獲得能源，具體做法是，將鍋爐設(shè)備加設(shè)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(jié)約了能源，又綠色環(huán)保。

（3）技術(shù)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性進化法則

進化到高級階段時技術(shù)系統(tǒng)的特征是：子系統(tǒng)為充分發(fā)揮其功能，各參數(shù)之間要有目的地相互協(xié)調(diào)或反協(xié)調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)調(diào)整和配合。應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)調(diào)性進化法則提高氯化銨產(chǎn)出量的方法是：控制冷卻槽內(nèi)氯化銨液體冷卻速度并增加攪拌裝置。

降溫速率對產(chǎn)品粒度分布有著明顯影響，隨著降溫速率的增大，產(chǎn)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(fā)性成核，致使產(chǎn)品主粒度減小，所以在氯化銨的結(jié)晶過程中，應(yīng)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(shù)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(nèi)溶液分散性不好，產(chǎn)生局部過飽和，應(yīng)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(yīng)用

三效蒸氨工藝中，第一個蒸發(fā)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(fā)器內(nèi)的溫度接近于生蒸汽溫度100℃，溫度越高，蒸發(fā)效率越高，且能夠為二效、三效蒸發(fā)器提供熱源，但是氯化銨在100℃時，揮發(fā)量較大，氯化銨損失嚴重。所以第一效蒸發(fā)器溫度升高有利于提高蒸發(fā)效率和氯化銨的揮發(fā)嚴重形成了TRIZ理論的技術(shù)沖突。

在此技術(shù)沖突中，改善的參數(shù)是溫度，在39個通用技術(shù)參數(shù)中對應(yīng)的是17號參數(shù)；惡化的是氯化銨的揮發(fā)，即物質(zhì)的量損失，查詢技術(shù)參數(shù)，對應(yīng)的是23號參數(shù)物質(zhì)損失。查詢阿奇舒勒沖突矩陣表，可以得到四條發(fā)明原理：21 減少有害作用的時間原理、29 氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理。

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

（2）應(yīng)用氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理，可以增加一效蒸發(fā)器的壓強，液體物質(zhì)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(fā)大幅減少。

5 總結(jié)與建議

1）對于蒸發(fā)法處理稀土碳沉廢水工藝存在的不足，應(yīng)根據(jù)稀土行業(yè)生產(chǎn)的特點，改善設(shè)備的可調(diào)節(jié)性，并增加溫度、壓力等監(jiān)控裝置，可以減少能源消耗，準確監(jiān)測設(shè)備運行，提高設(shè)備的運行效率。

2）系統(tǒng)中應(yīng)盡量使用太陽能代替熱能，減少能源消耗，減輕企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營負擔。

3）根據(jù)晶體生長特點，應(yīng)降慢冷卻槽內(nèi)氯化銨液體冷卻速度并增加攪拌裝置，使其均勻穩(wěn)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(fā)器內(nèi)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(jié)構(gòu)原理。通過減少一效蒸發(fā)器內(nèi)體積，從而縮短一效蒸發(fā)的時間。也可以增加一效蒸發(fā)器內(nèi)壓強，從而降低蒸汽的溫度。

[1] ALTSHULLER G S.Creativity as an exact science [M].New-york, N.Y.：Gordon and Breach,1988.

[2] DUCKER P.Innovation and entrepreneurship[M].Cambridge： Harcard Business School,1995.

[3] 趙敏,史曉凌,段海波.TRIZ入門及實踐[M].北京：科學出版社,2009.

[4] 徐起賀,任中普,戚新波.TRIZ創(chuàng)新理論實用指南[M].北京：北京理工大學出版社,2011.

[5] 檀潤華,發(fā)明問題解決理論[M].北京：科學出版社,2004.

[6] 楊玉,氯化銨蒸發(fā)冷卻結(jié)晶過程研究[D].天津：天津大學,2008.