基于TRIZ解決催化裂化催化劑粉塵污染問題的創(chuàng)新設(shè)計

孫鋼

1 項目簡介

催裂化裝置是煉廠重要的核心煉油裝置，目前各催裂化裝置催化劑在壓劑、卸劑、收劑的過程中均依靠蒸汽噴射器為催化劑罐提供負(fù)壓環(huán)境，蒸汽噴射器將催化劑罐中催化劑粉塵和蒸汽一同抽出噴灑到大氣環(huán)境中造成粉塵污染。2016年起，催裂化裝置廢催化劑已經(jīng)被列入國家危險廢物名錄，采取措施治理催化劑粉塵污染這一行業(yè)共性問題勢在必行。

2 問題描述

2.1 基本情況

目前使用蒸汽噴射器給催化劑罐抽負(fù)壓主要有以下幾項工作內(nèi)容：

1）自三旋回收催化劑儲罐V108向廢劑罐V103壓廢催化劑，簡稱壓劑工作；

2）自催化反再系統(tǒng)的再生器R102向廢劑罐V103卸出平衡催化劑，簡稱卸劑工作；

3）自外來運輸?shù)男迈r催化劑收入到新鮮催化劑儲罐V101、V102，簡稱收劑工作。

在這三種工作中，都是用蒸汽噴射器將催化劑罐抽成負(fù)壓，然后與催化劑來料打通流程后，通過壓力差將粉末狀催化劑輸送到催化劑儲罐中的。為了提供負(fù)壓，蒸汽噴射器連接在催化劑罐頂，由于蒸汽噴射時形成流動，將催化劑罐內(nèi)上部空間里彌漫的催化劑粉塵抽走，經(jīng)蒸汽噴射器后噴撒到外部形成粉塵污染。

已經(jīng)采取的措施有：1）在催化劑罐頂設(shè)計了旋風(fēng)分離器，將抽走的催化劑粉塵在旋風(fēng)分離器內(nèi)進行分離，把收集的催化劑粉塵返回儲罐。2）在蒸汽噴射器的出口安裝了跑逸催化劑回收箱，將蒸汽夾帶的催化劑粉塵匯集到箱中。3）在跑逸催化劑回收箱上設(shè)計了噴淋水，在冷卻蒸汽的同時洗滌催化劑粉塵。

然而在采取了以上措施后，現(xiàn)場仍有大量蒸汽自回收箱內(nèi)噴出，催化劑粉塵四溢，現(xiàn)場環(huán)境受到污染，工作環(huán)境惡劣。需要采用創(chuàng)新方法來解決問題。通過TRIZ理論對系統(tǒng)進行分析，利用TRIZ理論的解題工具提供的方案，對催化劑系統(tǒng)進行改造，在改造少和費用低前提下，做到在壓劑、轉(zhuǎn)劑、卸劑工作時減少乃至消除催化劑粉塵污染。

3 解題過程

通過對催化劑收、壓、卸劑系統(tǒng)的描述，利用TRIZ理論解題的步驟如下：

3.1 組件模型

首先利用TRIZ理論對系統(tǒng)進行了分析，建立了系統(tǒng)的組件列表。

根據(jù)組件列表，逐一構(gòu)建系統(tǒng)組件之間的作用關(guān)系

根據(jù)組件之間的作用關(guān)系，構(gòu)建了組件模型，對蒸汽有害的吹散作用，過度的抽取作用，分離的不足作用等功能結(jié)構(gòu)進行了明確。

3.2 應(yīng)用系統(tǒng)裁剪法對組件模型進行裁剪

從組件模型出發(fā)，應(yīng)用系統(tǒng)裁剪法。首先，對組件進行價值度評價，蒸汽有害作用最大，價值度最低，優(yōu)先裁剪，裁剪蒸汽后，蒸汽噴射器也被裁剪。但是蒸汽噴射器提供差壓實現(xiàn)催化劑輸送，這一有用功能必須保留，經(jīng)過計算，認(rèn)為可以在降低管道阻力的前提下實現(xiàn)自服務(wù)，用系統(tǒng)內(nèi)組件資源“壓劑線”，提供催化劑輸送這一有用功能，代替了被裁剪組件。

3.2.1 如何增強噴嘴對洗塵水的分散效果

增強洗塵水對粉塵的洗滌效果，要改善噴嘴對洗塵水的分散作用，根據(jù)物理矛盾，查詢矛盾矩陣，選用10、35發(fā)明原理，通過“物場分析法”得到方案：在環(huán)管上增設(shè)高效噴嘴。

改善洗塵水與粉塵混合物的接觸效果。可以采用更好的中間接觸媒介，讓洗塵水在塔板或者填料上更好地洗滌粉塵。

3.2.2 如何增強洗塵水對催化劑粉塵的粘附作用

為了解決增強洗塵水對催化劑粉塵的粘附作用的問題，應(yīng)用“物場分析法”尋找解決思路，根據(jù)S2.2.2 增加分割程度原理得到方案：采用塔板、填料等中間接觸媒介改善粘附作用。

3.2.3 如何增強旋風(fēng)分離器對廢催化劑分離作用

為了解決增強旋風(fēng)分離器對廢催化劑分離作用的問題，根據(jù)S2.1 轉(zhuǎn)化為復(fù)雜物場模型原理得到方案：多級旋風(fēng)分離器。

通過“標(biāo)準(zhǔn)解法”得到方案：通過增加一級旋風(fēng)分離器。保證了旋風(fēng)分離器對催化劑粉塵的分離作用足夠強。

3.2.4 如何增強回收箱對廢催化劑分離作用

為了解決回收箱對廢催化劑分離不足的問題，應(yīng)用九屏幕法來尋找資源：

通過“九屏幕法”得到方案有：（1）用自壓系統(tǒng)提供壓力差，不用蒸汽；（2）采用催化劑洗滌回收塔；（3）采用噴淋環(huán)管；（4）采用液環(huán)真空泵；（5）防止蒸汽跑逸的液體封溢流管。

3.3 How To模型

在新的組件模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建問題的HOW to模型

（1）如何增強噴嘴對洗塵水分散作用不足的問題？

（2）如何增強洗塵水對廢催化劑粘附作用不足的問題？

（3）如何增強旋風(fēng)分離器對廢催化劑分離作用不足的問題？

（4）如何增強回收箱對廢催化劑分離作用不足的問題？

4 方案評價

通過采用TRIZ理論對催化劑壓劑、卸劑、收劑產(chǎn)生粉塵污染的問題進行分析和求解，得到了各種解決方案，將方案進行匯總，見表1。

從成本、維護和有用功能三個維度對以上11種方案進行評價，得到各種方案的價值，為最終方案提供依據(jù)（見表2）。評價方式：成本權(quán)重：30%；維護權(quán)重：20%；有用功能：50%。方案價值計算公式為：

5 最終方案

采用TRIZ理論對催化劑壓劑、卸劑、收劑產(chǎn)生粉塵污染的問題得到的解決方案，對各種方案從成本、維護和有用功能三個維度進行評價，評價后采用了方案一、方案二、方案四、方案七、方案十和方案十一匯總形成了最終方案，對催化劑壓劑、卸劑、收劑系統(tǒng)進行改造。

催化劑分離和輸送的壓力差，壓劑時由催化三旋回收催化劑儲罐V108與催化劑罐之間差壓提供，卸劑時由催化再生器R102與催化劑罐之間差壓提供，收劑時由充壓送劑槽車與催化劑罐之間差壓提供。

催化劑罐頂旋風(fēng)分離器出口取消蒸汽噴射器，增設(shè)帶有旋分功能的跑逸催化劑洗滌筒，進一步回收催化劑粉塵。為了有效改善粉塵的洗滌回收效果，在洗滌筒和排空管內(nèi)增設(shè)洗塵水，采用環(huán)管噴淋噴嘴結(jié)構(gòu)提高洗塵水分布，采用類似催化分餾塔下部人字擋板塔盤結(jié)構(gòu)增加對催化劑粉塵的洗滌效果。

最終方案的創(chuàng)新點在于：一、催化劑依靠設(shè)備間壓力差自動輸送，僅就不再耗費驅(qū)動蒸汽一項，每年能節(jié)約上百萬元。二、將創(chuàng)新方法設(shè)計的洗滌、降溫、分離多種功能結(jié)構(gòu)整合在一個緊湊的洗滌筒內(nèi)部，結(jié)構(gòu)上可以自動排漿，有效抗塵泥堵塞，在進一步采用遠程控制閥的情況下，可以提高自動化程度，在實施壓劑、卸劑等操作時。無需人員到現(xiàn)場，遠程即可操作。這一設(shè)計方案得到了中國燃料與潤滑劑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)委員會秘書長、中石化科技部原副主任徐惠等專家的高度評價。獲得了2017年全國企業(yè)創(chuàng)新大賽一等獎。

責(zé)編/魏曉文