基于TRIZ理論的環(huán)保底濾法高爐爐渣處理系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

婁娟娟，王得剛

（中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

高爐煉鐵會(huì)得到主產(chǎn)品——鐵水，還會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)品——高溫液態(tài)熔渣，目前普遍采用水沖渣工藝對(duì)熔渣進(jìn)行粒化處理。水沖渣工藝根據(jù)渣水分離方式的不同，大致可歸為沉淀過(guò)濾和機(jī)械過(guò)濾兩種。水沖渣工藝的主要流程如圖1所示。

圖1 水沖渣工藝的主要流程

傳統(tǒng)底濾法爐渣的沖制與淬化在沖渣溝內(nèi)完成，利用過(guò)濾池進(jìn)行渣水分離，存在下列缺陷：

（1）沖渣溝沖渣易爆炸，安全性差。

（2）蒸汽排放量大，環(huán)境差。

（3）過(guò)濾池占地面積大。

（4）帶水抓渣，水渣外運(yùn)時(shí)有渣水溢撒，環(huán)境影響惡劣。

隨著機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展，包括轉(zhuǎn)鼓法在內(nèi)的一系列機(jī)械過(guò)濾沖渣工藝在高爐上得到應(yīng)用。其主要缺點(diǎn)包括：

（1）工藝設(shè)備復(fù)雜，一次性投資及運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高。

（2）作業(yè)率較低、故障率較高。

（3）渣水分離效果差。

（4）蒸汽排放量大，環(huán)境差。

傳統(tǒng)底濾法和機(jī)械過(guò)濾法對(duì)高爐爐渣進(jìn)行渣水分離處理，普遍存在安全性較差、含硫蒸汽排放量大環(huán)境差、占地面積大、渣水分離效果差等主要問(wèn)題。隨著我國(guó)環(huán)保形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，以及用戶(hù)對(duì)安全、成本重視程度的不斷提高，為了滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，有必要研發(fā)一種新型高爐爐渣處理系統(tǒng)。

1 TRIZ理論概述

TRIZ是“發(fā)明問(wèn)題解決理論”的俄文簡(jiǎn)稱(chēng)，前蘇聯(lián)人Altshuller分析數(shù)以萬(wàn)計(jì)的專(zhuān)利（后來(lái)擴(kuò)展到250萬(wàn)份），提出專(zhuān)利中解決的問(wèn)題只涉及到39個(gè)技術(shù)參數(shù)之間的矛盾，可應(yīng)用40個(gè)發(fā)明原理中的若干項(xiàng)來(lái)解決。

利用TRIZ理論解決問(wèn)題時(shí)，設(shè)計(jì)者首先將待解決的沖突和問(wèn)題表達(dá)成為T(mén)RIZ問(wèn)題，然后利用TRIZ中的工具，如發(fā)明原理、標(biāo)準(zhǔn)解等，求出該TRIZ問(wèn)題的普適解或稱(chēng)模擬解；最后再把該解轉(zhuǎn)化為技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的解或特解，從而達(dá)到技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化。

2 解決方案

解決問(wèn)題的總體思路：針對(duì)國(guó)內(nèi)外高爐爐渣處理方法普遍存在的問(wèn)題，在傳統(tǒng)底濾法基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，利用TRIZ理論，通過(guò)封閉的?；亟鉀Q安全問(wèn)題，設(shè)置蒸汽冷凝噴淋裝置解決含硫蒸汽排放量大的環(huán)保問(wèn)題，優(yōu)化過(guò)濾池的濾料粒級(jí)分布、提高過(guò)濾效率解決占地面積問(wèn)題，研究新工藝解決渣水分離效果差、水渣外運(yùn)時(shí)的渣水溢撒問(wèn)題；設(shè)置擺動(dòng)渣溝，控制水渣流向。通過(guò)一系列的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，形成全新的環(huán)保底濾高爐渣處理系統(tǒng)。

環(huán)保底濾高爐爐渣處理系統(tǒng)工藝流程如圖2所示，該系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)爐渣處理方法普遍存在的問(wèn)題，將?；c過(guò)濾池相結(jié)合，采用封閉式?；丶罢羝麌娏芾鋮s系統(tǒng)，將過(guò)濾池、冷卻塔、循環(huán)泵組結(jié)合起來(lái)，采用全新的操作工藝，實(shí)現(xiàn)無(wú)水抓渣。

環(huán)保底濾法高爐爐渣處理系統(tǒng)的主要科技創(chuàng)新如下：

2.1 設(shè)置安全封閉的粒化池，確保安全沖渣

圖2 環(huán)保底濾法高爐爐渣處理系統(tǒng)工藝流程

根據(jù)TRIZ創(chuàng)新方法理論，運(yùn)用預(yù)先作用原理和預(yù)先防范原理（TRIZ發(fā)明原理10、11），將熔渣?；胖迷谙鄬?duì)封閉的?；貎?nèi)，在池內(nèi)有一定高度的保護(hù)水位，入口處設(shè)置防護(hù)罩，從一定程度上消除了傳統(tǒng)沖渣溝頭意外爆炸產(chǎn)生的安全隱患；渣水混合物從?；叵路搅鞒觯缌魉畯纳戏降囊缌骺诹鞒?。與傳統(tǒng)底濾法的沖渣溝相比，環(huán)保底濾高爐爐渣處理系統(tǒng)確保了沖渣安全。

圖3 熔渣粒化-?；厥疽鈭D

如圖3所示，熔渣在粒化池內(nèi)進(jìn)行?；?，粒化池內(nèi)有保護(hù)水位，可以確保沖渣安全；同時(shí)，?；毓に囕^沖渣溝工藝系統(tǒng)循環(huán)水量減小，節(jié)省系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本約30%；且系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽能夠集中高空排放，為爐前清潔生產(chǎn)提供保障。

2.2 設(shè)置蒸汽冷凝噴淋裝置，實(shí)現(xiàn)環(huán)保沖渣

根據(jù)TRIZ創(chuàng)新方法理論，運(yùn)用預(yù)先防范原理和變害為利原理（TRIZ發(fā)明原理11、22），如圖4所示在?；厣喜吭O(shè)置高空煙囪，煙囪內(nèi)設(shè)置蒸汽冷凝噴淋裝置，利用沖渣補(bǔ)充水對(duì)蒸汽進(jìn)行噴淋冷凝。實(shí)現(xiàn)蒸汽有組織高空排放的同時(shí)減少含硫蒸汽排放量15%，進(jìn)而減少?zèng)_渣水消耗量。

2.3 優(yōu)化過(guò)濾池濾料粒級(jí)分布，減小過(guò)濾池面積

底濾法工藝的特點(diǎn)在于利用過(guò)濾層實(shí)現(xiàn)渣水的自然分離，過(guò)濾池過(guò)濾模型如圖5所示；采用過(guò)濾池進(jìn)行渣水分離工藝，以粒狀濾料層截留水中懸浮物，通過(guò)多孔介質(zhì)過(guò)濾層的水經(jīng)過(guò)濾管匯集到過(guò)濾主管，水中懸浮物含量＜30mg/L。

圖4 ?；厣戏皆O(shè)置蒸汽冷凝噴淋裝置

圖5 渣水分離-過(guò)濾池過(guò)濾模型

根據(jù)TRIZ創(chuàng)新方法理論，運(yùn)用非對(duì)稱(chēng)原理和組合原理（TRIZ發(fā)明原理4、5），中冶京誠(chéng)通過(guò)試驗(yàn)研究，優(yōu)化過(guò)濾池濾料粒級(jí)分布及過(guò)濾管結(jié)構(gòu)，提高過(guò)濾速度，減少過(guò)濾池?cái)?shù)量，節(jié)省了占地面積，該系統(tǒng)過(guò)濾效果好，沖渣水可以不經(jīng)過(guò)處理，直接進(jìn)行換熱采暖。環(huán)保底濾高爐爐渣處理系統(tǒng)得到的沖渣水情況如圖6所示。

圖6 環(huán)保底濾高爐爐渣處理系統(tǒng)得到的沖渣水

2.4 采用全新的操作工藝，實(shí)現(xiàn)無(wú)水抓渣

根據(jù)TRIZ創(chuàng)新方法理論，運(yùn)用分割原理和周期性作業(yè)原理（TRIZ發(fā)明原理1、19），采用鏈斗機(jī)構(gòu)取渣裝置，將過(guò)濾后的干渣抓取到機(jī)上皮帶機(jī)上。運(yùn)用中介物原理和預(yù)先作用原理（TRIZ發(fā)明原理24、10），使機(jī)上皮帶機(jī)隨鏈斗機(jī)構(gòu)一起移動(dòng)，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的自動(dòng)控制系統(tǒng)達(dá)到無(wú)死角抓渣作業(yè)，并運(yùn)送到旁邊的干渣運(yùn)輸皮帶上。

2.5 設(shè)置擺動(dòng)渣溝，控制水渣流向

環(huán)保底濾系統(tǒng)包括2個(gè)過(guò)濾池和分別與之對(duì)應(yīng)的水渣溝閥門(mén)，2個(gè)過(guò)濾池輪換使用。水渣溝閥門(mén)（圖7）的密封面長(zhǎng)期使用后易產(chǎn)生磨損，造成閥門(mén)不嚴(yán)、漏水的問(wèn)題。

圖7 水渣溝閥門(mén)結(jié)構(gòu)三維圖

根據(jù)TRIZ創(chuàng)新方法理論，運(yùn)用分割原理、多用性原理、動(dòng)態(tài)化原理、中介物原理、氣壓與液壓結(jié)構(gòu)原理（TRIZ 發(fā)明原理 1、6、15、24、29），研發(fā)全新的設(shè)備——擺動(dòng)渣溝。

新研發(fā)的擺動(dòng)渣溝（如圖8所示）利用底部液壓桿的伸縮帶動(dòng)槽體做以軸承為圓心的扇形范圍轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制水渣流向不同的過(guò)濾池。

圖8 擺動(dòng)渣溝

新設(shè)備克服了水渣溝閥門(mén)長(zhǎng)期使用后產(chǎn)生磨損，造成閥門(mén)不嚴(yán)、漏水的問(wèn)題，避免工作人員進(jìn)入過(guò)濾池中進(jìn)行檢修時(shí)被高溫沖渣水燙傷的危險(xiǎn)，減少了安全隱患。

3 實(shí)施效果

環(huán)保底濾高爐爐渣處理系統(tǒng)2009年首次應(yīng)用于江陰興澄特鋼，興澄特鋼工作人員在2016年全國(guó)高爐煉鐵學(xué)術(shù)年會(huì)上介紹了該系統(tǒng)在興澄特鋼的實(shí)施效果。環(huán)保底濾法水渣工藝在興澄3200 m3高爐穩(wěn)定運(yùn)行7年，具有明顯節(jié)水和減少蒸汽污染的效果。該系統(tǒng)投產(chǎn)7年僅更換過(guò)1次過(guò)濾1層的少量濾料，低運(yùn)行成本和低維護(hù)作業(yè)受到用戶(hù)的一致好評(píng)。

4 推廣應(yīng)用情況

環(huán)保底濾高爐爐渣處理技術(shù)已經(jīng)申報(bào)5項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利和6項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利，其中3項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利和6項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利獲得授權(quán)，另有2項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利處于實(shí)審階段。

環(huán)保底濾高爐爐渣處理系統(tǒng)自2007年開(kāi)始研發(fā)以來(lái)，為不斷完善技術(shù)工藝、提升產(chǎn)品性能、獲得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，中冶京誠(chéng)陸續(xù)進(jìn)行了水渣溝閥門(mén)裝置、水渣自動(dòng)取渣裝置、組合式回轉(zhuǎn)支承裝置、擺動(dòng)渣溝、全自動(dòng)取渣系統(tǒng)等多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，形成了整套的環(huán)保底濾高爐爐渣處理系統(tǒng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)TRIZ創(chuàng)新原理的分析，該產(chǎn)品解決了國(guó)內(nèi)外高爐爐渣處理方法普遍存在的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)難題，打破了機(jī)械法在大高爐領(lǐng)域的壟斷地位，提供了環(huán)境友好、生產(chǎn)安全、節(jié)能環(huán)保的高爐爐渣處理產(chǎn)品。