基于TRIZ創(chuàng)新開發(fā)的高爐爐頂均壓煤氣全回收技術(shù)

洪軍 鄭楠 李文琦

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

1.概述

TRIZ理論的創(chuàng)建人為前蘇聯(lián)的根里奇·阿奇舒勒，他分析了世界近250萬份高水平的發(fā)明專利，總結(jié)出各種技術(shù)發(fā)展進(jìn)化遵循的規(guī)律模式，以及解決各種技術(shù)矛盾和物理矛盾的創(chuàng)新原理和法則，建立一個由解決技術(shù)、實現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法和算法組成的綜合理論體系，并綜合多學(xué)科領(lǐng)域的原理和法則，建立起TRIZ理論體系[1~2]。

我國鋼鐵現(xiàn)階段仍以高爐煉鐵工藝為主，高爐冶煉過程是節(jié)能減排的主要環(huán)節(jié)。隨著環(huán)境保護(hù)要求的日益提高，解決高爐爐頂均壓煤氣回收的問題已經(jīng)是刻不容緩的問題[3]。現(xiàn)有均壓煤氣回收技術(shù)已經(jīng)無法滿足當(dāng)下鋼鐵企業(yè)用戶實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的需求，徹底解決高爐爐頂料罐均壓煤氣排放問題勢在必行。

為此，我們基于TRIZ理論，在現(xiàn)有研發(fā)和工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，研發(fā)“高爐爐頂均壓煤氣全回收技術(shù)”。對煤氣回收過程增設(shè)強(qiáng)制回收手段，通過氣體引射對料罐內(nèi)殘余煤氣進(jìn)行強(qiáng)制回收；同時合理設(shè)置強(qiáng)制回收過程的時間起始節(jié)點，縮短整個回收過程的時間，能夠解決煤氣回收過程時間長、影響爐頂裝料作業(yè)率且無法實現(xiàn)煤氣全回收的問題。

2.問題描述及分析

2.1 問題描述

高爐冶煉生產(chǎn)過程中，每次向爐內(nèi)裝料前，爐頂料罐都必須進(jìn)行均壓操作，使料罐內(nèi)壓力和爐頂壓力平衡，下密封閥方可開啟，然后將爐料裝入爐內(nèi)。料罐內(nèi)爐料排空，關(guān)閉下密封閥后，須將料罐內(nèi)的高壓煤氣對空放散，上密封閥方可開啟，繼續(xù)向料罐內(nèi)裝入爐料，料罐均壓介質(zhì)通常采用的是經(jīng)過凈化后的高爐凈煤氣。料罐排壓過程中，煤氣通常都是經(jīng)過爐頂?shù)男L(fēng)除塵器和消音器后直接排入大氣，此部分煤氣為含有大量CO和粉塵的有毒、可燃物混合氣體，對大氣環(huán)境尤其是高爐生產(chǎn)區(qū)域造成污染，同時也浪費了能源。

將高爐爐頂料罐均壓放散煤氣回收進(jìn)入凈煤氣管網(wǎng)的過程，初期是依靠壓差進(jìn)行自然回收，其泄壓過程勢必要比直接向大氣排放的時間長，且當(dāng)壓力將至某壓力值時，無法再繼續(xù)下降，需要對料罐殘余煤氣進(jìn)行二次放散，延長了料罐排壓過程時間，且無法徹底解決高爐爐頂均壓煤氣放散的問題。

爐頂均壓煤氣全回收技術(shù)的關(guān)鍵難題有：

（1）高爐爐頂均壓煤氣在回收過程中存在壓力波動，回收煤氣的脈沖壓力波及凈煤氣管網(wǎng)，影響煤氣管網(wǎng)其它用戶點煤氣使用；脈沖式的高壓煤氣短時間內(nèi)快速進(jìn)入低壓凈煤氣管網(wǎng)，會對煤氣管網(wǎng)接入點附近造成一定的壓力波動，如果接入點附近有其他煤氣用戶點對煤氣壓力的穩(wěn)定性要求較高，那么壓力不穩(wěn)定的煤氣源會影響其系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；

（2）爐頂均壓煤氣的回收操作時間影響高爐正常生產(chǎn)，耗費時間較長，對高爐上料作業(yè)率影響較大，超過5%；管道內(nèi)介質(zhì)流速不能太大，否則會加劇管道磨損；管道內(nèi)介質(zhì)流速不能太小，否則會管道積灰堵塞。

（3）均壓煤氣回收率低，自然回收只能回收80%左右的煤氣。均壓煤氣經(jīng)過凈化后回收進(jìn)入凈煤氣管網(wǎng)，該過程初始階段是利用料罐和管網(wǎng)之間的自然壓差，由于管網(wǎng)壓力約為10~15kPa，無法實現(xiàn)料罐壓力泄壓至大氣壓，因此，在不增加額外驅(qū)動的情況下，只能完成均壓放散煤氣部分回收（即自然回收），剩余少量低壓煤氣仍需二次放散。

2.2 最終理想解IFR

最終理想解（IFR）：發(fā)明問題解決理論TRIZ在解決問題之初，首先拋開各種客觀限制條件，通過理想化來定義問題的最終理想解（Ideal Final Result，IFR），以明確理想解所在的方向和位置，保證在問題解決過程中沿著此目標(biāo)前進(jìn)并獲得最終理想解，從而避免了傳統(tǒng)創(chuàng)新涉及方法中缺乏目標(biāo)的弊端，提升了創(chuàng)新設(shè)計的效率。

基于以上問題描述分析，確定最終理想解（IFR）為：不影響凈煤氣管網(wǎng)壓力，不影響高爐作業(yè)率，煤氣回收率100%。

3 解決方案

3.1 因果分析

因果分析是指從系統(tǒng)存在的問題入手，層層分析形成問題的原因?；谝陨蠁栴}描述分析，確定因果分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 因果分析圖

3.2 創(chuàng)新原理運用

TRIZ理論廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域，并已逐步向其他領(lǐng)域滲透和擴(kuò)展。應(yīng)用范圍越來越廣，由原來擅長的工程技術(shù)領(lǐng)域分別向自然科學(xué)、社會科學(xué)、管理科學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)展。已總結(jié)出的40條發(fā)明創(chuàng)造原理[4~5]在工業(yè)、建筑、化學(xué)、生物學(xué)、社會學(xué)、醫(yī)療、食品、商業(yè)、教育的應(yīng)用案例，用于指導(dǎo)各領(lǐng)域遇到問題的解決。

TRIZ系列的多種工具包括：沖突矩陣、76標(biāo)準(zhǔn)解答、ARIZ、物質(zhì)-場分析、40個創(chuàng)新原理，39個工程技術(shù)特性等，常用的有基于宏觀的矛盾矩陣法（沖突矩陣法）和基于微觀的物場變換法。

運用TRIZ理論能夠幫助我們系統(tǒng)地分析問題情境，快速發(fā)現(xiàn)問題本質(zhì)或者矛盾，它能夠準(zhǔn)確確定問題探索方向，幫助我們突破思維障礙，打破思維定勢，以新的視覺分析問題，進(jìn)行系統(tǒng)思維，根據(jù)技術(shù)進(jìn)化規(guī)律預(yù)測未來發(fā)展趨勢，幫助我們開發(fā)富有競爭力的新產(chǎn)品。

（1）依據(jù)組合原理（TRIZ發(fā)明原理5）和多用性原理（TRIZ發(fā)明原理6），將第一代技術(shù)[6]里分割的緩沖罐和布袋除塵器組合起來，采用組合式干式除塵設(shè)備，在除塵器內(nèi)設(shè)計緩沖區(qū)域，使煤氣在除塵器內(nèi)獲得緩沖。另外，配合頂進(jìn)頂出的進(jìn)出氣方式增強(qiáng)氣流在筒內(nèi)流動的穩(wěn)定性，解決了高爐爐頂均壓煤氣回收壓力波動大、瞬時流量大等問題。通過旋風(fēng)除塵、重力除塵和布袋除塵三級除塵對均壓煤氣先后處理；粉塵排放濃度≤5mg/m3。

（2）依據(jù)預(yù)先作用原理（TRIZ發(fā)明原理10）和減少有害作用的時間原理（TRIZ發(fā)明原理21），分析爐頂時序圖，研究出均壓煤氣回收工藝系統(tǒng)中關(guān)鍵閥門動作時間的合理匹配，采取提前動作閥門，以及增加引射器，100%回收，不用打開均壓放散閥，不影響爐頂作業(yè)率。

（3）依據(jù)自服務(wù)原理（TRIZ發(fā)明原理25），在料罐后設(shè)置單引射器或多級多噴嘴復(fù)合式引射器[7]，利用高爐凈煤氣作為高壓引射介質(zhì)，不但能夠避免利用氮氣或其他高壓氣體作為引射介質(zhì)導(dǎo)致因消耗氮氣而增加成本及降低回收煤氣品質(zhì)的問題，而且能夠?qū)崿F(xiàn)均壓煤氣的100%全回收。使用一次均壓凈煤氣作為引射介質(zhì)，配合專用引射器，實現(xiàn)“以煤氣抽吸煤氣”，充分保障回收煤氣的品質(zhì)。

（4）依據(jù)組合原理（TRIZ發(fā)明原理5）和復(fù)制原理（TRIZ發(fā)明原理26），設(shè)置帶有引射器的并聯(lián)全回收系統(tǒng)。均壓煤氣通過兩個并聯(lián)的通路完成回收：一個通路利用料罐均壓煤氣和凈煤氣管網(wǎng)的壓差實現(xiàn)自然回收，另一個通路把均壓煤氣引入料罐后的單引射器或多級引射器，利用高壓煤氣作為高壓引射介質(zhì)實現(xiàn)強(qiáng)制回收。

（5）依據(jù)氣壓和液壓結(jié)構(gòu)原理（TRIZ發(fā)明原理29）和反饋原理（TRIZ發(fā)明原理23），設(shè)置氣動或液動引射閥和均壓放散閥，設(shè)計帶有反饋的接近開關(guān)，顯示閥門開關(guān)信號。

（6）依據(jù)復(fù)合材料原理（TRIZ發(fā)明原理40），引射器材質(zhì)采用Q355R低合金高強(qiáng)度壓力容器鋼板，強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗開裂。

3.3 最終解決方案

本技術(shù)將原有高爐爐頂均壓煤氣回收專利技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)升級，成功研發(fā)了“高爐爐頂均壓煤氣全回收技術(shù)”，將回收率從約80%提升至100%。最終確定的爐頂均壓煤氣全回收系統(tǒng)原理圖詳見圖2。

圖2 爐頂均壓煤氣全回收系統(tǒng)原理圖

新技術(shù)在原有煤氣部分回收系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加引射器、引射閥、相關(guān)閥門及管道等配套設(shè)施和控制系統(tǒng)。當(dāng)自然回收結(jié)束時，通過引射器對料罐內(nèi)剩余的少量低壓煤氣進(jìn)行引射強(qiáng)制回收。引射用高壓工作氣體采用爐頂料罐均壓使用的高壓凈煤氣，通過引射器強(qiáng)制回收，使料罐內(nèi)的壓力在短時間內(nèi)降至微正壓，然后可直接打開上密封閥和上料閘進(jìn)行裝料，避免了煤氣二次放散，從而實現(xiàn)：爐頂均壓煤氣的“全回收”，煤氣和粉塵零排放；回收過程時間≤12s，對裝料作業(yè)率無影響；回收煤氣含塵量低至≤5mg/Nm3；消除煤氣放散噪音，延長消音器設(shè)備使用壽命；回收過程對凈煤氣管網(wǎng)無影響，管網(wǎng)無壓力波動。

同時，高爐爐頂均壓煤氣全回收系統(tǒng)配套的電控系統(tǒng)，可以在高爐控制室內(nèi)實現(xiàn)系統(tǒng)的集中控制和顯示，操作簡便。如果該全回收系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能夠簡便、快捷的切換至原系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)，不影響高爐的正常運行。

研發(fā)團(tuán)隊從流體力學(xué)、物理化學(xué)等基礎(chǔ)理論分析到各種文獻(xiàn)檢索查閱，對引射器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了理論分析和計算，同時采用CFD流場分析軟件，對引射器進(jìn)行三維模擬分析，最終獲得了引射器的關(guān)鍵尺寸，并通過工廠1:1模型試驗對引射器的引射效果進(jìn)行驗證。引射器示意圖見圖3。

圖3 引射器示意圖

本技術(shù)主要科技創(chuàng)新點如下。

（1）首創(chuàng)高爐爐頂均壓煤氣干法全回收技術(shù)。針對高爐均壓煤氣對空排放造成的環(huán)境污染和能源浪費的問題，開發(fā)三級除塵系統(tǒng)和強(qiáng)制引射回收系統(tǒng)，實現(xiàn)均壓煤氣100%全回收；通過旋風(fēng)除塵、重力除塵和布袋除塵三級除塵對均壓煤氣先后處理，粉塵排放濃度≤5mg/m3。

（2）首次開發(fā)智能控制回收系統(tǒng)，有效控制管道內(nèi)介質(zhì)流速和均壓煤氣回收時間，實現(xiàn)均壓煤氣的全回收，避免管道積灰堵塞、保障爐頂作業(yè)率不受影響?；凇兑苯饌鬏斣怼分锌蓧嚎s氣體流動部分的“一元等熵恒定氣流理論”的基本方程及流速公式；確定均壓煤氣回收時間和緩沖容積，準(zhǔn)確計算回收時間及壓力。

（3）首次采用組合式干式除塵設(shè)備，通過頂進(jìn)頂出的氣體進(jìn)出方式并集合重力除塵器的特點，解決高爐爐頂均壓煤氣回收壓力波動大、氣流周期性、瞬時流量大等多重問題。改變傳統(tǒng)干式布袋除塵器側(cè)進(jìn)側(cè)出的進(jìn)出氣方式，采用頂進(jìn)頂出的進(jìn)出氣方式延長布袋除塵器壽命約20%。

（4）首次開發(fā)多種形式專用引射器系統(tǒng)，利用引射器實現(xiàn)短時間內(nèi)均壓煤氣全回收。開發(fā)專用引射器提高引射效率，促進(jìn)均壓煤氣的高效100%全回收。

目前，爐頂均壓煤氣全回收技術(shù)已申請9項專利（詳見表1），形成專利群保護(hù)，在國內(nèi)授權(quán)7項實用新型專利，兩項發(fā)明專利[8-9]。

表1 主要知識產(chǎn)權(quán)目錄

4 應(yīng)用實踐

本技術(shù)已成功應(yīng)用于國內(nèi)江蘇聯(lián)峰鋼鐵新1#高爐，邢臺德龍鋼鐵1#2#3#高爐，天津榮程鋼鐵新4#高爐等10余座高爐，以本技術(shù)帶動爐頂均壓煤氣全回收產(chǎn)品的總承包合同額達(dá)到約3000萬元。

爐頂均壓煤氣全回收技術(shù)很好的解決了爐頂放散煤氣對空排放產(chǎn)生的環(huán)境污染和能源浪費的問題，改善了工人操作環(huán)境，消除了粉塵污染和噪音，創(chuàng)造了很好的社會效益。高爐投產(chǎn)后，長期保持穩(wěn)定運行，各項性能指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。高爐實現(xiàn)了爐頂均壓煤氣100%全回收，煤氣和粉塵零排放；回收過程時間≤12s，不影響高爐爐頂裝料作業(yè)率；回收煤氣含塵量≤5mg/Nm3。

以一座1800m3高爐為例，高爐日回收煤氣量約40000Nm3/d，按照年工作日350d、每4Nm3煤氣發(fā)一度電、電價按0.6元/度計算，一年創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約210萬元；爐頂料罐放散煤氣含塵量按10g/Nm3計算，一年減少粉塵排放量約140t；高爐煤氣中CO2含量約為21%，則一年直接減少CO2排放量約294萬Nm3，即減少碳排放量約5780t。

5 結(jié)論

基于TRIZ創(chuàng)新開發(fā)的高爐爐頂均壓煤氣全回收技術(shù)先進(jìn)，使用效果良好。高爐實現(xiàn)了爐頂均壓煤氣100%全回收，煤氣和粉塵零排放；回收過程時間≤12s，不影響高爐爐頂裝料作業(yè)率；回收煤氣含塵量≤5mg/Nm3。該技術(shù)已成功應(yīng)用于國內(nèi)十余座高爐，創(chuàng)造了客觀的“科技創(chuàng)新、節(jié)能減排、環(huán)保低耗”社會效益的同時還獲得了一定的經(jīng)濟(jì)效益，為高爐實現(xiàn)高效、環(huán)保奠定了良好的基礎(chǔ)。

實踐證明，運用TRIZ理論可大大加快創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程，而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品。