基于TRIZ理论对云式除尘在分子筛尾气处理中堵塞的研究
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分子筛是一种粒子较细的结晶硅铝酸盐，生产过程中尾气粉尘粒径基本在10μm以下，甚至低于5μm，国内很难找到一种适应分子筛生产过程工况，同时又简单、实用、经济、高效的粉尘处理技术，并实现环保一次达标。国内分子筛生产企业原有的除尘方式为布袋除尘加一级脱氨喷淋塔，外排粉尘浓度在60mg/m?左右，达不到2015年7月国家颁布的《石油化学工业污染物排放标准》中工业粉尘外排指标≤20mg/m?的要求，为此我们引入了新型空气净化装置——云式除尘技术，并运用TRIZ理论对其进行二次改造开发，成功解决了该技术在分子筛除尘过程中的堵塞问题，成为国内分子筛生产行业首家利用新技术实现低成本解决外排尾气不达标的问题。
1 问题描述
1.1 定义系统名称：
系统名称：云式除尘装置;系统功能：脱除分子筛生产中的尾气粉尘;
目标要求：不发生堵塞，脱除后尾气外排分子筛粉尘浓度低于20mg/m?。
1.2 初始情况描述
工况背景：云式除尘系统起初是运用于处理粉煤灰，效果很好，但是引入该系统处理分子筛粉尘时，由于分子筛粉尘粒径小、遇水粘度大等物理性质，导致云式除尘装置在运行过程不到一周的时间便出现严重堵塞。
工作原理：
云式除尘系统中的云雾发生器是通过构建云形成条件，饱和水蒸汽以粉尘颗粒为凝结核液化并附着在粉尘颗粒表面使粉尘颗粒粒径不断增大，一部分大云团在云雾发生器內重力沉降，体积小的云团通过引风机引入旋风分离器进行两级重力沉降和一级反混沉降。云式除尘系统就是将云的物理形成过程同超重力相结合，使细粉尘颗粒（PM2.5）的捕集效率大大提高。
1.3 当前系统存在的问题
（1）尾气温度过高>130℃，使雾滴气化;
（2）云雾发生器产生的云雾量少，粉尘捕集效果差;
（3）云式除尘器内部旋风分离器及出口弯头堵塞严重。
1.4 问题出现的条件及影响
条件一：分子筛粉尘遇水粘度大。
影响：云式除尘器内的旋风分离器内壁积料严重引起堵塞。
条件二：分子筛粉尘粒径太小（<10μm），不易被雾滴捕集、不易团聚沉降。
影响：流体曳力大，离心分离不足，云式除尘器旋风管及出口弯头粉尘浓度高，易堵塞。
1.5 解决问题的初步思路
在未运用TRIZ方法解题之前所能想到的解决方案：
（1）在云式除尘系统的入口处增加冷却装置，降低分子筛尾气的入口温度;
（2）增加水雾喷头数量，提高云雾发生器的雾滴量;
（3）在旋风分离器内壁刷上某种涂料，改善内壁光滑度。
1.6 明确要解决的问题
（1）如何增大云雾发生器对粉尘的捕集和团聚效果。
（2）如何避免旋风分离器及出口弯头被粉尘堵塞。
1.7 对新技术的要求
（1）不减少系统的尾气处理量（≥15000m?/h）且外排尾气粉尘浓度 ≤20mg/m?;
（2）系统操作简便、能耗低，占地面积小，维护费用少。
1.8 新技术系统的IFR
IFR： 分子筛粉尘能够自行实现与尾气完全分离。
次IFR： 云式除尘系统在工作过程中能够永久自动清除堵塞。
2 问题分析
2.1 系统组件分析
通过构建组件列表，梳理组件相互作用关系，建立组件模型。
从组件模型中得出5个不足和1个有害的作用关系：
（1）现有喷头对工业风和工业水混合压缩不足;
（2）工业水和工业风在云雾发生器现有的云雾喷头作用下，无法形成足够多的云雾;
（3）高温尾气能够使云雾气化，对云雾产生有害作用，使云雾量减少;
（4）云雾对分子筛粉尘的捕集不足;
（5）云式除尘器外筒体对分子筛粉尘离心分离不足;
（6）8根旋风分离器对分子筛粉尘离心分离不足。
2.2 因果分析
2.3 问题模型
结合系统组件分析与因果分析得到系统堵塞的根本原因：
（1）现有的云雾喷头产生云雾量不足且形成雾滴粒径过大，需重新选型更换;（如何寻找资源）
（2）现有的云雾与含尘尾气为对流接触，接触时间短，捕集不充分;
（3）提高含尘尾气流速有利于粉尘离心分离，但是，含尘尾气流速过快会导致在云雾发生器内停留时间不足，无法进行充分捕集;
（4）如何降低旋风分离器内壁与粉尘之间的摩擦力，使粉尘更容易脱落，不粘壁堵塞;
（5）如何解决8根弯头既能提供静压又能不因曲变导致粉尘流通受阻堵塞的问题？
（6）如何消除高温尾气使云雾雾滴气化的有害作用。
3 解决问题
3.1 问题1：现有的雾化喷头产生雾气量不足且形成雾滴粒径过大，需重新选型更换。（“九屏幕法”寻找合适的替代品）
应用九屏幕法寻找资源：
√ 方案1：通过对取得的资源进行科学分析比较，我们的到了能够满足“稳定地产生细颗粒雾滴（雾滴的粒径≤10μm），使用寿命长，维护费用低”这一要求的替代产品——二流体喷雾系统，将现有的喷雾系统改造成二流体喷雾系统，只需要更换一个特殊的二流体喷头，无需增加高压水泵等其他设施，经济适用。
3.2 问题2： 现有的云雾与含尘尾气为对流接触，捕集不充分。（如何模拟两者相互作用关系，得到最佳接触方式）
应用小人法模拟云雾对粉尘颗粒捕集过程： 第一步：描述系统的组成部分。用小人画出系统的组成部分：粉尘、雾滴 。
用小人表示各组成部分：红色小人代表粉尘，黑色小人代表雾滴。
第二步：结合现有系统，动态联想系统的变化过程。
通过小人动态模拟雾滴捕集粉尘的过程可知，雾滴与粉尘对流接触时，由于前排粉尘阻挡了后排粉尘与雾滴的接触，导致后排粉尘不能充分得到捕集。
第三步：结合现有资源，思考解决方案。
我们让黑色小人（雾滴）从上、下、正面对红色小人（粉尘）进行捕集，并增补更多的黑色小人（雾滴）。随着红色小人不断进入，对流的黑色小人根本无法对抗红色小人的冲击而掉头往后走了，导致入口粉尘面临没有雾滴捕集的现象。可见，对流接触不可取，故改为粉尘与雾滴进行逆流接触。
√ 方案2：将云雾发生器内云雾喷头重新布局，改对流捕集为顺流捕集和上下方向捕集。
3.3 问题3：提高含尘尾气流速有利于粉尘离心分离。但是，含尘尾气流速过快会导致在云雾发生器内停留时间不足，无法进行充分捕集。
技术矛盾： 改善的参数：速度
恶化的参数：运动物体的作用时间
查找矛盾矩阵得到的创新原理有：3，19，35，5。
创新原理3：局部质量原理——将物体、环境作用的均匀结构变为不均匀结构。
√ 方案3：將云雾发生器入口管径增大，箱体内增设不规则挡板，出口管径缩小，改造后，既延长了含尘尾气在云雾发生器内的停留时间，又保证了含尘尾气能够快速从云雾发生器排出进入云式除尘器进行有效离心分离。
创新原理19：周期性作用原理——用周期性动作或脉冲，代替连续性动作。
√ 方案4：将含尘尾气连续进出云雾发生器箱体改为周期性进出到箱体中。
3.4 问题4：如何使粉尘易脱落，不粘壁堵塞。
应用小人法模拟云雾对粉尘颗粒捕集过程：
第一步：描述系统的组成部分，用小人画出。
系统的组成部分：湿粉尘、旋风分离器壁面
用小人表示各组成部分：红色小人代表湿粉尘，黑色小人代表旋风分离器壁面。
第二步：结合现有系统，动态联想系统的变化过程。
第三步：结合现有资源，思考解决方案。
通过模拟可知，黑色小人伸出手臂紧紧拖住了红色小人，阻碍其往下掉落，那么我们就把黑色小人伸出的手臂砍掉。
√ 方案5：对旋风分离器内壁进行抛光处理。
引入绿色小人的启示：
1、绿色小人黏附黑色小人（壁面），但不黏附红色小人（粉尘），使得红色小人能够以自身重力沉降。
√ 方案6：在旋风分离器内壁涂上油性涂料。
2、绿色小人不黏附黑色小人（壁面），但黏附红色小人（粉尘），增加红色小人的重量沉降下来。
√ 方案7：在旋风分离器沿壁持续进行水喷淋，形成一层持续流动的水膜。
3.5 问题5：如何解决8根弯头既能提供静压又能不因曲变导致粉尘流通受阻堵塞的问题。
物理矛盾：
既要：旋风分离器出口管道存在曲变，提供静压抽吸;
又要：旋风分离器出口管道不存在曲变，减轻堵料状况。
分离方法：
（1）空间分离——对应第3发明原理：局部质量原理。
√ 方案8：因旋风分离器出口粉尘浓度高，那么我们将出口附近改造成内壁光滑的直管段，在直管远离出口端设置弯头提供静压。
（2）时间分离——对应第11发明原理：事先防范原理。
√ 方案9：在出口管道发生曲变的前端增设过滤网（膜），防范粉尘到达弯管处。
3.6 问题6：如何消除高温尾气使云雾雾滴气化的有害作用。
应用物场模型：
引入S3，消除高温含尘尾气的有害作用：S3可以是水、化学溶液、分子筛滤液。S3作为S2的变形体，即分子筛在气体中是“粉尘”，在水中便是“滤液”，因此，可以用通过滤液对尾气进行降温，同时滤液还能带走尾气中的部分分子筛粉尘。
√ 方案10：利用分子筛滤液进行降温。
4 方案评价
从成本、维护和有用功能三个维度对以上方案进行评价， 成本权重：25 %，维护权重：25%，有用功能：50% ，方案价值计算公式为：
对方案1、2、3、7、12进行综合，确定了最终改造方案：
一、在云式除尘入口增加换能装置，利用分子筛滤液置换掉含尘尾气中的热量，使含尘尾气入口温度降低;
二、将云雾发生器的喷雾系统更换成雾气量大、雾滴小于10微米的二流体喷雾系统，增大捕集效果;
三、在云雾发生器内增加两道隔板，增加含尘尾气与雾滴的接触时间;
四、在云式除尘器旋风管上部及出口弯头处安装旋转水雾喷头，沿壁对堵料进行冲洗。
5 实施效果
云式除尘系统改造后，从每次开工运行不足20天便引起堵塞，延长到连续运行100天以上，改造后粉尘排放浓度完全达标。云式除尘技术成功运用于分子筛尾气处理不到一年的时间，便推广至中国石化催化剂齐鲁、南京、上海三家分公司，并在我公司新建的5万吨/年分子筛项目上取得成功应用，累计减少粉尘排量约32.4t/a，环保效益显著。
责编/魏晓文
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