TRIZ 理论在磷酸铵生产装置改造中的应用

王平飞, 何春云, 王雁芬

(云南云天化红磷化工有限公司 云南开远 661699)

TRIZ 理论来源于专利,1946 年由前苏联科学家根里奇·阿奇舒勒创立。TRIZ 理论的应用是以产生专利为目标,帮助企业提高自主创新的能力。 TRIZ 理论包括8 大系统进化法则、39 个通用工程参数、39×39 矛盾矩阵、40 条创新原理、76 个标准解、100 个科学效应等内容,是科技创新的重要手段和提高创新能力的重要工具,可以有目标地解决在科技创新中无法解决的问题,能消除盲目,减少资源浪费,节约时间、劳动力,同时还可为科技研发创新择取捷径。

1 问题背景和描述

1.1 现状分析

云南云天化红磷化工有限公司(以下简称云南红磷化工公司)180 kt/a 磷酸铵生产装置于2001 年投产,原设计生产能力为90 kt/a。 经过一系列的技改、工艺指标的优化,到2011 年底,该装置产能已提升至180 kt/a。 该装置采用预中和+管式反应器(PR+PN)生产工艺技术,既可生产粒状磷酸二铵,又可生产粒状磷酸一铵和复合肥。在生产过程中,因化学反应温度较高,磷酸铵料浆喷洒在造粒机料床上,经黏结、涂布、自成粒等3 种形式成粒后,半成品需先通过干燥窑烘干降低产品水分,再经筛分、冷却、包装等工序得到磷酸二铵产品。 现有冷却设备为转鼓冷却窑(以下简称冷却窑),利用抄板将磷酸二铵抄起以实现降温,不仅能耗高,且产品温度得不到有效降低,导致产品包装温度较高。 产品包装温度高容易出现以下结果:①产品泛白,影响产品外观质量;②产品结块;③包装袋损坏;④散装库运行费用高。 180 kt/a 磷酸铵生产装置生产64%磷酸二铵时的产品温度监控情况见表1。

表1 180 kt/a 磷酸铵生产装置生产64%磷酸二铵时的产品温度监控情况

1.2 冷却窑工作原理

冷却窑由抄板、筒体、大齿圈、传动装置、带挡轮支撑、物料进出口、气体进出口等组成,采用自然风作为冷源,转动方式为顺流式。 物料从冷却窑进料口进入,自然风从冷却窑出料口进入,回转壁上的抄板将物料扬起与自然风进行热量交换,产生的混合热气体被风机抽出。 180 kt/a 磷酸铵生产装置中的冷却窑结构见图1。

图1 180 kt/a 磷酸铵生产装置中的冷却窑结构

1.3 类似问题的现有解决方案及评价

结合云南红磷化工公司实际情况,查阅了国内关于磷肥生产企业对产品冷却的解决方案,分析了方案的优缺点,并进行了评价(见表2),评价结果均为不满意。

表2 目前磷肥生产企业对产品冷却采取的主要措施

2 问题分析过程

为了解决产品包装温度过高的问题,采用TRIZ 方法进行系统的分析,以期找到问题的主要矛盾。

2.1 价值流图分析

生产过程中有浪费现象,价值流图是实施精益系统、消除过程浪费的基础和关键点,绘制的价值流图见图2。

图2 价值流图

通过分析图2 可以发现,冷却窑的设计处理能力为15 t/h,而实际生产需要冷却的产品量为25 t/h,冷却窑的设计能力无法满足生产的实际需求。

2.2 功能分析

功能分析是价值工程活动的核心和重要手段,包括功能定义和功能整理两方面的内容。 通过分析信息资料,用动词和名词的组合简明、准确地表达各对象的功能,明确功能的特性要求,并绘制冷却系统的功能分析模型,见图3。

图3 冷却系统的功能分析模型

通过现有冷却系统的功能分析模型,找出了1 个有害因素和6 个不足因素。 1 个有害因素为水分附着于化肥产品;6 个不足因素分别为输送皮带作用于化肥产品、抄板作用于化肥产品、散装库作用于化肥产品、外部空气作用于化肥产品、冷却风机作用于冷却窑内部空间、冷却窑作用于化肥产品。

2.3 因果链分析

因果链分析从初始问题、缺点开始,分析其影响因素,得出中间缺点,再继续挖掘下一层级的影响因素,直至末端缺点,并绘制产品包装温度高的因果分析图,见图4。

图4 产品包装温度高的因果分析图

通过因果链分析找到3 个问题关键点,即冷却窑处理能力不足、散装库面积不足、风机抽风量不足。

2.4 理想解分析

理想解是针对已有系统提出的未来应该具有的状态,最终理想解(IFR)是系统的终极理想状态,但很难达到。 理想解分析就是为了确定系统改进时能够达到的目标,同时列出最终理想解分析表,见表3。

表3 最终理想解分析表

根据理想解分析,要达到的理想状态为进入冷却窑的产品能够自动降温,且安全环保。

2.5 可用资源分析

资源分析就是从系统的高度来研究和分析资源,挖掘系统的隐性资源,实现系统中隐性资源显性化、显性资源系统化,强调资源的联系与配置,合理地组合、配置、优化资源结构,提升系统资源的应用价值或理想度(或资源价值),同时列出系统内部资源和系统外部资源,见表4。

表4 系统内部资源和外部资源

通过对系统内外部资源分析,找到循环冷却水、重力场、温度场、自然风等多种可利用的资源。

3 问题求解过程

3.1 冷却窑处理能力不足问题

3.1.1 技术矛盾

技术矛盾就是一个参数的优化会引起另一个参数的恶化。 查找冲突矩阵表对应的发明原理,列出技术矛盾并提出解决方案,见表5。

表5 技术矛盾及所提方案

3.1.2 物理矛盾

物理矛盾是指当一个技术系统的工程参数具有相反的需求时出现的矛盾,列出的物理矛盾见表6。

表6 物理矛盾

考虑到“风量”在不同的时间、空间、系统层次上具有不同的特性,因此从时间、空间及系统上进行分离并提出方案,见表7。

表7 根据分离原理提出的方案

3.1.3 物质-场分析

物场分析法是指通过分析技术系统内部构成要素间相互关系、相互作用而导致技术创造的一种方法。 以冷却窑对化肥产品的冷却作用不足,建立问题的物质-场模型,见图5。

图5 改进前后的物质-场模型

76 个标准解法反映了技术系统必然的进化过程和进化方向,根据76 个标准解S1.2.1 系统无法改变,引入S3消除有害效应,提出方案9(在冷却机入口处新增冷源)。

3.2 散装库面积不足问题

科学效应是普遍存在于各领域的特定科学现象,包括物理、化学、几何、生物等在科学理论指导下,实施科学现象的技术结果,即在效应物质中,按照科学原理输入量转化为输出量,并施加在作用对象上,以实现相应的功能。

通过科学效应应用(表8)实施的5 个步骤,运用筛选效应与现象为E63 冷却,提出方案10(将散装库由单层改为多层空间堆放产品,减小产品堆积厚度,降低产品温度)。

表8 科学效应应用

3.3 风机抽风量不足问题

由功能分析得到已有产品中存在的小问题可通过裁剪来解决,将问题功能对应的元件删除,以改善整个功能模型。 通过功能裁剪分析,将冷却风机裁减掉,提出方案11(利用引风机抽取冷却机内热风来实现抽风功能),见图6。

图6 裁剪前后的功能模型

4 问题的解

将以上问题求解过程所提出的方案进行汇总,然后根据成本、效益、能耗、目标等进行综合性评估(用☆表示,☆越多表示方案越优),结果见表9。

表9 方案汇总

根据表9,将方案5、7、11 合并成总方案:取消冷却风机,采用热风炉引风机抽风,将冷却窑改为立式冷却机,利用夹套冷却水与产品逆流换热。绘制的改造后的工艺流程见图7。

图7 改造后的工艺流程

5 结语

本文中的方案主要运用TRIZ 理论中的功能分析、因果链分析、最终理想解、可用资源分析、技术矛盾、物理矛盾、物质-场分析、科学效应和功能裁剪等方法,找到最优方案来解决磷酸铵生产装置冷却窑处理能力不足的问题。 方案在云南红磷化工公司180 kt/a 磷酸铵生产装置上实施,成功使磷酸二铵产品包装温度由60 ℃降至39 ℃,改善了现场环境,减少了尾气洗涤处理量,装置运行稳定,降低了生产成本。 云南红磷化工公司270 kt/a 磷酸铵生产装置、300 kt/a 复合肥生产装置也已相继采用该方案实施改造。