王平飛, 何春云, 王雁芬

(云南云天化紅磷化工有限公司 云南開遠(yuǎn) 661699)

TRIZ 理論來源于專利,1946 年由前蘇聯(lián)科學(xué)家根里奇·阿奇舒勒創(chuàng)立。TRIZ 理論的應(yīng)用是以產(chǎn)生專利為目標(biāo),幫助企業(yè)提高自主創(chuàng)新的能力。 TRIZ 理論包括8 大系統(tǒng)進(jìn)化法則、39 個通用工程參數(shù)、39×39 矛盾矩陣、40 條創(chuàng)新原理、76 個標(biāo)準(zhǔn)解、100 個科學(xué)效應(yīng)等內(nèi)容,是科技創(chuàng)新的重要手段和提高創(chuàng)新能力的重要工具,可以有目標(biāo)地解決在科技創(chuàng)新中無法解決的問題,能消除盲目,減少資源浪費,節(jié)約時間、勞動力,同時還可為科技研發(fā)創(chuàng)新?lián)袢〗輳健?/p>

1 問題背景和描述

1.1 現(xiàn)狀分析

云南云天化紅磷化工有限公司(以下簡稱云南紅磷化工公司)180 kt/a 磷酸銨生產(chǎn)裝置于2001 年投產(chǎn),原設(shè)計生產(chǎn)能力為90 kt/a。 經(jīng)過一系列的技改、工藝指標(biāo)的優(yōu)化,到2011 年底,該裝置產(chǎn)能已提升至180 kt/a。 該裝置采用預(yù)中和+管式反應(yīng)器(PR+PN)生產(chǎn)工藝技術(shù),既可生產(chǎn)粒狀磷酸二銨,又可生產(chǎn)粒狀磷酸一銨和復(fù)合肥。在生產(chǎn)過程中,因化學(xué)反應(yīng)溫度較高,磷酸銨料漿噴灑在造粒機(jī)料床上,經(jīng)黏結(jié)、涂布、自成粒等3 種形式成粒后,半成品需先通過干燥窯烘干降低產(chǎn)品水分,再經(jīng)篩分、冷卻、包裝等工序得到磷酸二銨產(chǎn)品。 現(xiàn)有冷卻設(shè)備為轉(zhuǎn)鼓冷卻窯(以下簡稱冷卻窯),利用抄板將磷酸二銨抄起以實現(xiàn)降溫,不僅能耗高,且產(chǎn)品溫度得不到有效降低,導(dǎo)致產(chǎn)品包裝溫度較高。 產(chǎn)品包裝溫度高容易出現(xiàn)以下結(jié)果:①產(chǎn)品泛白,影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量;②產(chǎn)品結(jié)塊;③包裝袋損壞;④散裝庫運行費用高。 180 kt/a 磷酸銨生產(chǎn)裝置生產(chǎn)64%磷酸二銨時的產(chǎn)品溫度監(jiān)控情況見表1。

表1 180 kt/a 磷酸銨生產(chǎn)裝置生產(chǎn)64%磷酸二銨時的產(chǎn)品溫度監(jiān)控情況

1.2 冷卻窯工作原理

冷卻窯由抄板、筒體、大齒圈、傳動裝置、帶擋輪支撐、物料進(jìn)出口、氣體進(jìn)出口等組成,采用自然風(fēng)作為冷源,轉(zhuǎn)動方式為順流式。 物料從冷卻窯進(jìn)料口進(jìn)入,自然風(fēng)從冷卻窯出料口進(jìn)入,回轉(zhuǎn)壁上的抄板將物料揚起與自然風(fēng)進(jìn)行熱量交換,產(chǎn)生的混合熱氣體被風(fēng)機(jī)抽出。 180 kt/a 磷酸銨生產(chǎn)裝置中的冷卻窯結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 180 kt/a 磷酸銨生產(chǎn)裝置中的冷卻窯結(jié)構(gòu)

1.3 類似問題的現(xiàn)有解決方案及評價

結(jié)合云南紅磷化工公司實際情況,查閱了國內(nèi)關(guān)于磷肥生產(chǎn)企業(yè)對產(chǎn)品冷卻的解決方案,分析了方案的優(yōu)缺點,并進(jìn)行了評價(見表2),評價結(jié)果均為不滿意。

表2 目前磷肥生產(chǎn)企業(yè)對產(chǎn)品冷卻采取的主要措施

2 問題分析過程

為了解決產(chǎn)品包裝溫度過高的問題,采用TRIZ 方法進(jìn)行系統(tǒng)的分析,以期找到問題的主要矛盾。

2.1 價值流圖分析

生產(chǎn)過程中有浪費現(xiàn)象,價值流圖是實施精益系統(tǒng)、消除過程浪費的基礎(chǔ)和關(guān)鍵點,繪制的價值流圖見圖2。

圖2 價值流圖

通過分析圖2 可以發(fā)現(xiàn),冷卻窯的設(shè)計處理能力為15 t/h,而實際生產(chǎn)需要冷卻的產(chǎn)品量為25 t/h,冷卻窯的設(shè)計能力無法滿足生產(chǎn)的實際需求。

2.2 功能分析

功能分析是價值工程活動的核心和重要手段,包括功能定義和功能整理兩方面的內(nèi)容。 通過分析信息資料,用動詞和名詞的組合簡明、準(zhǔn)確地表達(dá)各對象的功能,明確功能的特性要求,并繪制冷卻系統(tǒng)的功能分析模型,見圖3。

圖3 冷卻系統(tǒng)的功能分析模型

通過現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)的功能分析模型,找出了1 個有害因素和6 個不足因素。 1 個有害因素為水分附著于化肥產(chǎn)品;6 個不足因素分別為輸送皮帶作用于化肥產(chǎn)品、抄板作用于化肥產(chǎn)品、散裝庫作用于化肥產(chǎn)品、外部空氣作用于化肥產(chǎn)品、冷卻風(fēng)機(jī)作用于冷卻窯內(nèi)部空間、冷卻窯作用于化肥產(chǎn)品。

2.3 因果鏈分析

因果鏈分析從初始問題、缺點開始,分析其影響因素,得出中間缺點,再繼續(xù)挖掘下一層級的影響因素,直至末端缺點,并繪制產(chǎn)品包裝溫度高的因果分析圖,見圖4。

圖4 產(chǎn)品包裝溫度高的因果分析圖

通過因果鏈分析找到3 個問題關(guān)鍵點,即冷卻窯處理能力不足、散裝庫面積不足、風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量不足。

2.4 理想解分析

理想解是針對已有系統(tǒng)提出的未來應(yīng)該具有的狀態(tài),最終理想解(IFR)是系統(tǒng)的終極理想狀態(tài),但很難達(dá)到。 理想解分析就是為了確定系統(tǒng)改進(jìn)時能夠達(dá)到的目標(biāo),同時列出最終理想解分析表,見表3。

表3 最終理想解分析表

根據(jù)理想解分析,要達(dá)到的理想狀態(tài)為進(jìn)入冷卻窯的產(chǎn)品能夠自動降溫,且安全環(huán)保。

2.5 可用資源分析

資源分析就是從系統(tǒng)的高度來研究和分析資源,挖掘系統(tǒng)的隱性資源,實現(xiàn)系統(tǒng)中隱性資源顯性化、顯性資源系統(tǒng)化,強(qiáng)調(diào)資源的聯(lián)系與配置,合理地組合、配置、優(yōu)化資源結(jié)構(gòu),提升系統(tǒng)資源的應(yīng)用價值或理想度(或資源價值),同時列出系統(tǒng)內(nèi)部資源和系統(tǒng)外部資源,見表4。

表4 系統(tǒng)內(nèi)部資源和外部資源

通過對系統(tǒng)內(nèi)外部資源分析,找到循環(huán)冷卻水、重力場、溫度場、自然風(fēng)等多種可利用的資源。

3 問題求解過程

3.1 冷卻窯處理能力不足問題

3.1.1 技術(shù)矛盾

技術(shù)矛盾就是一個參數(shù)的優(yōu)化會引起另一個參數(shù)的惡化。 查找沖突矩陣表對應(yīng)的發(fā)明原理,列出技術(shù)矛盾并提出解決方案,見表5。

表5 技術(shù)矛盾及所提方案

3.1.2 物理矛盾

物理矛盾是指當(dāng)一個技術(shù)系統(tǒng)的工程參數(shù)具有相反的需求時出現(xiàn)的矛盾,列出的物理矛盾見表6。

表6 物理矛盾

考慮到“風(fēng)量”在不同的時間、空間、系統(tǒng)層次上具有不同的特性,因此從時間、空間及系統(tǒng)上進(jìn)行分離并提出方案,見表7。

表7 根據(jù)分離原理提出的方案

3.1.3 物質(zhì)-場分析

物場分析法是指通過分析技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)成要素間相互關(guān)系、相互作用而導(dǎo)致技術(shù)創(chuàng)造的一種方法。 以冷卻窯對化肥產(chǎn)品的冷卻作用不足,建立問題的物質(zhì)-場模型,見圖5。

圖5 改進(jìn)前后的物質(zhì)-場模型

76 個標(biāo)準(zhǔn)解法反映了技術(shù)系統(tǒng)必然的進(jìn)化過程和進(jìn)化方向,根據(jù)76 個標(biāo)準(zhǔn)解S1.2.1 系統(tǒng)無法改變,引入S3消除有害效應(yīng),提出方案9(在冷卻機(jī)入口處新增冷源)。

3.2 散裝庫面積不足問題

科學(xué)效應(yīng)是普遍存在于各領(lǐng)域的特定科學(xué)現(xiàn)象,包括物理、化學(xué)、幾何、生物等在科學(xué)理論指導(dǎo)下,實施科學(xué)現(xiàn)象的技術(shù)結(jié)果,即在效應(yīng)物質(zhì)中,按照科學(xué)原理輸入量轉(zhuǎn)化為輸出量,并施加在作用對象上,以實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

通過科學(xué)效應(yīng)應(yīng)用(表8)實施的5 個步驟,運用篩選效應(yīng)與現(xiàn)象為E63 冷卻,提出方案10(將散裝庫由單層改為多層空間堆放產(chǎn)品,減小產(chǎn)品堆積厚度,降低產(chǎn)品溫度)。

表8 科學(xué)效應(yīng)應(yīng)用

3.3 風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量不足問題

由功能分析得到已有產(chǎn)品中存在的小問題可通過裁剪來解決,將問題功能對應(yīng)的元件刪除,以改善整個功能模型。 通過功能裁剪分析,將冷卻風(fēng)機(jī)裁減掉,提出方案11(利用引風(fēng)機(jī)抽取冷卻機(jī)內(nèi)熱風(fēng)來實現(xiàn)抽風(fēng)功能),見圖6。

圖6 裁剪前后的功能模型

4 問題的解

將以上問題求解過程所提出的方案進(jìn)行匯總,然后根據(jù)成本、效益、能耗、目標(biāo)等進(jìn)行綜合性評估(用☆表示,☆越多表示方案越優(yōu)),結(jié)果見表9。

表9 方案匯總

根據(jù)表9,將方案5、7、11 合并成總方案:取消冷卻風(fēng)機(jī),采用熱風(fēng)爐引風(fēng)機(jī)抽風(fēng),將冷卻窯改為立式冷卻機(jī),利用夾套冷卻水與產(chǎn)品逆流換熱。繪制的改造后的工藝流程見圖7。

圖7 改造后的工藝流程

5 結(jié)語

本文中的方案主要運用TRIZ 理論中的功能分析、因果鏈分析、最終理想解、可用資源分析、技術(shù)矛盾、物理矛盾、物質(zhì)-場分析、科學(xué)效應(yīng)和功能裁剪等方法,找到最優(yōu)方案來解決磷酸銨生產(chǎn)裝置冷卻窯處理能力不足的問題。 方案在云南紅磷化工公司180 kt/a 磷酸銨生產(chǎn)裝置上實施,成功使磷酸二銨產(chǎn)品包裝溫度由60 ℃降至39 ℃,改善了現(xiàn)場環(huán)境,減少了尾氣洗滌處理量,裝置運行穩(wěn)定,降低了生產(chǎn)成本。 云南紅磷化工公司270 kt/a 磷酸銨生產(chǎn)裝置、300 kt/a 復(fù)合肥生產(chǎn)裝置也已相繼采用該方案實施改造。