TRIZ理论在蒸发法处理稀土碳沉废水中的应用

马丽佳 ，柳召刚 ，李 梅 ，赵治华

(1.内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古包头 014010；2.内蒙古包钢稀土(集团)高科技股份有限公司，内蒙古包头 014010)

0 概述

发明问题解决理论（TRIZ）是指导人们进行发明创新、解决工程问题的系统化的方法学体系。它是由苏联发明家根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller）为首的研究团队提出的。TRIZ的系统性创新原理是对大量发明创造、技术问题的解决过程进行总结，得到的科学原理和法则能准确迅速地提出行业领域中的设计方法，创造有价值的新概念。

本文是将TRIZ应用于稀土碳沉废水治理工艺中，较彻底解决稀土行业碳沉废水中氨氮污染问题，回收氯化铵，变废为宝，使得稀土湿法治炼更加经济、环保，促进稀土行业可持续发展。

将TRIZ原理中技术系统进化法则和冲突解决原理应用于三效蒸氨法处理稀土碳沉废水工艺中，对于解决技术难题，掌握设备进化规律，解决稀土碳沉废水处理工艺的冲突问题具有重要作用，可以提高废水处理效率，实现废水零排放的目标。

2 三效蒸氨法处理稀土碳沉废水工艺中存在的问题

1 TRIZ理论中技术系统进化法则及冲突解决原理

技术系统的定义为：由具有相互联系的元件与运作所组成的、以实现某种功能或职能的事物的集合。技术系统是由多个子系统组成的，并通过子系统间的相互作用实现一定的功能。技术系统的进化是遵循某些客观规律的，通过对大量专利的分析研究，阿奇舒勒发现产品通过不同的技术路线向理想解方向进化，并提出了八大类技术系统进化法则。运用这些法则，可以解决技术系统未来的发展方向，可以更好的预测出技术系统未来的发展方向。发明问题的核心就是解决冲突，冲突可以分为物理冲突和技术冲突。技术冲突是指：一个作用同时导致有用及有害两种结果，也可指有用作用的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统或系统变坏。物理冲突是指：为了实现某种功能，一个子系统或元件应具有一种特性，但同时出现了与该特征相反的特性。

稀土氨氮废水主要产生在碳沉工艺，生产一吨的稀土氧化物，要产生 12吨的上清夜，氯化铵的浓度为 6%~12%，产生 6吨左右的淋洗水，氯化铵浓度为0.6g/L。2011年国家发布的《稀土工业污染物排放标准》中规定，废水中的氨氮浓度必须小于50mg/L。然而，碳酸盐沉淀工序产生的铵离子浓度高达10-20g/L，远远超出国家排放标准。

目前，我国大型的稀土治炼企业均采用三效蒸氨法处理稀土碳沉废水，其主要工艺流程如图1。

三效蒸氨法具有成本低、处理量大的优势，但是在实际的操作应用中存在一些不足。主要缺点有：(1)、氯化铵产出量低。通过对北方矿几家稀土企业调研，如果每月消耗碳酸氢铵1000吨，按分子量比折算成氯化铵为677吨，除以碳酸氢铵与稀土碳沉投量比1.1，得氯化铵615吨，则每天可回收氯化铵20.5吨。而现有的蒸氨设备，按照上述投放碳酸氢铵的量，日处理废水100m3，实际产出氯化铵仅为1~2吨。氯化铵产出量低的原因主要有：①产出的氯化铵粘稠，不宜生长为氯化铵晶体。②一效蒸发温度接近100℃，氯化铵在100℃时挥发量较大。（2）、能耗高。蒸氨法处理稀土碳沉废水过程中，要消耗大量的电能和煤炭，使得废水治理成本高，给企业造成很大负担。

图1 三效蒸发系统工艺流程图

3 技术系统进化法则的应用

（1）动态性进化法则

动态性进化法则是技术系统会向提高其可移动性和可控性的方向进化。①可移动性，由于稀土碳酸盐的产量每月、每季度不同，所产生的氨氮废水量是不稳定的，如果采用储水装置，占地面积大且味道难闻，所以在稀土工业生产中，大多工厂是将废水通入三效蒸氨设备。在废水量较小的情况下，能耗较高且氯化铵的产出量极低。应用TRIZ理论的动态进化法则，可以将三效蒸氨设备设置成可以随废水量多少调节的装置，如图2所示，在蒸氨室内通入两条蒸汽管道，在料液量较大的情况下，关闭蒸汽2，打开蒸汽1，使用蒸发室的整个内部容积；在料液量较小的情况下，关闭料液1，打开蒸汽2，使用蒸发室的半个内部容积。这样一方面可以减少蒸汽的消耗量，节约能源，一方面提高氯化铵的蒸发效率。

图2 三效蒸氨设备其中一效

②可控制性，技术系统的进化，应该沿着增加系统内各部件可控性的方向发展。现有的三效蒸氨设备，各项技术监控尚不完善，对于三效蒸氨的每一效应安装温度、压力监视装置。料液入口应增加流量和浓度监测装置。以便于随时掌握设备的运行情况，提高运行效率。

（2）提高理想度法则

技术系统的理想度法则是技术系统向增加其理想化水平的方向进化。现有的三效蒸氨工艺，水蒸汽是通过煤炭燃烧热量获得，煤炭需求量大且价格较贵，是造成能耗高的主要因素。应用提高理想度法则解决三效蒸氨能耗高的方法是：设定技术系统最理想的状态是不需要花钱而获得能源，具体做法是，将锅炉设备加设太阳能板，即太阳能和燃烧能混合装置，太阳能不能够获得足够能源时，可以燃烧煤炭作为能源补充。既节约了能源，又绿色环保。

（3）技术系统协调性进化法则

进化到高级阶段时技术系统的特征是：子系统为充分发挥其功能，各参数之间要有目的地相互协调或反协调，能够实现动态调整和配合。应用系统协调性进化法则提高氯化铵产出量的方法是：控制冷却槽内氯化铵液体冷却速度并增加搅拌装置。

降温速率对产品粒度分布有着明显影响，随着降温速率的增大，产品的住粒度先增大后减小，如表1所示：当降温速率太小时，过饱和度很小，不利于生长。当降温速率增大到一定程度后，致使出晶前溶液过饱和度过大，初级成核率增大，造成爆发性成核，致使产品主粒度减小，所以在氯化铵的结晶过程中，应选择0.2℃/min的冷却速率。

表1 冷却速率对粒度的影响

增加搅拌装置，可以使生长中的枝晶破碎，增加晶核数目，同时二次晶核由于流体作用而更快地从晶体表面脱落，促进成核。所以，为防止冷却槽内溶液分散性不好，产生局部过饱和，应该增加搅拌装置，并严格控制搅拌速度。

4 冲突解决原理的应用

三效蒸氨工艺中，第一个蒸发器（称为第一效）以生蒸汽作为加热蒸汽，其余两个（称为第二效、第三效）均以其前一效的二次蒸汽作为加热蒸汽，每一效的二次蒸汽温度总是低于其加热蒸汽。故一效蒸发器内的温度接近于生蒸汽温度100℃，温度越高，蒸发效率越高，且能够为二效、三效蒸发器提供热源，但是氯化铵在100℃时，挥发量较大，氯化铵损失严重。所以第一效蒸发器温度升高有利于提高蒸发效率和氯化铵的挥发严重形成了TRIZ理论的技术冲突。

在此技术冲突中，改善的参数是温度，在39个通用技术参数中对应的是17号参数；恶化的是氯化铵的挥发，即物质的量损失，查询技术参数，对应的是23号参数物质损失。查询阿奇舒勒冲突矩阵表，可以得到四条发明原理：21 减少有害作用的时间原理、29 气压和液压结构原理。

（1）应用减少有害作用原理，可以减少一效蒸发时间，即降低一效蒸发器的体积，增加二效蒸发器体积，以减少一效蒸发氯化铵的挥发。

（2）应用气压和液压结构原理，可以增加一效蒸发器的压强，液体物质沸点随压强的增加而降低，氯化铵液体在80℃能够浓缩且氯化铵的挥发大幅减少。

5 总结与建议

1）对于蒸发法处理稀土碳沉废水工艺存在的不足，应根据稀土行业生产的特点，改善设备的可调节性，并增加温度、压力等监控装置，可以减少能源消耗，准确监测设备运行，提高设备的运行效率。

2）系统中应尽量使用太阳能代替热能，减少能源消耗，减轻企业生产经营负担。

3）根据晶体生长特点，应降慢冷却槽内氯化铵液体冷却速度并增加搅拌装置，使其均匀稳定生长，增加氯化铵晶粒直径，提高氯化铵固体的回收率。

4）尽量减少一效蒸发器内氯化铵的损失，可以采用减少有害作用原理或气压和液压结构原理。通过减少一效蒸发器内体积，从而缩短一效蒸发的时间。也可以增加一效蒸发器内压强，从而降低蒸汽的温度。

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