1 项目简介
催裂化装置是炼厂重要的核心炼油装置，目前各催裂化装置催化剂在压剂、卸剂、收剂的过程中均依靠蒸汽喷射器为催化剂罐提供负压环境，蒸汽喷射器将催化剂罐中催化剂粉尘和蒸汽一同抽出喷洒到大气环境中造成粉尘污染。2016年起，催裂化装置废催化剂已经被列入国家危险废物名录，采取措施治理催化剂粉尘污染这一行业共性问题势在必行。
图1 催化剂粉尘和蒸汽四散的现场
2 问题描述
2.1 基本情况
目前使用蒸汽喷射器给催化剂罐抽负压主要有以下几项工作内容：
1）自三旋回收催化剂储罐V108向废剂罐V103压废催化剂，简称压剂工作；
2）自催化反再系统的再生器R102向废剂罐V103卸出平衡催化剂，简称卸剂工作；
3）自外来运输的新鲜催化剂收入到新鲜催化剂储罐V101、V102，简称收剂工作。
在这三种工作中，都是用蒸汽喷射器将催化剂罐抽成负压，然后与催化剂来料打通流程后，通过压力差将粉末状催化剂输送到催化剂储罐中的。为了提供负压，蒸汽喷射器连接在催化剂罐顶，由于蒸汽喷射时形成流动，将催化剂罐内上部空间里弥漫的催化剂粉尘抽走，经蒸汽喷射器后喷撒到外部形成粉尘污染。
已经采取的措施有：1）在催化剂罐顶设计了旋风分离器，将抽走的催化剂粉尘在旋风分离器内进行分离，把收集的催化剂粉尘返回储罐。2）在蒸汽喷射器的出口安装了跑逸催化剂回收箱，将蒸汽夹带的催化剂粉尘汇集到箱中。3）在跑逸催化剂回收箱上设计了喷淋水，在冷却蒸汽的同时洗涤催化剂粉尘。
然而在采取了以上措施后，现场仍有大量蒸汽自回收箱内喷出，催化剂粉尘四溢，现场环境受到污染，工作环境恶劣。需要采用创新方法来解决问题。通过TRIZ理论对系统进行分析，利用TRIZ理论的解题工具提供的方案，对催化剂系统进行改造，在改造少和费用低前提下，做到在压剂、转剂、卸剂工作时减少乃至消除催化剂粉尘污染。
图2 在压剂时拍摄的跑逸催化剂回收箱图片
3 解题过程
通过对催化剂收、压、卸剂系统的描述，利用TRIZ理论解题的步骤如下：
3.1 组件模型
首先利用TRIZ理论对系统进行了分析，建立了系统的组件列表。
根据组件列表，逐一构建系统组件之间的作用关系
根据组件之间的作用关系，构建了组件模型，对蒸汽有害的吹散作用，过度的抽取作用，分离的不足作用等功能结构进行了明确。
3.2 应用系统裁剪法对组件模型进行裁剪
从组件模型出发，应用系统裁剪法。首先，对组件进行价值度评价，蒸汽有害作用最大，价值度最低，优先裁剪，裁剪蒸汽后，蒸汽喷射器也被裁剪。但是蒸汽喷射器提供差压实现催化剂输送，这一有用功能必须保留，经过计算，认为可以在降低管道阻力的前提下实现自服务，用系统内组件资源“压剂线”，提供催化剂输送这一有用功能，代替了被裁剪组件。
3.2.1 如何增强喷嘴对洗尘水的分散效果
增强洗尘水对粉尘的洗涤效果，要改善喷嘴对洗尘水的分散作用，根据物理矛盾，查询矛盾矩阵，选用10、35发明原理，通过“物场分析法”得到方案：在环管上增设高效喷嘴。
改善洗尘水与粉尘混合物的接触效果。可以采用更好的中间接触媒介，让洗尘水在塔板或者填料上更好地洗涤粉尘。
3.2.2 如何增强洗尘水对催化剂粉尘的粘附作用
为了解决增强洗尘水对催化剂粉尘的粘附作用的问题，应用“物场分析法”寻找解决思路，根据S2.2.2 增加分割程度原理得到方案：采用塔板、填料等中间接触媒介改善粘附作用。
3.2.3 如何增强旋风分离器对废催化剂分离作用
为了解决增强旋风分离器对废催化剂分离作用的问题，根据S2.1 转化为复杂物场模型原理得到方案：多级旋风分离器。
通过“标准解法”得到方案：通过增加一级旋风分离器。保证了旋风分离器对催化剂粉尘的分离作用足够强。
3.2.4 如何增强回收箱对废催化剂分离作用
为了解决回收箱对废催化剂分离不足的问题，应用九屏幕法来寻找资源：
通过“九屏幕法”得到方案有：（1）用自压系统提供压力差，不用蒸汽；（2）采用催化剂洗涤回收塔；（3）采用喷淋环管；（4）采用液环真空泵；（5）防止蒸汽跑逸的液体封溢流管。
3.3 How To模型
在新的组件模型基础上，构建问题的HOW to模型
（1）如何增强喷嘴对洗尘水分散作用不足的问题？
（2）如何增强洗尘水对废催化剂粘附作用不足的问题？
（3）如何增强旋风分离器对废催化剂分离作用不足的问题？
（4）如何增强回收箱对废催化剂分离作用不足的问题？
4 方案评价
通过采用TRIZ理论对催化剂压剂、卸剂、收剂产生粉尘污染的问题进行分析和求解，得到了各种解决方案，将方案进行汇总，见表1。
从成本、维护和有用功能三个维度对以上11种方案进行评价，得到各种方案的价值，为最终方案提供依据（见表2）。评价方式：成本权重：30%；维护权重：20%；有用功能：50%。方案价值计算公式为：
5 最终方案
采用TRIZ理论对催化剂压剂、卸剂、收剂产生粉尘污染的问题得到的解决方案，对各种方案从成本、维护和有用功能三个维度进行评价，评价后采用了方案一、方案二、方案四、方案七、方案十和方案十一汇总形成了最终方案，对催化剂压剂、卸剂、收剂系统进行改造。
图3 对接充压送剂槽车用的专用快速接头
图4 带有旋分功能的跑逸催化剂洗涤筒试制品
催化剂分离和输送的压力差，压剂时由催化三旋回收催化剂储罐V108与催化剂罐之间差压提供，卸剂时由催化再生器R102与催化剂罐之间差压提供，收剂时由充压送剂槽车与催化剂罐之间差压提供。
催化剂罐顶旋风分离器出口取消蒸汽喷射器，增设带有旋分功能的跑逸催化剂洗涤筒，进一步回收催化剂粉尘。为了有效改善粉尘的洗涤回收效果，在洗涤筒和排空管内增设洗尘水，采用环管喷淋喷嘴结构提高洗尘水分布，采用类似催化分馏塔下部人字挡板塔盘结构增加对催化剂粉尘的洗涤效果。
最终方案的创新点在于：一、催化剂依靠设备间压力差自动输送，仅就不再耗费驱动蒸汽一项，每年能节约上百万元。二、将创新方法设计的洗涤、降温、分离多种功能结构整合在一个紧凑的洗涤筒内部，结构上可以自动排浆，有效抗尘泥堵塞，在进一步采用远程控制阀的情况下，可以提高自动化程度，在实施压剂、卸剂等操作时。无需人员到现场，远程即可操作。这一设计方案得到了中国燃料与润滑剂产品标准委员会秘书长、中石化科技部原副主任徐惠等专家的高度评价。获得了2017年全国企业创新大赛一等奖。
责编/魏晓文
