TRIZ方法在降低炼厂VOCs系统氮气耗量上的应用
魏艳艳1* ，王贤山1，
杨金生1
（1 正和集团股份有限公司，山东省东营市 邮编257342）
摘要：炼厂储罐VOCs排放指标控制一般通过炼厂储罐VOCs系统的油气冷凝回收及尾气焚烧措施实现。现行处理方法因冷凝回收功能的不足，需要对尾气进行焚烧处理，但焚烧处理即会造成尾气中氮气的无效利用，造成氮气的损失。针对在炼厂储罐VOCs处理系统中的氮气耗量高的问题，探索利用创新方法TRIZ理论中的功能分析、因果分析、冲突分析、理想解分析确定系统中关键问题点及根本原因，运用冲突解决工具、物质-场标准解决工具、效应、裁剪工具等寻求问题的解决方案，得到问题的最终方案。
关键词：TRIZ；VOCs；氮气
中图分类号：TQ
TRIZ methods
for reducing nitrogen consumption in VOCs systems in refineries
Wei-Yanyan1*，Wang-Xianshan1，Yang Jinsheng1
(1 Zhenghe
Group Co., Ltd.，Shandong dongying )
Abstract: The control of VOCs emissions from storage tanks in
refineries is generally achieved through measures such as oil and gas
condensation recovery and tail gas incineration in VOCs systems. Current
treatment methods, due to insufficient condensation recovery functionality,
require incineration treatment of tail gas. However, incineration treatment
results in the ineffective utilization of nitrogen in the tail gas, leading to
nitrogen loss. To address the issue of high nitrogen consumption in VOCs
treatment systems in storage tanks in refineries, the study explores the use of
innovative methods such as functional analysis, causal analysis, conflict
analysis, and ideal solution analysis from the TRIZ theory to identify key
problem areas and root causes in the system. Conflict resolution tools,
substance-field standard solution tools, effects, trimming tools, and other
TRIZ tools are used to seek solutions to the problem and develop a final
solution.
Key words: TRIZ;
VOCs; Nitrogen gas
引言
由于环保指标及节能减碳要求的不断提升，国家及地方政府制定GB31570-2015《石油炼制工业污染物排放标准》及DB37/2801.6-2018《挥发性有机物排放标准》，规范炼厂VOCs气体的排放，其中要求非甲烷总烃≤60mg/Nm³、H2S≤25 mg/Nm³[1-2]。目前，炼厂轻油储罐VOCs排放指标的控制方式一般是通过冷凝回收对储罐呼出的轻组分进行处理，加之对尾气进行焚烧，最终实现炼厂储罐VOCs排放满足指标要求，但是现有的炼厂储罐VOCs尾气中的氮气未能实现有效利用，造成氮气的大量浪费，增加了炼厂运行成本。
TRIZ是前苏联科学家G.S.阿奇舒勒和他的研究团队于1946年到1985年研究的一套创新问题解决理论体系，是基于知识的、面向人的发明问题解决系统化方法学，有效适用于解决机械工程领域问题 [3] 。本文探索利用TRIZ方法解决流程性综合问题，具体利用
TRIZ方法解决炼厂VOCs系统氮气耗量高的问题，同时为TRIZ方法积累流程性类型的应用案例。
1
问题描述
目前，炼厂轻油储罐VOCs排放指标的控制方式一般是通过炼厂储罐VOCs系统实现，系统主要通过对储罐呼出的轻组分冷凝回收及尾气的锅炉焚烧[4]，最终实现炼厂储罐VOCs系统满足《石油炼制工业污染物排放标准》GB31570-2015、《挥发性有机物排放标准第6部分：有机化工行业》DB37/2801.6-2018的要求。
现有技术系统的原则工艺流程如图1所示。
图1 炼厂储罐VOCs技术系统原则工艺流程图
Fig.1 Refinery tank VOCs technology system
principle process flow chart
具体工作原理为：氮封内浮顶罐罐顶设置有单呼阀、补氮阀、压力控制系统等，单呼阀通过罐组收集总管将罐内呼出的气体输送至增压机入口，增压机出口与VOCs处理设施相连，VOCs处理系统将未处理的废气通过管线送至末端焚烧系统焚烧。补氮阀通过管线与厂内氮气管网连接。
当前技术系统存在的问题主要表现为：油气回收处理设施在对混合油气进行处理时，采用冷凝回收方式，该方式只对部分烃类组分进行冷凝回收，可以满足非甲烷总烃去除率≥97%的要求[5]。油气回收后的尾气是含有少量轻烃气体的混合油气，为处理该部分尾气，采用尾气焚烧的方式进行处理，该方式是对尾气中的可燃轻烃气体进行燃烧，可利用其热能，但尾气中含90%及以上的氮气，这部分氮气不能燃烧、不能助燃，故尾气焚烧的方式造成了大量氮气的浪费。
对照现有VOCs排放标准及现有装置的流程运行情况，确定新系统的要求为：可以实现原有VOCs系统的有机污染物排放指标要求，同时实现氮气消耗降低或者消除。
2
问题分析
2.1解题流程
TRIZ方法有多种分析问题、解决问题的工具，如系统分析、冲突确定、资源分析等[6,7]，本文主要采用功能分析、根原因分析、问题关键点确定、资源分析及理想解分析等分析工具，找准炼厂VOCs氮气耗量高的根因，确定问题的关键点。
2.2系统功能分析
系统功能分析的主要目的是确定系统的制品、系统元件及超系统元件，并分析各元件之间的作用关系。本问题的系统分析见表1
表1 系统功能分析表
Tab.1 System functional analysis table
|
制品 |
VOCs |
|
系统元件 |
氮气、补氮压控系统、切断阀、罐本体、VOCs压控系统、罐内液体、焚烧炉、油气回收设施、罗茨风机 |
|
超系统元件 |
厂内氮气管网、环境、收发油设施 |
各组件的作用关系分析见表2
表2 组建作用关系分析表
Tab.2 Assembly relationship analysis table
|
元件名称 |
氮气 |
罐内液体 |
补氮压控系统 |
切断阀 |
罐本体 |
VOCs压控系统 |
罗茨风机 |
油气回收设施 |
焚烧炉 |
|
氮气 |
|
- |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
罐内液体 |
|
|
- |
+ |
+ |
- |
- |
- |
- |
|
补氮压控系统 |
|
|
|
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
切断阀 |
|
|
|
|
- |
+ |
- |
- |
- |
|
罐本体 |
|
|
|
|
|
+ |
+ |
- |
- |
|
VOCs压控系统 |
|
|
|
|
|
|
+ |
+ |
- |
|
罗茨风机 |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
- |
|
油气回收设施 |
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
焚烧炉 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
已有系统功能模型分析如图2
图2 系统功能模型分析图
Fig.2 System function model analysis diagram
系统功能分析的结论为：（1）外界环境温度变化使罐内压力变化，导致氮气用量过度。（2）VOCs压控系统作用于切断阀的压力开启值低，导致氮气排出过度。（3）油气回收设施对氮气的分离作用不足，尾气中氧含量、烃含量偏高，导致难以氮气回收。具体表现如图3：
图3 系统功能分析具体表现图
Fig.3 System function analysis specific performance
diagram
2.3 系统因果分析
应用因果链分析法确定产生问题的关键原因，本项目具体表现为下图4
图4 系统因果分析图
Fig.4 System causal analysis diagram
梳理3条因果链，得出关键原因分析表3
表3 关键原因分析表
Tab.3 Key reasons analysis table
|
序号 |
关键原因 |
是否存在解决方案 |
具体方案 |
|
1 |
罐体未保温，受外界环境变化影响大 |
是 |
方案1：对罐体增加保温，消除外界环境温度对罐内介质的影响。 |
|
2 |
补氮压控系统设定开启压力偏低 |
是 |
方案2：设定合理的补氮开启压力。 |
|
3 |
VOCs压控系统设定开启压力偏低 |
是 |
方案3：设定合理的VOCs排放开启压力。 |
|
4 |
油气回收设施功能不足 |
否 |
|
2.4冲突区域确定
通过以上因果分析、根原因分析确定问题关键点为：油气回收设施功能不足。
2.5 理想解分析
本项目设计的最终目的是增强油气回收设施的功能，降低罐区VOCs系统氮气消耗；理想解为油气回收设施实现烃类组份和氮气的完全分离；达到理想解的障碍是冷凝温度受油气回收设施设备及制冷剂的限制；出现这种障碍的结果是VOCs尾气中含有少量轻烃组份及90%左右的氮气，通过焚烧对尾气进行处理，造成氮气的无利用浪费；进一步分析系统不出现这种障碍的条件是VOCs气体中本身就不含有或含有少量的氮气。
2.6 可用资源分析
通过对系统内、外部资源中的物质资源、场资源、其它资源进行分析，得出可用资源分析如下表4、表5。
表4 系统内部资源分析
Tab.4 Internal resources analysis of the system
|
系 统 内 部 资 源 |
类别 |
资源名称 |
可用属性参数 |
方案 |
可用性评估 |
|
物质资源 |
油气回收设施 |
处理量 |
提高处理量，但是设备投资增大、占地面积大 |
弱 |
|
|
回收量 |
进一步降低设备冷凝温度，但是设备材质不能满足要求，技术不成熟 |
弱 |
|||
|
罐内液体 |
挥发 |
保持罐内液体温度及液位状态稳定，减少其挥发，但是同时制约了生产 |
弱 |
||
|
场资源 |
重力 |
|
不可用 |
|
|
|
压力 |
|
不可用 |
|
||
|
其它资源 |
VOCs压控系统 |
|
方案1：优化VOCs排放系统操作控制，降低VOCs气体的排放量 |
强 |
|
|
补氮压控系统 |
|
方案2：优化补氮系统操作控制，降低氮气消耗量 |
强 |
表5系统外部资源分析
Tab.5
External resources analysis of the system
|
系 统 外 部 资 源 |
类别 |
资源名称 |
方案 |
可用性评估 |
|
物质资源 |
空气 |
不可用 |
弱 |
|
|
场资源 |
电能 |
利用风机将电能转化为机械能 |
与降低氮气耗量无关 |
|
|
压力 |
利用补氮系统压力与罐内压力差实现氮气补充 |
同方案2 |
通过资源分析，得到方案1：优化VOCs排放系统操作控制，降低VOCs气体的排放量；方案2：优化补氮系统操作控制，降低氮气消耗量。
3
问题解决
3.1 冲突解决工具
3.1.1技术冲突解决过程
冲突描述：为了降低氮气耗量提高油气回收系统的“冷凝回收效率”，我们需要提高油气回收设施冷凝效率持续降低冷凝温度，但这样做会导致系统的能耗增加。
转换成TRIZ标准冲突[8]：改善的参数：冷凝回收效率
恶化的参数：机组的能耗
查找冲突矩阵，得到如下发明原理：
|
改善的参数 |
恶化的参数 |
对应的发明原理 |
|
39生产率 |
22能量损失 |
28、10、29、35 |
结合上述发明原理对本系统进行技术分析，依据No.10 预操作发明原理，第1条
（1）在操作开始前，使物体局部或全部产生所需变化
（2）提前对物体或系统进行安排，使其提早进行准备，或处于方便使用的状态。
得到方案3：在油气回收设施之前加入柴油冷凝吸附设施，对VOCs气体进行预处理[9]。
3.1.2 物理冲突解决过程
冲突描述：为了“ 降低VOCs尾气中轻烃含量”，需要参数“
温度”为“ 低”，但又为了“降低冷凝剂利用量” ，需要参数“温度 ”为“高”，即，温度参数既要“低”又要“高” 。
“正” 为了降低VOCs尾气中轻烃含量，需要降低温度低温度
温度
“负” 为了降低冷凝剂利用量，需要提高温度
考虑到参数“温度”在不同的“空间上”（空间上、时间段、不同条件下、系统层次上）具有不同的特性，因此该冲突可以从“
空间”（空间、时间、条件、整体与部分）上进行分离。
选用4条分离原理（空间分离、时间分离、基于条件的分离、整体与部分分离）当中的“空间分离”原理，得到解决方案4。
方案4：将油气回收机组分割成两个并联的设备，增加冷凝回收总的温度降低量，以提高VOCs轻烃冷凝吸收量。
通过对该方案进行详细论证，为提高VOCs轻烃冷凝吸收量，设立两个并联的油气回收机组，增加了冷凝剂的量。这样的话，会引起投资成倍增加，设备占地也较多。因此该方案具有不合理性。
图5 分离原理解决方案图示
Fig.5
Separation principle solution diagram
3.2 物质-场标准解工具
S2：环境 S1：罐本体 FCh ：温度场
建立问题的物质-场模型为：
根据所建问题的物质-场模型，应用标准解解决流程，得到标准解为：
No. 2 假如系统不能改变，但可接受永久的或临时的添加物。
依据选定的标准解，得到问题的解决方案；
No.2 标准解为：假如系统不能改变，但可接受永久的或临时的添加物。
依据No.2标准解，得到问题的解如下:
方案5：在罐体增加保温物质，降低环境温度变化对罐内介质的影响。
改进之后的物质-场模型为：
S2：油气回收设施 S1：VOCs FMe ：温度场、表面力
建立问题的物质-场模型：
根据所建问题的物质-场模型，应用标准解解决流程，得到标准解为：
No.14 串联物质-场模型：将第一个模型的S2及F1施加到S3，S3及F2施加到S1。串联的两个模型是独立可控的。
依据No.14标准解，得到问题的解如下:
方案6：在油气回收设施后串联储罐进行VOCs尾气收集，并将其分析合格后送补氮系统。
3.3效应工具
确定问题要实现的功能为：“分离”（动词+名词）。
查找效应知识库，得到可用的效应为“ 冷凝 ”、“吸附作用” ，“冷凝”效应：物质聚集的物理状态（或简单的状态）从气相到液相的变化。
“吸附作用”效应：吸附和吸附作用同时发生，即气体和液体被结合到不同状态的材料中，并附着在另一个分子的表面。吸收是将一种状态的物质结合到另一种不同状态的物质中。吸附是离子和分子在另一分子表面的物理粘附和结合。
依据该效应得到问题的解决方案：增加一套油气回收设施，提高对VOCs气体的处理，同方案4。
3.4 进化分析
通过对现有技术系统的进化过程进行分析，选择技术进化定律“5：提高可控性定律”。
依据现有技术系统的进化发展过程，选择技术进化路线“5-2向自适应控制方向进化”。
按照选定的技术进化路线，判断现有控制系统（PID)在进化路线上的位置，进而确定潜力状态为：成长期。按照技术进化分析，得到方案7：提高自动化控制的水平，如先进控制系统APC的引进和应用。
3.5 裁剪工具
针对功能模型中氮气过剩作用等问题，应用4条裁剪规则直接裁剪。将氮气供应线直接裁剪掉。
按照功能裁剪过程，得到解决方案如下：
方案8：将补氮系统整体裁剪掉，即系统不再补氮。
该方案会从根本上消除氮气的消耗，但是结合现行标准规范来说[10]，该方案不能满足要求，故该方案不可行。
4
方案汇总
对上述方案汇总及评价见表6：
表6方案汇总表
Tab.6
Summary of solutions
|
序号 |
方案 |
优点 |
缺点 |
可用性评估 |
|
1 |
优化VOCs排放系统操作控制，降低VOCs气体的排放量 |
在VOCs去油气回收中间环节减少排放量，从而减少氮气排放 |
操作弹性变小 |
最终实施 |
|
2 |
优化补氮系统操作控制，降低氮气消耗量 |
在补氮环节优化控制，降低氮气补充量 |
操作弹性变小 |
最终实施 |
|
3 |
在油气回收设施之前加入柴油冷凝吸附设施，对VOCs气体进行预处理 |
处理效果好 |
投资大 |
专利方案、技术储备 |
|
4 |
将油气回收机组分割成两个并联的设备，增加冷凝回收总的温度降低量，以提高VOCs轻烃冷凝吸收量 |
处理效果好 |
投资大 |
技术储备 |
|
5 |
在罐体增加保温物质，降低环境温度变化对罐内介质的影响 |
较易实施 |
效果不是很大 |
最终实施 |
|
6 |
在油气回收设施后串联储罐进行VOCs尾气收集，并将其分析合格后送补氮系统。 |
实现氮气的循环利用，减少碳排放 |
需要对系统安全性进行评估 |
专利方案、技术储备 |
|
7 |
提高自动化控制的水平，如先进控制系统APC的引进和应用 |
自动化水平高 |
技术不够成熟 |
技术储备 |
|
8 |
将补氮系统整体裁剪掉，即系统不再补氮。 |
从根本上消除了氮气消耗 |
不满足现行标准要求 |
现行标准不可行 |
依据上面得到的若干创新解，通过评价，确定最优解。
最终解为：
对系统前端罐体进行保温，对补氮系统、VOCs排放系统控制逻辑进行优化。在油气回收后端设置储罐对VOCs尾气进行收集，分析合格后将其通过补氮线回用至储罐。
图6 最终解示意图
Fig. 6
Final solution schematic
5
结束语
TRIZ是一种发明问题解决理论，广泛应用于机械制造等工程领域[11]。本文探索应用TRIZ方法解决工艺流程性问题，针对炼厂VOCs系统氮气耗量高的问题，采用问题背景和描述明确问题产生的系统；通过问题分析过程，利用根原因分析等工具，确定VOCs系统氮气耗量高的根本原因，通过理想解分析得出解决VOCs系统氮气耗量高问题的最终理想解及次理想解；最后通过冲突解决、效应等工具，找到问题的解，最终实现降低炼厂VOCs氮气耗量，降低炼厂运营成本，促进碳减排的目标实现。
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