垃圾焚烧厂除尘系统运行稳定性及扩建规模分析

1、垃圾焚烧厂除尘系统运行稳定性及扩建规模分析摘要生活垃圾是人类生活的必然产物，随着人类文明的进步和人口的增长，生活 垃圾的产量不断增加， 而以焚烧方法处理生活垃圾可以有效的减少垃圾， 并且能 够用于后续的发电过程。 但焚烧垃圾带来的废气处理问题也更加严峻。 布袋式除 尘是目前比较有效的处理废气问题的方法。 但因为垃圾成分复杂， 产生气体也比 较难以具体分析到位。鉴于民众对废气排放的担忧，新建垃圾焚烧厂举步维艰。 因此研究布袋式除尘的稳定性问题有着深远的实际意义。布袋式除尘是一种较老且比较成熟的除尘技术。 含尘气流从下部进入圆筒形 滤袋，在通过滤料的孔隙时，粉尘被捕集于滤料上，接着沉积在滤料上的粉

2、尘， 可在机械振动的作用下从滤料表面脱落， 落入灰斗中。粉尘捕集机理分为： 筛分、 拦截、惯性碰撞、静电和扩散等。 其主要作用就是要把烟气中的粉尘过滤掉然后 达标排放。本文旨在研究影响布袋除尘器运行的因素并建立数学模型， 从而分析烟气处 理系统的运行稳定性， 最终采用模糊综合评价方法得到了一种详细评估布袋除尘 器运行稳定性模型。 进而通过污染气体的扩散分析， 建立高斯烟羽扩散模型， 同 时在考虑单位面积排放总额限制的前提下， 得出污染气体扩散的最大半径， 从而 得到扩建的最大面积对焚烧厂扩建的规模进行规划。 此外还分析了在采用新型超 净除尘替代工艺改变影响因素的情况下， 采用带权值的赫夫曼树思

3、想比较改进工 艺后带权路径长度（WPL）的变化量，也即系统运行稳定性能的提高量，即分析 改进的有效性。关键字：模糊综合评价模型 高斯烟羽模型 权重 赫夫曼树 带权路径长度 布袋除尘系统 运行稳定性评估值 G 数学模型 气体扩散 扩建最大面积 Smax 性能提升百分比3环境允许上限1研究除尘系统运行稳定性及扩建规模问题的意义随着人类文明的进步和人口的增长，生活垃圾的产量不断增加，而以焚烧方 法处理生活垃圾可以有效的减少垃圾， 并且能够用于后续的发电过程。但焚烧垃 圾带来的废气处理问题也更加严峻。布袋式除尘是目前比较有效的处理废气问题 的方法。但因为垃圾成分复杂，产生气体也比较难以具体分析到位。

4、鉴于民众对 废气排放的担忧，新建垃圾焚烧厂举步维艰。因此研究布袋式除尘的稳定性问题 以及垃圾焚烧厂在环境允许上限下的最大扩建规模问题有着深远的实际意义。2分析袋式除尘系统运行稳定性2.1问题的分析与假设首先，我们可以发现除尘系统运行稳定性本身是一个模糊的概念，评判除尘 系统运行稳定性涉及到多个指标，我们需要根据多个指标对事物做出综合的评价。 在模糊综合评判中将除尘系统运行稳定性有关的模糊概念用模糊集合表示，然后进入评判的运算过程，通过模糊运算获得对除尘系统运行稳定性的评估。对于除尘系统运行稳定性的评估，因素很多，对这类问题，可以把影响因素 按特点分成几层，先对每一层进行综合评判，再对评判结果进

5、行高层次的综合评 判。考虑到影响除尘系统运行稳定性各种因素的关系，按因素的不同性质分为3个因素集合，即一级因素集：一级因素集包含10个二级因素集，分别为：A (除尘效率)：滤料性能A1,过滤风速A2,工作条件A3,粉尘层厚度A4B (设备阻力)：结构阻力B1，滤料阻力B2,粉尘层阻力B3C (维修管理)：布袋更换C1，建设成本C2,运行成本C3对于每个因素都可给出由5个元素组成的评判集合，例如某个因素的评判集 合为很好，好，一般，差，较差或者另一个因素的评判集合为很多，多，一般， 少，很少。根据除尘系统运行稳定性的实际情况，对3个一级因素中的10个二级因素， 又可以分成36个三级因素，如表2.

6、1所示，对每个三级因素都可以给出包含 5 个元素的评判集合，从而可以构造模糊矩阵跟各个因素的权重， 综合考虑所有的 因素，求解出除尘系统运行稳定性的评估数据。表2.1多级因素分级及其权重一级因素二级因素权重模糊矩阵三级因素权重除尘效率(A1)滤料性能a1RA1(A11)容尘量an(A12)滤料材质a12(A13)透气性a13(A14)吸湿性a14(A15)机械强度a15(A16)稳定性a16(A17)滤料成本a17(A2)过滤风速a2(A21)处理风量a21式22 a3RR度 )fiA31T3 a23 a度 浓 尘 粉333 a度 厚 层 尘4B (丄4ra率 频 灰 清式设备阻力力 阻 构

7、吉 侣1BR数系 力 阻 立口1)M(B1bl程流态2(B12力 阻 料 腿2 侣2BR率 透 渗 料21X侣b2122b力 阻 层 尘 BB3BR数 系 力 阻 )tb3 侣T3 b度 浓 尘33 侣23b33 b维修管理换 更 袋 怖(C1损 破 袋 包 训C1艺 工 计 设 炉 烧2(C120本 设(C22室21(CT|管C22装3C245C26车 弑27(C789本成 行(C3a力33)(CT8C32C33C34一2.2建立模糊综合评价模型并进行求解 2.2.1建模假设前提对除尘系统进行数学建模，假设垃圾焚烧发电厂处理的烟气类型一定，所含 的粉尘类型一定，布袋式除尘系统过滤速度一定，清

8、灰方式一定，构建除尘系统 运行稳定性的模糊综合评判模型。222权重及模糊矩阵的确定方法专家组中独立地对第i个因素集评估等级，收集所有专家的意见表进行统计， 得到专家组评估的频数分布。在实际生活中，邀请专家组根据评判集来进行评判， 得出评判的结果，根据评判结果得到每个因素的评判与模糊矩阵。3 / 102.2.3模型的求解过程记第i个三级因素的评判集R为卬，门2,巾，加,临, i=1,2,3,4,对应的二级因素模糊矩阵R,如式2.2.3-1所示?=?（式 223-1）?1?2 ? ?5（式 223-2）?= ?其中 i=1,2,3,4, j=1,2,3, k=1,2,3（式 223-3）= 评估为

9、第i个等级的人数?= 1,2,3,？?，?=专家组人数?/= 1,2,3,4,5其中rj为第i个三级因素第j个等级的隶属度推出10个二级因素的模糊评判矩阵 RA（i=1,2,3,4）, Rj （j=1,2,3）,验（k=1,2,3）。 由专家组投票确定的权重向量 Wa, Wb, Wc与模糊评判矩阵相乘即可得到评判 向量：?= ? = ?条?？?所以3个一级因素的模糊评判矩阵为?=（?1,?2 ,?3 ,?4）?=（?1,?2 ,?3 ）?（式 223-4）?=（?1,?2 ,?3 ）?由上面的公式，可计算得出相对应的评判向量为? =?,?,?,? ?=（闕，观，魂,?4，?）?=?,?,? ?

10、=（?,?,?,?,?）（式 223-5）?=?,? ?= （?色?湛?方,?温?创此时令?=?=1? =?=1?=5?1?（式 2.236）则?、?、？?为一级因素 A（除尘效率）、B （设备阻力）、C （维修管理）的隶属度，则其隶属度向量记为?= （?, ?, ?）? （式 2.2.3-7）,则此时除尘系统运行稳定性评估值为4 / 10（式 2.238）?= ?= ?s+ ? ?-屯?-1233垃圾焚烧厂环境允许上限的扩建规模3.1扩建问题的分析垃圾焚烧厂环境允许上限的扩建规模，换言之即污染气体连续扩散，满足单 位面积总量限额的条件后所能达到最大的扩散面积，只有这样才不会造成对环境 的污染

11、。因此我们需要建立模型来求解扩散的最大面积，即垃圾焚烧厂的环境允 许上限扩建规模。3.2高斯烟羽模型的使用环境我们引入一种常见的气体扩散数学模型，即高斯模型。高斯模型适用于轻气 云和中性气云气体。要求气体在扩散过程中，风速均匀稳定。它分为烟团模型和 烟羽模型，分别适用于不同的场合。由于气体污染物泄漏分为气体瞬时泄漏和气 体连续泄漏，其中气体瞬时泄漏指相对于扩散的时间，污染物泄漏的时间比较短， 比如瞬间的粉尘爆炸以及突发的泄漏等情形；而气体连续泄漏相对来说污染物泄漏的时间长的多。气体瞬时泄漏适合用烟团模型来模拟， 而气体连续泄漏应该使 用烟羽模型来模拟。3.3根据实际情况建立高斯烟羽模型垃圾焚烧

12、发电厂排放的污染气体与大气密度相近，PH值略小于7但接近中性。此类气体排放时的烟囱可看做为一个连续点源，它的排放类型为连续的气体 泄漏。因此，非常适合采用高斯烟羽模型来进行问题的分析。根据高斯烟羽模型的一般经验规律，可近似把垃圾焚烧发电厂排放的污染气体扩散图形看为椭圆。 假设经过一定的气体扩散时间t（s），大气的平均风速为VF（m/s），上文分析得到的 数据，烟囱的污染排放浓度为 C2（mg/m3），烟囱的污染排放强度为 Q（mg/s）,具 体公式见（式3.3-1），OO?= 一 ？?？?？?？（式 3.3-1）同时设泄漏源的高度为H（m）,气体在某位置某时刻的浓度值为 C（x, y, z，t

13、），x、y、z轴上的扩散系数 c、二y、二z，见（式3.3-2），?= ? ?= ?2?（?）10? = （10 ?0）0.533 ?-0.22?= 0.041h其中x轴为风向，y轴为水平面内与风向垂直的方向, 向，具体公式见（式3.3-3）,（式 3.3-2）z轴为与水平面垂直的方C x,y,z,t?2 ?-?2 ?+?2二?2?2 ?（? 2? + ? 2 ?2 ）2?辉?？?？ 2（式 3.3-3）11 / 10以垃圾焚烧发电厂的排放烟囱为原点，建立三维的坐标系，如下图3.3所示。图3.3垃圾焚烧发电厂的排放气体扩散三维的坐标系3.4求解垃圾焚烧厂污染气体扩散的高斯烟羽模型查询文献，选取

14、出a、b、p、q的近似值。根据公式，可知气体在某位置某时刻的浓度值表达式里面只含有两个未知数 x与y。已知单位面积排放总量限额，可除以高度H得到单位体积排放总量限额， 即临界浓度Cmin,见公式。我们令C（X, y，Z，t）的值为Cmin，可以得到临界等浓 度线，如图3.4所示。?=（式 3.4-1）单位面积排放限额（第）高度?）图3.4-1近似椭圆的高斯扩散面以及两种情况下扩建最大面积根据需求，我们需要研究得到扩建的最大面积，所以我们需要计算得到单方向的最大扩散距离，根据椭圆的性质可知即为长轴的长度，用数学关系式表达即max（xo， X12 + y22），如图3.4所示，然后以此扩散源烟囱为

15、圆心，max（xo,Xi2 + y22 ）为半径作圆，从而最后得到环境允许的最大面积Snax，如图3.4所 示。我们打算进行c语言的编程来求解垃圾焚烧厂扩建的最大半径。先求X0的值，X0的求解很简单，根据上图所示，我们只需要令 y=0即可得到一个只与X有 关且满足临界浓度曲线的一元方程，即可求解出xo的值。下面我们来求解yo的值。因为要写出以横风向距离y为函数，浓度C（x y，z，t）为自变量的表达式很 困难，所以我们决定用极限逼近的方法来依靠计算机计算yo的值。而高斯烟羽模型中气体扩散距离越长，其气体的浓度也就会越低。我们根据这个性质来求解 yo。程序框图见下图所示，程序实现步骤如下： 令y

16、=0, x=xo作为程序的输入。 判断此时的x是否大于o以及y2- yi是否大于o,若两个都大于o则继续， 否则则程序跳出循环并输出xi，yi。 初始化循环计数值i的值为o,将此时的y加上o.5（取人的步长o.5m）, 计算此时的浓度C（x y，z，t）。 将Ci（x，y，Z，t）的值与Cmin的值比较，如果大于Cmin就继续步骤，如 果小于Cmin或者等于Cmin的值则继续步骤。 判断此时循环计数值i是否为o,如果为o则继续步骤，如果不为 o, 则继续步骤。 将此时的x数值临时保存到xi, y数值临时保存到yi。 判断i（循环计数值）是否为常数k,常数k设定为xo/o.5（以循环次数是 否为

17、k来 判断此时x的值是否是曲线的最高点的x坐标，常数k的值不固定， 满足k为正整数，xok xo/o.5的条件即可），如果为k,则继续，否则执行。 将Xi保存到X2中（将临时保存的值Xi保存到最终保存的变量X2中），yi 数值保存到y2。 X减去o.5,计数器i的值加i,计算此时的浓度C2（X, y, z, t）。 将C2（X, y, Z, t）的值与Cmin的值比较，如果大于Cmin则继续，如果小 于Cmin或者等于Cmin的值则继续。图3.4-2程序框图根据上面的程序，我们可以得到单方向污染气体扩散半径的最大值max,最后根据公式Smax = nmax2，求解出垃圾焚烧发电厂扩建的最大规模

18、Snax。4 环境保护综合监测建议 环境保护十分重要，而良好的监测系统是环境保护的前提，所以我们应该重 视环境保护综合监测的发展。 根据上面建立的数学模型， 我们可以就除尘系统这 一方面提出我们的建议： 综合监测系统是环境保护综合监测的基础。 构建一个优良的综合环境监测系统， 首先我们应做好系统划分， 在充分了解各尘源点的位置分布、 产生污染的时间和 规律后，应进行合理的系统划分。尽量避免使用高压头和大功率的风机。同时， 系统设计时应注意选择合适的管道风速， 管道布置应顺畅， 尽量减少流动局部阻 力等系统节能环节。 加强对垃圾焚烧粉尘的管理是从环境保护综合监测的源头努力， 通过减少源头 来达到

19、减少排放量。 在监测烟尘排放量的同时， 也需要监测袋式除尘系统的滤料性能， 滤料的种类 性能等因素直接影响除尘器的除尘效率， 因此其日常维护更换是非常必要的， 应 当定期检查更新。 注意发电厂的工作环境， 温度、湿度等等，保障布袋除尘系统的安全稳定运行。 鼓励技术革新，不断地改造除尘设备的工作效率，降低设备阻力，减少能耗， 在保护环境的同时减少资源的浪费。5 新型超净除尘替代工艺5.1 新型超净除尘替代工艺的特点分析1、高稳定性，采用固体滤料，完全克服老工艺布袋除尘器的缺点。因此我 们根据表2.1把权重ai的值设为0。2、具有更高的排放标准，二恶英 0.001 纳克，含尘量 0.1 毫克，硫化氢 0.5 毫克；目前欧洲的相关标准分别是： 0.1 纳克， 10毫克， 35毫克。由于布袋除尘 系统的除尘效率已经大于 99%，因此这项新突破对除尘模型稳定性能提升不是很 明显，因此我们可以对其进行忽略。3、 低成本，新技术比布袋除尘工艺运行成本降低50%，新技术对老工艺的 替代在原有工厂不作设计修改即可实现， 投入的技改成本在短期内即可收回。 因 此我们根据表格把运行成本的权重 C3变为原来的一半。5.2