1、1 垃圾焚烧厂布袋式除尘系统运行稳定性分析摘要： 本文是研究袋式除尘系统运行稳定性的问题，根据我们收集的资料，综合垃圾焚烧发电厂布袋式烟气处理系统的部分实际运行数据，提取出了 1#炉和 2#炉平均每天损坏的袋子数、发生坏袋子的频率、平均损坏率、平均周期四个因素，构建了两炉子稳定性综合评价模型，在此基础上运用了 AHP 层次分析法研究了袋式除尘系统运行稳定性问题，并分析其运行稳定性对周边环境烟尘排放总量的影响。 针对问题一，如果给定焚烧厂周边范围单位面积排放总量限额，在考虑除尘系统稳定性因素的前提下，分析讨论焚烧厂扩建规模的环境允许上限，其本质是通过分析除尘系统的稳定性来确定焚烧厂扩建规模的上限
2、值。针对该问题，首先分析了题目给出的原始数据，发现根据本题的要求并结合已有的数据，可以对布袋更换时间 X、更换前后的含尘量 Y1、Y2 画出散点图，并构造拟合函数。再通过分析含尘过滤过程和清洁过滤过程来综合考虑其过滤效率和工作阻力，建立模型并得出稳定性的分析结果，据此推算出焚烧厂扩建规模的可能上限。并构建了允许排放总量限额 M 与扩建规模 S 的关系式，进一步提出了 4 点环境保护综合检测的方案。 针对问题二，建立了固体滤料模型，通过分析新型工艺影响因素对其稳定性的影响，得出了影响系统稳定性的主要参数变化与系统稳定性之间的关系，并且导出了采用新型超净除尘工艺模型的除尘效率，最后与布袋除尘模型的
3、除尘效率相比较，即可算出系统稳定性的提升量。 关键词：除尘效率；层次分析法；拟合；含尘过滤模型；固体滤料模型；稳定性 一、问题的提出 今天，以焚烧方法处理生活垃圾已是我国社会维持可持续发展的必由之路。然而，随着社会对垃圾焚烧技术了解的逐步深入，民众对垃圾焚烧排放污染问题的担忧与日俱增，甚至是最新版的污染排放国标都难以满足民众对二恶英等剧毒物质排放的控制要求（例如国标允许焚烧炉每年有 60 小时的故障排放时间，而对于焚烧厂附近的居民来说这是难以接受的）。事实上，许多垃圾焚烧厂都存在“虽然排放达标，但却仍然扰民”的现象。国标控制排放量与民众环保诉求之间的落差，已成为阻碍新建垃圾焚烧厂选址落地的重要
4、因素。而阻碍国标进一步提升的主要问题还是现行垃圾焚烧除尘工艺存在缺乏持续稳定性等重大缺陷。另外，在各地不得不建设大型焚烧厂集中处理垃圾的情况下，采用现行除尘工艺的大型焚烧厂即便其排放浓度不超标，却仍然存在排放总量限额超标的问题，也会给当地的环境带来重大的恶化影响。2 总之，现行垃圾焚烧除尘工艺不能持续稳定运行的缺陷，是致使社会公众对垃圾焚烧产生危害疑虑的主要原因。因此，量化分析布袋除尘器运行稳定性问题，不仅能深入揭示现行垃圾焚烧烟气处理技术缺陷以期促进除尘技术进步，同时也能对优化焚烧工况控制及运行维护规程有所帮助。附件 1 是某垃圾焚烧发电厂布袋式烟气处理系统的部分实际运行数据，从中可以看出，
5、布袋除尘工艺环节对整个袋式烟气处理系统的运行稳定性有决定性影响。请收集资料，综合研究现行垃圾焚烧发电厂袋式除尘系统影响烟尘排放量的各项因素，构建数学模型分析袋式除尘系统运行稳定性问题，并分析其运行稳定性对周边环境烟尘排放总量的影响。基于你的模型请回答下述问题：1、如果给定焚烧厂周边范围单位面积排放总量限额（地区总量/地区面积），在考虑除尘系统稳定性因素的前提下，试分析讨论焚烧厂扩建规模的环境允许上限是多少？并基于你的分析结果，向政府提出环境保护综合监测建议方案；2、如果采用一种能够完全稳定运行、且除尘效果超过布袋除尘工艺的新型超净除尘替代工艺，你的除尘模型稳定性能提升多少？ 二、模型的假设 （
6、1）假设粉尘颗粒一旦与纤维表面接触，就被捕集； （2）假设沉积的微粒对于过滤过程没有进一步的影响。在这种情况下，两个基本参数过滤效率和压力损失都与时间无关，即过滤过程稳态的。 （3）假设微元体过滤效率是由沉积在微元体内的粉尘和微元体内纤维共同作用的结果，并且二者的相互干扰很小，可以忽略不计； （4）假设过滤气体是以 Adh 为体积单位，逐段通过过滤微元段，当第 i 段气体通过过滤器后，过滤器中每个微元段的过滤效率近似相等； 3、符号的说明 E1： 单纤维捕集效率: 纤维层填充率H： 纤维层厚度A: 过滤层迎风面积C: 粒子在此微元体内的浓度C0: 粉尘浓度W: 已经捕集下来的粒子数: 混合过滤
7、器中粉尘的填充率3 df ： 纤维直径dp: 粉尘半径V0: 表观过滤风速V: 实际过滤风速: 清洁过滤阶段过滤器捕集效率 i: 单个微元段过滤效率 h: 纤维粉尘混合过滤器过滤效率 f: 微元体内，纤维作用的过滤效率 u: 厚度为 dh 的微元体内的粉尘层的单层效率 s: 单一纤维的综合捕集效率4、布袋除尘系统稳定性分析1.布袋除尘系统稳定性分析、建模与求解1.1 问题分析在解第一问之前，需要先量化分析布袋除尘器运行稳定性问题。根据附件 1 给出的表 3 某厂在 2014 年底至 2016 年初布袋更换的统计表，时间长度为一年多，且数据量足够，故该表格数据的分析结果具有代表性，分析结果有现实
8、意义。综合研究现行垃圾焚烧发电厂袋式除尘系统影响烟尘排放量的各项因素，按照附件 1 表 3 的数据找到四个因素，分别是平均每天损害袋子数、袋子损坏事件发生频率、平均每次袋子损坏率和袋子损坏的平均周期。已知该垃圾焚烧发电厂有 1#炉和 2#炉，而两个炉子的稳定性将决定垃圾焚烧发电厂袋式除尘系统的稳定性，所以可运用层次分析法分析袋式除尘系统运行稳定性问题。然后根据表 4 中的布袋更换前后烟尘含量的对比，作出以更换时间为横轴，含尘量为纵轴的散点图，并求出拟合函数。通过数据分析，我们可将垃圾焚烧厂布袋式除尘系统运行稳定性分析简化为袋式除尘系统的效率问题。除尘系统的效率高，则代表除尘系统是稳定的。除尘系
9、统的效率低，则除尘系统是不稳定的。在下面的模型的建立部分，我们通过布袋除尘的含尘过滤过程分析建立模型来分析效率问题，即垃圾焚烧厂布袋式除尘系统运行稳定性。1.2 模型的建立（1）建立层次结构模型在应用 AHP 方法来分析解决问题的时候，首先要将问题的条理理清，分出层次，从而整理出递阶层次结构。4 AHP 分析法的层次结构一般是由三个层次，如下所示： 目标层 A：是指被研究问题的预定目标，本文指的是袋式除尘系统稳定性。 准则层 C：是指影响目标实现的因素、实现决策的准则，本文指的是四个因素 C1 平均每天损害袋子数、C2 袋子损坏事件发生频率、C3 平均每次袋子损坏率和C4 袋子损坏的平均周期。
10、 方案层 P：促使目标实现的方案，本文指的是 P1：1#炉和 P2：2#炉。A： 袋 式 除 尘 系 统 稳 定 性C1： 平 均 每 天 损 害袋 子 数 C2： 袋 子 损 坏 事 件发 生 频 率 C3： 平 均 每 次 袋 子损 坏 率 C4： 袋 子 损 坏 的 平均 周 期P1： 1#炉 P2： 2#炉目 标 层 A准 则 层 C方 案 层 P1、构造成对比较矩阵如果要比较的是 x1,x2,.xn 这几个因素对于布袋除尘系统稳定性的影响，每次去比较两个因素 xi 与 xj，用 xij 表示 xi 与 xj 对于评价目标 x0（本题中即为稳定性）的影响之比。在确定各个层次各个因素之间
11、的权重时,如果给出的结果是由人为的定性的来判断决定的话，往往是不能让人信服的，所以需要运用一致矩阵法来构造判断矩阵。判断矩阵的元素 ij用 Santy 的 19 标度方法给出。标度 ij 定义1 i 元素与 j 元素相同重要3 i 元素比 j 元素略重要5 i 元素比 j 元素较重要7 i 元素比 j 元素非常重要9 i 元素比 j 元素绝对重要2,4,6,8 为以上两判断之间的中间状态对应的标度值倒数 若 i 元素与 j 元素比较，得到判断值为 ji=1/ ij， ii=1（i,j=1,2，.,n）5 然后将全部的结果用矩阵 W=（x ij）（x ij0，x ii=1, ji=1/ ij）表
12、示，形成成对比较矩阵 W 为： nnnxxW.2121122、计算重要性排序根据成对比较矩阵 W，求出它的特征向量和最大特征值，并对该矩阵进行一致性检验。特征向量 的计算可用下列迭代序列：令 e0=1/n,1/n,.,1/nT，当 k=0,1,2，.时，假设 ek 已经求出，那么计算记为 的 n 个分量之和，计算1kk 1ke此时就可以计算出特征向量 ek+1 来，重复上面 ，e k+1 的计算，直到达到满意的时候为止。另外，在数学上可以证明，迭代的 n 维向量序列e k收敛，其极限为，并且此特征向量就是 W 的最大特征根 max=n 所对应的特征向量，记=（a 1,a2,.,an）.W 的最
13、大特征根 max的计算可利用公式 niiaW1max)(式中， 为 的第 i 个元素，a i为特征向量 的第 i 个元素。ia)(3、计算层次单排序的权向量和一致性检验所求的权数分配是否合理，还需对矩阵进行一致性检验，检验使用判断矩阵的随机一致性比率公式： ， 为判断矩阵的一般性指标，这样就1maxnCIRIC可以判断权重系数分配的合理性和判断矩阵满意的一致性。式中 RI 是随机一致性指标，其值见下表：n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11RI 0 0 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45 1.49 1.514、计算层次总排序权值和一致性检验在上述过
14、程中所求出 max的所对应的特征向量是同一层次中相应元素对于上一层次中某个因素相对重要性的排序权值，这种排序称为层次单排序。本题的模型是6 由多层构成，那么计算同一层次中所有因素对于最高层（总目标层）相对重要性的排序权值，称为层次总排序。这一过程是从高层到最底层逐层进行的。层次总排序也要进行一致性检验。检验是从最高层到最底层进行的。设 B 层中的某些因素对 Aj单排序的一致性指标为 CIj，平均随机一致性指标为 RIj，则 B 层总排序随机一致性比率 mjjjjRIaC1当 CR0.1 时，认为层次总排序的结果具有满意的一致性，因此其结果是可以接受的。综合以上的分析，我们可以发现，平均每天损害
15、袋子数、袋子损坏事件发生频率、平均每次袋子损坏率和袋子损坏的平均周期是组成影响除尘系统稳定性的主要因素。1.3 模型的求解成对比较矩阵为： 12/13/5/W按照通常的原则取 e0=0.25,0.25,0.25,0.25T第一次迭代2.5,0.5083333,1.375,1.125T 01e 5083.1e0.4538578,0.0922844,0.2496218,0.2042360T重复以上过程有1.822995,0.368381,0.957640,0.865356T 12We 014372.2e0.4541171,0.0917655,0.2385529,0.2155645T T86470.
16、,952.0,368.,879.3e 15931450.,.,.,2.1T34.e 215478.0,38.,0917.,536.77 Te 2154738.0,38.,09214.,4537.8由于 ,迭代终止，于是得到 87=0.4539057,0.0921884,0.2384321,0.2154738T86.,5.,.,6.1Wa e0154.)215473.063.9702184.37459.02(mx n=4 ，查表，RI=0.90，经计算6.1CI057429.R由于 CR0.1，因此，成对比较矩阵 W 的矩阵一致性是可以接受的。判断矩阵 C1-P 表C1 P1 P2按行相乘 开
17、n 次方 权重 Wi Awi Awi/Wi CI RIP1 1 3 3 1.732050808 0.75 1.5 2P2 1/3 1 1/3 0.577350269 0.25 1/2 22.309401077 2 0 0判断矩阵 C2-P 表判断矩阵 C3-P 表C3 P1 P2按行相乘 开 n 次方 权重 Wi Awi Awi/Wi CI RIP1 1 2 2 1.4142135620.6666666671.333333333 2C2 P1 P2按行相乘 开 n 次方 权重 Wi Awi Awi/Wi CI RIP1 1 2 2 1.4142135620.6666666671.3333333
18、33 2P2 1/2 1 1/2 0.7071067810.333333333 2/3 22.121320344 2 0 08 P2 1/2 1 1/2 0.7071067810.333333333 2/3 22.121320344 2 0 0判断矩阵 C4-P 表C4 P1 P2按行相乘 开 n 次方 权重 Wi Awi Awi/Wi CI RIP1 1 1/2 1/2 0.7071067810.333333333 2/3 2P2 2 1 2 1.4142135620.6666666671.333333333 22.121320344 2 0 0计算总排序权向量并做一致性检验层次总排序权值表
19、（为便于计算，将单层次权重系数保留两位小数）C1 C2 C3 C4层 C层 P 0.45 0.09 0.24 0.22层次 P 总排序权值P1 0.75 0.67 0.67 0.33 0.63P2 0.25 0.33 0.33 0.67 0.37决策层对总目标的权向量为：0.63,0.37又=0.0057422mjjjjRIaC1由于 CR0.1，层次总排序的结果具有满意的一致性，因此其结果是可以接受的。五、模型的建立与求解 1.问题一模型的建立与求解1.1 问题分析 根据题目给出的表 3 某厂布袋更换统计情况。很显然更换后的含尘量相比更换前含尘量降低了很多。由此可得出布袋工作到一段时间，除尘
20、系统烟尘的排放量会9 加大。但不停的更换布袋，其工作效率就会降低。那么我们可将垃圾焚烧厂布袋式除尘系统运行稳定性分析简化为袋式除尘系统的效率问题。除尘系统的效率高，则代表除尘系统是稳定的。除尘系统的效率低，则除尘系统是不稳定的。在下面的模型的建立部分，我们通过布袋除尘的含尘过滤过程分析建立模型来分析效率问题，即垃圾焚烧厂布袋式除尘系统运行稳定性。关于含尘过滤阶段过滤效率的研究,这里主要进行理论研究,通过建立模型、分析计算方法、推导得出一套含尘过滤阶段过滤效率的计算式。实际上整个含尘过滤过程可分为三个阶段：(1)过滤初期,(2)过滤中期(3)过滤后期。 （1）过滤初期 在过滤初期，粉尘首先进入滤
21、料内部一部分粉尘穿过滤料，另一部分粉尘被滤料过滤下来，并且沉积在过滤材料内部如图 5-1 所示沉积于纤维层内部的粉尘堵塞了滤料中粉尘的通道，因此随着时间的增加，越来越多的粉尘沉积下来，粉尘通道堵塞情况越来越严重,这就造成实际的过滤介质(纤维和颗粒捕集体)的空隙率降低，过滤介质的捕集效率提高,相应的过滤介质压力损失的上升。 图 5-1 过滤初期纤维层过滤示意图 （2）过滤中期 随着过滤时间的增加，纤维层内部粉尘达到一个相对饱和量，粉尘开始大量在滤料表面沉积，首先形成一个粉尘初层，随着过滤过程的进行，不断有新的粉尘被粉尘初层捕获，导致粉尘层不断变厚如图 5-2 所示，粉尘初层形成后，滤得大量粉尘，使得自身厚度不断增加形成粉尘层。此时粉尘层对过滤压力损失的变化起主导作用，粉尘层随着时间的增加不断变厚，这使得压力损失随时间的增大而上升。此时由于大部分粉尘被粉尘层阻挡在纤维层以外，纤维层内部的粉尘沉积增加缓慢，纤维层对过滤压力损失变化所起的作用退居次席。 10 图 5-2 过滤中期纤维层过滤示意图
