垃圾焚烧厂布袋式除尘系统运行稳定性分析

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。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2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，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（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；三、符号的说明E1：单纤维捕集效率α: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ε:混合过滤器中粉尘的填充率df：纤维直径dp:粉尘半径3V0:表观过滤风速V:实际过滤风速η:清洁过滤阶段过滤器捕集效率ηi:单个微元段过滤效率ηh:纤维—粉尘混合过滤器过滤效率ηf:微元体内，纤维作用的过滤效率ηu:厚度为dh的微元体内的粉尘层的单层效率ηs:单一纤维的综合捕集效率四、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。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。4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。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ωij用Santy的1—9标度方法给出。标度ωij定义1i元素与j元素相同重要3i元素比j元素略重要5i元素比j元素较重要7i元素比j元素非常重要9i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ωji=1/ωij，ωii=1（i,j=1,2，...`,n）5然后将全部的结果用矩阵W=（xij）（xij0，xii=1,ωji=1/ωij）表示，形成成对比较矩阵W为：nnnnnnxxxxxxxxxW.....................2122221112112、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α的计算可用下列迭代序列：令e0=[1/n,1/n,...,1/n]T，当k=0,1,2，...时，假设ek已经求出，那么计算记1~ke为1~ke的n个分量之和，计算111~~kkkeee此时就可以计算出特征向量ek+1来，重复上面1~ke，ek+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{ek}收敛，其极限为α，并且此特征向量就是W的最大特征根λmax=n所对应的特征向量，记α=（a1,a2,...,an）’.W的最大特征根λmax的计算可利用公式niiiaWan1max)(1式中，iWa)(为Wa的第i个元素，ai为特征向量α的第i个元素。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：1maxnnCI，RICICR为判断矩阵的一般性指标，这样就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：n1234567891011RI000.580.901.121.241.321.411.451.491.514、计算层次总排序权值和一致性检验在上述过程中所求出λmax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。6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mjjjmjjjRIaCIaCR11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：1122/11132/12/13/115/12251W按照通常的原则取e0=[0.25,0.25,0.25,0.25]T第一次迭代01~Wee[2.5,0.5083333,1.375,1.125]T508333.5~1e101~eWee[0.4538578,0.0922844,0.2496218,0.2042360]T重复以上过程有12~Wee[1.822995,0.368381,0.957640,0.865356]T014372.4~2e212~eWee[0.4541171,0.0917655,0.2385529,0.2155645]TTe]864707.0,956472.0,369889.0,821179.1[~3Te]2155169.0,2383881.0,0921900.0,4539050.0[3Te]865238.0,957428.0,370192.0,822665.1[~4Te]2154733.0,2384317.0,0921902.0,4539048.0[4......Te]2154738.0,2384320.0,0921887.0,4539056.0[7Te]2154738.0,2384321.0,0921884.0,4539057.0[8由于87ee,迭代终止，于是得到α=[0.4539057,0.0921884,0.2384321,0.2154738]T78~]865236.0,957425.0,370183.0,82261.1[WaeT015504.4)2154738.0865236.02384321.0957425.00921884.0370183.04539057.0822661.1(41maxn=4，查表，RI=0.90，经计算005168.0144015504.4CI0057422.090.0005168.0CRRICI由于CR0.1，因此，成对比较矩阵W的矩阵一致性是可以