數(shù)學(xué)建模挑戰(zhàn)賽真題.垃圾焚燒廠布袋式除塵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性分析今天，以焚燒方法處理生活垃圾已是我國社會維持可持續(xù)發(fā)展的必由之路。然而，隨著社會對垃圾焚燒技術(shù)了解的逐步深入，民眾對垃圾焚燒排放污染問題的擔(dān)憂與日俱增，甚至是最新版的污染排放國標(biāo)都難以滿足民眾對二惡英等劇毒物質(zhì)排放的控制要求（例如國標(biāo)允許焚燒爐每年有60小時的故障排放時間，而對于焚燒廠附近的居民來說這是難以接受的）。事實(shí)上，許多垃圾焚燒廠都存在雖然排放達(dá)標(biāo)，但卻仍然擾民的現(xiàn)象。國標(biāo)控制排放量與民眾環(huán)保訴求之間的落差，已成為阻礙新建垃圾焚燒廠選址落地的重要因素。而阻礙國標(biāo)進(jìn)一步提升的主要問題還是現(xiàn)行垃圾焚燒除塵工藝存在缺乏持續(xù)穩(wěn)定性等重大缺陷。另外，在各地不得不建設(shè)大型焚燒廠集中處理垃圾的情況下，采用現(xiàn)行除塵工藝的大型焚燒廠即便其排放濃度不超標(biāo)，卻仍然存在排放總量限額超標(biāo)的問題，也會給當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境帶來重大的惡化影響。總之，現(xiàn)行垃圾焚燒除塵工藝不能持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的缺陷，是致使社會公眾對垃圾焚燒產(chǎn)生危害疑慮的主要原因。因此，量化分析布袋除塵器運(yùn)行穩(wěn)定性問題，不僅能深入揭示現(xiàn)行垃圾焚燒煙氣處理技術(shù)缺陷以期促進(jìn)除塵技術(shù)進(jìn)步，同時也能對優(yōu)化焚燒工況控制及運(yùn)行維護(hù)規(guī)程有所幫助。附件1是某垃圾焚燒發(fā)電廠布袋式煙氣處理系統(tǒng)的部分實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，從中可以看出，布袋除塵工藝環(huán)節(jié)對整個袋式煙氣處理系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性有決定性影響。請收集資料，綜合研究現(xiàn)行垃圾焚燒發(fā)電廠袋式除塵系統(tǒng)影響煙塵排放量的各項(xiàng)因素，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型分析袋式除塵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性問題，并分析其運(yùn)行穩(wěn)定性對周邊環(huán)境煙塵排放總量的影響。基于你的模型請回答下述問題：1、如果給定焚燒廠周邊范圍單位面積排放總量限額（地區(qū)總量/地區(qū)面積），在考慮除塵系統(tǒng)穩(wěn)定性因素的前提下，試分析討論焚燒廠擴(kuò)建規(guī)模的環(huán)境允許上限是多少？并基于你的分析結(jié)果，向政府提出環(huán)境保護(hù)綜合監(jiān)測建議方案；2、如果采用一種能夠完全穩(wěn)定運(yùn)行、且除塵效果超過布袋除塵工藝的新型超凈除塵替代工藝，你的除塵模型穩(wěn)定性能提升多少？參考答案附件1、某某垃圾焚燒發(fā)電廠布袋除塵器可靠性情況介紹袋式除塵器也稱為過濾式除塵器，是一種干式高效除塵器，它是利用多孔纖維材料制成的濾袋（簡稱布袋）將含塵氣流中的粉塵捕集下來的一種干式高效除塵裝置，是目前國內(nèi)外現(xiàn)行垃圾焚燒發(fā)電廠采用的主要煙氣處理技術(shù)。布袋除塵器具有除塵效率高、燃料適用性強(qiáng)、設(shè)備一次投資少和可在線維修等優(yōu)點(diǎn)，其除塵效率可達(dá)%。然而，布袋除塵器在實(shí)際使用過程中，時而出現(xiàn)燒袋、糊袋、氣室出口提升閥突然關(guān)閉、氣室壓力波動大和電氣誤動等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象有的會縮短布袋使用壽命，造成除塵效率的急劇下降，有的會對除塵器及鍋爐的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。雖然可靠性是布袋除塵器設(shè)計(jì)的注重要點(diǎn)，但由于其核心部件除塵布袋存在壽命周期、且該周期長短又與焚燒工況及運(yùn)維條件密切相關(guān)，因此布袋除塵器在運(yùn)行中無法實(shí)現(xiàn)長期恒定的除塵效果。1、布袋除塵器工作流程袋式除塵器由于其具有除塵效率高，尤其對微米及亞微米級粉塵顆粒具有較高的捕集效率，且不受粉塵比電阻的影響；運(yùn)行穩(wěn)定，對氣體流量及含塵濃度適應(yīng)性強(qiáng)；處理流量大，性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，用于捕集非粘結(jié)性、非纖維性的工業(yè)粉塵。其作用原理是塵粒在繞過濾布纖維時因慣性力作用與纖維碰撞而被攔截，細(xì)微的塵粒（粒徑為1um或更小）則受氣體分子沖擊（布朗運(yùn)動）不斷改變著運(yùn)動方向，由于纖維間的空隙小于氣體分子布朗運(yùn)動的自由路徑，塵粒便與纖維碰撞接觸而被分離出來。它的優(yōu)點(diǎn)是除塵效率高且穩(wěn)定，對于2um以上的粉塵，其效率可達(dá)％以上，且造價較低，管理簡單、維修方便。布袋除塵器工作原理見圖1。圖1布袋除塵器工作原理圖隨著過濾過程的不斷進(jìn)行，濾袋外側(cè)所積附的粉塵不斷增加，從而導(dǎo)致布袋除塵器本體的阻力逐漸升高。當(dāng)阻力達(dá)到設(shè)定值或過濾時間達(dá)到設(shè)定值時，清灰控制器發(fā)出清灰信號,

首先令一個袋室的提升閥關(guān)閉以切斷該室的過濾氣流，然后依次打開各電磁脈沖閥，逐行噴吹，壓縮空氣由氣源順次經(jīng)氣包、脈沖閥、噴吹管上的噴嘴以極短的時間向?yàn)V袋噴射。壓縮空氣在袋內(nèi)高速膨脹，使濾袋產(chǎn)生高頻振動變形，使濾袋外側(cè)所附塵餅變形脫落。在充分考慮了粉塵的沉降時間后，提升閥打開，此袋室濾袋恢復(fù)到過濾狀態(tài)，而下一袋室則進(jìn)入清灰狀態(tài)，直到最后一袋室清灰完畢為1個周期；某某垃圾發(fā)電廠（以下也簡稱某某廠）除塵器基本運(yùn)行狀況表1：某某廠除塵器基本運(yùn)行狀況^爐號參數(shù)名稱\1#爐2#爐備注布袋規(guī)格165*6000168*6000布袋數(shù)量10561056進(jìn)口煙溫（220220200℃至225℃之間波動，極限在230℃以下出口煙溫（195195180至200區(qū)間波動，近期低值160℃（可能和環(huán)境因素有關(guān)）布袋差壓KPa13501650出口負(fù)壓2900Pa3000Pa布袋氣源壓力KPa320KPa310KPa表2：某某廠2014年底至2016年初布袋廠家及相關(guān)參數(shù)、 廠家參數(shù)名稱、廣州華濾廈門三維絲備注纖維100%PTFE（聚四氟乙烯）100%PTFE（聚四氟乙烯）基布PTFE基布（100%）PTFE基布（100%）

化學(xué)處理方式PTFE覆膜PTFE覆膜連續(xù)運(yùn)行溫度250℃240℃瞬時耐受溫度270℃260℃化學(xué)抗酸性優(yōu)優(yōu)化學(xué)抗堿性優(yōu)優(yōu)化學(xué)抗水解性優(yōu)完全不水解化學(xué)抗氧化性優(yōu)完全不氧化化學(xué)抗磨損性優(yōu)優(yōu)噴吹壓力強(qiáng)制吹灰壓力表3：2014年底至2016年初某某廠布袋更換統(tǒng)計(jì):更換時間更換數(shù)量及爐號備注1#爐2#爐2014年11月27日2101#爐6U積灰，燒壞布袋21條2015年1月23日022015年1月27日302015年2月12日052015年2月27日22151#爐6D、6U積灰，燒壞19條2015年3月25日732015年3月27日402015年4月19日433122日煙氣檢測前檢查，更換1#爐1U玻纖布袋2015年4月28日128煙氣檢測不合格后更換2015年4月29日012015年5月2日04

2015年5月28日302015年6月1日082015年7月17日0222015年7月3日0192015年8月27日442015年10月9日10452015年10月2日10212015年11月11日182015年11月18日372015年11月19日262016年1月18日410合計(jì)138239兩爐合計(jì)：377表4：布袋更換前后煙塵含量的對比更換時間更換數(shù)量及爐號更換前后含塵量對比mg/m1#爐2#爐更換前3天更換后3天2014年11月272101#爐1#爐2#爐2#爐2015年1月23021#爐1#爐2#爐2#爐2015年1月27301#爐1#爐2#爐2#爐2015年2月12051#爐44211#爐82#爐2#爐22151#爐1#爐11

2015年2月272#爐2#爐2015年3月25731#爐1#爐2#爐2#爐2015年3月27401#爐1#爐2#爐2#爐2015年4月1943311#爐1#爐2#爐2#爐2015年4月281281#爐1#爐102#爐2#爐2015年4月29011#爐1#爐2#爐2#爐2015年5月2日041#爐1#爐2#爐2#爐2015年5月28301#爐1#爐2#爐2#爐2015年6月1日081#爐1#爐122#爐2#爐2015年7月170221#爐1#爐2#爐132#爐2015年7月3日0191#爐1#爐2#爐2#爐112015年8月27441#爐1#爐82#爐2#爐11

2015年10月910451#爐1#爐2#爐2#爐2015年10月210211#爐81#爐72#爐2#爐2015年11月11181#爐1#爐2#爐2#爐2015年11月18371#爐1#爐2#爐2#爐2015年11月19261#爐1#爐2#爐2#2016年1月184101#爐1#爐2#爐2#爐備注1:1、2#爐合并部分為大煙囪測量數(shù)據(jù)2：空格為沒有測量數(shù)據(jù)3：連續(xù)處理布袋的記錄開始處理前和處理結(jié)束后的實(shí)際，處理時間段留空4:數(shù)據(jù)顯示布袋更換前后含塵量有明顯的變化除塵效率逐漸下降的原因及對策某某廠除塵器運(yùn)行參數(shù)見表1。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，某某廠在1年左右的周期內(nèi)共使用2家公司的布袋，布袋參數(shù)見表2,所選布袋完全滿足某某廠除塵器工況要求。周期內(nèi)共更換總數(shù)為377條;詳細(xì)的更換數(shù)量見表3。其中2#爐的更換數(shù)量是1#爐的2倍左右。布袋是保證除塵器在使用周期內(nèi)除塵效率達(dá)標(biāo)、工作可靠性的重要指標(biāo)之一。布袋除塵器在運(yùn)行初期一般都能保持較高的除塵效率，但隨著使用時間的增長，很多除塵器的除塵效率會逐步下降，在布袋使用壽命的中后期，布袋破損已比較嚴(yán)重，除塵效率已不能滿足環(huán)保要求。且不同布袋廠家的布袋的使用效果基本相同。造成布袋磨損的主要原因如下：（1）煙氣分布不均，在氣室局部過濾風(fēng)速過高，致使粉塵加劇沖擊、磨損布袋。從運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)情況看:某某廠兩臺除塵器均在2012年3月和7月分別對2#和1#進(jìn)行了升級改造，由于兩爐除塵器是兩家公司進(jìn)行改造施工，從設(shè)計(jì)和布風(fēng)裝置的計(jì)算存在差異;導(dǎo)致2#爐布袋損壞率高于1#爐，運(yùn)行中1#爐差壓在1300Pa左右，2#爐差壓在1650Pa左右，具體的分布差異原因目前尚未完全弄清楚，但差壓大意味著布袋運(yùn)行中承受的阻力更大，是導(dǎo)致布袋的損壞加劇的原因之一。（2）布袋間的距離過小造成布袋間碰撞磨損或是籠骨彎曲、籠骨與布袋底部間隙過小等造成的布袋與籠骨間的碰撞磨損；某某廠原除塵器布袋直徑為120mm，改造后在原腔室截面積不變情況下，將布袋直徑改為165mm,增大了有效過濾面積。但縮小了布袋之間的距離，也是布袋損壞率高的原因（3）噴吹管噴嘴與布袋口的中心偏差，使噴吹管噴出氣流直接沖刷布袋上段而產(chǎn)生磨損；（4）布袋清洗太頻繁或噴吹壓力過高亦會加速布袋的磨損。（5）在運(yùn)營中，由于輸灰系統(tǒng)故障的原因，導(dǎo)致除塵器飛灰清理不及時，局部腔室飛灰在布袋底部堆積，高溫飛灰導(dǎo)致布袋損毀。（6）不明原因?qū)е碌牟即撞繐p壞，在后期的更換中出現(xiàn)大量的布袋底部損壞，針對該現(xiàn)象多次和廠家溝通，并在后續(xù)的布袋采購中特別要求對底部制作工藝的改進(jìn)，加強(qiáng)布袋底部的強(qiáng)度。因此，在設(shè)計(jì)時給出有效的解決措施，是提高除塵器設(shè)計(jì)質(zhì)量、達(dá)到環(huán)保要求和保證安全、可靠運(yùn)行的必由之路。設(shè)計(jì)中必須采取針對性措施以減小布袋破損率，延長布袋的使用壽命，保證除塵器在使用周期內(nèi)運(yùn)行的可靠性。減小布袋磨損的措施主要有幾點(diǎn)。（由于某某廠的除塵器從投產(chǎn)就沒有完整設(shè)計(jì)資料，運(yùn)行過程中經(jīng)過多次及多家單位整修改造，致使除塵器相關(guān)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)、計(jì)算是否合理，還需在運(yùn)行中驗(yàn)證。）（1）在設(shè)計(jì)時合理布置布袋，均衡氣流，避免局部氣流速度過高。在工程設(shè)計(jì)中，可采用導(dǎo)流裝置均流氣體或分流裝置分流氣體等措施來解決局部氣流速度過高致使布袋磨損的問題，采用擋灰板來解決煙塵直接與布袋碰撞造成的磨損問題。（2）在安裝過程中，需控制好噴吹管的噴嘴與布袋口的對正關(guān)系；在運(yùn)行初期，需保持較低的噴吹壓力和較長的噴吹周期，保證在布袋的表面保持一定厚度的粉塵初始層。（3）完成對輸灰系統(tǒng)的改造，保證布袋不會因?yàn)榉e灰的原因?qū)е聯(lián)p毀。煙氣超溫和超壓時除塵器可靠性分析布袋除塵器濾料的材質(zhì)對溫度有一定的要求，當(dāng)超過使用溫度范圍時，布袋有被燒毀的危險，這對除塵器的可靠運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅。防止煙氣超溫造成燒袋的措施如下：（1）進(jìn)入的煙氣溫度嚴(yán)格控制在130?220℃之間，溫度低于130℃容易造成煙氣結(jié)露，粉塵吸附在布袋上，不易脫落，造成糊袋，嚴(yán)重影響除塵效果；超過220℃容易造成布袋損傷，大大減少布袋的使用壽命。綜合整個生產(chǎn)工藝來看，一般煙氣進(jìn)口溫度控制在160?185℃之間，有利于布袋除塵器長期穩(wěn)定運(yùn)行。(2)采用噴水降溫，該方法不僅可以有效保證布袋的運(yùn)行工況，而且通過降溫更有效的保證了活性炭對二嗯英的吸附效果，提高了煙氣的處理質(zhì)量。某某廠通過降溫噴淋裝置在2015年的幾次二嗯英檢測的過程中的使用，有效保證了煙氣處理的達(dá)標(biāo)排放。煙道和本體漏風(fēng)對布袋性能的影響分析煙道和本體漏風(fēng)漏水是影響某某廠除塵器效果的重要因素，主要的影響包括1：漏風(fēng)導(dǎo)致飛灰結(jié)板、結(jié)塊。堵塞布袋影響過濾效果，或者結(jié)塊于腔室、管壁影響飛灰的輸送效果2：導(dǎo)致煙氣結(jié)露，冷凝析出酸性液體，導(dǎo)致除塵器結(jié)構(gòu)件嚴(yán)重的腐蝕。3：雨天吸入雨水，進(jìn)一步加重結(jié)塊、酸液等帶來的破壞性后果4：在煙氣排放檢測中，由于漏風(fēng)導(dǎo)致的排放氣體中氧含量高導(dǎo)致煙氣污染物折算值變高，影響煙氣的達(dá)標(biāo)排放。氣動閥組、控制系統(tǒng)對除塵器的影響目前某某廠除塵器系統(tǒng)的氣動裝置、控制系統(tǒng)基本可以滿足除塵器運(yùn)行的需要，部分裝置在改造時