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数学建模挑战赛真题--垃圾焚烧厂布袋式除尘系统运行稳定性分析
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？

参考答案
附件1、某某垃圾焚烧发电厂布袋除尘器可靠性情况介绍

袋式除尘器也称为过滤式除尘器，是一种干式高效除尘器，它是利用多孔纤维材料制成的滤袋（简称布袋）将含尘气流中的粉尘捕集下来的一种干式高效除尘装置，是目前国内外现行垃圾焚烧发电厂采用的主要烟气处理技术。布袋除尘器具有除尘效率高、燃料适用性强、设备一次投资少和可在线维修等优点，其除尘效率可达99.9%。然而，布袋除尘器在实际使用过程中，时而出现烧袋、糊袋、气室出口提升阀突然关闭、气室压力波动大和电气误动等现象，这些现象有的会缩短布袋使用寿命，造成除尘效率的急剧下降，有的会对除尘器及锅炉的安全构成严重威胁。
虽然可靠性是布袋除尘器设计的注重要点，但由于其核心部件除尘布袋存在寿命周期、且该周期长短又与焚烧工况及运维条件密切相关，因此布袋除尘器在运行中无法实现长期恒定的除尘效果。
1、布袋除尘器工作流程
袋式除尘器由于其具有除尘效率高，尤其对微米及亚微米级粉尘颗粒具有较高的捕集效率，且不受粉尘比电阻的影响；运行稳定，对气体流量及含尘浓度适应性强；处理流量大，性能可靠等优点，用于捕集非粘结性、非纤维性的工业粉尘。其作用原理是尘粒在绕过滤布纤维时因惯性力作用与纤维碰撞而被拦截，细微的尘粒（粒径为 1μm 或更小）则受气体分子冲击(布朗运动)不断改变着运动方向，由于纤维间的空隙小于气体分子布朗运动的自由路径，尘粒便与纤维碰撞接触而被分离出来。它的优点是除尘效率高且稳定，对于 2μm 以上的粉尘，其效率可达99.9％以上，且造价较低，管理简单、维修方便。布袋除尘器工作原理见图1。
图1布袋除尘器工作原理图

随着过滤过程的不断进行，滤袋外侧所积附的粉尘不断增加，从而导致布袋除尘器本体的阻力逐渐升高。当阻力达到设定值或过滤时间达到设定值时，清灰控制器发出清灰信号，首先令一个袋室的提升阀关闭以切断该室的过滤气流，然后依次打开各电磁脉冲阀，逐行喷吹，压缩空气由气源顺次经气包、脉冲阀、喷吹管上的喷嘴以极短的时间向滤袋喷射。压缩空气在袋内高速膨胀，使滤袋产生高频振动变形，使滤袋外侧所附尘饼变形脱落。在充分考虑了粉尘的沉降时间后，提升阀打开，此袋室滤袋恢复到过滤状态，而下一袋室则进入清灰状态，直到最后一袋室清灰完毕为1个周期;
某某垃圾发电厂（以下也简称某某厂）除尘器基本运行状况
表1：某某厂除尘器基本运行状况
炉号
参数名称
1#炉
2#炉
备注
布袋规格
165*6000
168*6000

布袋数量
1056
1056

进口烟温℃
220
220
200℃至225℃之间波动，极限在230℃以下
出口烟温℃
195
195
180至200区间波动，近期低值160℃（可能和环境因素有关）
布袋差压KPa
1350
1650

出口负压
2900Pa
3000Pa

布袋气源压力KPa
320KPa
310KPa

表2：某某厂2014年底至2016年初布袋厂家及相关参数
厂家
参数名称
广州华滤
厦门三维丝
备注
纤维
100%PTFE(聚四氟乙烯)
100%PTFE(聚四氟乙烯)

基布
PTFE基布（100%）
PTFE基布（100%）

化学处理方式
PTFE覆膜
PTFE覆膜

连续运行温度
250℃
240℃

瞬时耐受温度
270℃
260℃

化学抗酸性
优
优

化学抗碱性
优
优

化学抗水解性
优
完全不水解

化学抗氧化性
优
完全不氧化

化学抗磨损性
优
优

喷吹压力
0.35-0.4MPa

强制吹灰压力
0.4-0.54MPa

表3：2014年底至2016年初某某厂布袋更换统计：
更换时间
更换数量及炉号
备注
1#炉
2#炉
2014年11月27日
21
0
1#炉6U积灰，烧坏布袋21条
2015年1月23日
0
2

2015年1月27日
3
0

2015年2月12日
0
5

2015年2月27日
22
15
1#炉6D、6U积灰，烧坏19条
2015年3月25日
7
3

2015年3月27日
4
0

2015年4月19日
43
31
22日烟气检测前检查，更换1#炉1U玻纤布袋
2015年4月28日
1
28
烟气检测不合格后更换
2015年4月29日
0
1

2015年5月2日
0
4

2015年5月28日
3
0

2015年6月1日
0
8

2015年7月17日
0
22

2015年7月3日
0
19

2015年8月27日
4
4

2015年10月9日
10
45

2015年10月2日
10
21

2015年11月11日
1
8

2015年11月18日
3
7

2015年11月19日
2
6

2016年1月18日
4
10

合计
138
239
两炉合计：377
表4：布袋更换前后烟尘含量的对比
更换时间
更换数量及炉号
更换前后含尘量对比mg/m³
1#炉
2#炉
更换前3天
更换后3天
2014年11月27日
21
0
1#炉

1#炉

2#炉
2#炉
2015年1月23日
0
2
1#炉
1#炉
2#炉
2#炉
2015年1月27日
3
0
1#炉
1#炉
2#炉
2#炉
2015年2月12日
0
5
1#炉

44
21
1#炉
8.9
10.9
8

2#炉
2#炉
2015年2月27日
22
15
1#炉

22.6
19.2
1#炉
11
16.2

2#炉
2#炉
2015年3月25日
7
3
1#炉
24.6
1#炉

2#炉
2#炉

2015年3月27日
4
0
1#炉

1#炉
15.3
2#炉

2#炉
2015年4月19日
43
31
1#炉
16.5
11.5
23.2
1#炉

2#炉
2#炉

2015年4月28日
1
28
1#炉
14.2
16.5
15.8
1#炉
9.7
10

2#炉
2#炉
2015年4月29日
0
1
1#炉

1#炉

2#炉

2#炉

2015年5月2日
0
4
1#炉

1#炉
10.4
10.8
12.1
2#炉

2#炉
2015年5月28日
3
0
1#炉

1#炉

2#炉

2#炉

2015年6月1日
0
8
1#炉

1#炉
12
11.7
13.9
2#炉

14.9
27.2
2#炉
2015年7月17日
0
22
1#炉

11.1
1#炉
12.3
10.8

2#炉
26.3
12.3
13
2#炉

2015年7月3日
0
19
1#炉
11.7
12.5
13.4
1#炉

2#炉
2#炉
11
9.11
12.1
2015年8月27日
4
4
1#炉
9.4
8.1
8.3
1#炉
15.2

8
2#炉
25.2
16.9
2#炉
11.1
11
124
2015年10月9日
10
45
1#炉

1#炉

2#炉

2#炉

2015年10月2日
10
21
1#炉
8
7.7
7.2
1#炉
7

2#炉

6.7
2#炉
8.8

2015年11月11日
1
8
1#炉

1#炉

2#炉
10.7
9.1
9.5
2#炉

2015年11月18日
3
7
1#炉

1#炉

2#炉

2#炉

2015年11月19日
2
6
1#炉

1#炉

6.4
5.7
2#炉

2#

10.2
14.1
2016年1月18日
4
10
1#炉

10.7
1#炉
8.3
6.5

2#炉

10.8
2#炉
8.2

备注 1:1、2#炉合并部分为大烟囱测量数据
2：空格为没有测量数据
3：连续处理布袋的记录开始处理前和处理结束后的实际，处理时间段留空
4:数据显示布袋更换前后含尘量有明显的变化

2.1除尘效率逐渐下降的原因及对策
某某厂除尘器运行参数见表1。统计数据显示，某某厂在1年左右的周期内共使用2家公司的布袋，布袋参数见表2，所选布袋完全满足某某厂除尘器工况要求。周期内共更换总数为377条;详细的更换数量见表3。其中2#炉的更换数量是1#炉的2倍左右。
布袋是保证除尘器在使用周期内除尘效率达标、工作可靠性的重要指标之一。布袋除尘器在运行初期一般都能保持较高的除尘效率，但随着使用时间的增长，很多除尘器的除尘效率会逐步下降，在布袋使用寿命的中后期，布袋破损已比较严重，除尘效率已不能满足环保要求。且不同布袋厂家的布袋的使用效果基本相同。造成布袋磨损的主要原因如下：
（1烟气分布不均，在气室局部过滤风速过高，致使粉尘加剧冲击、磨损布袋。
从运行经验情况看:某某厂两台除尘器均在2012年3月和7月分别对2#和1#进行了升级改造,由于两炉除尘器是两家公司进行改造施工，从设计和布风装置的计算存在差异;导致2#炉布袋损坏率高于1#炉，运行中1#炉差压在1300Pa左右，2#炉差压在1650Pa左右，具体的分布差异原因目前尚未完全弄清楚，但差压大意味着布袋运行中承受的阻力更大，是导致布袋的损坏加剧的原因之一。
（2）布袋间的距离过小造成布袋间碰撞磨损或是笼骨弯曲、笼骨与布袋底部间隙过小等造成的布袋与笼骨间的碰撞磨损；某某厂原除尘器布袋直径为120mm，改造后在原腔室截面积不变情况下，将布袋直径改为165mm,增大了有效过滤面积。但缩小了布袋之间的距离，也是布袋损坏率高的原因
（3）喷吹管喷嘴与布袋口的中心偏差，使喷吹管喷出气流直接冲刷布袋上段而产生磨损；
（4）布袋清洗太频繁或喷吹压力过高亦会加速布袋的磨损。
（5）在运营中，由于输灰系统故障的原因，导致除尘器飞灰清理不及时,局部腔室飞灰在布袋底部堆积，高温飞灰导致布袋损毁。
（6）不明原因导致的布袋底部损坏，在后期的更换中出现大量的布袋底部损坏，针对该现象多次和厂家沟通，并在后续的布袋采购中特别要求对底部制作工艺的改进，加强布袋底部的强度。
因此,在设计时给出有效的解决措施，是提高除尘器设计质量、达到环保要求和保证安全、可靠运行的必由之路。设计中必须采取针对性措施以减小布袋破损率，延长布袋的使用寿命，保证除尘器在使用周期内运行的可靠性。减小布袋磨损的措施主要有几点。（由于某某厂的除尘器从投产就没有完整设计资料，运行过程中经过多次及多家单位整修改造，致使除尘器相关数据、设计、计算是否合理，还需在运行中验证。）
（1）在设计时合理布置布袋，均衡气流，避免局部气流速度过高。在工程设计中，可采用导流装置均流气体或分流装置分流气体等措施来解决局部气流速度过高致使布袋磨损的问题，采用挡灰板来解决烟尘直接与布袋碰撞造成的磨损问题。
（2）在安装过程中，需控制好喷吹管的喷嘴与布袋口的对正关系在运行初期，需保持较低的喷吹压力和较长的喷吹周期，保证在布袋的表面保持一定厚度的粉尘初始层。
（3）完成对输灰系统的改造，保证布袋不会因为积灰的原因导致损毁。
2.2烟气超温和超压时除尘器可靠性分析
布袋除尘器滤料的材质对温度有一定的要求，当超过使用温度范围时，布袋有被烧毁的危险，这对除尘器的可靠运行造成了严重威胁。防止烟气超温造成烧袋的措施如下：
（1）进入的烟气温度严格控制在130～220℃之间，温度低于130℃容易造成烟气结露，粉尘吸附在布袋上，不易脱落，造成糊袋，严重影响除尘效果；超过220℃容易造成布袋损伤，大大减少布袋的使用寿命。综合整个生产工艺来看，一般烟气进口温度控制在160～185℃之间，有利于布袋除尘器长期稳定运行。
（2）采用喷水降温，该方法不仅可以有效保证布袋的运行工况，而且通过降温更有效的保证了活性炭对二噁英的吸附效果，提高了烟气的处理质量。某某厂通过降温喷淋装置在2015年的几次二噁英检测的过程中的使用，有效保证了烟气处理的达标排放。

2.3烟道和本体漏风对布袋性能的影响分析
烟道和本体漏风漏水是影响某某厂除尘器效果的重要因素，主要的影响包括
1：漏风导致飞灰结板、结块。堵塞布袋影响过滤效果，或者结块于腔室、管壁影响飞灰的输送效果
2：导致烟气结露，冷凝析出酸性液体，导致除尘器结构件严重的腐蚀。
3：雨天吸入雨水，进一步加重结块酸液等带来的破坏性后果
4：在烟气排放检测中，由于漏风导致的排放气体中氧含量高导致烟气污染物折算值变高，影响烟气的达标排放。
2.4气动阀组、控制系统对除尘器的影响
目前某某厂除尘器系统的气动装置、控制系统基本可以满足除尘器运行的需要，部分装置在改造时存在一些缺陷，会增加部分维护的工作量，但不会从整体上影响除尘器的整体运行。
因此，如何保证布袋除尘器稳定高效运行,控制烟气中烟尘和二恶英等剧毒物质的排放，合理的设计和日常运营管理是布袋器稳定运行的保证。

附件2、新型超净除尘工艺主要技术特点介绍
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。
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。
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。

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