垃圾焚烧厂除尘系统运行稳定性及扩建规模分析.docx
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垃圾焚烧厂除尘系统运行稳定性及扩建规模分析
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性能提升百分比环境允许上限
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。
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[1]。
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A4}
B（设备阻力）：
{结构阻力B1，滤料阻力B2，粉尘层阻力B3}
C（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2.1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
（A）除尘效率
（A1）滤料性能
a1
（A11）容尘量
a11
（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
（A22）清灰方式
a22
（A3）工作条件
a3
（A31）温度
a31
（A32）湿度
a32
（A33）粉尘浓度
a33
（A4）粉尘层厚度
a4
（A41）清灰频率
a41
（A42）清灰方式
a42
（B）设备阻力
（B1）结构阻力
b1
（B11）局部阻力系数
b11
（B12）流态流程
b12
（B2）滤料阻力
b2
（B21）滤料渗透率
b21
（B22）滤料厚度
b22
（B3）粉尘层阻力
b3
（B31）比阻力系数
b31
（B32）粉尘浓度
b32
（B33）过滤时间
b33
（C）维修管理
（C1）布袋更换
c1
（C11）糊袋、包袋破损
c11
（C12）焚烧炉设计工艺
c12
（C2）建设成本
c2
（C21）袋滤室
c21
（C22）管道
c22
（C23）基建和安装
c23
（C24）风机和马达
c24
（C25）处理设备
c25
（C26）设计
c26
（C27）试车
c27
（C28）测试仪表
c28
（C29）运输费
c29
（C3）运行成本
c3
（C31）电力
c31
（C32）劳务
c32
（C33）厂内杂项开支
c33
（C34）滤布
c34
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。
2.2.2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。
2.2.3模型的求解过程
记第i个三级因素的评判集R为{ri1，ri2，ri3，ri4，ri5}，i=1,2,3,4……m，对应的二级因素模糊矩阵R,如式2.2.3-1所示
（式2.2.3-1）
（式2.2.3-2）
其中rij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RAi（i=1,2,3,4），RAj（j=1,2,3），RAk（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：
（式2.2.3-3）
其中i=1,2,3,4，j=1,2,3，k=1,2,3
所以3个一级因素的模糊评判矩阵为
（式2.2.3-4）
由上面的公式，可计算得出相对应的评判向量为
（式2.2.3-5）
此时令（式2.2.3-6）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
（式2.2.3-8）
3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。
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），
（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），x、y、z轴上的扩散系数、、，见（式3.3-2），
（式3.3-2）
其中x轴为风向，y轴为水平面内与风向垂直的方向，z轴为与水平面垂直的方向，具体公式见（式3.3-3），
（式3.3-3）
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[2]，选取出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）
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（x0，），如图3.4所示，然后以此扩散源烟囱为圆心，max（x0，）为半径作圆，从而最后得到环境允许的最大面积Smax，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x0的值。
下面我们来求解y0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y0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y0。
程序框图见下图所示，程序实现步骤如下：
令y=0，x=x0作为程序的输入。
判断此时的x是否大于0以及y2-y1是否大于0，若两个都大于0则继续，否则则程序跳出循环并输出x1，y1。
初始化循环计数值i的值为0，将此时的y加上0.5（取人的步长0.5m），计算此时的浓度C（x，y，z，t）。
将C1（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0，如果为0则继续步骤，如果不为0，则继续步骤。
将此时的x数值临时保存到x1，y数值临时保存到y1。
⑦判断i（循环计数值）是否为常数k，常数k设定为[x0/0.5]（以循环次数是否为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，[x0]⑧将x1保存到x2中（将临时保存的值
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