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开题报告
垃圾焚烧厂布袋式除尘系统运行稳定性分析
目录：
一.项目背景与意义…………………………………………………………………………………1
二.文献评述（国内外研究现状）………………………………………...1
三.研究开发内容…………………………………………………………………………………….3
四.预期目标……………………………………………………………………………………………4
五.创新点和特色…………………………………………………………………………………….4
六.实施方案
6.1问题的背景分析……………………………………………………………………………….5
6.2问题假设…………………………………………………………………………………………6
6.3主要符号说明…………………………………………………………………………………..7
6.4模型的建立与求解…………………………………………………………………………….7
6.5向政府提出环境保护综合监测建议方案………………………………………………..23
6.6针对建议和意见…………………………………………………………………………….....24
七.工作基础…………………………………………………………………………………………….25
八.所需背景资料和数据………………………………………………………………………….25
参考文献……………………………………………………………………………………………………26
一.项目背景与意义
改革开放以来，我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源浪费和环境破坏的代价。
目前，以焚烧方法处理生活垃圾已是我国转变发展方式，实现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。
目前，布袋除尘器对粉尘的净化效率可以达到99.99%，PM10的捕集效率98.84%，PM2.5的捕集效率99.35%，对控制细颗粒物有明显优势[1]。
但现行垃圾焚烧除尘工艺不能持续稳定运行，这是致使社会公众对垃圾焚烧产生危害疑虑的主要原因。
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。
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。
本项目通过对题目实际情况进行研究和分析，建立合适的数学模型，基于模型的基础上，对相应问题做出了解答和处理。
二.文献评述（国内外研究现状）
19世纪80年代，袋式除尘器首次应用于生产实践中；
1881年，贝特工厂的机械振打清灰方式除尘器取得德国专利；
1930年，出现了逆气流清灰法；
1954年，海赛发明了逆喷型吹气环清灰技术，使得袋式除尘器实现了除尘、清灰连续操作，处理量提高数倍，滤袋压力较稳定：
特别是1957年，清灰方法实现了技术突破，雷英纳尔发明的脉冲袋式除尘器，被认为是袋式除尘技术的一次重大发现，它不但使操作和清灰连续，滤袋压力损失更趋于稳定，处理气体量进一步增大，而且内部无运动部件，滤布寿命更长、结构更简单。
20世纪70年代以后,袋式除尘器技术向大型化发展，美、日、澳及欧洲等国家，结合大规模工业生产，相继开发了大型袋式除尘器应用于燃煤电站、干法水泥口转窑和电炉除尘，单台过滤面积超过10000m2的不在少数，如美国到1989年底己有99套袋式除尘器用于火电厂的烟气除尘，总装机容量达214万KW，美国电厂使用的燃料有煤炭、天然气、重油等，并采用了清洁煤技术，所以电除尘器的使用比例还是较大，袋式除尘器约占30%；
澳大利亚从20世纪80年代就开始实施“电改袋”工程，目前80%的火电厂采用的是袋式除尘器；
在欧洲，袋式除尘器的使用比例接近50%；
同时，日本和韩国等另外一些发达国家也纷纷将静电除尘器改造成袋式除尘器，迄今为止发达国家已基本走完了用袋式除尘器取代或改造静电除尘器或其它种类除尘器的过程[2-8]。
我国布袋除尘技术主要是在近30年发展起来的，我国早在1974年开始研制布袋除尘器，并在13-100m3高炉进行试验，1985年涟钢329m3高炉布袋除尘器顺利投产。
到1987年太原钢铁厂1200m3高炉，引进了日本技术后，此技术有了快速发展，国内其他钢厂把此技术移植到300m3中小炉窑纷纷获得成功。
1991和1992年首钢利用日本技术先后建成1726m3和2100m3高炉的布袋除尘器；
1998年攀钢也建成1250m3高炉的布袋除尘器。
但在这一时期，清灰的方式均为净煤气反吹风形式，同时考虑到纯布袋除尘技术上的不足，原来广为采用的湿法除尘器仍未拆除而作为备用。
2002年下半年韶钢和莱钢建设了纯干式布袋净化煤气750m3高炉，标志了该技术在中型高炉纯干式布袋除尘器的研制成功。
此后，江苏沙钢集团7台450m3高炉、福建三钢1050m3高炉2004年5月、承德钢厂1260m3高炉2004年10月、长钢1080m3高炉2004年9月、韶钢2540m3高炉2005年8月、包钢2200m3高炉2005年9月、还有其他高炉均建成全干式布袋除尘器，这些布袋除尘器大多采用了低压脉冲反吹清灰方式，滤袋材料主要为FMS，卸灰技术以落下输送和刮板输送较多，气力输灰方式由于其更先进可靠，正在兴起[9-18]。
在布袋材料上，我们更是取得了令人瞩目的成就，我国自行研制的聚苯硫醚纤维获得成功，已有数家企业可批量生产，该产品在燃煤电厂锅炉烟气净化中的应用取得良好效果，结束了我国PPS纤维完全依靠进口的局面。
PPS原料生产基地的建设也在进行中，目前已有产品供应，但产量尚不能满足需求。
近年来，我国又研制出轶纶（聚酰亚胺）纤维，并建设了生产线，纤维产品达到设计产量，其性能指标达到甚至优于国外产品。
研发企业还建立了生产基地，具备了从聚酰亚胺原料合成到最终制品的全路线规模化生产能力[19]。
2016年，由我国自主研发的国家“十二五”科技支撑项目“玄武岩纤维滤料制备关键技术与示范应用”开发的玄武岩滤料高温袋除尘器，已投入运行并顺利完成了项目验收。
玄武岩滤料高温袋除尘器可耐330℃以上高温，投资成本低，运行稳定，排放浓度能长期保证低于国家规定的＜20mg/m3的排放标准[20]。
近年来，随着计算机技术的成熟与发展。
利用CFD数值模拟技术开展除尘器内部气流速度场、温度场、颗粒物浓度场模拟试验，分析气流流动状态和规律，为大型除尘器气流合理分布，促进粉尘沉降、降低设备阻力等方面提供结构设计的依据和指导。
2015年，浙江省天正设计工程有限公司的赵鹏等人利用有限元分析软件ANSYS建立了布袋除尘器的钢结构温度场模型，模拟了正常工况和旁路工况下布袋除尘器的温度场分布，计算结果清晰、直观地反映了两种工况下除尘器的温度分布情况，为布袋除尘器的优化设计和热应力分析提供了理论依据[21]。
三.研究开发内容
结合国内外研究现状可知，目前国内外在袋式除尘器的设计、滤袋的材料的发展等方面上取得了较大的成果，但在构建数学模型分析袋式除尘系统运行稳定性问题、分析其运行稳定性对周边环境烟尘排放总量的影响等方面仍属于空白和短板。
因此本项目拟从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的基础上，探究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的影响。
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（进风方式因素、气流分布板因素、滤袋形状、滤袋的排列组合、分室方式、过滤材料、过滤风速、清灰方式、排气方式），构建数学模型拉格朗日离散相模型（质量守恒定律、动量守恒方程），标准k-ε湍流模型、直接模拟蒙特卡诺方法，利用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，解决相应问题，提出解决方案。
具体研究过程如图1所示。
图1.问题解决步骤流程图
具体研究内容如下：
（1）收集资料，总结现行垃圾焚烧发电厂袋式除尘系统中各种参数，如进风方式因素、气流分布板因素、滤袋形状、滤袋的排列组合、分室方式、过滤材料、过滤风速、清灰方式、排气方式等对袋式除尘系统的稳定性影响，确定各种参数对袋式除尘系统的稳定性影响的程度分级；
（2）通过附件中“布袋更换统计，布袋更换前后烟尘含量的对比”数据以及查阅的数据的，尝试构建垃圾焚烧厂布袋除尘系统稳定性的数学模型，利用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，根据获得的数据模拟结果，向政府提出了环境保护综合监测得出初步建议方案；
（3）在
（1）和
（2）的工作基础上，结合更多的工厂实际数据对构建的数学模型进行验证、更正和修改。
确定各种参数与袋式除尘系统的稳定性之间的相关程度，结合实际情况给出最优参数建议，将抽象数学模型应用于实际，优化布袋除尘工艺，提高除尘效率，改善环境质量；
（4）利用构建出得数学模型稳定性的极值，并结合实际情况，研究讨论在考虑除尘系统稳定性的前提下，焚烧厂扩建规模的环境允许上限是多少；
（5）结合新型超净除尘替代工艺的工作参数以及运行数据，将影响布袋除尘工艺运行稳定性的所有影响因素进行优化，即负面影响因子全部记为不存在，结合建立的数学模型计算出稳定性数值，完成对问题2的解答。
四.预期目标
通过对大量文献的阅读，及国内外垃圾焚烧厂布袋除尘系统的使用情况的调查。
我们有以下预期目标。
（1）了解布袋除尘工艺流程，影响布袋除尘运行稳定性、使用寿命、除尘极限的影响因素；
（2）通过分析布袋除尘工艺的数值模拟方式，如：
构建数学模型拉格朗日离散相模型（质量守恒定律、动量守恒方程），标准k-ε湍流模型、直接模拟蒙特卡诺方法，构建垃圾焚烧厂布袋除尘系统稳定性的数学模型；
（3）收集某一地区采用布袋除尘系统后影响运行稳定性的相关数据，利用数学模型与数据结合后计算出该地区在其工艺背景下的具体稳定性；
（4）利用构建出得数学模型稳定性的极值来求解在考虑除尘系统稳定性的前提下焚烧厂扩建规模的环境允许上限是多少；
（5）将影响布袋除尘工艺运行稳定性的所有影响因素进行优化，即负面影响因子全部记为不存在，结合建立的数学模型计算出稳定性数值；
（6）将抽象数学模型应用于实际，把分析所得到的数据结合实际情况给政府提出关于垃圾焚烧厂布袋除尘系统的相关建议，优化布袋除尘工艺，提高除尘效率，改善环境质量。
五.创新点和特色
以现行垃圾焚烧发电厂袋式除尘系统为例，基于工厂运行数据，构建数学模型：
拉格朗日离散相模型（质量守恒定律、动量守恒方程），标准k-ε湍流模型、直接模拟蒙特卡诺方法，利用各种模型分析袋式除尘系统运行稳定性问题，通过计算确定其运行稳定性对周边环境烟尘排放总量的影响。
其创新点具体如下：
（1）模型的建立充分考虑了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（进风方式因素、气流分布板因素、滤袋形状、滤袋的排列组合、分室方式、过滤材料、过滤风速、清灰方式、排气方式）；
（2）构建数学模型拉格朗日离散相模型（质量守恒定律、动量守恒方程），标准k-ε湍流模型、直接模拟蒙特卡诺方法，多种算法相结合，避免了单一算法的偶然因素对结果的影响；
（3）模型可通过计算机模拟试验进行验证，节省大量的人力、物力、财力；
（4）“大数据”思维，避免传统思维模式和特定领域里隐含的固有偏见，在对数据因果性的探究前提下，更注重数据的相关性；
（5）通过合理的假设以及科学的计算，可以对布袋更加合理的布局（位置，数量，布袋间的距离等），延长布袋的使用寿命。
6.1问题的背景分析
“垃圾围城”是世界性难题，在今天的中国显得尤为突出。
2012年全国城市生活垃圾清运量达到1.71亿吨，比2010年增长了1300万吨。
数据显示，目前全国三分之二以上的城市面临“垃圾围城”问题，垃圾堆放累计侵占土地75万亩。
因此，垃圾焚烧正逐步成为中国垃圾处理的主要手段之一。
城市垃圾经过分类处理，剔除可回收垃圾和有害垃圾后将剩余垃圾在焚烧炉中焚烧处理，既可避免垃圾填埋侵占大量的土地，又可利用垃圾焚烧产生的能量进行发电等获得可观的经济效益。
然而，由于政府监管不力、投资者目光短浅等多方面的原因，致使前些年各地建设的垃圾焚烧电厂在运营中出现了环境污染问题，给垃圾焚烧技术在我国的推广造成了很大阻力，许多城市的新建垃圾焚烧厂选址都出现因居民反对而难以落地的局面。
事实上垃圾焚烧厂对环境的污染风险与建设投资规模、运行监管力度有直接关系。
小型垃圾焚烧厂由于没有规模效应，在污染治理方面的投入也会受到影响，致使其污染物排放比较严重，难以达到国家新的排放标准，对环境的危害较大。
尤其是目前建厂选址尤为困难，所以国内各大城市目前均倾向于采用新型大型焚烧炉的焚烧厂取代分散的小型焚烧炉的举措。
然而大型焚烧厂又存在需要考虑垃圾运输成本与道路建设成本等问题，因此对于不同城市来说，究竟该把大型焚烧厂的建设规模控制在什么水平，这是一个值得研究的课题。
在垃圾焚烧厂运行监管方面，目前主要是在垃圾焚烧厂内进行测量监控，缺少从周边环境视角出发的外围动态监控，因而难以形成为民众所信服的全方位垃圾焚烧厂环境监控体系[22,23]。
从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。
并且收集资料，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（进风方式因素、气流分布板因素、滤袋形状、滤袋的排列组合、分室方式、过滤材料、过滤风速、清灰方式、排气方式），构建数学模型拉格朗日离散相模型（质量守恒定律、动量守恒方程），标准k-ε湍流模型、直接模拟蒙特卡诺方法，利用各种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。
6.1.1问题一的分析
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，根据分析结果，向政府提出环境保护综合监测建议方案；
结合附件给出的数据，考虑进风方式（上进风方式、下进风方式、侧进风方式）、气流分布板、滤袋形状、滤袋的排列组合、分室方式、过滤材料、过滤风速、清灰方式、排气方式等因素建立数学模型，求解数学模型。
设定单位面积排放总量限额，计算焚烧厂扩建规模的环境允许上限并讨论。
根据计算分析结果，结合我国社会环境实际情况给出环境保护综合监测建议方案。
6.1.2问题二的分析
如果采用新型超净除尘工艺主要技术，其特点是：
（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。
这是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，除尘模型稳定性可以提高。
通过新型超净除尘工艺主要技术特点，结合问题1建立的数学模型，分析各种因素，改进模型，计算得到结果。
6.2问题假设
针对本问题，查阅相关专业资料[24-26]，做出以下合理假设：
假设一：
假设垃圾焚烧厂周围居民风险承担经济补偿只与综合污染程度有关。
假设二：
烟囱排放气体是理想气体，遵守理想气体状态方程。
假设三：
在水平方向，大气扩散系数呈各向同性。
假设四：
影响垃圾产量的只有内在因素（如人口数量、居民生活水平等），不包括社会因素（如社会行为准则、社会道德规范）和个体因素（人类本身个体的行为习惯、受教育程度）。
假设五：
垃圾产量只包括被清运的垃圾，散落的垃圾不予统计。
查询垃圾产量统，计数据时即默认为生活垃圾清运量。
6.3主要符号说明
表1.主要符号说明
流体密度
SM
项源
应力张力
平均速度梯度引起的产生项
S
颗粒的加速度
颗粒收到的流体力
m
颗粒质量
kg
重力加速度
阻力系数
气流场速度
颗粒的直径
密度
角速度和速度
6.4模型的建立与求解
6.4.1前言
目前，国内已建成运营的生活垃圾焚烧厂烟气排放均执行《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2001）或欧盟1992标准。
随着环保要求的日益严格及国家有关节能减排政策的实施，国内已有部分筹建的生活垃圾焚烧厂烟气排放执行EU2000/76/EC（欧盟2000）标准[27]。
垃圾焚烧厂烟气排放标准GB18485-2001、欧盟1992标准、EU2000/76/EC见表2。
表2.垃圾焚烧厂烟气排放标准GB18485-2001、欧盟1992标准、EU2000/76/EC
序号
污染物名称
单位
GB18485-2001
欧盟1992
EU2000/76/EC
1
烟尘
（mg/Nm3）
80
30
10
2
HCl
75
50
3
HF
-
4
SOX
260
300
5
NOX
400
200
6
CO
150
100
7
TOC
20
8
Hg
0.2
0.1
0.05
9
Cd
Pb
1.6
≤0.5
11
其它重金属
12
二恶英类
（ng-TEQ/Nm3）
1.0
13
烟气黑度
注：
1）本表规定的各项标准限值，均以标准状态下含11%O2的干烟气为参考值换算。
2）烟气最高黑度时间，在任何1h内累计不得超过5min。
3）GB18485-2001中HCl、HF、SOX、NOX、CO为小时均值，而欧盟1992、EU2000/76/EC为日均值。
其余污染物均为测定均值。
6.4.2袋式除尘器的介绍
图2为布袋除尘器总体结构图[9]。
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、设备一次性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。
图2.布袋除尘器总体结构图
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行条件密切相关，因此布袋除尘器在运行中无法实现长期恒定的除尘效果。
图3.布袋除尘器工作原理图
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3。
表3.袋式除尘器主要参数
项目
参数
烟气处理量（m3/h）
200000
入口烟气含尘浓度（g/Nm3）
25
出口烟气含尘浓度（mg/Nm3）
小于40
除尘器助力（Pa）
小于1000
过滤速度（m/min）
1.00
滤袋规格（mm）
130*65001216条
滤袋间距（mm）
顺排210*200
滤袋材质
HST-1滤料
滤袋设计使用温度（℃）
清灰气源设备参数（MPa）
0.4-0.6
脉冲阀（个）
76
清灰频率（S）
760
6.4.3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分析
6.4.3.1烟气脱酸除尘工艺
烟气脱酸除尘工艺有半干式+袋式除尘器，干式反应塔+袋式除尘器，袋式除尘器+湿式反应塔三种组合形式，其参数如表4所示。
表4.烟气脱酸除尘工艺三种组合形式比较
比较项目
干式反应塔+
袋式除尘器
半干式反应塔+
湿式反应塔+
烟尘排放浓度（mg/Nm3）
<
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