垃圾焚燒廠布袋式除塵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性分析

李丹怡+李宗豪+蘇文茂+黃鵬翔

摘 要：依據(jù)A廠除塵器具體運(yùn)行情況數(shù)據(jù)，選取其中最關(guān)鍵影響因素——內(nèi)部氣流流場不均勻性進(jìn)行著重分析，利用計(jì)算機(jī)流體力學(xué)軟件fluent進(jìn)行數(shù)值模擬。選擇指數(shù)衰減模型來模擬除塵效率，最終得到穩(wěn)定運(yùn)行的除塵數(shù)學(xué)模型。在單位時(shí)間內(nèi)需要處理的焚燒氣體一定的前提下，在matlab上針對未穩(wěn)定工況下與穩(wěn)定運(yùn)行的除塵效率模型進(jìn)行數(shù)值分析與運(yùn)算，得到兩者實(shí)際能夠處理的焚燒氣體總量，并據(jù)此得到擴(kuò)建規(guī)模的環(huán)境允許上限值。

關(guān)鍵詞：濾袋破損 除塵效率 氣流流場不均勻性 fluent、matlab 穩(wěn)定性能

一、背景

袋式除塵器結(jié)構(gòu)主要包括過濾袋、清灰裝置和控制裝置三大部分。現(xiàn)簡單介紹典型的下進(jìn)式袋式除塵器工作原理：除塵器的過濾布層對從箱體下部進(jìn)入的含塵氣體進(jìn)行篩分。隨著濾袋上粉塵的積累，阻力增大，當(dāng)超過限定范圍時(shí)，清灰系統(tǒng)清除濾袋上的粉塵，達(dá)到除塵的目。

但袋式除塵器不能持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的缺陷與民眾日益提高的環(huán)保訴求之間仍存在巨大的矛盾。給定單位面積排放總量限額，如何定量分析并確定焚燒廠擴(kuò)建規(guī)模的環(huán)境允許上限成為一個(gè)亟需解決的問題。量化分析袋式除塵器的運(yùn)行穩(wěn)定性是該問題的突破口，經(jīng)過檢驗(yàn)的模型同時(shí)也是提出環(huán)境保護(hù)綜合監(jiān)測建議方案的依據(jù)。

二、問題分析和模型假設(shè)

布袋除塵器的運(yùn)行穩(wěn)定性牽涉到錯(cuò)綜復(fù)雜的因素。煙氣溫度、濾袋數(shù)目、濾料材質(zhì)等影響因素相對直觀。相反，由于除塵器內(nèi)部的氣固兩相流動的復(fù)雜性與氣相流場測量的困難性，國內(nèi)學(xué)界尚缺少相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。流體力學(xué)fluent軟件可模擬除塵器內(nèi)部流場[1]，從而直觀地得到不同位置的濾袋內(nèi)的氣流分配規(guī)律，揭示了除塵器內(nèi)部濾袋因受沖擊力不均勻而損壞這一本質(zhì)，為工程上改進(jìn)除塵器結(jié)構(gòu)和優(yōu)化過濾效率提供指導(dǎo)方向。

基于對問題的多角度考慮，可以作出以下假設(shè)：

（1）假設(shè)濾袋除塵器模型設(shè)置5排濾袋，每排有7個(gè)濾袋[2]，將模型簡化分析。

（2）假設(shè)布袋損壞只與氣流流場的不均勻性有關(guān)，并且正在運(yùn)行且未損壞的濾袋除塵效率不變[3]，因此除塵效率的下降僅由布袋的損壞數(shù)目決定。

（3）假設(shè)除塵器運(yùn)行的外部工況具有時(shí)不變性，例如進(jìn)口氣流流速、進(jìn)口煙溫、布袋除塵性能等外部條件都不隨時(shí)間變化，因而穩(wěn)定運(yùn)行下的除塵器除塵效率時(shí)不變。

三、模型建立和求解

3.1基于氣流不均勻性因素建立模型分析

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件fluent可以對內(nèi)部氣流進(jìn)行數(shù)值模擬分析[4]，給出各個(gè)濾袋的氣體質(zhì)量流量數(shù)據(jù)，定量分析氣流的不均勻性。

為簡單起見，以“A廠除塵器基本運(yùn)行狀況”數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)設(shè)定fluent模型并生成網(wǎng)格，工況參數(shù)設(shè)定為（取該廠2#爐為例）：進(jìn)口風(fēng)速：12m/s，取室溫為20℃；布袋規(guī)格為：168*6000，進(jìn)口煙溫220℃，出口煙溫195℃，布袋差壓1650KPa，布袋氣源壓力310KPa。箱體中設(shè)置有5排濾袋，每排有7個(gè)濾袋。選擇進(jìn)風(fēng)方式為下進(jìn)風(fēng)。濾袋規(guī)格選取“A廠2014年底至2016年初布袋廠家及相關(guān)參數(shù)”中廣州華濾廠家的參數(shù)數(shù)據(jù)1，建立模型并生成網(wǎng)格。

由fluent模型可知，對于下進(jìn)式袋式除塵器來說氣流對中間區(qū)域的沖擊比較大。

由圖3-1可知，內(nèi)部氣流流場的不均勻程度較大，距離進(jìn)口出四五排處的區(qū)域氣體質(zhì)量流量比較大，表明入口氣流只要對該處濾袋產(chǎn)生較大的沖擊，從而造成該處濾袋破損率高，對除塵器整體除塵效率造成一定的影響。

3.2 基于除塵效率的時(shí)間函數(shù)的建模與分析

表3-1提供了該廠一年多的布袋更換數(shù)據(jù)，表中每項(xiàng)數(shù)據(jù)是上一次對故障布袋的更換截止到此次檢修更換這段時(shí)間內(nèi)的布袋損壞數(shù)目。實(shí)際上每次更換后都可視作是對除塵器性能的復(fù)原，使其除塵效率重回到理想的最優(yōu)值99.9%。若不存在損壞除塵器的定期檢修，其除塵效率曲線將呈現(xiàn)類似產(chǎn)品壽命曲線的指數(shù)衰減函數(shù)模型[5]。從實(shí)際情況出發(fā)，忽略除塵器性能復(fù)原的影響，對表3-1數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理。

3.3 基于除塵效率曲線的模型求解：

我們假定該廠2#爐的效率曲線代表了現(xiàn)行工藝水平下實(shí)際運(yùn)行中除塵器的效率波動情況，據(jù)此定量推導(dǎo)現(xiàn)行未穩(wěn)定工況下運(yùn)行的袋式除塵器的可優(yōu)化程度。

綜上可知，一段時(shí)間內(nèi)（文中是150天）內(nèi)需要處理的焚燒氣體總量是確定的，為150M0噸，但現(xiàn)行工藝水平與理想的穩(wěn)定性水平存在差異，兩者實(shí)際能處理的排放氣體總量分別為144.86M0噸（未穩(wěn)定）和145.83M0噸（穩(wěn)定）。即兩者未處理的焚燒氣體量為150M0-144.86M0=5.14M0噸（未穩(wěn)定）和150M0-145.83M0=4.17M0噸（穩(wěn)定）。

如果給定焚燒廠周邊范圍單位面積排放總量限額，設(shè)為A0噸。那么現(xiàn)行未穩(wěn)定的工況下，焚燒廠規(guī)模最大值為Tmax= M0，而在穩(wěn)定性前提下，焚燒廠最大規(guī)?？梢詾門stmax= M0，焚燒廠擴(kuò)建規(guī)模的環(huán)境允許上限是 = 100%≈23%。

四、模型評價(jià)

4.1模型合理性及其優(yōu)點(diǎn)

選用數(shù)學(xué)模型η=η（t）=ηmax-a0 ，t∈（0+nT，to+nT）對除塵效率隨運(yùn)行時(shí)間逐漸下降進(jìn)行數(shù)學(xué)刻畫，是建立在對垃圾焚燒廠實(shí)際運(yùn)維情況考慮的基礎(chǔ)上，運(yùn)行時(shí)間對除塵效率的影響是必須重點(diǎn)考量的因素?？陀^上，除塵效率模型存在周期性“復(fù)位”的情況?？傮w來說，該模型涵蓋了對實(shí)際情況的多重考慮，具有一定的合理性和參考價(jià)值。。

袋式除塵器的最大缺點(diǎn)是頻繁更換濾袋，不僅增加了運(yùn)維成本，也不滿足焚燒工藝中持續(xù)穩(wěn)定工作的需求。濾袋破損是效率下降的重要因素，因此除塵效率模型只考慮濾袋破損的影響，進(jìn)行重點(diǎn)討論和量化分析。

在分析濾袋破損數(shù)目的影響因素中，只選取了濾袋的最大流量不均幅值是因?yàn)闊o法兼顧過多影響因素，而最大流量不均幅值數(shù)據(jù)來源于計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果，具有高度的可信度與準(zhǔn)確性。

4.2 模型缺點(diǎn)以及理論上改進(jìn)可行性方案

濾袋破損原因的定量分析中只考慮了氣流流場不均勻性，淡化甚至忽略其他因素可能使結(jié)果以及結(jié)論存在一定的片面性；模型只考慮了破損濾袋對除塵效率的影響，實(shí)際上正常運(yùn)行中的濾袋也會由于材質(zhì)老化等原因存在工作效率下降的可能與風(fēng)險(xiǎn)。

模型的生成以及參數(shù)的確定很大程度上依賴于附表提供的某A廠數(shù)據(jù)，存在數(shù)據(jù)片面的風(fēng)險(xiǎn)。改進(jìn)方案為尋找更完整的數(shù)據(jù)集作相同的分析，以提高模型的健壯性。

參考文獻(xiàn)

[1]阮競蘭，張雙.基于FLUENT對袋式除塵器氣流流場的數(shù)值模擬[J].河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，（04）：16-19.

[2]唐奇.上進(jìn)風(fēng)袋式除塵器內(nèi)流場的數(shù)值模擬及優(yōu)化研究[D].湖南大學(xué)，2015.

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[5]胡滿銀，雷應(yīng)奇.電除塵器提效節(jié)能除塵效率公式的研究[J].環(huán)境工程，2009，（03）：90-93.

作者簡介：李丹怡（1994—10月—24日）女，漢族，廣東湛江人，華南師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，2014級本科生，專業(yè)：環(huán)境科學(xué)。

注

1數(shù)據(jù)來源：2016年“深圳杯”數(shù)學(xué)建模挑戰(zhàn)賽B題--《垃圾焚燒廠布袋式除塵系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性分析》附件。