数学建模大赛真题.pdf

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1、数学建模挑战赛真题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

2、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

3、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

4、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%。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

5、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 1m 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

6、率高且稳定， 对于 2m 以上的粉尘，其效率可达以上，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

7、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1#炉参数名称2#炉备注布袋规格布袋数量进口烟温165*60001056220168*60001056220200至 225之间波动，极限在230以下180 至 200 区间波动， 近期低值 160 （可能和环境因素有关）出口烟温195195布袋差压KPa出口负压布袋气源压力 KPa135016502900Pa3000Pa320KPa310KPa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纤维基布1

8、00%PTFE(聚四氟乙烯)100%PTFE(聚四氟乙烯)广州华滤厦门三维丝备注PTFE 基布（100%）PTFE 基布（100%）化学处理方式连续运行温度瞬时耐受温度化学抗酸性化学抗碱性化学抗水解性化学抗氧化性化学抗磨损性喷吹压力强制吹灰压力PTFE 覆膜250270优优优优优PTFE 覆膜240260优优完全不水解完全不氧化优表 3：2014 年底至 2016 年初某某厂布袋更换统计：更换数量及炉号更换时间1#炉2014 年 11 月 27 日2015 年 1 月 23 日2015 年 1 月 27 日2015 年 2 月 12 日2015 年 2 月 27 日2015 年 3 月 25

9、日2015 年 3 月 27 日2015 年 4 月 19 日2015 年 4 月 28 日2015 年 4 月 29 日2015 年 5 月 2 日210302274431002#炉020515303128141#炉 6U 积灰，烧坏布袋 21 条1#炉 6D、6U 积灰，烧坏 19 条22 日烟气检测前检查，更换1#炉 1U 玻纤布袋烟气检测不合格后更换备注2015 年 5 月 28 日2015 年 6 月 1 日2015 年 7 月 17 日2015 年 7 月 3 日2015 年 8 月 27 日2015 年 10 月 9 日2015 年 10 月 2 日2015 年 11 月 11

10、日2015 年 11 月 18 日2015 年 11 月 19 日2016 年 1 月 18 日合计30004101013241380822194452187610239两炉合计：377表 4：布袋更换前后烟尘含量的对比更换数量及炉号更换时间1#炉2#炉1#炉2014 年 11 月 27日2102#炉1#炉2015 年 1 月 23日022#炉1#炉2015 年 1 月 27日302#炉1#炉2015 年 2 月 12日0225152#炉1#炉44212#炉1#炉112#炉1#炉82#炉1#炉2#炉1#炉更换前后含尘量对比 mg/m更换前 3 天1#炉更换后 3 天2015 年 2 月 27日

11、2#炉2#炉1#炉2015 年 3 月 25日732#炉1#炉2015 年 3 月 27日402#炉1#炉2015 年 4 月 19日43312#炉1#炉2015 年 4 月 28日1282#炉1#炉2015 年 4 月 29日012#炉1#炉2015 年 5 月 2 日042#炉1#炉2015 年 5 月 28日302#炉1#炉2015 年 6 月 1 日082#炉1#炉2015 年 7 月 17日0222#炉1#炉2015 年 7 月 3 日0192#炉1#炉2015 年 8 月 27日442#炉131#炉2#炉1#炉2#炉1#炉2#炉1#炉2#炉1#炉2#炉1#炉2#炉1#炉2#炉1#炉

12、122#炉1#炉2#炉1#炉2#炉1#炉2#炉11118101#炉2015 年 10 月 9日10452#炉1#炉2015 年 10 月 2日10212#炉1#炉2015 年 11 月 11日182#炉1#炉2015 年 11 月 18日372#炉1#炉2015 年 11 月 19日262#炉1#炉2016 年 1 月 18日4102#炉81#炉2#炉1#炉2#炉1#炉2#炉1#炉2#炉1#炉2#1#炉2#炉7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除尘效

13、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）

14、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

15、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，

16、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

17、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。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130220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

18、控制在160185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。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：

19、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。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，二恶英纳克，含尘量毫克，硫化氢毫克；目前欧洲的相关标准分别是：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。