垃圾焚燒廠布袋式除塵系統運行穩定性分析

李丹怡+李宗豪+蘇文茂+黃鵬翔

摘 要：依據A廠除塵器具體運行情況數據，選取其中最關鍵影響因素——內部氣流流場不均勻性進行著重分析，利用計算機流體力學軟件fluent進行數值模擬。選擇指數衰減模型來模擬除塵效率，最終得到穩定運行的除塵數學模型。在單位時間內需要處理的焚燒氣體一定的前提下，在matlab上針對未穩定工況下與穩定運行的除塵效率模型進行數值分析與運算，得到兩者實際能夠處理的焚燒氣體總量，并據此得到擴建規模的環境允許上限值。

關鍵詞：濾袋破損 除塵效率 氣流流場不均勻性 fluent、matlab 穩定性能

一、背景

袋式除塵器結構主要包括過濾袋、清灰裝置和控制裝置三大部分?，F簡單介紹典型的下進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入的含塵氣體進行篩分。隨著濾袋上粉塵的積累，阻力增大，當超過限定范圍時，清灰系統清除濾袋上的粉塵，達到除塵的目。

但袋式除塵器不能持續穩定運行的缺陷與民眾日益提高的環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建規模的環境允許上限成為一個亟需解決的問題。量化分析袋式除塵器的運行穩定性是該問題的突破口，經過檢驗的模型同時也是提出環境保護綜合監測建議方案的依據。

二、問題分析和模型假設

布袋除塵器的運行穩定性牽涉到錯綜復雜的因素。煙氣溫度、濾袋數目、濾料材質等影響因素相對直觀。相反，由于除塵器內部的氣固兩相流動的復雜性與氣相流場測量的困難性，國內學界尚缺少相關的實驗數據。流體力學fluent軟件可模擬除塵器內部流場[1]，從而直觀地得到不同位置的濾袋內的氣流分配規律，揭示了除塵器內部濾袋因受沖擊力不均勻而損壞這一本質，為工程上改進除塵器結構和優化過濾效率提供指導方向。

基于對問題的多角度考慮，可以作出以下假設：

（1）假設濾袋除塵器模型設置5排濾袋，每排有7個濾袋[2]，將模型簡化分析。

（2）假設布袋損壞只與氣流流場的不均勻性有關，并且正在運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目決定。

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

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

采用計算流體力學軟件fluent可以對內部氣流進行數值模擬分析[4]，給出各個濾袋的氣體質量流量數據，定量分析氣流的不均勻性。

為簡單起見，以“A廠除塵器基本運行狀況”數據為基準設定fluent模型并生成網格，工況參數設定為（取該廠2#爐為例）：進口風速：12m/s，取室溫為20℃；布袋規格為：168*6000，進口煙溫220℃，出口煙溫195℃，布袋差壓1650KPa，布袋氣源壓力310KPa。箱體中設置有5排濾袋，每排有7個濾袋。選擇進風方式為下進風。濾袋規格選取“A廠2014年底至2016年初布袋廠家及相關參數”中廣州華濾廠家的參數數據1，建立模型并生成網格。

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

由圖3-1可知，內部氣流流場的不均勻程度較大，距離進口出四五排處的區域氣體質量流量比較大，表明入口氣流只要對該處濾袋產生較大的沖擊，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 基于除塵效率的時間函數的建模與分析

表3-1提供了該廠一年多的布袋更換數據，表中每項數據是上一次對故障布袋的更換截止到此次檢修更換這段時間內的布袋損壞數目。實際上每次更換后都可視作是對除塵器性能的復原，使其除塵效率重回到理想的最優值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類似產品壽命曲線的指數衰減函數模型[5]。從實際情況出發，忽略除塵器性能復原的影響，對表3-1數據進行再處理。

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行工藝水平下實際運行中除塵器的效率波動情況，據此定量推導現行未穩定工況下運行的袋式除塵器的可優化程度。

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

如果給定焚燒廠周邊范圍單位面積排放總量限額，設為A0噸。那么現行未穩定的工況下，焚燒廠規模最大值為Tmax= M0，而在穩定性前提下，焚燒廠最大規模可以為Tstmax= M0，焚燒廠擴建規模的環境允許上限是 = 100%≈23%。

四、模型評價

4.1模型合理性及其優點

選用數學模型η=η（t）=ηmax-a0 ，t∈（0+nT，to+nT）對除塵效率隨運行時間逐漸下降進行數學刻畫，是建立在對垃圾焚燒廠實際運維情況考慮的基礎上，運行時間對除塵效率的影響是必須重點考量的因素?？陀^上，除塵效率模型存在周期性“復位”的情況?？傮w來說，該模型涵蓋了對實際情況的多重考慮，具有一定的合理性和參考價值。。

袋式除塵器的最大缺點是頻繁更換濾袋，不僅增加了運維成本，也不滿足焚燒工藝中持續穩定工作的需求。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，進行重點討論和量化分析。

在分析濾袋破損數目的影響因素中，只選取了濾袋的最大流量不均幅值是因為無法兼顧過多影響因素，而最大流量不均幅值數據來源于計算機模擬的結果，具有高度的可信度與準確性。

4.2 模型缺點以及理論上改進可行性方案

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果以及結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，實際上正常運行中的濾袋也會由于材質老化等原因存在工作效率下降的可能與風險。

模型的生成以及參數的確定很大程度上依賴于附表提供的某A廠數據，存在數據片面的風險。改進方案為尋找更完整的數據集作相同的分析，以提高模型的健壯性。

參考文獻

[1]阮競蘭，張雙.基于FLUENT對袋式除塵器氣流流場的數值模擬[J].河南工業大學學報（自然科學版），2015，（04）：16-19.

[2]唐奇.上進風袋式除塵器內流場的數值模擬及優化研究[D].湖南大學，2015.

[3]何紅兒.袋式除塵器濾袋的破損形式及預防措施[J].中國高新技術企業，2012，（03）：116- 118.

[4]李勇，辛龍勝.基于Fluent的脈沖袋式除塵器內濾袋破損研究.2011（3）.

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

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

注

1數據來源：2016年“深圳杯”數學建模挑戰賽B題--《垃圾焚燒廠布袋式除塵系統運行穩定性分析》附件。