基于BAT--OOPN方法的污染物排放量化模型研究

摘要

随着经济不断发展，大量污染物排入环境中，势必影响经济发展和人民群众的生存环境。因此，需要对典型行业污染物排放进行严格合理控制，同时促进净化工艺改进，以此来改善环境质量，所以，如何制定合理的污染物排放限值显得尤为重要。 本研究从方法论和系统论视角探讨了BAT制定污染物排放限值存在的深层次问题，从微观与宏观领域进行分析，确定BAT制定污染物排放限值属非线性系统，污染物的产生、排放属于随机过程，应采用复杂系统建模与仿真理论对BAT制定污染物排放限值的技术进行改进和完善，以便实现流程图分析、质量守恒计算、逻辑语言判断的同一，从而提高数据分析及故障诊断的能力。Petri网是分析离散事件动态系统的方法之一，并可画图计算，Petri网理论与面向对象技术有效结合起来，将工艺结构变成图标，自上而下分好层次，使复杂问题简单化，将数学模型应用到BAT中，并基于OPMSE仿真平台制定典型行业污染物排放限值，进而提出构建基于系统论视角的BAT-OOPN方法论体系。 首先，将Petri网的理论和方法移植引入电厂烟气污染物排放控制工艺的建模及仿真中，并基于BAT构建电厂烟气治理Petri网模型，开展BAT-Petri网耦合的数值模拟研究，从而确定其主要污染节点，对污染因子进行分析。 其次，构建了基于BAT-OOPN造纸与炼油企业废水中污染物排放量化模型，随机选取造纸与炼油企业污水中各个污染指标(BOD5、COD、NH3-N)历史监测数据，对其进行统计分析，得出污水中各污染物指标的浓度值范围，设定BAT处理工艺中各个处理工段对污染物去除率的区间范围。根据造纸与炼油企业生产和排污过程，采用基于Petri网理论的OPMSE软件，分别对造纸与炼油企业的水污染物BAT处理工艺的削减能力进行了仿真，得到经过处理之后的各污染指标浓度均值的置信区间。研究结果表明:当造纸与炼油企业BAT处理工艺中各个处理工段正常运行，造纸厂置信水平为99％时，COD、BOD5及NH3-N正态分布置信区间分别为(34.04，41.77)、(6.64，8.39)、(6.26，7.33)。处理效果最佳时BOD5、COD、NH3-N排放浓度分别可达12.79mg/L、2.62mg/L、3.33mg/L，处理效果较差时BOD、COD、NH3-N排放浓度分别可达70.47mg/L、14.51mg/L、10.22mg/L。炼油厂置信水平为99％时，COD、BOD5及NH3-N正态分布置信区间分别为(51.85，54.88)、(12.49，13.98)、(6.89，7.67)。处理效果最佳时BOD5、COD、NH3-N排放浓度分别可达41.20mg/L、6.50mg/L、5.10mg/L;处理效果较差时BOD5、COD、NH3-N排放浓度分别可达68.90mg/L、18.30mg/L、9.90mg/L。根据仿真结果并结合现有的排放标准，拟定辽宁省造纸行业COD、BOD5、NH3-N排放限值分别为45mg/L、9mg/L、8mg/L;辽宁省炼油行业COD、BOD5、NH3-N排放限值分别为55mg/L、15mg/L、8mg/L。由此可见，仿真结果可以为排放限值的制定提供一定的依据，造纸与炼油行业基于BAT-OOPN方法的污染物排放量化模型具有较高的实际意义。 最后，将面向对象技术与Petri网结合，构建基于BAT-OOPN焙烧钼精矿企业和绥中电厂污染物排放量化模型，随机选取典型企业烟气排放污染物各个污染指标（颗粒物、二氧化硫、氮氧化物）历史监测数据，对其进行统计分析，得出烟气中各污染物指标的浓度值范围，设定BAT处理工艺中各个处理工段对污染物去除率的区间范围。根据典型企业生产和排污过程，采用基于Petri网理论的OPMSE软件，对典型企业的大气污染物BAT处理工艺的削减能力进行了仿真计算，得到经过处理之后的各污染指标浓度均值的置信区间。研究结果表明:当焙烧钼精矿净化处理工艺正常运行时，置信水平为99％，烟尘、二氧化硫正态分布置信区间分别为(22.05，24.09)、(95.51，99.04)。处理效果最佳时烟尘、二氧化硫排放浓度分别可达12.89mg/m3、79.29mg/m3;处理效果较差时烟尘、二氧化硫排放浓度分别可达32.51mg/m3、114.86mg/m3。根据仿真结果并结合现有的排放标准，拟定辽宁省焙烧钼精矿行业SO2、烟尘排放限值分别为100mg/m3、25mg/m3。当电厂SCR脱硝—布袋除尘—石膏法脱硫处理工艺正常运行时，置信水平为99％，颗粒物、二氧化硫及氮氧化物正态分布置信区间分别为(4.0，4.9)、(10.9，14.2)、(35.1，39.1)。处理效果最佳时颗粒物、二氧化硫及氮氧化物排放浓度分别可达1.7mg/m3、2.0mg/m3、19.8mg/m3;处理效果较差时颗粒物、二氧化硫及氮氧化物排放浓度分别可达7.5mg/m3、31.0mg/m3、47.9mg/m3。根据仿真结果并结合现有的排放标准，拟定辽宁省燃煤电厂颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放限值分别为5.0mg/m3、15mg/m3、40mg/m3。焙烧钼精矿和火电行业污染物历史监测结果99％的置信区间浓度范围均低于拟定排放限值，由此可见，焙烧钼精矿和火电行业基于BAT-OOPN方法的污染物排放量化模型具有较高的实际意义。基于BAT-OOPN模型对电厂烟气处理SCR工艺进行了优化，结果表明，烟气温度控制在325-345℃范围内，脱硝效率最高，既可达到现行排放标准，又可使净化成本降低。基于电厂BAT-OOPN系统模型对脱硫净化工艺进行分析，由副产物石膏的生成量计算烟气中SO2的理论值，通过判定该值与在线监测结果相对误差是否小于10％去验证在线监测数据是否真实，从而起到了实现防止企业监测数据造假的目的。可见，火电行业基于BAT-OOPN方法的污染物排放量化模型既可有效监管企业污染物的排放，又可确保净化工艺高效低成本运行。

目录

声明

摘要

1．1研究目的和意义

1．2国内外研究现状

1．2．1 BAT的研究现状

1．2．2 Petri网仿真研究现状

1．2．3排放限值的研究现状

1．3论文研究的技术路线

1．4论文研究的主要内容

第2章构建基于系统论视角BAT-OOPN方法论体系研究

2．1 BAT制定污染物排放限值存在的诸多问题

2．1．1我国环境标准体系存在的问题

2．1．2 BAT制定污染物排放限值的问题分析

2．1．3导致BAT制定污染物排放限值深层问题分析

2．2构建基于系统论视角的BAT-OOPN方法论体系研究

2．2．1 BAT-OOPN方法论体系构建

2．2．2 BAT-OOPN构建理论

2．2．3基于对象Petri网实现BAT-OOPN

2．3本章小结

第3章基于BAT-Petri网耦合数值模拟研究

3．1 Petri网基础理论研究

3．1．1 Petri网基本概念

3．1．2 Petri网特点及主要分析方法

3．2面向对象Petri网理论研究

3．2．1面向对象Petri网概念

3．2．2面向对象Petri网定义

3．2．3面向对象Petri网分类

3．2．4面向对象Petri网建模步骤

3．2．5面向对象Petri网建模优势

3．3基于Petri网的BAT引例构建

3．3．1电厂脱硝SCR应用引例

3．3．2基于Petri网基本定义引入BAT

3．3．3基于Petri网行使规定引入BAT

3．3．4基于Petri网状态空间变迁引入BAT

3．3．5基于Petri网的BAT建模分析

3．3．6基于Petri网的电厂BAT仿真模型研究

3．3．7电厂BAT的Petri网语言描述

3．3．8基于不变量的电厂SCR分析

3．3．9电厂主要污染节点及污染因子分析

3．4本章小结

第4章基于BAT-OOPN典型企业废水中污染物排放限值模型研究

4．2造纸厂BAT外排污染物OOPN模型构建及模拟仿真

4．2．1基于BAT-OOPN造纸厂生产工艺模型构建

4．2．2造纸厂BAT-OOPN系统模拟仿真及结果分析

4．2．3造纸厂典型污染物排放限值研究

4．3炼油厂BAT外排污染物OOPN模型构建及模拟仿真

4．3．1基于BAT-OOPN炼油厂生产工艺模型构建

4．3．2炼油厂BAT水处理组合仿真结果分析

4．3．3炼油厂典型污染物排放限值研究

4．4本章小结

第5章基于BAT-OOPN大气污染物排放量化模型研究

5．1．1基于BAT-OOPN焙烧钼精矿生产工艺模型构建

5．1．2基于BAT-OOPN焙烧钼精矿模拟仿真及结果分析

5．1．3焙烧钼精矿典型污染物排放限值研究

5．2火电厂BAT外排污染物OOPN模型构建及仿真研究

5．3基于BAT-OOPN烟气处理工艺SCR优化研究

5．4基于BAT-OOPN数据防伪分析

5．5电厂烟气净化工艺BAT-OOPN仿真分析及模型研究

5．5．1基于BAT-OOPN模型仿真结果分析

5．5．2基于OPMSE系统仿真平台电厂BAT-OOPN模型分析

5．6电厂烟气污染物排放限值研究

5．7本章小结

第6章结论与展望

6．1结论

6．2创新点

6．3展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的研究成果

作者简介

附录