一种垃圾焚烧气体优化处理设备

1.本发明涉及垃圾处理设备技术领域，具体涉及一种垃圾焚烧气体优化处理设备。


背景技术：

2.在当前时期，人们的生产与生活中产生的垃圾日渐增多，如果这些垃圾没有进行有效处理，很容易对土壤、空气以及水源形成严重的污染；甚至还会滋生细菌，传播疾病，进而严重影响人类的健康和居民的居住生活环境。故此，为了能够更好的保护人们的生活环境和生态，我们当前最紧迫的任务就是合理科学的对生活垃圾进行处理。
3.我国垃圾处理的方式主要有堆肥、填埋与焚烧。其中堆肥及其配套的生化综合处理工艺虽然成熟，但是有着占地面积大、处理周期长、项目建设成本高的缺陷；还会存在垃圾中的有害物质分解不彻底等弊病。填埋是成本最低的处置方式，也是我国目前生活垃圾处理的主要方式，但是管理不善会导致高昂环境治理成本。垃圾焚烧工艺，不仅可以用来发电还减少了时间与空间的损耗。但焚烧充分利用了垃圾能值的同时也带来的气体污染物，如何经济、高效的处理这些污染是现下需要解决的问题。


技术实现要素：

4.针对上述的技术问题，本技术方案提供了一种垃圾焚烧气体优化处理设备，能够对燃烧产生的废气进行监测，对需要排放的废气浓度进行监测控制，并且利用ms-boa算法优化调节，保障废气达到安全排放标准的同时，还提升了经济性，能有效的解决上述问题。
5.本发明通过以下技术方案实现：
6.一种垃圾焚烧气体优化处理设备，包括垃圾发酵单元、垃圾焚烧单元、发电单元、固体生成物处理单元和控制单元，所述的控制单元连接有废气监测模块、烟气净化模块和气阀；
7.所述的垃圾焚烧单元与烟气净化模块之间设置有烟气储存模块；所述的控制单元、废气监测模块、烟气储存模块和气阀组成垃圾焚烧设备的烟气净化控制系统；
8.所述烟气净化模块使用半干式洗气法，利用高效雾化器将消石灰泥浆喷入，与气体充分反映除去污染气体；
9.所述的废气监测模块监测废气，并实时的将废气的数据传输至控制单元，控制单元通过废气监测模块的值，控制气阀和烟气净化模块的开关，调控烟气净化模块中消石灰泥浆与废气的流量；
10.所述的控制单元中设置有调节策略设计单元，调节策略设计单元基于废气监测模块、烟气净化模块、气阀的各项数据，采用基于混合策略改进的蝴蝶优化ms-boa算法进行策略设计，做出针对性的控制操作，进行供给优化判断及调控；
11.所述供给优化判断及调控的方法是基于环境安全需求对气阀的流速和烟气净化模块中消石灰泥浆进行优化调控，确保充分反映，降低污染；以污染物最小与经济性最优的目标函数及其约束条件，公式如下：
[0012][0013][0014][0015]
其中，f1为最小污染目标函数，f2为经济性最优目标函数；n
t
为污染气体种类数量；为t时刻气体中碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物气体浓度；c
out
为最高容许污染气体浓度；η为消石灰泥浆的单位价格；为消石灰泥浆的流速；k为单位废气排放处理成本；为废气排放速率；分别为碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物气体排放上限。
[0016]
进一步的，所述调节策略设计单元的具体工作步骤为：
[0017]
步骤1：初始化参数，利用circle映射初始群体中每个蝴蝶的位置由公式(1)在搜索空间随机生成；
[0018]
x
i+1
＝mod(xi+0.2-(0.5/2π)sin(2πxi),1)(1)
[0019]
其中，xi为蝴蝶的位置，i为变量的维度；
[0020]
步骤2：计算适应度值，并记录当前最优个体及位置；
[0021]
步骤3：设置算法相关参数由公式(2)-(4)计算所得；
[0022][0023][0024][0025]
其中，ps是切换概率；m、n-iter分别为当前迭代代数和最大迭代次数；r1为转换参数；b为常数，取值为0.1，δ为调节因子；w(m)为自适应权重，α∈[0，1]；
[0026]
步骤4：计算每个蝴蝶个体的香味大小,公式如下：
[0027]
f＝ciaꢀꢀ
(5)
[0028]
其中：f为香味大小，即其他蝴蝶能够感知到的香味强度；c为感官模态，在[0，1]取值；i为刺激强度；a为幂指数，在[0，1]取值；
[0029]
步骤5：当rand＜p时，选用公式(6)进行更新个体位置；当p≤rand＜ps时，选用公式(7)进行更新个体位置；当rand≥ps时，选用公式(8)进行更新个体位置，其中rand取值为[0，1.01]随机数，p∈[0,1]；位置更新公式如下，正弦余弦算法位置更新公式：
[0030][0031]
其中，表示第m次迭代中第i个个体在第d维上的解；表示第t次迭代中在种群内部随机选择的第j个个体在第d维上的解；r1为转换参数，控制了第i个个体在下一次迭代中移动到的位置区域；r2控制了第i个个体靠近或远离最优个体的移动距离，r2∈[0，2π]；r3为目标位置的随机权重，控制目标位置对当前个体位置的影响力，r3∈[0，2]；r4为切换概率，控制算法使用正弦操作还是余弦操作，r4∈[0，1]；p
*d
为当前最优个体在d维上的位置；
[0032]
全局搜索阶段的位置更新公式：
[0033][0034]
分别表示第i只蝴蝶在第m次、第m+1次迭代中的解向量；r是[0，1]的随机数；g
*
为当前迭代中的最优解；fi为第i只蝴蝶的香味；
[0035]
局部搜索阶段的位置更新公式：
[0036][0037]
表示在m次迭代中，从种群内部随机选择的第j、k个个体的解向量；r为[0，1]的随机数；
[0038]
步骤6：根据新解重新计算适应度并更新全局最优位置；
[0039]
步骤7：利用逐维变异策略更新最优个体位置，变异后新位置优于原先位置则使用新位置，否则，使用原位置，逐维变异策略公式如下：
[0040][0041]
为d维中最优解，为变异后的新解；t为当前迭代次数；td(t)是自由度参数为t的t-分布；td(t)d为t-分布在第d维时生成的随机数；
[0042]
步骤8：判断是否满足终止条件，如果满足则输出最优解，否则重复步骤3到步骤7；
[0043]
步骤9：得到最优解并将最优解中的消石灰泥浆流速废气排放v
in
传输给系统供给控制单元下达调节指令。
[0044]
进一步的，所述的垃圾发酵单元包括垃圾储存模块和渗沥液处理模块，所述的垃圾储存模块对垃圾进行搅拌和倒垛分类储存，所述的渗沥液处理模块进行垃圾渗滤液的收集，减少垃圾含水量，提高垃圾焚烧效率。
[0045]
进一步的，所述的发电单元包括与圾焚烧模块连接的余热回收模块和发电机组，余热回收模块带动汽轮发电机组进行供电；所述发电模块生成的炉渣与烟气中的飞灰由固体生成物处理单元进行收集处理。
[0046]
进一步的，所述的固体生成物处理单元对垃圾焚烧单元的生成的炉渣与飞灰进行处理。
[0047]
进一步的，所述的控制单元还包括与控制模块连接的报警模块，报警模块与控制模块协同作用传达能源供给系统异常情况。
[0048]
进一步的，所述废气监控模块与控制模块连接，报警模块通过废气监控模块实时监测废气浓度，当废气浓度超过警戒值时，报警模块及时传达报警信号；控制模块接受报警信号并调节烟气净化模块与气阀。
[0049]
有益效果
[0050]
本发明提出的一种垃圾焚烧气体优化处理设备,与现有技术相比较，其具有以下有益效果：
[0051]
本发明废气监测模块监测废气，并实时的将废气的数据传输至控制单元，控制单元通过废气监测模块的值，控制气阀和烟气净化模块的开关，调控烟气净化模块中消石灰泥浆与废气的流量，保证了废气中的污染气体最小支出的费用下达到合格的排放标准。同时，利用ms-boa算法生成控制策略，求废气排放的流速与废气净化模块消石灰泥浆的流速最佳速率，保障废气排放的安全性的同时又提高了经济性。
附图说明
[0052]
图1为本发明的硬件分布示意图。
[0053]
图2为本发明采用的基于混合策略改进的蝴蝶优化算法流程图。
[0054]
图3为本发明设备改进污染气体排放对比图。
[0055]
图4为设备改进前后投入废气处理资金消耗对比图。图5为投入废气处理资金消耗对比图。
具体实施方式
[0056]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围。
[0057]
实施例1：
[0058]
如图1至图2所示，一种垃圾焚烧气体优化处理设备，包括垃圾发酵单元、垃圾焚烧单元、发电单元、固体生成物处理单元和控制单元，所述的控制单元连接有废气监测模块、烟气净化模块和气阀。
[0059]
所述的垃圾发酵单元包括垃圾储存模块和渗沥液处理模块，所述的垃圾储存模块对垃圾进行搅拌和倒垛分类储存，所述的渗沥液处理模块进行垃圾渗滤液的收集，减少垃圾含水量，提高垃圾焚烧效率。
[0060]
所述的垃圾焚烧单元与烟气净化模块之间设置有烟气储存模块；所述的控制单元、废气监测模块、烟气储存模块和气阀组成垃圾焚烧设备的烟气净化控制系统。
[0061]
所述烟气净化模块使用半干式洗气法，利用高效雾化器将消石灰泥浆喷入，与气体充分反映除去污染气体。
[0062]
所述的发电单元包括与圾焚烧模块连接的余热回收模块和发电机组，余热回收模块带动汽轮发电机组进行供电；所述发电模块生成的炉渣与烟气中的飞灰由固体生成物处理单元进行收集处理。
[0063]
所述的固体生成物处理单元对垃圾焚烧单元的生成的炉渣与飞灰进行处理。
[0064]
所述的废气监测模块监测废气，并实时的将废气的数据传输至控制单元，控制单元通过废气监测模块的值，控制气阀和烟气净化模块的开关，调控烟气净化模块中消石灰泥浆与废气的流量。
[0065]
所述的控制单元中设置有调节策略设计单元，调节策略设计单元基于废气监测模块、烟气净化模块、气阀的各项数据，采用基于混合策略改进的蝴蝶优化ms-boa算法进行策略设计，做出针对性的控制操作，进行供给优化判断及调控。
[0066]
所述供给优化判断及调控的方法是基于环境安全需求对气阀的流速和烟气净化模块中消石灰泥浆进行优化调控，确保充分反映，降低污染；以污染物最小与经济性最优的目标函数及其约束条件，公式如下：
[0067][0068][0069][0070]
其中，f1为最小污染目标函数，f2为经济性最优目标函数；n
t
为污染气体种类数量；为t时刻气体中碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物气体浓度；c
out
为最高容许污染气体浓度；η为消石灰泥浆的单位价格；为消石灰泥浆的流速；k为单位废气排放处理成本；v
co2
为废气排放速率；分别为碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物气体排放上限。
[0071]
所述调节策略设计单元的具体工作步骤为：
[0072]
步骤1：初始化参数，利用circle映射初始群体中每个蝴蝶的位置由公式(1)在搜索空间随机生成；
[0073]
x
i+1
＝mod(xi+0.2-(0.5/2π)sin(2πxi),1)(1)
[0074]
其中，xi为蝴蝶的位置，i为变量的维度；
[0075]
步骤2：计算适应度值，并记录当前最优个体及位置；
[0076]
步骤3：设置算法相关参数由公式(2)-(4)计算所得；
[0077][0078][0079][0080]
其中，ps是切换概率；m、n-iter分别为当前迭代代数和最大迭代次数；r1为转换参
数；b为常数，取值为0.1，δ为调节因子；w(m)为自适应权重，α∈[0，1]；
[0081]
步骤4：计算每个蝴蝶个体的香味大小,公式如下：
[0082]
f＝cia(5)
[0083]
其中：f为香味大小，即其他蝴蝶能够感知到的香味强度；c为感官模态，在[0，1]取值；i为刺激强度；a为幂指数，在[0，1]取值；
[0084]
步骤5：当rand＜p时，选用公式(6)进行更新个体位置；当p≤rand＜ps时，选用公式(7)进行更新个体位置；当rand≥ps时，选用公式(8)进行更新个体位置，其中rand取值为[0，1.01]随机数，p∈[0,1]；位置更新公式如下，正弦余弦算法位置更新公式：
[0085][0086]
其中，表示第m次迭代中第i个个体在第d维上的解；表示第t次迭代中在种群内部随机选择的第j个个体在第d维上的解；r1为转换参数，控制了第i个个体在下一次迭代中移动到的位置区域；r2控制了第i个个体靠近或远离最优个体的移动距离，r2∈[0，2π]；r3为目标位置的随机权重，控制目标位置对当前个体位置的影响力，r3∈[0，2]；r4为切换概率，控制算法使用正弦操作还是余弦操作，r4∈[0，1]；p
*d
为当前最优个体在d维上的位置；
[0087]
全局搜索阶段的位置更新公式：
[0088][0089]
分别表示第i只蝴蝶在第m次、第m+1次迭代中的解向量；r是[0，1]的随机数；g
*
为当前迭代中的最优解；fi为第i只蝴蝶的香味；
[0090]
局部搜索阶段的位置更新公式：
[0091][0092]
表示在m次迭代中，从种群内部随机选择的第j、k个个体的解向量；r为[0，1]的随机数；
[0093]
步骤6：根据新解重新计算适应度并更新全局最优位置；
[0094]
步骤7：利用逐维变异策略更新最优个体位置，变异后新位置优于原先位置则使用新位置，否则，使用原位置，逐维变异策略公式如下：
[0095][0096]
为d维中最优解，为变异后的新解；t为当前迭代次数；td(t)是自由度参数为t的t-分布；td(t)d为t-分布在第d维时生成的随机数；
[0097]
步骤8：判断是否满足终止条件，如果满足则输出最优解，否则重复步骤3到步骤7；
[0098]
步骤9：得到最优解并将最优解中的消石灰泥浆流速废气排放v
in
传输给系统供给控制单元下达调节指令。
[0099]
所述的控制单元还包括与控制模块连接的报警模块，报警模块与控制模块协同作用传达能源供给系统异常情况。所述废气监控模块与控制模块连接，报警模块通过废气监
控模块实时监测废气浓度，当废气浓度超过警戒值时，报警模块及时传达报警信号；控制模块接受报警信号并调节烟气净化模块与气阀。
[0100]
如图3所示，图3是算法改进优化前后对比图，由图可知：未改进的蝴蝶算法在优化设备对烟气的处理中，反应物利用率较好，但是波动较大，有相当一部分的反应物浪费。使用混沌策略优化蝴蝶算法改进后的反应物利用率好，且波动幅度小，普遍高于改进前，有更好的经济性。
[0101]
如图4所示，图4是改进污染气体排放对比图，由图可知：改进前的碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物的排放浓度高于改进后的排放浓度。改进后的垃圾焚烧设备更加环保，且排放废气浓度波动更小，有着很好的鲁棒性。
[0102]
如图5所示，图5是投入废气处理资金消耗对比图，由图可知：改进前资金投入普遍较高，在进入夏季用电高峰季节时，处理污染气体排放的资金投入变大，改进后处理污染气体排放的资金投入普遍小于改进前，改进后的设备有更好的经济性。

技术特征：
1.一种垃圾焚烧气体优化处理设备，其特征在于：包括垃圾发酵单元、垃圾焚烧单元、发电单元、固体生成物处理单元和控制单元，所述的控制单元连接有废气监测模块、烟气净化模块和气阀；所述的垃圾焚烧单元与烟气净化模块之间设置有烟气储存模块；所述的控制单元、废气监测模块、烟气储存模块和气阀组成垃圾焚烧设备的烟气净化控制系统；所述烟气净化模块使用半干式洗气法，利用高效雾化器将消石灰泥浆喷入，与气体充分反映除去污染气体；所述的废气监测模块监测废气，并实时的将废气的数据传输至控制单元，控制单元通过废气监测模块的值，控制气阀和烟气净化模块的开关，调控烟气净化模块中消石灰泥浆与废气的流量；所述的控制单元中设置有调节策略设计单元，调节策略设计单元基于废气监测模块、烟气净化模块、气阀的各项数据，采用基于混合策略改进的蝴蝶优化ms-boa算法进行策略设计，做出针对性的控制操作，进行供给优化判断及调控；所述供给优化判断及调控的方法是基于环境安全需求对气阀的流速和烟气净化模块中消石灰泥浆进行优化调控，确保充分反映，降低污染；以污染物最小与经济性最优的目标函数及其约束条件，公式如下：minf2＝η
×vca(oh)2
+k.v
in
其中，f1为最小污染目标函数，f2为经济性最优目标函数；n
t
为污染气体种类数量；为t时刻气体中碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物气体浓度；c
out
为最高容许污染气体浓度；η为消石灰泥浆的单位价格；v
ca(oh)2
为消石灰泥浆的流速；k为单位废气排放处理成本；v
co2
为废气排放速率；分别为碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物气体排放上限。2.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧气体优化处理设备，其特征在于：所述调节策略设计单元的具体工作步骤为：步骤1：初始化参数，利用circle映射初始群体中每个蝴蝶的位置由公式(1)在搜索空间随机生成；x
i+1
＝mod(x
i
+0.2-(0.5/2π)sin(2πx
i
),1)(1)其中，x
i
为蝴蝶的位置，i为变量的维度；步骤2：计算适应度值，并记录当前最优个体及位置；步骤3：设置算法相关参数由公式(2)-(4)计算所得；
其中，p
s
是切换概率；m、n_iter分别为当前迭代代数和最大迭代次数；r1为转换参数；b为常数，取值为0.1，δ为调节因子；w(m)为自适应权重，α∈[0，1]；步骤4：计算每个蝴蝶个体的香味大小,公式如下：f＝ci
a
ꢀꢀꢀꢀ
(5)其中：f为香味大小，即其他蝴蝶能够感知到的香味强度；c为感官模态，在[0，1]取值；i为刺激强度；a为幂指数，在[0，1]取值；步骤5：当rand＜p时，选用公式(6)进行更新个体位置；当p≤rand＜p
s
时，选用公式(7)进行更新个体位置；当rand≥p
s
时，选用公式(8)进行更新个体位置，其中rand取值为[0，1.01]随机数，p∈[0,1]；位置更新公式如下，正弦余弦算法位置更新公式：其中，表示第m次迭代中第i个个体在第d维上的解；表示第m次迭代中在种群内部随机选择的第j个个体在第d维上的解；r1为转换参数，控制了第i个个体在下一次迭代中移动到的位置区域；r2控制了第i个个体靠近或远离最优个体的移动距离，r2∈[0，2π]；r3为目标位置的随机权重，控制目标位置对当前个体位置的影响力，r3∈[0，2]；r4为切换概率，控制算法使用正弦操作还是余弦操作，r4∈[0，1]；p
*d
为当前最优个体在d维上的位置；全局搜索阶段的位置更新公式：全局搜索阶段的位置更新公式：分别表示第i只蝴蝶在第m次、第m+1次迭代中的解向量；r是[0，1]的随机数；g
*
为当前迭代中的最优解；f
i
为第i只蝴蝶的香味；局部搜索阶段的位置更新公式：局部搜索阶段的位置更新公式：表示在m次迭代中，从种群内部随机选择的第j、k个个体的解向量；r为[0，1]的随机数；步骤6：根据新解重新计算适应度并更新全局最优位置；步骤7：利用逐维变异策略更新最优个体位置，变异后新位置优于原先位置则使用新位置，否则，使用原位置，逐维变异策略公式如下：置，否则，使用原位置，逐维变异策略公式如下：为d维中最优解，为变异后的新解；t为当前迭代次数；td(t)是自由度参数为t的
t-分布；td(t)
d
为t-分布在第d维时生成的随机数；步骤8：判断是否满足终止条件，如果满足则输出最优解，否则重复步骤3到步骤7；步骤9：得到最优解并将最优解中的消石灰泥浆流速废气排放v
in
传输给系统供给控制单元下达调节指令。3.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧气体优化处理设备，其特征在于：所述的垃圾发酵单元包括垃圾储存模块和渗沥液处理模块，所述的垃圾储存模块对垃圾进行搅拌和倒垛分类储存，所述的渗沥液处理模块进行垃圾渗滤液的收集，减少垃圾含水量，提高垃圾焚烧效率。4.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧气体优化处理设备，其特征在于：所述的发电单元包括与圾焚烧模块连接的余热回收模块和发电机组，余热回收模块带动汽轮发电机组进行供电；所述发电模块生成的炉渣与烟气中的飞灰由固体生成物处理单元进行收集处理。5.根据权利要求1或4所述的一种垃圾焚烧气体优化处理设备，其特征在于：所述的固体生成物处理单元对垃圾焚烧单元的生成的炉渣与飞灰进行处理。6.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧气体优化处理设备，其特征在于：所述的控制单元还包括与控制模块连接的报警模块，报警模块与控制模块协同作用传达能源供给系统异常情况。7.根据权利要求6所述的一种垃圾焚烧气体优化处理设备，其特征在于：所述废气监控模块与控制模块连接，报警模块通过废气监控模块实时监测废气浓度，当废气浓度超过警戒值时，报警模块及时传达报警信号；控制模块接受报警信号并调节烟气净化模块与气阀。

技术总结
一种垃圾焚烧气体优化处理设备，包括垃圾发酵单元、垃圾焚烧单元、发电单元、固体生成物处理单元和控制单元，控制单元连接有废气监测模块、调节策略设计单元、烟气净化模块和气阀；垃圾发酵单元中的垃圾储存模块对垃圾进行搅拌和倒垛分类储存，渗沥液处理模块进行垃圾渗滤液的收集；固体生成物处理单元对焚烧单元的生成的炉渣与飞灰进行处理；所述的控制单元通过废气监测模块的值调控气阀和烟气净化模块的开关，调节策略设计单元通过基于混合策略改进的蝴蝶优化MS-BOA算法进行策略设计，基于控制策略做出针对性的控制操作。本发明能够实施检测出排放出的烟气中酸性气体、颗粒物、氮氧化物等污染物，是否处于安全值内，保障了环境的健康可持续发展。的健康可持续发展。的健康可持续发展。


技术研发人员：桑英军 王傲尘 丁智杰 张恒 范媛媛
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：2023.02.15
技术公布日：2023/7/20