环保设备集成与系统优化研究初探

　　摘要:概述了目前我国环保产业发展的概况。研究表明:环保设备是环保产业的重要组成部分，通过标准化、系列化和成套化的途径，促进环保设备的系统集成与优化，可达到实现在污染物控制与削减过程中，最大限度地降低设备投入和运行费用、节约占地、实现自动化等目标，进而全面提升我国环保产业的技术水平。环保设备的标准化、系列化、成套化研究是环保设备集成与系统优化的技术基础。通过设备型号和处理能力的标准化、系列化可实现核心部件制造专业化、模块化，有利于设备制造的流水作业。通过不同型号单元设备以及不同处理方法的组合，发挥不同设备、方法的优势，并通过多方案比较，选出最佳优化方案，实现废物处理系统优化目标。
　　1引言
　　我国经济社会发展进入了一个新的历史阶段，科学发展观的实践为环保产业的发展壮大提供了难得的发展机遇。我国2010年环保产业产值将达到1000亿美元。环保产业主要包括环保设备制造业、环境工程和软件业以及自然生态保护业等[1]，其中环保设备制造业在环保产业中占据重要地位，它有可能成为某一地区某一国家的支柱产业。环保产业不是微利产业，随着国家加大对环保事业的支持以及对市场的有效监管，环保产业将会真正成为国民经济举足轻重的增长点。2006年我国环保机械行业实现总产值700亿元，累计进口6.6亿美元，出口1.4亿美元。2006年我国共生产环境污染防治设备
　　10.7万(台)套，其中水污染防治设备1.6万(台)套，大气污染防治设备6.5万(台)套，噪声与振动控制设备649(台)套，环境监测专用仪器仪表4.0万台，固体废物处理设备2.6万(台)套[2]。我国已经进入世界制造大国，但环保设备制造还不是一个世界制造大国，更不是一个制造强国，环境技术研发还停留在学习、消化国外先进的工艺技术阶段，重复、模仿是主要的研发方式，缺乏原创性开发。在装备(产品)方面，我国基本上还停留在“有”这一阶段，简单模仿的结果是我国的装备种类虽多，但高效、高可靠性的精品少。环保产品、环境工程缺乏产品标准和技术规范是中国环保产业存在的一大问题，目前国内环保产业标准化、系列化、配套化比较差，环境工程领域的许多关键设备及核心技术仍然依赖进口，预计到“十一五”末，中国环保装备产值达到1200亿
　　收稿日期:2007-08-11；修订日期:2007-09-08。
　　元[3]，环境治理投资将达到12000亿元，“十二五”将达到15000多亿元，“十三五”将达到20000亿元[4]。面对如此大的环保市场，给我国环保装备制造业带来前所未有的机遇和挑战，相比之下，我国环保设备的标准化、系列化、成套化即系统集成与优化还刚刚起步，因而开展环保设备集成与系统优化迫在眉睫。
　　2环保设备的标准化和系列化
　　狭义的环保设备是指水污染治理设备、空气污染治理设备、固体废物处理处置设备、噪声与振动控制设备、放射性与电磁辐射设备等[5]。广义的环保设备还应包括配套的泵、管线、监测仪器等。本研究重点讨论废水、废气、固废的设备集成与系统优化问题。单纯就某一单元设备国内制造水平可与国外先进水平相当，但在标准化、系列化方面却相差甚远，系统集成和优化设计则差距更大，如目前我国大型燃煤电厂脱硫机组的核心技术基本上是引进德国、法国等国家的技术，污水深度处理用的超滤膜、反渗透膜及其组件等主要是引进美国、加拿大、日本的技术，医疗废物焚烧和高温灭菌技术也主要引进德国和加拿大技术，其核心部件与设备需从国外直接进口，国内仅仅提供辅机和配套设备。因此，首先应在环保设备的系列化、标准化方面开展研究，为其系统集成与优化奠定技术基础。
　　环保设备的标准化、系列化主要包括设备型号和通用处理能力的标准化、系列化，正如机床有它的标准化、系列化一样。可以制定如微电解设备型号标准及系列、旋风除尘器型号标准及系列、厌氧反应
　　基金项目:国家“十五”科技攻关项目“流域水污染总量控制技术与示范”(2003BA6140405)。
　　作者简介:李宇斌，男，1962年生，研究员，主要从事流域污染控制、环保设备集成与系统优化、环境信息等方面的研究。第5期李宇斌:环保设备集成与系统优化研究初探47
　　器标准及系列、固体废物焚烧炉标准及系列等。标准可分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准等。在企业标准和地方标准的基础上，重点推进行业标准和国家标准的制订颁布和实施。
　　设备型号及处理能力的标准化、系列化将有助于用户选型，便于制造专业化、模块化，有利于设备组装流水作业。型号标准应能反映环保设备的基本工艺原理和处理能力以及相关的安装连接尺寸。如反映水处理设备及大气处理设备处理能力时，一般与待处理的介质在设备内的停留时间有关，停留时间长，则处理能力小，反之则处理能力大。由于处理不同的介质，其需要的停留时间不同，因而其处理能力也就不同，所以为了确定某一型号水处理或大气环保设备的处理能力时，应该设定通用的停留时间如8h或6h等，对大气处理设备可能的停留时间从几秒到几十分钟不等，通过确定主处理工作室的容积，根据工艺设计的停留时间，就可推算出该设备的处理能力。因此，设备型号及处理能力标准应反映主处理设备的工作室容积，并根据设定的停留时间确定其标准处理能力。
　　3环保设备的集成
　　所谓的集成，即是不同型号单元设备的组合完成污水或废气等处理。如除尘器有旋风除尘器、布袋除尘器、静电除尘器、文丘里除尘器、麻石水膜除尘器等[6]。根据需要，可以将旋风除尘器与布袋除尘器或麻石水膜除尘器组合，通过旋风除尘器的预处理，除去大颗粒物，然后通过布袋或麻石水膜进一步除去细小颗粒物，这样可大大提高设备的处理效率和使用寿命，发挥不同型号设备的优势，节省设备投资和运行费用。也可以选择专用单元处理设备与上述各种除尘器的集成，如静态混合器、文丘里管与旋风分离器[7]的集成实现脱硫除尘一体化功能。特殊功能的操作元件与传统除尘器的集成应用是环保设备集成的重要发展方向。集成以实现环保处理任务为目的，同时也是一个系统工程。它需要考虑整体布局、空间配置及流程的合理性等，对于水处理设备、固体废物处理设备等也同样存在不同型号单元设备的集成研究。从处理方法上分析，也有物理法、化学法、生物法等不同的处理技术方法的集成研究。
　　4环保设备的系统优化
　　所谓的系统优化，即对不同的集成方案进行比较，选出最优方案，实现在投资、运行费用、占地面积、停留时间最小化的约束条件下，完成污染物的去除任务。其相互关系可用下式表达:
　　c=f(c0，e，s，o，t，v)(1)式(1)中，c为污染物出口浓度，一般为设计值或排放标准值；c0为污染物入口浓度；e为设备投资；s为设备占地面积；o为运行费用；t为设计停留时间，与设计处理能力、处理工艺有关；v为设备有效工作容积，决定处理能力。
　　在通常情况下，这一问题可以简化为在设备一次性投资、占地、运行费用、停留时间最小的条件下，使污染物的出口浓度达到国家标准或要求的浓度，是一个四目标优化问题。其通用表达式[8]:
　　minF(x)=min[f1(x)，f2(x)，f3(x)，…，fp(x)](2)s.t:G(x)≤0，G(x)=[g1(x)，g1(x)，…，gn(x)]根据式(1)，可将上述优化问题具体表达为:
　　minF(x)=min[fe(x)，fs(x)，f0(x)，ft(x)](3)s.t:c=f(c0，e，s，o，t，v)≤C(排放限值)
　　当然可根据实际进行增加或减少目标个数。如停留时间是一个与处理能力有关的目标，在大多数情况下，设备处理能力已经设定，停留时间由工艺确定，这时上述问题变为三目标优化问题。也可以用单目标优化来研究，即在投资、运行费用、占地面积、污染物出口浓度确定的情况下，使处理的物料在系统的停留时间最小(处理能力最大)，其表达式:
　　minft(x)(4)
　　s.t:c=f(c0，e，s，o，t，v)≤C
　　e=fe(x)≤Es=fs(x)≤S
　　o=f0(x)≤O
　　式(4)中，E，S，O分别代表设备投资、占地面积和运行费用限值。同样可选取设备投资、占地面积、运行费用或出口浓度等作为单目标进行优化设计。对单目标优化可采用线性规划模型深入分析，其表达式:minf=c1x1+c2x2+，…，cnxn(5)
　　s.t:a11x1+a12x2+，…，a1nxn=b1a21x1+a22x2+，…，a2nxn=b2
　　…，
　　am1x1+am2x2+，…，amnxn=bm式(4)可改为:
　　min(t)=c1c+c2c0+c3e+c4o+c5v(6)s.t:a11c+a12c0+a13e+a14o+a15v=b1(c)a21c+a22c0+a23e+a24o+a25v=b2(c0)a31c+a32c0+a33e+a34o+a35v=b3(e)a41c+a42c0+a43e+a44o+a45v=b4(s)a51c+a52c0+a53e+a54o+a55v=b5(o)
　　5环保设备的自动控制
　　48气象与环境学报第23卷
　　所谓的自动控制，应对设备的出入口参数进行连续检测、计量并反馈到整个处理系统的调节控制中，实现设备在正常优化的条件下运行。应有明显的显示装置，对整个系统的操作参数显示并起到预警作用。通过自动控制，提升环保装备的信息化水平，带动整个行业进入装备制造业主流，并形成独立的研发、设计、制造、服务体系。
　　在自动控制过程中，除通用的控制要素和接点外，应特别注重与环保有关的重要参数的显示与控制。如进出口流量、污染物浓度、通风量、药剂加入量、主设备运行时间记录等。
　　随着环保监管的不断加强，以及应对突发式污染事故的需要，还应在设备控制中嵌入自动传输接入口等，方便与环保等部门的联网。
　　6结论与讨论
　　本文初步探讨了环保设备系统集成与优化问题。环保设备的标准化、系列化是环保设备集成与系统优化的基础。环保设备的集成与系统优化是环境系统工程的一个重要研究方向，它与提高我国装备制造业的集成创新能力、引进消化吸收再创新能力紧密相关，是提高我国自主创新能力不可或缺的一部分。我国是一个以重化工、原材料工业为主的工业化国家，经济增长方式落后粗放，高消耗、高排放的产业结构还没有根本转变，这为环保装备制造业的发展提供了难得的机遇，而相比之下，作为系统工程的11个分支之一的环境系统工程[9]，目前正处于发展阶段，尽管在流域污染控制研究方面应用了环境系统工程的思想[10]，但环境系统工程的研究还没有系统化，从环保设备集成与系统优化着手，结合振兴中国装备制造业的紧迫要求，开展环境工程系统工程研究具有重要意义。应制订鼓励环保装备制造技术研发的技术政策，设立环保装备制造技术科技专项，组织国内环保装备制造业厂商、研究单位等，优势互补，建立代表我国环保装备制造业水平的集团公司，紧跟国际环保装备先进水平，形成具备我国特点的环保设备制造研发体系。