危險廢物焚燒配伍理論及方法研究

胡曉煒，張浩浩，朱 飛，聶海金，張 強

(1 中冶南方都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430205;2 武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081)

危險廢物是指具有腐蝕性、毒性、易燃性、反應(yīng)性或者感染性等一種或者幾種危險特性的、可能對環(huán)境或者人體健康造成有害影響的廢物。隨著國內(nèi)經(jīng)濟和工業(yè)的發(fā)展，危險廢物的產(chǎn)量以年復(fù)合增長率12.5%的速度急速增長。2017年我國危廢的產(chǎn)生量達到6936.89萬噸，預(yù)計2020年受新冠疫情影響我國危廢產(chǎn)生量或?qū)⒊^10000萬噸(含醫(yī)療廢物)。為處理急速增長的危險廢物，危險廢物處置工程也不斷增加。其中，焚燒處置工程以其處置范圍、減容效果明顯、無害化程度高以及可回收危廢中能量等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于處置可燃危廢。

1 危險廢物焚燒工藝

如下所示為焚燒處置工程中常用的回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)圖：

系統(tǒng)主要焚燒設(shè)備為回轉(zhuǎn)窯、二燃室和余熱鍋爐。在回轉(zhuǎn)窯的高溫和富氧條件下，危險廢物實現(xiàn)干燥、揮發(fā)分析出以及殘余焦碳的燃燒、燃盡?；剞D(zhuǎn)窯內(nèi)的煙氣和揮發(fā)分從窯尾進入二燃室，在二燃室1100 ℃以上的高溫環(huán)境保證停留時間大于 2 s，實現(xiàn)微量有機物及二噁英的充分分解。經(jīng)在二燃室充分燃燒的高溫?zé)煔庥蔁煹肋M入余熱鍋爐進行熱量回收產(chǎn)生蒸汽。由于危廢中除C、H、O之外，其他元素(如N、S、Cl及重金屬元素等)在焚燒過程中會產(chǎn)生污染物，需要在焚燒處置中加設(shè)煙氣凈化設(shè)備以保證煙氣的達標排放。余熱鍋爐后的急冷塔、干法脫酸裝置、活性炭吸附、布袋除塵器、濕法脫酸塔等均為煙氣凈化設(shè)備。

回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)的運行與入爐危廢的性質(zhì)緊密相關(guān)，如回轉(zhuǎn)窯運行溫度、輔助能源介質(zhì)耗量、蒸汽產(chǎn)量等由入爐危廢熱值決定，煙氣凈化設(shè)備中藥品消耗受入爐危廢元素組成及含量的影響。因此為保證整個回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、環(huán)保低耗運行，實現(xiàn)危險廢物的高效處置，必須對入料危廢的性質(zhì)進行合理控制，即開展危廢配伍管理。

圖1 危險廢物回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)圖

2 危險廢物配伍方法

為保證危廢配伍管理的科學(xué)有效，危廢焚燒處置企業(yè)逐步建立起市場—庫房—入窯三個層面的配伍管理體系[1-2]。在市場層面通過前期規(guī)劃和用戶篩分，確定合適的客戶及資源；在庫房層面通過工藝控制形成配比方案；在入窯配伍層面通過破碎、混勻?qū)崿F(xiàn)最終混合。其中最核心的步驟為庫房的工藝控制層面，該層面在對物料性質(zhì)測試的基礎(chǔ)上，通過配伍計算指導(dǎo)、運行經(jīng)驗輔助的方式實現(xiàn)入窯物料之間的相容，并保證整個回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)的經(jīng)濟性和環(huán)保性。

2.1 相容性配伍

H——產(chǎn)生熱 G——產(chǎn)生無害或不燃氣體 P——強烈聚合 U——產(chǎn)生未知不良后果 GT——產(chǎn)生毒性氣體 GF——產(chǎn)生不燃氣體 F——火焰

危險廢物來源于不同的生產(chǎn)過程及行業(yè)，兩種或多種不相容危險廢物混合時會產(chǎn)生不可預(yù)料或不受控制的反應(yīng)從而引發(fā)不良后果，如產(chǎn)生大量的熱、產(chǎn)生火焰、發(fā)生爆炸、產(chǎn)生大量氣體增加設(shè)備壓力或產(chǎn)生有毒、可燃氣體以及形成激烈的聚合反應(yīng)等。為避免在入窯配伍層面不相容危廢混合時出現(xiàn)上述情況，需要在庫房配伍層面的第一步預(yù)先將不相容危廢相互分開。在相容性配伍階段，根據(jù)危險廢物的種類、來源、物性測試結(jié)果，并結(jié)合危險廢物相容性矩陣，檢驗不同危廢之間是否相容?？蓛?yōu)先選擇剔除相容性最差的危廢，最大規(guī)模的形成彼此相容的危廢組合便于開展后期的配伍。

上為部分的危險廢物相容性矩陣舉例[3]：

2.2 加權(quán)配伍法

在確保了入窯物料彼此相容后，后續(xù)配伍的關(guān)鍵是實現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)的經(jīng)濟和環(huán)?！，F(xiàn)有回轉(zhuǎn)窯焚燒危廢處置系統(tǒng)大多采用加權(quán)配伍法實現(xiàn)。

該方法首先通過燃燒原理和設(shè)計條件確定入窯危廢的受控項和受控數(shù)值，即形成配伍原則。

危廢焚燒過程中，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)必須維持一定的焚燒溫度，以保證能滿足《危險廢物焚燒污染控制標準》中所要求的“危廢焚燒殘余物中熱灼減率應(yīng)小于5%，煙氣中CO的濃度應(yīng)在 100 mg/Nm3以下”。當入窯物料的熱值太低無法保證窯溫時，需要加入輔助燃料從而降低了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性；但如果入窯物料熱值太高，會使危險廢物中的堿金屬鹽類熔融造成回轉(zhuǎn)窯結(jié)圈，從而降低回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)處理能力[4]。入窯危廢所含的水分在焚燒過程會蒸發(fā)形成蒸汽，該過程所需的熱量也需要入窯危廢熱值提供。水分含量過大可能會降低焚燒時爐內(nèi)溫度，增加輔助燃料的使用。因此，在配伍過程中需要控制入窯危廢的熱值和水分含量，使其保持在合理的設(shè)計范圍內(nèi)。

入窯物料中的S、N、Cl等元素的含量會影響酸性氣體如SO2、NO、HCl等的生成量。如下圖所示為通過化學(xué)熱力學(xué)軟件Factage模擬在相同條件下(過量空氣系數(shù)1.2)入窯原料中S、N、Cl含量對SO2、NO及HCl生成量的影響。從圖中可以看出，入窯物料中上述元素含量越大，酸性氣體的釋放量也越大。其次酸性元素如Cl、F等會與堿金屬及堿土金屬元素結(jié)合生成低熔點的金屬鹽類，造成設(shè)備的不正常運行。在配伍過程中，入窯物料中S、N、Cl等元素的含量也是受控項。

圖3 原料中S、N、Cl含量對SO2、NO、HCl生成量影響

重金屬元素的排放是危險廢物焚燒煙氣中的重要控制項。盡管煙氣控制設(shè)施對重金屬釋放有一定控制效果，但從入窯的危險廢物控制重金屬元素的含量也非常有必要。

熱值、水分及危廢中各受控元素的受控范圍與回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)的運行參數(shù)及煙氣控制系統(tǒng)設(shè)計能力有關(guān)。以50t/d的回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)，煙氣控制脫除效率大于90%為例，熱值、水分、酸性元素及重金屬元素的控制含量如表1所示。

表1 受控組分及受控范圍

在確定配伍原則后，通過加權(quán)算法獲取各參與配伍危廢的質(zhì)量比例范圍。

以如下方案作為危廢加權(quán)算法配伍舉例：設(shè)共有n種相容的危險廢物組成危險廢物組合，以D0(t/d)表示為危險廢物的處理規(guī)模，Di表示為i(1≤i≤n，且i為整數(shù))種不同危險廢物的處理量(t/d)。

D=[D1,D2,D3,D4,D5…Dn]

(1)

D0=D1+D2+D3+D4+D5+…+Dn

(2)

設(shè)Q0、M0、N0、S0、Cl0、F0、Hg0等表示危險廢物中熱值、水分、氮、硫、氯、氟、汞受控項的受控數(shù)值，Qi、Mi、Ni、Si、Cli、Fi、Hgi則分別表示第i種危險廢物中該組份的含量，且單位與受控相同。

危險廢物組合中各性質(zhì)可通過下列矩陣來表示，

(3)

各受控條件可通過如下不等式組來表示：

D×A1/D0≤Q0

(4)

D×A2/D0≤M0

(5)

D×A3/D0≤N0

(6)

D×A4/D0≤S0

(7)

D×A5/D0≤Cl0

(8)

D×A6/D0≤F0

(9)

D×A7/D0≤Hg0

(10)

……

其中：

A1=[Q1,Q2,Q3,Q4,Q5…Qn]T

(11)

A2=[M1,M2,M3,M4,M5…Mn]T

(12)

A3=[N1,N2,N3,N4,N5…Nn]T

(13)

A4=[S1,S2,S3,S4,S5…Sn]T

(14)

A5=[Cl1,Cl2,Cl3,Cl4,Cl5…Cln]T

(15)

A6=[F1,F2,F3,F4,F5…Fn]T

(16)

A7=[Hg1,Hg2,Hg3,Hg4,Hg5…Hgn]T

(17)

通過以上不等式組的計算，并結(jié)合各危險廢物原有庫存，可解出參與配伍危廢的質(zhì)量范圍。再由配伍工程師通過自身經(jīng)驗調(diào)整獲得最終配伍方案。

該方法將工程問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，通過理論計算實現(xiàn)快速求解，可降低人員經(jīng)驗在配伍中所占的比例。該方法可根據(jù)危廢種類、受控條件和受控數(shù)目等靈活擴展。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)度配伍法

為得到定量化配伍比例、徹底消除人員經(jīng)驗對配伍結(jié)果的影響，Liang等[5]提出用灰色關(guān)聯(lián)度算法的方式，先對危廢焚燒的指標(如熱值、水分、污染物含量等)進行賦權(quán)，然后根據(jù)各種廢物的權(quán)重獲得不同廢物的配比。

灰色關(guān)聯(lián)度算法是一種多因素統(tǒng)計分析方法，具體方法可分為下列幾步：

(1)基于數(shù)據(jù)建立矩陣，并選擇參考數(shù)據(jù)。參考數(shù)據(jù)列應(yīng)該是一個理想的比較標準，可以以各指標的最優(yōu)值(或最劣值)構(gòu)成參考數(shù)據(jù)列，也可根據(jù)評價目的選擇其它參照值。

(18)

(2)無量綱化處理。無量綱化處理的方法可采用相對化處理法或區(qū)間化等方式開展，其中在區(qū)間化中針對效益型指標和成本型指標又有不同的計算公式。

其中相對化處理方法可采用初值法(即將該序列所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一除以最開始的值)、相對值法(將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一除以基準數(shù)據(jù))、均值化法(將該序列所有數(shù)據(jù)除以該組數(shù)列的平均值)所得到1的量級附近。

針對效益型指標，可用式(19):

(19)

針對成本型指標，可用式(20):

(20)

(3)計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)?；疑P(guān)聯(lián)系數(shù)的計算公式如下所示：其中ρ為分辨系數(shù)，分辨系數(shù)越大，分辨率越高，一般情況下ρ取0.5：

(4)計算關(guān)聯(lián)度。在Liang等人的算法中，基于關(guān)聯(lián)度獲得各種危廢的配伍比例，可用式(22)：

(22)

本實驗以下列油漆渣、廢樹脂、廢濾芯、印染污泥、藥渣和含油物質(zhì)六種危險廢物為例，考察對熱值、水分、氮、硫、氯、氟及Hg等重金屬元素均等賦值，通過灰色關(guān)聯(lián)度分析法獲得不同危廢的配伍比例。如表2所示為上述六種危廢的物性參數(shù)。

表2 六種危險廢物物性參數(shù)

采用均值法作為無量綱的處理方法，如表3所示。

表3 六種危險廢物通過均值法無量綱后的值

續(xù)表3

根據(jù)公式計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)見表4，其中ρ取0.5。

表4 六種危險廢物的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)

根據(jù)關(guān)聯(lián)系數(shù)得到各危廢的比例見表5。

該配伍方法能直接獲得危廢的比例，消除對人工經(jīng)驗的依賴。但是在該方法中，不同的物性為等權(quán)配伍，也不會出現(xiàn)某一組分比例為零的情況。后期可采用部分物性條件賦予不同比重的方式改進，或?qū)⒒疑P(guān)聯(lián)度分析法與回歸分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種分析技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用[6-7]。

3 結(jié) 論

危險廢物配伍是回轉(zhuǎn)窯焚燒系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是整個系統(tǒng)經(jīng)濟性、穩(wěn)定性的重要保障。在危廢物性參數(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合危廢相容性和配伍受控原則，通過加權(quán)配伍和灰色關(guān)聯(lián)度分析法，將工程中抽象的溫度、污染物釋放等問題轉(zhuǎn)化為科學(xué)理論求解，有效減少計算時間，使配伍過程更合理有效。