危險廢物水泥窯焚燒協同處置排產研究

談宏志

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

隨著工業化進程的不斷推進,我國人均國內生產總值穩步提升,物質生活水平不斷提高。近五年來,我國危險廢物產生量逐年增加。2019年,我國危險廢物產生量達到9 408萬t。2020年,受到新冠肺炎疫情影響,我國醫療廢物產生量增幅超過20%,我國危險廢物產生量超過10 000萬t。危險廢物處置包括資源化利用、無害化處置、儲存三種。其中,資源化利用經過多年發展,供需基本平衡[1]。無害化處置包括回轉窯焚燒、熱解焚燒、水泥窯協同處置、等離子高溫熔融處置等。水泥窯協同處置作為一種新的無害化處置方式,成本優勢明顯,市場份額逐步提升。但是,水泥窯協同處置的發展時間短,生態鏈成熟度不高,設備端主要依賴傳統環保設備生產商,生產管理端主要借鑒水泥窯焚燒處置生產。對于危險廢物水泥窯協同處置的排產,企業根據企業資源計劃需求由人工粗放式進行。對此,筆者研究危險廢物水泥窯焚燒協同處置排產,通過科學的方法給出最環保、設備利用率最高的排產方案。

2 危險廢物水泥窯焚燒協同處置

危險廢物水泥窯焚燒協同處置技術是現階段危險廢物處置最徹底的技術之一,通過將危險廢物送入水泥窯進行焚燒處理,能夠實現危險廢物焚燒處置和水泥行業的節能減排。危險廢物水泥窯焚燒協同處置流程如圖1所示。危險廢物水泥窯焚燒協同處置包含兩個環節。一個是預處理環節,根據危險廢物的不同形態,采取不同的預處理方式,調配至容易輸送,并且能夠滿足水泥窯處理的需要。這一環節包括固態危險廢物處置單元、半固態危險廢物處置單元、液態危險廢物處置單元。另一個是上窯環節,根據預處理后危險廢物的形態及物化性能,選擇合理的方式進行水泥窯焚燒生產。

圖1 危險廢物水泥窯焚燒協同處置流程

危險廢物根據不同形態可以分為固態廢物、半固態廢物、液態廢物、污泥。

叉車將固態廢物從儲存車間轉運至立式提升機后,提升至破碎機入口,卸料至破碎機上方。經過一級破碎機與二級破碎機的兩級破碎作用,將固態廢物剪切、撕裂為有利于提高處置效率的較小尺寸。將破碎后的物料輸送至固體廢物倉暫存,之后通過皮帶輸送機轉運至水泥窯進行焚燒處置[2-5]。

叉車將半固態廢物從儲存車間轉運至立式提升機后,提升至破碎機入口,卸料至破碎機上方,經過破碎機的破碎作用進入混合器。半固態廢物與通過氣動隔膜泵輸送至混合器的液態廢物、污泥混合攪拌,在攪拌槳和螺旋絞刀的作用下進入卸料口,經螺旋輸送機送至單缸柱塞泵,再由單缸柱塞泵輸送至水泥窯進行焚燒處置[6-7]。

液態廢物暫存在儲罐,經過氣動隔膜泵輸送至混合器,與半固態廢物混合均質。

污泥的特性為高含水、高黏度。含水率高于某一定值的污泥與半固態廢物一起預處理,之后送至水泥窯進行焚燒處置。

危險廢物水泥窯焚燒協同處置的主要優點有四方面。

(1) 水泥窯內溫度為1 450 ℃左右,氣體在窯內停留4 s以上,物料停留超過30 min,兩相得到充分混合,保證徹底焚燒。

(2) 危險廢物經過水泥窯協同處置,灰渣融入水泥熟料中,重金屬固化至熟料晶格中,避免重金屬的二次處置。

(4) 可實現固態廢物、半固態廢物、液態廢物、污泥等不同形態危險廢物的協同處置[8]。

3 排產方法

隨著經濟社會的快速發展,國內危險廢物產量迅速增加,且來源復雜,種類繁多,分布廣泛,產生集中。根據水泥窯的運行情況,針對不同危險廢物選擇合理的排產,是保證水泥窯處于高效環保生產狀態的有效手段。

目前,危險廢物水泥窯焚燒協同處置排產由水泥生產或垃圾焚燒的排產工程師按照經驗安排。一般情況下,排產工程師需要進行兩次排產,一次是生產大排產,另一次是生產小排產。前者需要根據危險廢物的成分及熱值,區分哪些可以作為水泥燃料,哪些可以作為水泥原料,并且要綜合考慮排放的污染指數及水泥成品成分是否達標。后者需要考慮所需焚燒的配伍隊列,根據各預處理設備的能力、進窯時間、破碎-混合-泵送系統混合比例,安排固態廢物、半固態廢物、液態廢物、污泥的開始投料時間及關鍵時間節點。以上做法能夠靈活處理各種任務,但是也存在問題。

(1) 嚴重依賴人工。無論生產任務復雜與否,排產工程師都需要自行完成排產工作,經驗數據無法固化及傳承,一旦生產管理和排產人員離崗,對生產沖擊較大,甚至會導致停產。

(2) 生產狀況復雜,現場不易掌控。實際生產過程中,往往有很多不確定因素,如臨時危險廢物的優先級變動、設備故障等,管理人員很難及時掌控現場狀況。部分危險廢物由于關鍵工藝受機器等資源的限制,容易產生調度瓶頸和混亂。

(3) 企業資源計劃精度低。下發企業資源計劃要求后,仍需要人員憑經驗或輔以簡單的優先原則來手工排產,面對龐大的危險廢物清單、復雜的生產狀況等,焚燒任務往往無法按計劃完成。

(4) 人工工作量大。復雜的危險廢物類別及長周期生產任務導致人工排產工作量較大。

筆者基于危險廢物水泥窯焚燒協同處置的工藝要求,提出一種自動排產方法,主要包含輸入模塊、約束模型、評價模型、優化模塊四部分[9-11]。危險廢物水泥窯焚燒協同處置排產問題解決架構如圖2所示,具體分為四步。

圖2 危險廢物水泥窯焚燒協同處置排產問題解決架構

(1) 構建危險廢物水泥窯焚燒協同處置排產的輸入模塊。通過對水泥窯焚燒工藝進行分析,基于企業資源計劃系統中倉儲信息、配伍信息、廢物清單、插單信息,構建排產問題的輸入模塊。

(2) 構建危險廢物水泥窯焚燒協同處置排產的約束模型。危險廢物水泥窯焚燒協同處置具有多維度的約束條件,包含焚燒窯約束、生產工藝約束、生產資源約束、排放約束。結合排產問題的輸入模塊,通過計算機語言將約束條件量化,構建約束模型,并能夠實現上接輸入模塊,下接評價模型與優化模塊。

(3) 建立危險廢物水泥窯焚燒協同處置排產的評價模型。在輸入模塊和約束模型的基礎上,結合危險廢物水泥窯焚燒協同處置生產現狀,綜合考慮破碎-混合-泵送系統工藝、設備性能、排放指標,分析影響危險廢物水泥窯焚燒協同處置的因素,形成以破碎-混合-泵送系統混合時長和生產完成節點為核心的評價模型,量化評估排產方案。

(4) 建立危險廢物水泥窯焚燒協同處置排產的優化模塊。危險廢物水泥窯焚燒協同處置是一個復雜、動態問題,根據排產方案的評價模型,通過優化開始焚燒時間、破碎-混合-泵送系統混合時長、固態廢物和液態廢物進入焚燒窯的速度、焚燒順序,輸出所有焚燒固態廢物、半固態廢物、液態廢物、污泥的開始處置時間與完成處置時間。

目前,通過多任務排產的測試,已驗證排產方案的有效性。人工排產與自動排產的耗時對比見表1,可以看出,通過自動排產方式實現了多任務危險廢物水泥窯焚燒協同處置,排產效率大幅提高。

表1 排產耗時對比

4 結束語

通過自動排產方法能夠實現危險廢物水泥窯焚燒協同處置的自動排產,改變傳統的人工排產方式,有效提高排產效率。作為危險廢物水泥窯焚燒協同處置生產執行系統的一部分,自動排產可有效處理插單、優先級變更等應急任務,提高了危險廢物處置生產的靈活性。當然,對于不同類型的水泥窯焚燒,危險廢物是否可以作為替代燃料、多窯是否可以協同作業等,還需要持續進行研究。