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 中冶南方都市環保工程技術股份有限公司，湖北 武漢 430205;2 武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081)

危險廢物是指具有腐蝕性、毒性、易燃性、反應性或者感染性等一種或者幾種危險特性的、可能對環境或者人體健康造成有害影響的廢物。隨著國內經濟和工業的發展，危險廢物的產量以年復合增長率12.5%的速度急速增長。2017年我國危廢的產生量達到6936.89萬噸，預計2020年受新冠疫情影響我國危廢產生量或將超過10000萬噸(含醫療廢物)。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點，被廣泛應用于處置可燃危廢。

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窯焚燒系統圖：

系統主要焚燒設備為回轉窯、二燃室和余熱鍋爐。在回轉窯的高溫和富氧條件下，危險廢物實現干燥、揮發分析出以及殘余焦碳的燃燒、燃盡。回轉窯內的煙氣和揮發分從窯尾進入二燃室，在二燃室1100 ℃以上的高溫環境保證停留時間大于 2 s，實現微量有機物及二噁英的充分分解。經在二燃室充分燃燒的高溫煙氣由煙道進入余熱鍋爐進行熱量回收產生蒸汽。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)在焚燒過程中會產生污染物，需要在焚燒處置中加設煙氣凈化設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備。

回轉窯焚燒系統的運行與入爐危廢的性質緊密相關，如回轉窯運行溫度、輔助能源介質耗量、蒸汽產量等由入爐危廢熱值決定，煙氣凈化設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窯焚燒系統的安全穩定、環保低耗運行，實現危險廢物的高效處置，必須對入料危廢的性質進行合理控制，即開展危廢配伍管理。

圖1 危險廢物回轉窯焚燒系統圖

2 危險廢物配伍方法

為保證危廢配伍管理的科學有效，危廢焚燒處置企業逐步建立起市場—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、混勻實現最終混合。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測試的基礎上，通過配伍計算指導、運行經驗輔助的方式實現入窯物料之間的相容，并保證整個回轉窯焚燒系統的經濟性和環保性。

2.1 相容性配伍

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

危險廢物來源于不同的生產過程及行業，兩種或多種不相容危險廢物混合時會產生不可預料或不受控制的反應從而引發不良后果，如產生大量的熱、產生火焰、發生爆炸、產生大量氣體增加設備壓力或產生有毒、可燃氣體以及形成激烈的聚合反應等。為避免在入窯配伍層面不相容危廢混合時出現上述情況，需要在庫房配伍層面的第一步預先將不相容危廢相互分開。在相容性配伍階段，根據危險廢物的種類、來源、物性測試結果，并結合危險廢物相容性矩陣，檢驗不同危廢之間是否相容。可優先選擇剔除相容性最差的危廢，最大規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 加權配伍法

在確保了入窯物料彼此相容后，后續配伍的關鍵是實現回轉窯焚燒系統的經濟和環保。現有回轉窯焚燒危廢處置系統大多采用加權配伍法實現。

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

危廢焚燒過程中，回轉窯內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小于5%，煙氣中CO的濃度應在 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運行的經濟性；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窯結圈，從而降低回轉窯焚燒系統處理能力[4]。入窯危廢所含的水分在焚燒過程會蒸發形成蒸汽，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計范圍內。

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熱力學軟件Factage模擬在相同條件下(過量空氣系數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合生成低熔點的金屬鹽類，造成設備的不正常運行。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窯系統的運行參數及煙氣控制系統設計能力有關。以50t/d的回轉窯焚燒系統，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，通過加權算法獲取各參與配伍危廢的質量比例范圍。

以如下方案作為危廢加權算法配伍舉例：設共有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模，Di表示為i(1≤i≤n，且i為整數)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，并結合各危險廢物原有庫存，可解出參與配伍危廢的質量范圍。再由配伍工程師通過自身經驗調整獲得最終配伍方案。

該方法將工程問題轉化為數學問題，通過理論計算實現快速求解，可降低人員經驗在配伍中所占的比例。該方法可根據危廢種類、受控條件和受控數目等靈活擴展。

2.3 灰色關聯度配伍法

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

灰色關聯度算法是一種多因素統計分析方法，具體方法可分為下列幾步：

(1)基于數據建立矩陣，并選擇參考數據。參考數據列應該是一個理想的比較標準，可以以各指標的最優值(或最劣值)構成參考數據列，也可根據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間化等方式開展，其中在區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(即將該序列所有數據統一除以最開始的值)、相對值法(將所有數據統一除以基準數據)、均值化法(將該序列所有數據除以該組數列的平均值)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)計算灰色關聯系數。灰色關聯系數的計算公式如下所示：其中ρ為分辨系數，分辨系數越大，分辨率越高，一般情況下ρ取0.5：

(4)計算關聯度。在Liang等人的算法中，基于關聯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，通過灰色關聯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。

表2 六種危險廢物物性參數

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

續表3

根據公式計算灰色關聯系數見表4，其中ρ取0.5。

表4 六種危險廢物的灰色關聯度系數

根據關聯系數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，消除對人工經驗的依賴。但是在該方法中，不同的物性為等權配伍，也不會出現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，或將灰色關聯度分析法與回歸分析、人工神經網絡等多種分析技術聯合應用[6-7]。

3 結 論

危險廢物配伍是回轉窯焚燒系統的關鍵環節，是整個系統經濟性、穩定性的重要保障。在危廢物性參數基礎上，結合危廢相容性和配伍受控原則，通過加權配伍和灰色關聯度分析法，將工程中抽象的溫度、污染物釋放等問題轉化為科學理論求解，有效減少計算時間，使配伍過程更合理有效。