危险废物焚烧配伍理论及方法研究

胡晓炜，张浩浩，朱 飞，聂海金，张 强

(1 中冶南方都市环保工程技术股份有限公司，湖北 武汉 430205;2 武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430081)

危险废物是指具有腐蚀性、毒性、易燃性、反应性或者感染性等一种或者几种危险特性的、可能对环境或者人体健康造成有害影响的废物。随着国内经济和工业的发展，危险废物的产量以年复合增长率12.5%的速度急速增长。2017年我国危废的产生量达到6936.89万吨，预计2020年受新冠疫情影响我国危废产生量或将超过10000万吨(含医疗废物)。为处理急速增长的危险废物，危险废物处置工程也不断增加。其中，焚烧处置工程以其处置范围、减容效果明显、无害化程度高以及可回收危废中能量等优点，被广泛应用于处置可燃危废。

1 危险废物焚烧工艺

如下所示为焚烧处置工程中常用的回转窑焚烧系统图：

系统主要焚烧设备为回转窑、二燃室和余热锅炉。在回转窑的高温和富氧条件下，危险废物实现干燥、挥发分析出以及残余焦碳的燃烧、燃尽。回转窑内的烟气和挥发分从窑尾进入二燃室，在二燃室1100 ℃以上的高温环境保证停留时间大于 2 s，实现微量有机物及二噁英的充分分解。经在二燃室充分燃烧的高温烟气由烟道进入余热锅炉进行热量回收产生蒸汽。由于危废中除C、H、O之外，其他元素(如N、S、Cl及重金属元素等)在焚烧过程中会产生污染物，需要在焚烧处置中加设烟气净化设备以保证烟气的达标排放。余热锅炉后的急冷塔、干法脱酸装置、活性炭吸附、布袋除尘器、湿法脱酸塔等均为烟气净化设备。

回转窑焚烧系统的运行与入炉危废的性质紧密相关，如回转窑运行温度、辅助能源介质耗量、蒸汽产量等由入炉危废热值决定，烟气净化设备中药品消耗受入炉危废元素组成及含量的影响。因此为保证整个回转窑焚烧系统的安全稳定、环保低耗运行，实现危险废物的高效处置，必须对入料危废的性质进行合理控制，即开展危废配伍管理。

图1 危险废物回转窑焚烧系统图

2 危险废物配伍方法

为保证危废配伍管理的科学有效，危废焚烧处置企业逐步建立起市场—库房—入窑三个层面的配伍管理体系[1-2]。在市场层面通过前期规划和用户筛分，确定合适的客户及资源；在库房层面通过工艺控制形成配比方案；在入窑配伍层面通过破碎、混匀实现最终混合。其中最核心的步骤为库房的工艺控制层面，该层面在对物料性质测试的基础上，通过配伍计算指导、运行经验辅助的方式实现入窑物料之间的相容，并保证整个回转窑焚烧系统的经济性和环保性。

2.1 相容性配伍

H——产生热 G——产生无害或不燃气体 P——强烈聚合 U——产生未知不良后果 GT——产生毒性气体 GF——产生不燃气体 F——火焰

危险废物来源于不同的生产过程及行业，两种或多种不相容危险废物混合时会产生不可预料或不受控制的反应从而引发不良后果，如产生大量的热、产生火焰、发生爆炸、产生大量气体增加设备压力或产生有毒、可燃气体以及形成激烈的聚合反应等。为避免在入窑配伍层面不相容危废混合时出现上述情况，需要在库房配伍层面的第一步预先将不相容危废相互分开。在相容性配伍阶段，根据危险废物的种类、来源、物性测试结果，并结合危险废物相容性矩阵，检验不同危废之间是否相容。可优先选择剔除相容性最差的危废，最大规模的形成彼此相容的危废组合便于开展后期的配伍。

上为部分的危险废物相容性矩阵举例[3]：

2.2 加权配伍法

在确保了入窑物料彼此相容后，后续配伍的关键是实现回转窑焚烧系统的经济和环保。现有回转窑焚烧危废处置系统大多采用加权配伍法实现。

该方法首先通过燃烧原理和设计条件确定入窑危废的受控项和受控数值，即形成配伍原则。

危废焚烧过程中，回转窑内必须维持一定的焚烧温度，以保证能满足《危险废物焚烧污染控制标准》中所要求的“危废焚烧残余物中热灼减率应小于5%，烟气中CO的浓度应在 100 mg/Nm3以下”。当入窑物料的热值太低无法保证窑温时，需要加入辅助燃料从而降低了系统运行的经济性；但如果入窑物料热值太高，会使危险废物中的碱金属盐类熔融造成回转窑结圈，从而降低回转窑焚烧系统处理能力[4]。入窑危废所含的水分在焚烧过程会蒸发形成蒸汽，该过程所需的热量也需要入窑危废热值提供。水分含量过大可能会降低焚烧时炉内温度，增加辅助燃料的使用。因此，在配伍过程中需要控制入窑危废的热值和水分含量，使其保持在合理的设计范围内。

入窑物料中的S、N、Cl等元素的含量会影响酸性气体如SO2、NO、HCl等的生成量。如下图所示为通过化学热力学软件Factage模拟在相同条件下(过量空气系数1.2)入窑原料中S、N、Cl含量对SO2、NO及HCl生成量的影响。从图中可以看出，入窑物料中上述元素含量越大，酸性气体的释放量也越大。其次酸性元素如Cl、F等会与碱金属及碱土金属元素结合生成低熔点的金属盐类，造成设备的不正常运行。在配伍过程中，入窑物料中S、N、Cl等元素的含量也是受控项。

图3 原料中S、N、Cl含量对SO2、NO、HCl生成量影响

重金属元素的排放是危险废物焚烧烟气中的重要控制项。尽管烟气控制设施对重金属释放有一定控制效果，但从入窑的危险废物控制重金属元素的含量也非常有必要。

热值、水分及危废中各受控元素的受控范围与回转窑系统的运行参数及烟气控制系统设计能力有关。以50t/d的回转窑焚烧系统，烟气控制脱除效率大于90%为例，热值、水分、酸性元素及重金属元素的控制含量如表1所示。

表1 受控组分及受控范围

在确定配伍原则后，通过加权算法获取各参与配伍危废的质量比例范围。

以如下方案作为危废加权算法配伍举例：设共有n种相容的危险废物组成危险废物组合，以D0(t/d)表示为危险废物的处理规模，Di表示为i(1≤i≤n，且i为整数)种不同危险废物的处理量(t/d)。

D=[D1,D2,D3,D4,D5…Dn]

(1)

D0=D1+D2+D3+D4+D5+…+Dn

(2)

设Q0、M0、N0、S0、Cl0、F0、Hg0等表示危险废物中热值、水分、氮、硫、氯、氟、汞受控项的受控数值，Qi、Mi、Ni、Si、Cli、Fi、Hgi则分别表示第i种危险废物中该组份的含量，且单位与受控相同。

危险废物组合中各性质可通过下列矩阵来表示，

(3)

各受控条件可通过如下不等式组来表示：

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)

通过以上不等式组的计算，并结合各危险废物原有库存，可解出参与配伍危废的质量范围。再由配伍工程师通过自身经验调整获得最终配伍方案。

该方法将工程问题转化为数学问题，通过理论计算实现快速求解，可降低人员经验在配伍中所占的比例。该方法可根据危废种类、受控条件和受控数目等灵活扩展。

2.3 灰色关联度配伍法

为得到定量化配伍比例、彻底消除人员经验对配伍结果的影响，Liang等[5]提出用灰色关联度算法的方式，先对危废焚烧的指标(如热值、水分、污染物含量等)进行赋权，然后根据各种废物的权重获得不同废物的配比。

灰色关联度算法是一种多因素统计分析方法，具体方法可分为下列几步：

(1)基于数据建立矩阵，并选择参考数据。参考数据列应该是一个理想的比较标准，可以以各指标的最优值(或最劣值)构成参考数据列，也可根据评价目的选择其它参照值。

(18)

(2)无量纲化处理。无量纲化处理的方法可采用相对化处理法或区间化等方式开展，其中在区间化中针对效益型指标和成本型指标又有不同的计算公式。

其中相对化处理方法可采用初值法(即将该序列所有数据统一除以最开始的值)、相对值法(将所有数据统一除以基准数据)、均值化法(将该序列所有数据除以该组数列的平均值)所得到1的量级附近。

针对效益型指标，可用式(19):

(19)

针对成本型指标，可用式(20):

(20)

(3)计算灰色关联系数。灰色关联系数的计算公式如下所示：其中ρ为分辨系数，分辨系数越大，分辨率越高，一般情况下ρ取0.5：

(4)计算关联度。在Liang等人的算法中，基于关联度获得各种危废的配伍比例，可用式(22)：

(22)

本实验以下列油漆渣、废树脂、废滤芯、印染污泥、药渣和含油物质六种危险废物为例，考察对热值、水分、氮、硫、氯、氟及Hg等重金属元素均等赋值，通过灰色关联度分析法获得不同危废的配伍比例。如表2所示为上述六种危废的物性参数。

表2 六种危险废物物性参数

采用均值法作为无量纲的处理方法，如表3所示。

表3 六种危险废物通过均值法无量纲后的值

续表3

根据公式计算灰色关联系数见表4，其中ρ取0.5。

表4 六种危险废物的灰色关联度系数

根据关联系数得到各危废的比例见表5。

该配伍方法能直接获得危废的比例，消除对人工经验的依赖。但是在该方法中，不同的物性为等权配伍，也不会出现某一组分比例为零的情况。后期可采用部分物性条件赋予不同比重的方式改进，或将灰色关联度分析法与回归分析、人工神经网络等多种分析技术联合应用[6-7]。

3 结 论

危险废物配伍是回转窑焚烧系统的关键环节，是整个系统经济性、稳定性的重要保障。在危废物性参数基础上，结合危废相容性和配伍受控原则，通过加权配伍和灰色关联度分析法，将工程中抽象的温度、污染物释放等问题转化为科学理论求解，有效减少计算时间，使配伍过程更合理有效。