危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置排產(chǎn)研究

談宏志

上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 研究背景

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn),我國(guó)人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值穩(wěn)步提升,物質(zhì)生活水平不斷提高。近五年來(lái),我國(guó)危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生量逐年增加。2019年,我國(guó)危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生量達(dá)到9 408萬(wàn)t。2020年,受到新冠肺炎疫情影響,我國(guó)醫(yī)療廢物產(chǎn)生量增幅超過(guò)20%,我國(guó)危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生量超過(guò)10 000萬(wàn)t。危險(xiǎn)廢物處置包括資源化利用、無(wú)害化處置、儲(chǔ)存三種。其中,資源化利用經(jīng)過(guò)多年發(fā)展,供需基本平衡[1]。無(wú)害化處置包括回轉(zhuǎn)窯焚燒、熱解焚燒、水泥窯協(xié)同處置、等離子高溫熔融處置等。水泥窯協(xié)同處置作為一種新的無(wú)害化處置方式,成本優(yōu)勢(shì)明顯,市場(chǎng)份額逐步提升。但是,水泥窯協(xié)同處置的發(fā)展時(shí)間短,生態(tài)鏈成熟度不高,設(shè)備端主要依賴傳統(tǒng)環(huán)保設(shè)備生產(chǎn)商,生產(chǎn)管理端主要借鑒水泥窯焚燒處置生產(chǎn)。對(duì)于危險(xiǎn)廢物水泥窯協(xié)同處置的排產(chǎn),企業(yè)根據(jù)企業(yè)資源計(jì)劃需求由人工粗放式進(jìn)行。對(duì)此,筆者研究危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置排產(chǎn),通過(guò)科學(xué)的方法給出最環(huán)保、設(shè)備利用率最高的排產(chǎn)方案。

2 危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置

危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置技術(shù)是現(xiàn)階段危險(xiǎn)廢物處置最徹底的技術(shù)之一,通過(guò)將危險(xiǎn)廢物送入水泥窯進(jìn)行焚燒處理,能夠?qū)崿F(xiàn)危險(xiǎn)廢物焚燒處置和水泥行業(yè)的節(jié)能減排。危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置流程如圖1所示。危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置包含兩個(gè)環(huán)節(jié)。一個(gè)是預(yù)處理環(huán)節(jié),根據(jù)危險(xiǎn)廢物的不同形態(tài),采取不同的預(yù)處理方式,調(diào)配至容易輸送,并且能夠滿足水泥窯處理的需要。這一環(huán)節(jié)包括固態(tài)危險(xiǎn)廢物處置單元、半固態(tài)危險(xiǎn)廢物處置單元、液態(tài)危險(xiǎn)廢物處置單元。另一個(gè)是上窯環(huán)節(jié),根據(jù)預(yù)處理后危險(xiǎn)廢物的形態(tài)及物化性能,選擇合理的方式進(jìn)行水泥窯焚燒生產(chǎn)。

圖1 危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置流程

危險(xiǎn)廢物根據(jù)不同形態(tài)可以分為固態(tài)廢物、半固態(tài)廢物、液態(tài)廢物、污泥。

叉車(chē)將固態(tài)廢物從儲(chǔ)存車(chē)間轉(zhuǎn)運(yùn)至立式提升機(jī)后,提升至破碎機(jī)入口,卸料至破碎機(jī)上方。經(jīng)過(guò)一級(jí)破碎機(jī)與二級(jí)破碎機(jī)的兩級(jí)破碎作用,將固態(tài)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(cāng)暫存,之后通過(guò)皮帶輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至水泥窯進(jìn)行焚燒處置[2-5]。

叉車(chē)將半固態(tài)廢物從儲(chǔ)存車(chē)間轉(zhuǎn)運(yùn)至立式提升機(jī)后,提升至破碎機(jī)入口,卸料至破碎機(jī)上方,經(jīng)過(guò)破碎機(jī)的破碎作用進(jìn)入混合器。半固態(tài)廢物與通過(guò)氣動(dòng)隔膜泵輸送至混合器的液態(tài)廢物、污泥混合攪拌,在攪拌槳和螺旋絞刀的作用下進(jìn)入卸料口,經(jīng)螺旋輸送機(jī)送至單缸柱塞泵,再由單缸柱塞泵輸送至水泥窯進(jìn)行焚燒處置[6-7]。

液態(tài)廢物暫存在儲(chǔ)罐,經(jīng)過(guò)氣動(dòng)隔膜泵輸送至混合器,與半固態(tài)廢物混合均質(zhì)。

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(tài)廢物一起預(yù)處理,之后送至水泥窯進(jìn)行焚燒處置。

危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置的主要優(yōu)點(diǎn)有四方面。

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

(2) 危險(xiǎn)廢物經(jīng)過(guò)水泥窯協(xié)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(shí)現(xiàn)固態(tài)廢物、半固態(tài)廢物、液態(tài)廢物、污泥等不同形態(tài)危險(xiǎn)廢物的協(xié)同處置[8]。

3 排產(chǎn)方法

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,國(guó)內(nèi)危險(xiǎn)廢物產(chǎn)量迅速增加,且來(lái)源復(fù)雜,種類繁多,分布廣泛,產(chǎn)生集中。根據(jù)水泥窯的運(yùn)行情況,針對(duì)不同危險(xiǎn)廢物選擇合理的排產(chǎn),是保證水泥窯處于高效環(huán)保生產(chǎn)狀態(tài)的有效手段。

目前,危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置排產(chǎn)由水泥生產(chǎn)或垃圾焚燒的排產(chǎn)工程師按照經(jīng)驗(yàn)安排。一般情況下,排產(chǎn)工程師需要進(jìn)行兩次排產(chǎn),一次是生產(chǎn)大排產(chǎn),另一次是生產(chǎn)小排產(chǎn)。前者需要根據(jù)危險(xiǎn)廢物的成分及熱值,區(qū)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(shù)及水泥成品成分是否達(dá)標(biāo)。后者需要考慮所需焚燒的配伍隊(duì)列,根據(jù)各預(yù)處理設(shè)備的能力、進(jìn)窯時(shí)間、破碎-混合-泵送系統(tǒng)混合比例,安排固態(tài)廢物、半固態(tài)廢物、液態(tài)廢物、污泥的開(kāi)始投料時(shí)間及關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)。以上做法能夠靈活處理各種任務(wù),但是也存在問(wèn)題。

(1) 嚴(yán)重依賴人工。無(wú)論生產(chǎn)任務(wù)復(fù)雜與否,排產(chǎn)工程師都需要自行完成排產(chǎn)工作,經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法固化及傳承,一旦生產(chǎn)管理和排產(chǎn)人員離崗,對(duì)生產(chǎn)沖擊較大,甚至?xí)?dǎo)致停產(chǎn)。

(2) 生產(chǎn)狀況復(fù)雜,現(xiàn)場(chǎng)不易掌控。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,往往有很多不確定因素,如臨時(shí)危險(xiǎn)廢物的優(yōu)先級(jí)變動(dòng)、設(shè)備故障等,管理人員很難及時(shí)掌控現(xiàn)場(chǎng)狀況。部分危險(xiǎn)廢物由于關(guān)鍵工藝受機(jī)器等資源的限制,容易產(chǎn)生調(diào)度瓶頸和混亂。

(3) 企業(yè)資源計(jì)劃精度低。下發(fā)企業(yè)資源計(jì)劃要求后,仍需要人員憑經(jīng)驗(yàn)或輔以簡(jiǎn)單的優(yōu)先原則來(lái)手工排產(chǎn),面對(duì)龐大的危險(xiǎn)廢物清單、復(fù)雜的生產(chǎn)狀況等,焚燒任務(wù)往往無(wú)法按計(jì)劃完成。

(4) 人工工作量大。復(fù)雜的危險(xiǎn)廢物類別及長(zhǎng)周期生產(chǎn)任務(wù)導(dǎo)致人工排產(chǎn)工作量較大。

筆者基于危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置的工藝要求,提出一種自動(dòng)排產(chǎn)方法,主要包含輸入模塊、約束模型、評(píng)價(jià)模型、優(yōu)化模塊四部分[9-11]。危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置排產(chǎn)問(wèn)題解決架構(gòu)如圖2所示,具體分為四步。

圖2 危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置排產(chǎn)問(wèn)題解決架構(gòu)

(1) 構(gòu)建危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置排產(chǎn)的輸入模塊。通過(guò)對(duì)水泥窯焚燒工藝進(jìn)行分析,基于企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)中倉(cāng)儲(chǔ)信息、配伍信息、廢物清單、插單信息,構(gòu)建排產(chǎn)問(wèn)題的輸入模塊。

(2) 構(gòu)建危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置排產(chǎn)的約束模型。危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置具有多維度的約束條件,包含焚燒窯約束、生產(chǎn)工藝約束、生產(chǎn)資源約束、排放約束。結(jié)合排產(chǎn)問(wèn)題的輸入模塊,通過(guò)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言將約束條件量化,構(gòu)建約束模型,并能夠?qū)崿F(xiàn)上接輸入模塊,下接評(píng)價(jià)模型與優(yōu)化模塊。

(3) 建立危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置排產(chǎn)的評(píng)價(jià)模型。在輸入模塊和約束模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置生產(chǎn)現(xiàn)狀,綜合考慮破碎-混合-泵送系統(tǒng)工藝、設(shè)備性能、排放指標(biāo),分析影響危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置的因素,形成以破碎-混合-泵送系統(tǒng)混合時(shí)長(zhǎng)和生產(chǎn)完成節(jié)點(diǎn)為核心的評(píng)價(jià)模型,量化評(píng)估排產(chǎn)方案。

(4) 建立危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置排產(chǎn)的優(yōu)化模塊。危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置是一個(gè)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)問(wèn)題,根據(jù)排產(chǎn)方案的評(píng)價(jià)模型,通過(guò)優(yōu)化開(kāi)始焚燒時(shí)間、破碎-混合-泵送系統(tǒng)混合時(shí)長(zhǎng)、固態(tài)廢物和液態(tài)廢物進(jìn)入焚燒窯的速度、焚燒順序,輸出所有焚燒固態(tài)廢物、半固態(tài)廢物、液態(tài)廢物、污泥的開(kāi)始處置時(shí)間與完成處置時(shí)間。

目前,通過(guò)多任務(wù)排產(chǎn)的測(cè)試,已驗(yàn)證排產(chǎn)方案的有效性。人工排產(chǎn)與自動(dòng)排產(chǎn)的耗時(shí)對(duì)比見(jiàn)表1,可以看出,通過(guò)自動(dòng)排產(chǎn)方式實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置,排產(chǎn)效率大幅提高。

表1 排產(chǎn)耗時(shí)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)自動(dòng)排產(chǎn)方法能夠?qū)崿F(xiàn)危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置的自動(dòng)排產(chǎn),改變傳統(tǒng)的人工排產(chǎn)方式,有效提高排產(chǎn)效率。作為危險(xiǎn)廢物水泥窯焚燒協(xié)同處置生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的一部分,自動(dòng)排產(chǎn)可有效處理插單、優(yōu)先級(jí)變更等應(yīng)急任務(wù),提高了危險(xiǎn)廢物處置生產(chǎn)的靈活性。當(dāng)然,對(duì)于不同類型的水泥窯焚燒,危險(xiǎn)廢物是否可以作為替代燃料、多窯是否可以協(xié)同作業(yè)等,還需要持續(xù)進(jìn)行研究。