作者：張力、魯統(tǒng)曉、孫云云
1.上海電氣慧程智能系統(tǒng)有限公司 上海 201615
2.上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院 上海 200070
摘要：危廢焚燒處置行業(yè)配伍往往依賴于人工手動(dòng)操作，計(jì)算量巨大，而且準(zhǔn)確度也難以保證。本文依托于上海電氣慧程智能系統(tǒng)有限公司開(kāi)發(fā)的SEEN危廢運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)，提出了一種危廢焚燒處置智能配伍方法。智能配伍由計(jì)算機(jī)代替人工進(jìn)行計(jì)算，將經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)植入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)代替人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，將配伍工程師從繁雜的配伍計(jì)算工作中解放出來(lái)，同時(shí)提升配伍效率和準(zhǔn)確度，提高焚燒工況的穩(wěn)定性，降低企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。
關(guān)鍵詞：焚燒、SEEN平臺(tái)、智能配伍
焚燒法是一種適應(yīng)范圍比較廣的危險(xiǎn)廢物處理方法，主要目的是將危廢無(wú)害化、減量化。但在實(shí)際焚燒過(guò)程中往往會(huì)出現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)組分復(fù)雜適應(yīng)性差、結(jié)渣嚴(yán)重導(dǎo)致啟停頻繁、排放超標(biāo)出現(xiàn)污染等問(wèn)題。所以目前的焚燒處置企業(yè)一般都需要在物料進(jìn)入系統(tǒng)之前，依靠進(jìn)行配伍工作，即結(jié)合各擬焚燒物料熱值、揮發(fā)分、硫氯含量、灰渣特性、包裝等物理及化學(xué)性質(zhì)，合理地對(duì)物料進(jìn)行形態(tài)、熱值、成分等均質(zhì)化處理，以達(dá)到入窯焚燒成分穩(wěn)定可控、均勻平衡燃燒的目的[1,2]。目前，大多數(shù)企業(yè)的配伍工作都是由專門技術(shù)人員依靠手動(dòng)計(jì)算和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成，而隨著國(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，手動(dòng)配伍對(duì)配伍工程師的要求越來(lái)越高，其工作量日益繁重，同時(shí)配伍方案的準(zhǔn)確度也難以保證。
一、配伍的要求
合理的焚燒配伍有助于穩(wěn)定燃燒工況，延長(zhǎng)耐火材料、焚燒設(shè)施使用周期，降低運(yùn)營(yíng)成本等，配伍主要的要求包括：
(1) 保證窯內(nèi)燃燒廢物之間的相容性，以保證焚燒處理的安全性；
(2) 保證熱值的穩(wěn)定性：配伍應(yīng)使進(jìn)入焚燒爐的危險(xiǎn)廢物的熱值盡可能介于設(shè)計(jì)規(guī)定的范圍以減少輔助燃料的用量。熱值太低，需要啟動(dòng)輔助燃料系統(tǒng)以使廢物燃燒完全，造成運(yùn)行費(fèi)用增加；熱值太高，需要用惰性物質(zhì)(過(guò)量空氣、水等)限制爐溫，同時(shí)使處理能力下降。入爐廢物的熱值要保持穩(wěn)定，使焚燒室熱負(fù)荷控制設(shè)計(jì)規(guī)定的范圍，保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)可靠。
(3) 使主要有毒有害物質(zhì)、重金屬、氯含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤2%）、硫含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤3%）不會(huì)超過(guò)焚燒爐設(shè)計(jì)指標(biāo)的上限值。氯、氟化合物燃燒后會(huì)產(chǎn)生腐蝕性較強(qiáng)的氯化氫和氟化氫等氣體，會(huì)加重?zé)煔馓幚淼呢?fù)荷。氟化氫會(huì)破壞耐火磚的結(jié)合面。溴、碘化合物燃燒后產(chǎn)生有色的溴、碘氣體[3]。
二、智能配伍方法
危廢進(jìn)入回轉(zhuǎn)窯之前必須進(jìn)行全面的取樣分析，配伍工程師根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果以及不同的危廢性質(zhì)對(duì)危廢進(jìn)行分類，經(jīng)配伍計(jì)算后對(duì)危廢入窯過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)化的統(tǒng)一調(diào)配。
傳統(tǒng)的手動(dòng)配伍給配伍人員帶來(lái)大量的重復(fù)勞動(dòng)工作量，對(duì)危廢焚燒處置企業(yè)也造成了很大的運(yùn)營(yíng)壓力，于是我們提出了危險(xiǎn)廢物焚燒處置智能配伍方法。該方法依托于上海電氣慧程智能系統(tǒng)有限公司開(kāi)發(fā)的SEEN危廢運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對(duì)從客戶溝通開(kāi)始到廢物處置對(duì)危廢進(jìn)行無(wú)死角管理，含商務(wù)、收運(yùn)、倉(cāng)儲(chǔ)、實(shí)驗(yàn)室、配伍、生產(chǎn)等方面，可以幫助企業(yè)構(gòu)建危廢處置的高效的流程管理及危廢全生命周期的追溯，實(shí)現(xiàn)危廢處置企業(yè)的信息化管理。
焚燒處置企業(yè)用戶在企業(yè)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)將危險(xiǎn)廢物信息（包括廢物類別、代碼、名稱、形態(tài)、所含化合物種類）及其樣品化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)（如熱值、灰分、閃點(diǎn)、鹵族元素含量、含水率、pH值）錄入系統(tǒng)。以系統(tǒng)里這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，智能配伍算法可以滿足用戶輸入配伍要求后系統(tǒng)即自動(dòng)計(jì)算出最優(yōu)配伍方案的目的。智能配伍的流程如圖1所示。
①分區(qū)條件，②取料算法，③相容性判斷
圖1 危廢焚燒智能配伍流程
圖中①分區(qū)條件，②取料算法將于2.3節(jié)中講解；③相容性判斷將于2.4節(jié)中講解。下面詳細(xì)描述智能配伍流程。
1、設(shè)置配伍目標(biāo)
首先，在SEEN平臺(tái)進(jìn)入配伍頁(yè)面后，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出當(dāng)前庫(kù)存所有廢物的平均熱值以及各鹵族元素的平均值，并顯示到交互界面，供配伍人員參考。配伍人員需要先根據(jù)企業(yè)運(yùn)營(yíng)情況，結(jié)合實(shí)際庫(kù)存廢物的各指標(biāo)數(shù)據(jù)，設(shè)置配伍目標(biāo)，下一步開(kāi)始配伍計(jì)算。
圖2 SEEN軟件界面-配伍目標(biāo)設(shè)置
2、危廢分區(qū)
系統(tǒng)對(duì)在庫(kù)廢物進(jìn)行分區(qū)和排序。遍歷所有在庫(kù)廢物，計(jì)算每個(gè)熱值因子Qr，然后將該值較小的廢物放入L區(qū)，中等的放入M區(qū)，較大的放入H區(qū)。熱值因子計(jì)算公式如式(1)，Q表示廢物熱值，Q0表示目標(biāo)熱值。繼而對(duì)這三個(gè)區(qū)根據(jù)污染因子大小進(jìn)一步分區(qū)。污染因子指的是所有已經(jīng)記入配伍條件（軟件界面顯示勾選了“是否強(qiáng)制”選項(xiàng)的）的元素的綜合。危廢的污染因子Pr計(jì)算方法如式(2)所示。其中，x表示污染元素，F(xiàn)x表示該本次配伍是否考慮該元素，等于1表示被考慮，等于0則表示不予考慮；Cx表示廢物中x元素的含量，Maxx表示配伍目標(biāo)范圍中x元素的最大值；Pr為計(jì)算所得廢物的污染因子。例如，圖2中僅勾選了Cl和Br，則本次配伍中的污染因子僅考慮Cl元素和Br元素，由危廢中Cl元素和Br元素含量值分別與配伍目標(biāo)范圍中的Cl最大值和Br最大值的比值加權(quán)求和計(jì)算得出。L、M、H區(qū)中的廢物經(jīng)計(jì)算后，污染因子較小的廢物分別納入L1、M1、H1區(qū)，較大的廢物則分別納入L2、M2、H2區(qū)。分區(qū)示意如圖3所示。所有分區(qū)內(nèi)的廢物按熱值從低到高順序排序。
圖3 危險(xiǎn)廢物分區(qū)示意圖
3、配伍隊(duì)列生成
系統(tǒng)對(duì)在庫(kù)廢物已經(jīng)分區(qū)和排序完畢之后，即開(kāi)始生成配伍隊(duì)列。保證托盤隊(duì)列的熱值符合周期振蕩的排列順序，即可以保證入窯焚燒后窯內(nèi)溫度在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)；同時(shí)，每當(dāng)隊(duì)列有新托盤進(jìn)入，就將當(dāng)前隊(duì)列的平均污染因子與目標(biāo)比較并以此指導(dǎo)下次托盤選取，從而保證隊(duì)列的污染因子穩(wěn)定可控。下面描述圖1中②取料算法的詳細(xì)步驟。
1) 從L1區(qū)取隊(duì)列第一個(gè)無(wú)危險(xiǎn)性的廢物作為本次配伍方案隊(duì)列的第1位（本次隊(duì)列中熱值最低位），從H2區(qū)取隊(duì)列最后一個(gè)廢物作為本次配伍方案隊(duì)列的第5位（本次隊(duì)列中熱值最高位），這樣可以將庫(kù)存中熱值最極端的廢物先納入配伍計(jì)劃；
2) 第2、3、4、6、7、8位分別從L、M、H、H、M、L中選取。遵循以滿足熱值穩(wěn)定波動(dòng)的條件為主，污染因子平均值接近目標(biāo)允許范圍的條件為輔的控制方式。然后判斷隊(duì)列中廢物之間的相容性，如果不相容，則按順位取符合條件的下一個(gè)廢物進(jìn)行替換；
3) 第1-8個(gè)托盤形成配伍隊(duì)列的一個(gè)循環(huán)，并插入本次配伍總隊(duì)列末尾，按此順序入窯能較好地實(shí)現(xiàn)窯內(nèi)溫度在可控范圍內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)的目的；同時(shí)將該循環(huán)記入配伍，并將隊(duì)列中所有廢物參與到配伍的托盤個(gè)數(shù)從原托盤數(shù)中減去，若被減后廢物托盤個(gè)數(shù)變?yōu)?則將該廢物從分區(qū)中剔除；
4) 若分區(qū)L1、M1、H1區(qū)中不再有托盤數(shù)大于0的廢物，或者目前配伍形成的托盤隊(duì)列總重量已達(dá)配伍目標(biāo)總重允許誤差范圍內(nèi)（目標(biāo)總值*90%<配伍總重<目標(biāo)總重*110%），則停止配伍。（即圖1中的①分區(qū)條件）否則回到步驟1繼續(xù)下一個(gè)配伍循環(huán)。
4、相容性判斷
為了保證廢物入窯焚燒過(guò)程中的穩(wěn)定性，需要對(duì)配伍方案中的廢物進(jìn)行相容性判斷。上海電氣集團(tuán)股份有限公司下的子公司上海機(jī)電股份有限公司于2015年收購(gòu)了瑞士環(huán)球清潔技術(shù)有限公司，獲取了一張含將近70種不同化合物之間的兩兩相容性表格。圖4為該表格的部分截圖。
SEEN危廢運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)將該表格包含的相容性數(shù)據(jù)植入系統(tǒng)中，并在危廢信息錄入階段，為用戶提供危廢化合物種類選擇。這樣，在配伍計(jì)算過(guò)程中，系統(tǒng)即可通過(guò)與相容性表的比對(duì)，判斷配伍方案是否滿足相容性。
圖4 危廢化合物相容性表部分截圖
三、測(cè)試驗(yàn)證
以某
危廢焚燒處置企業(yè)的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了配伍算法的測(cè)試驗(yàn)證。
1、配伍目標(biāo)設(shè)置
通過(guò)SEEN平臺(tái)設(shè)置配伍目標(biāo)：總重15噸，熱值3000kcal/kg, 總氟范圍0-0.05%，總氯范圍0-3%。
2、配伍測(cè)試結(jié)果
通過(guò)SEEN平臺(tái)配伍約1.5秒后計(jì)算出配伍結(jié)果，并自動(dòng)生成出庫(kù)指令單，如圖5所示，配伍結(jié)果總重為14.369噸，平均熱值為2924.784kcal/kg，總氟平均含量為0.033%，總氯含量為2.901%。圖中廢物來(lái)源項(xiàng)由于涉及企業(yè)隱私，已隱去。
圖5 危險(xiǎn)廢物出庫(kù)指令單界面
同時(shí)，系統(tǒng)還生成了托盤的出庫(kù)投料順序表，如圖6所示。
圖6 托盤出庫(kù)投料順序表界面
3、結(jié)果分析
1) 配伍總重為目標(biāo)總重的95.793%，在允許誤差范圍內(nèi)；平均熱值為目標(biāo)熱值的97.493%，在允許誤差范圍內(nèi)；總氟和總氯含量均落在配伍目標(biāo)范圍內(nèi)，因此配伍結(jié)果滿足配伍目標(biāo)。
2) 按照此投料順序入坑焚燒，各托盤的熱值曲線如圖7所示。經(jīng)實(shí)際用戶驗(yàn)證，在焚燒過(guò)程中能保持窯內(nèi)溫度在可控范圍內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)，且污染元素含量排放在預(yù)測(cè)范圍內(nèi)，符合專業(yè)焚燒窯的工藝要求。
圖7 投料順序熱值波動(dòng)圖
4、總結(jié)
本配伍算法總體上是遵循以托盤為配伍基本單元，以滿足廢物相容性為前提，以配伍平均熱值靠近目標(biāo)熱值為主要條件，以污染元素不超過(guò)最大目標(biāo)范圍為副要條件的配伍方式。其特點(diǎn)為：
(1) 安全：通過(guò)廢物相容性數(shù)據(jù)對(duì)配伍方案進(jìn)行篩選，安全性得到保證；
(2) 穩(wěn)定可控：將廢物按托盤拆解進(jìn)行配伍，配伍顆粒度低，短時(shí)間內(nèi)窯內(nèi)溫度和污染元素排放情況穩(wěn)定可控，但由于需嚴(yán)格控制托盤的投料順序，因此僅適用于泵送進(jìn)料的方式；
(3) 計(jì)算便捷：一鍵計(jì)算出結(jié)果，用戶操作便捷，配伍計(jì)算周期短、效率高；
(4) 配伍條件低：考慮到焚燒處置企業(yè)實(shí)際庫(kù)存中不一定能全部滿足配伍目標(biāo)中的污染元素含量要求，我們的計(jì)算將所有參與配伍的元素綜合考慮為一個(gè)污染因子，因此配伍計(jì)算出結(jié)果的可能性高，即不易發(fā)生配不出結(jié)果的情況。而相應(yīng)地，由于本方法中所有參與配伍的元素僅歸結(jié)為一個(gè)污染因子變量，計(jì)算方式不夠精細(xì)，故配伍結(jié)果并不能保證嚴(yán)格滿足配伍目標(biāo)中的污染元素范圍，僅能盡量靠近配伍目標(biāo)。
四、結(jié)束語(yǔ)
有效的智能配伍應(yīng)有利于焚燒系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備、提升處置能力、污染物排放達(dá)標(biāo)、降低運(yùn)營(yíng)成本。在排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格的形勢(shì)下，為提升焚燒處置工藝的適用性，配伍將會(huì)逐漸成為廢焚燒處置行業(yè)的管控重點(diǎn)。而為了解放配伍人員、降低運(yùn)營(yíng)成本，危廢焚燒智能配伍必將逐步替代傳統(tǒng)的人工配伍。本文提出的配伍算法在庫(kù)存量充足的情況下，可以基本滿足配伍目標(biāo)的熱值和污染元素含量要求，且能保證焚燒窯況的穩(wěn)定，可以大幅提升焚燒處置企業(yè)的運(yùn)營(yíng)效率。我們也期待與更多的
危廢焚燒處置企業(yè)合作，并在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中逐步優(yōu)化完善我們的智能配伍算法。
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