郝亮鈞,楚金旺,姚 心,龐 慧,3,陳 鑫

(1.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京100083;3.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,北京 100083)

0 引言

危險(xiǎn)廢物主要指具有腐蝕性、毒性、易燃性、反應(yīng)性或者感染性等一種或者幾種危險(xiǎn)特性的廢物[1]。對(duì)于危險(xiǎn)廢物處置不當(dāng),不僅會(huì)對(duì)人體健康造成直接危害,同時(shí)也會(huì)在自然環(huán)境中發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化,進(jìn)而對(duì)土壤、水體和大氣等生態(tài)環(huán)境造成污染。危廢經(jīng)過(guò)焚燒處置,除重金屬以外的其它有害成分可被充分分解和消滅,減量化效果顯著,同時(shí)焚燒產(chǎn)生的熱量可回收利用,用于供熱和發(fā)電,具有可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益[2-3]。

其中,危廢配伍是危廢進(jìn)入焚燒系統(tǒng)之前的必要操作過(guò)程,即結(jié)合各擬焚燒物料粒徑、熱值、水分、揮發(fā)分、硫氯含量、灰渣特性等物理及化學(xué)性質(zhì),實(shí)現(xiàn)不同物料燃燒特性的有效融合,使焚燒系統(tǒng)能夠持續(xù)、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

目前,關(guān)于危廢焚燒處置配伍方法的研究,主要集中于單個(gè)目標(biāo)最優(yōu),很少考慮多目標(biāo)同時(shí)最優(yōu)的情形,尤其是焚燒處置系統(tǒng)綜合處置量和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)[4-7]。2017年[8],重慶大學(xué)張宏良以重慶市某水泥廠(chǎng)為例建立了水泥窯替代燃料原料焚燒配伍模型,用于驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)配伍數(shù)據(jù)的合理性,但并未給出最優(yōu)配伍方案的求解方法；2018年[9],四川大學(xué)梁學(xué)棟等提出了一種危廢配伍方法,通過(guò)對(duì)焚燒指標(biāo)矩陣進(jìn)行求解計(jì)算,得到各種危廢的配伍權(quán)重,但并未表述配伍原則的控制途徑；2019年[10],光大環(huán)保技術(shù)研究院(南京)有限公司在考慮各配伍原則的基礎(chǔ)上,提出了一種以日處理量最大為目標(biāo)的配伍方法,而并未考慮經(jīng)濟(jì)效益最大。此外,缺乏關(guān)于多目標(biāo)最優(yōu)的配伍算法研究,使多目標(biāo)配伍方案的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施應(yīng)用存在困難。

為此,本文基于多目標(biāo)優(yōu)化方法,同時(shí)考慮綜合處置量和經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu),構(gòu)建了多目標(biāo)優(yōu)化的危廢配伍模型,并通過(guò)多目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)求解方法,獲得最優(yōu)配伍方案,不僅能夠保證危廢焚燒處置系統(tǒng)的最大運(yùn)行能力,同時(shí)能夠兼顧危廢處置企業(yè)的最大經(jīng)濟(jì)效益。

1 配伍模型的建立

1.1 配伍原則

在保證物料相容性的基本條件下,還需滿(mǎn)足以下兩個(gè)主要條件：

(1)保證合適的熱值。

通過(guò)配料將熱值控制在合適的范圍之內(nèi)。避免熱值過(guò)高,使窯內(nèi)溫度超過(guò)耐火材料能夠耐受的最高溫度,而造成的安全問(wèn)題；同時(shí),避免熱值過(guò)低,補(bǔ)充天然氣等其他輔助燃料,而增加的運(yùn)行成本。

(2)控制有害物質(zhì)占比。

控制酸性物質(zhì)、鹵化物、重金屬、堿金屬等有害物質(zhì)的占比,進(jìn)而控制產(chǎn)生煙氣的有害氣體含量,從而一方面避免對(duì)設(shè)備產(chǎn)生腐蝕損壞,另一方面保證滿(mǎn)足系統(tǒng)的凈化能力,煙氣能夠排放達(dá)標(biāo)。

1.2 配伍模型

假定現(xiàn)有n種廢物進(jìn)入焚燒系統(tǒng)協(xié)同處置,其中a1,j、a2,j、a3,j、a4,j、a5,j、a6,j、a7,j、a8,j、a9,j、a10,j、a11,j、a12,j、a13,j、a14,j、a15,j、a16,j分別表示第j(1≤j≤n,且j為整數(shù))種廢物中的有機(jī)碳含量(質(zhì)量%)、無(wú)機(jī)碳含量(質(zhì)量%)、H含量(質(zhì)量%)、O含量(質(zhì)量%)、N含量(質(zhì)量%)、P含量(質(zhì)量%)、S含量(質(zhì)量%)、Cl含量(質(zhì)量%)、F含量(質(zhì)量%)、重金屬含量(ppm)、堿金屬含量(ppm)、H2O含量(質(zhì)量%)、熱值(kcal/kg)、處置量(kg/盤(pán))、處置成本(元/盤(pán))、經(jīng)濟(jì)效益(元/盤(pán))；bi和ci分別表示處置系統(tǒng)對(duì)第i(1≤i≤16,且i為整數(shù))個(gè)指標(biāo)處置能力的下限值和上限值,如果下限值不存在,則取bi=-∞,如果上限值不存在,則取ci=∞；dj表示第j中廢物的庫(kù)存量(盤(pán))。構(gòu)建相關(guān)指標(biāo)參數(shù)矩陣：

設(shè)xj為第j種廢物的處置量,可知,xj為大于零的正數(shù)。令：

則入窯處置廢物中,有機(jī)碳的總含量為a1,1x1+a1,2x2+…+a1,nxn,表示成矩陣形式為a1,：x,根據(jù)廢物配伍原則,需滿(mǎn)足約束不等式b1≤a1,：x≤c1。同樣地,可得第i個(gè)項(xiàng)目需滿(mǎn)足的約束不等式為bi≤ai,：x≤ci,其中,ai,：=[ai,1,ai,2,…,ai,n],表示矩陣A中第i行元素,即各廢物關(guān)于第i個(gè)指標(biāo)的數(shù)值。焚燒配伍滿(mǎn)足的約束條件為：

另一方面,各廢物的處置量不應(yīng)該超過(guò)各廢物目前的庫(kù)存量,即xj≤di。則廢物處置量滿(mǎn)足的約束條件為：

實(shí)施上述配伍規(guī)則,處置系統(tǒng)單次綜合處置量、單次運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益分別為：

表示成矩陣形式為：

由此建立處置系統(tǒng)單次運(yùn)行綜合處置量最大,且濟(jì)效益最大的配伍模型為：

2 配伍模型的求解

引入剩余變量和松弛變量,將配伍模型(8)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)型：

其中,xb為n維剩余變量：

xc和xd為n維松弛變量。

利用專(zhuān)家打分法或加權(quán)因子分解法等,確定各個(gè)目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù),保證著重考慮的模型目標(biāo)具有較大權(quán)重,設(shè)wk為第k個(gè)模型目標(biāo)的權(quán)重。依據(jù)不同模型目標(biāo)的權(quán)重系數(shù),將多目標(biāo)模型轉(zhuǎn)換為新的單目標(biāo)加權(quán)模型：

新的目標(biāo)模型為單目標(biāo)規(guī)劃模型,求解可得整個(gè)模型的最優(yōu)解。

3 案例分析

以某危廢處理廠(chǎng)為例,假設(shè)有4種物料,配伍物料和處置系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)參數(shù),如表1所示。

表1 配伍物料和處置系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)

設(shè)xj為第j(j=1,2,3,4)種廢物的處置量,建立焚燒系統(tǒng)綜合處置量和經(jīng)濟(jì)效益最大的配伍模型,求解可得不同權(quán)重分配下的配伍方案,如表2所示。

表2 不同目標(biāo)權(quán)重下的配伍方案

4 結(jié)論

基于多目標(biāo)優(yōu)化方法和加權(quán)求解算法,得到了兼顧處置系統(tǒng)最大運(yùn)行能力和處置企業(yè)最大經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)配伍方案,不僅能夠滿(mǎn)足焚燒處置系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,而且可以為企業(yè)在不同生產(chǎn)負(fù)荷和不同市場(chǎng)環(huán)境下提供最佳的配伍方案。