基于多目標優化的危廢焚燒配伍模型研究

郝亮鈞,楚金旺,姚 心,龐 慧,3,陳 鑫

(1.中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038;2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院,北京100083;3.北京科技大學 機械工程學院,北京 100083)

0 引言

危險廢物主要指具有腐蝕性、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廢物[1]。對于危險廢物處置不當,不僅會對人體健康造成直接危害,同時也會在自然環境中發生遷移轉化,進而對土壤、水體和大氣等生態環境造成污染。危廢經過焚燒處置,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,同時焚燒產生的熱量可回收利用,用于供熱和發電,具有可觀的經濟效益[2-3]。

其中,危廢配伍是危廢進入焚燒系統之前的必要操作過程,即結合各擬焚燒物料粒徑、熱值、水分、揮發分、硫氯含量、灰渣特性等物理及化學性質,實現不同物料燃燒特性的有效融合,使焚燒系統能夠持續、穩定、經濟運行。

目前,關于危廢焚燒處置配伍方法的研究,主要集中于單個目標最優,很少考慮多目標同時最優的情形,尤其是焚燒處置系統綜合處置量和企業經濟效益同時達到最優的狀態[4-7]。2017年[8],重慶大學張宏良以重慶市某水泥廠為例建立了水泥窯替代燃料原料焚燒配伍模型,用于驗證現場配伍數據的合理性,但并未給出最優配伍方案的求解方法；2018年[9],四川大學梁學棟等提出了一種危廢配伍方法,通過對焚燒指標矩陣進行求解計算,得到各種危廢的配伍權重,但并未表述配伍原則的控制途徑；2019年[10],光大環保技術研究院(南京)有限公司在考慮各配伍原則的基礎上,提出了一種以日處理量最大為目標的配伍方法,而并未考慮經濟效益最大。此外,缺乏關于多目標最優的配伍算法研究,使多目標配伍方案的現場實施應用存在困難。

為此,本文基于多目標優化方法,同時考慮綜合處置量和經濟效益最優,構建了多目標優化的危廢配伍模型,并通過多目標函數的加權求解方法,獲得最優配伍方案,不僅能夠保證危廢焚燒處置系統的最大運行能力,同時能夠兼顧危廢處置企業的最大經濟效益。

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,還需滿足以下兩個主要條件：

(1)保證合適的熱值。

通過配料將熱值控制在合適的范圍之內。避免熱值過高,使窯內溫度超過耐火材料能夠耐受的最高溫度,而造成的安全問題；同時,避免熱值過低,補充天然氣等其他輔助燃料,而增加的運行成本。

(2)控制有害物質占比。

控制酸性物質、鹵化物、重金屬、堿金屬等有害物質的占比,進而控制產生煙氣的有害氣體含量,從而一方面避免對設備產生腐蝕損壞,另一方面保證滿足系統的凈化能力,煙氣能夠排放達標。

1.2 配伍模型

假定現有n種廢物進入焚燒系統協同處置,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)種廢物中的有機碳含量(質量%)、無機碳含量(質量%)、H含量(質量%)、O含量(質量%)、N含量(質量%)、P含量(質量%)、S含量(質量%)、Cl含量(質量%)、F含量(質量%)、重金屬含量(ppm)、堿金屬含量(ppm)、H2O含量(質量%)、熱值(kcal/kg)、處置量(kg/盤)、處置成本(元/盤)、經濟效益(元/盤)；bi和ci分別表示處置系統對第i(1≤i≤16,且i為整數)個指標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中廢物的庫存量(盤)。構建相關指標參數矩陣：

設xj為第j種廢物的處置量,可知,xj為大于零的正數。令：

則入窯處置廢物中,有機碳的總含量為a1,1x1+a1,2x2+…+a1,nxn,表示成矩陣形式為a1,：x,根據廢物配伍原則,需滿足約束不等式b1≤a1,：x≤c1。同樣地,可得第i個項目需滿足的約束不等式為bi≤ai,：x≤ci,其中,ai,：=[ai,1,ai,2,…,ai,n],表示矩陣A中第i行元素,即各廢物關于第i個指標的數值。焚燒配伍滿足的約束條件為：

另一方面,各廢物的處置量不應該超過各廢物目前的庫存量,即xj≤di。則廢物處置量滿足的約束條件為：

實施上述配伍規則,處置系統單次綜合處置量、單次運行的經濟效益分別為：

表示成矩陣形式為：

由此建立處置系統單次運行綜合處置量最大,且濟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)轉化為標準型：

其中,xb為n維剩余變量：

xc和xd為n維松弛變量。

利用專家打分法或加權因子分解法等,確定各個目標函數的權重系數,保證著重考慮的模型目標具有較大權重,設wk為第k個模型目標的權重。依據不同模型目標的權重系數,將多目標模型轉換為新的單目標加權模型：

新的目標模型為單目標規劃模型,求解可得整個模型的最優解。

3 案例分析

以某危廢處理廠為例,假設有4種物料,配伍物料和處置系統的相關指標參數,如表1所示。

表1 配伍物料和處置系統的相關指標參數

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

表2 不同目標權重下的配伍方案

4 結論

基于多目標優化方法和加權求解算法,得到了兼顧處置系統最大運行能力和處置企業最大經濟效益的最優配伍方案,不僅能夠滿足焚燒處置系統的持續穩定運行,而且可以為企業在不同生產負荷和不同市場環境下提供最佳的配伍方案。