CN115310628B - 基于有机固废特性数据的资源化复配利用的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固体废弃物资源化利用领域，旨在提供一种基于有机固废特性数据的资源化复配利用的方法及系统。该方法包括：根据拟制备的复配体化学组分范围，筛选并计算有机固废单体的配比关系；根据应用需求初筛后选择其热分析曲线转化为二值图像；基于图像获取热分析曲线位置信息和数据标尺，并形成热分析曲线解析数据集；进行复配计算并得到热分析曲线复配数据集，计算其动力学参数；然后根据实际要求结合储量与成本，对预测结果进行判断和筛选，进行复配体的制备。本发明结合固废资源化路线、特性数据管理系统和有机固废的复配原理进行特性调控，从数据层面获得预测原材料集合，能极大减少前期工程实验工作量和研究周期。

Description

基于有机固废特性数据的资源化复配利用的方法及系统

技术领域

本发明涉及固体废弃物资源化利用领域，尤其涉及一种基于有机固废特性数据的资源化复配利用的方法及系统。

背景技术

固废综合利用是构建低碳循环经济的重要组成部分，是助力碳达峰、实现碳中和的重要支撑，所以如何实现有机固废绿色、高效、高值、规模化利用，是有机固体废弃物处置行业的当务之急。

有机固废具有资源属性，在资源化利用中已经在多方面得以实现，主要有建材化、原材料替代、新产品研发、改良土壤和生产化肥等。复配是有机固废资源化利用过程中的常用方法，但是有机固废种类众多，特性复杂，不同种类有机固废特性差异大，以往的手段开展实验，存在时间长、效率低等问题。

目前针对有机固废系统的开发基本集中在监管方面，以资源化利用为导向的有机固废复配资源化利用仍显不足。主要体现在调参智能化程度低、系统涵盖面不足、资源化导向性不足、有关复配特性调控与智能预测缺乏，从而极大增加了有机固废资源化利用过程中的工程实验工作量和研究周期。

因此，需要提出一种有机固废复配资源化利用智能方法及系统，去有效降低有机固废资源化利用过程中的成本和研究时长。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于有机固废特性数据的资源化复配利用的方法及系统。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于有机固废特性数据的资源化复配利用的方法，包括以下步骤：

(1)针对各类有机固废所含的单体组分进行理化特性分析，对分析所得结果进行整理并建立数据库，数据库中的数据至少包括各种单体组分的化学成分和热分析曲线；

(2)根据拟制备的复配体化学组分范围，从数据库中筛选出适合的有机固废单体，并计算其复配配比关系；

(3)根据复配体的应用需求，对步骤(2)中的有机固废单体和配比进行初步筛选，更替不符要求的单体组分选项；

(4)根据初步筛选后的单体组分，选择相应的热分析曲线并转化为二值图像；

(5)对热分析曲线的二值图像进行处理，获取热分析曲线位置信息和数据标尺，并形成热分析曲线解析数据集；

(6)基于步骤(2)中获得的复配配比关系和步骤(5)中的热分析曲线解析数据集，进行复配计算并得到热分析曲线复配数据集；

(7)对热分析曲线复配数据集进行动力学分析，计算其动力学参数；然后根据实际所需的复配体热稳定性、燃烧性能的要求，结合有机固废单体的储量与获取成本，对用于复配的多个有机固废单体组分配比的预测结果进行判断和筛选；

(8)通过可视化交互界面输出最终的预测结果，并根据该预测结果进行复配体的制备。

作为本发明的优选方案，步骤(2)中所述复配配比关系如下：

式中，X，Y，...，Z表示复配体的化学成分，是范围值或确定值；X₁，....，X_n，Y₁，....，Y_n，Z₁，....，Z_n表示不同单体组分对应的化学成分(特性)，a₁，a₂，...，a_n表示对应配比(参数)。

作为本发明的优选方案，步骤(3)中所述复配配比关系如下：进行初步筛选时，各类特性特征相应的国家标准中所规定的标准作为筛选依据；如某有机固废单体组分的数据指标不符合国家标准的规定，则应剔除并以后备选项更替后重新进行复配计算。

作为本发明的优选方案，步骤(5)中对热分析曲线的二值图像进行处理的过程包括：截取图像矩阵，删去除曲线之外的无用像素，获取基于图像矩阵的热分析曲线位置信息，然后依据热分析曲线的坐标值给定数据标尺。

作为本发明的优选方案，步骤(6)中按下式进行复配计算：

a₁A₁+a₂A₂+a₃A₃+...+a_nA_n→A

式中，a₁，a₂，...，a_n表示对应配比(参数)，A₁，A₂，...，A_n为各有机固废单体组分的热分析曲线解析数据，A为复配体的热分析曲线数据。

作为本发明的优选方案，步骤(7)中，采用高斯多峰拟合以及Coats-Redfern方法对热分析曲线复配数据集进行动力学分析，计算其动力学参数。

作为本发明的优选方案，步骤(7)中，对于判断符合要求的计算结果进行统计分析，根据实际应用场景对复配体热稳定性、燃烧性能的要求，结合有机固废单体的储量与获取成本，筛选出性能最优的预测结果。

作为本发明的优选方案，所述有机固废包括粉煤灰、煤矸石、污泥、赤泥、垃圾焚烧灰渣、污染土壤、矿化垃圾、铝灰、电石渣、脱硫石膏这10类有机固废。

本发明进一步提供了基于有机固废特性数据的资源化复配利用的系统，其特征在于，包括处理器，适于实现各指令；以及存储设备，适于存储多条指令，所述指令适用于由处理器加载并执行前述的方法；该系统还包括以计算机程序的形式实现的特性数据管理系统以及特性调控与智能预测系统；前者包括数据采集模块和特性数据管理模块，其中数据采集模块用于采集各类有机固废所含的单体组分的理化特性数据，特性数据管理模块用于存储包含特性数据的数据库；特性调控与智能预测系统基于数据库中的特性数据，实现前述步骤(2)至(8)的复配计算、筛选与结果输出的内容。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明提供的特性数据管理系统，着眼于机固废特性数据标准化、系统化管理，方便研究人员或相关机构根据有机固废特性对有机固体废物进行管理和处置；

2.本发明提供的预测方法，结合固废资源化路线、特性数据管理系统和有机固废的复配原理进行特性调控，仅从数据层面获得了预测原材料集合，极大的减少有机固废资源化利用过程中的前期工程实验工作量和研究周期；

3、本发明通能够实现有机固废特性数据系统化、智能化管理和应用，可以有效减小工程实验工作量，提高资源化利用效率，为有机固废资源化利用工程发展提供设计思路和理论基础。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明实现流程示意图。

具体实施方式

首先需要说明的是，本发明涉及数据库技术，是计算机技术在信息安全技术领域的一种应用。在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。前述软件功能模块包括但不限于：特性数据管理系统、特性调控与智能预测系统、数据采集模块、特性数据管理模块等，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统的一部分及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明提供的基于热分析特性的有机固废资源化复配的利用系统，包括处理器，适于实现各指令；以及存储设备，适于存储多条指令，所述指令适用于由处理器加载并执行本发明所述方法。其中，有机固废复配资源化利用智能方法及系统100还包括以计算机程序形式实现的特性数据管理系统200和特性调控与智能预测系统210。

特性数据管理系统200包括数据采集模块201、特性数据管理模块202，其中数据采集模块201采集各类有机固废的特性数据并上传至特性数据管理模块202中；特性数据管理模块202包含记录有机固废特性的数据库。将来自数据采集模块201的有机固废特性数据储存在有机固废特性数据库中，可以对数据进行增删改查、导入、导出以及相关的计算。特性调控与智能预测系统210基于数据库中的特性数据，实现复配计算、筛选与结果输出的内容。

示例性地，有机固废包括粉煤灰、煤矸石、污泥、赤泥、垃圾焚烧灰渣、污染土壤、矿化垃圾、铝灰、电石渣、脱硫石膏这10类有机固废。相应地，数据库中可以包括：有机固废基本信息、有机固废特性、热力学特征分析、微观结构分析、特性测试结果。其中有机固废基本信息包含但不限于样品名称、类别、来源、危险特性；有机固废特性包含但不限于氧化物分析结果、工业分析结果、基本物理特性分析结果、元素分析结果、有机污染物分析结果、重金属分析结果；热力学特征分析包括但不限于热重分析结果；微观结构分析包括但不限于XRD分析结果、扫描电镜结果；特性测试结果包含但不限于强度特征、吸附特性。

例如，氧化物分析结果包含但不限于SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃、TiO₂、CaO、MgO、Na₂O、K₂0、SO3、P₂O₅；工业分析结果包含但不限于水分、灰分、挥发分、固定碳、干基高位发热量、湿基低位发热量；基本物理特性分析结果包含但不限于容重、密度、堆积密度、比表面积、平均粒径、硬度、碳氢比、粒径分布、孔径分布；元素分析结果包含但不限于O、C、S、F、Cl、Br、Si、P、Al、Ca、Mg、Na、K、Fe；有机污染物分析结果包含但不限于PAHs、二噁英、CPs；重金属分析结果包含但不限于Cu、Zn、Pb、Ni、Cd、Cr、As、Se、Hg、Mn。

基于数据库中的有机固废特性数据，特性调控与智能预测系统210实现有机固废资源化利用过程中的复配计算、筛选与结果输出。

本发明中，基于有机固废特性数据的资源化复配利用的方法的流程如图2所示，具体步骤为：

步骤1，针对各类有机固废所含的单体组分进行理化特性分析，对分析所得结果进行整理并建立数据库，数据库中的数据至少包括各种单体组分的化学成分和热分析曲线；还可以进一步包括前述列举的各类特性数据。

步骤2，根据拟制备的复配体化学组分范围，从数据库中筛选出适合的有机固废单体，并计算其复配配比关系；

以制备烧结陶粒为例，制备烧结陶粒复配体化学成分适宜范围为SiO₂(45～65)、Al₂O₃(18～32)、Fe₂O₃(6～12)、Ca0+MgO(4～8)、K₂O+Na₂O(1.5～5)，根据烧结陶粒复配体化学成分适宜范围从有机固废特性数据库中进行筛选，得到可以复配出烧结陶粒复配体的有机固废单体和对应配比，复配配比关系如下：

式中，X，Y，...，Z表示步骤1中烧结陶粒的化学成分，X1，....，X_n，Y₁，....，Y_n，Z₁，....，Z_n表示不同有机固废单体对应的化学成分(特性)，a₁，a₂，...，a_n表示对应配比(参数)。

步骤3，根据复配体的应用需求，对步骤(2)中的有机固废单体和配比进行初步筛选，更替不符要求的单体组分选项；具体是以各类特性特征相应的国家标准中所规定的标准作为筛选依据，如某有机固废单体组分的数据指标不符合国家标准的规定，则应剔除并以后备选项更替后重新进行复配计算。

例如，可以根据数据库中污染特性、有机污染物分析、重金属分析结果等特性数据剔除掉不符合国家标准的有机固废单体和配比组合。

步骤4，根据来自步骤3中的有机固废单体和对应配比，选择对应有机固废单体中的热分析曲线，将所选的热分析曲线转化为二值图像；

步骤5，对来自步骤3中的热分析曲线二值图像进行预处理，获取热分析曲线位置信息和数据标尺，并形成热分析曲线解析数据集；

具体步骤为，截取图像矩阵，剔除掉无用像素(标注等，只留下曲线)，获取热分析曲线位置信息(基于图像矩阵上的位置)，然后给定数据标尺(数据标尺的给定依据热分析曲线的坐标值)。

步骤6，基于步骤2中获得的复配配比关系和步骤5中的热分析曲线解析数据集，进行复配计算并得到热分析曲线复配数据集；具体按下式进行复配计算：

a₁A₁+a₂A₂+a₃A₃+...+a_nA_n→A

式中，a₁，a₂，...，a_n表示对应配比(参数)，A₁，A₂，...，A_n为各有机固废单体组分的热分析曲线解析数据，A为复配体的热分析曲线数据。

步骤7，对热分析曲线复配数据集进行动力学分析，计算其动力学参数；然后对用于复配的多个有机固废单体组分配比的预测结果进行判断和筛选；

示例地，采用高斯多峰拟合以及Coats-Redfern方法对热分析曲线复配数据集进行动力学分析，计算其动力学参数。对于判断符合要求的计算结果进行统计分析，根据实际应用场景对复配体热稳定性、燃烧性能的要求，结合有机固废单体的储量与获取成本，筛选出性能最优的预测结果。高斯多峰拟合以及Coats-Redfern法作为常用的热重动力学分析工具，这里不做过多赘述。

步骤8，通过可视化交互界面输出最终的预测结果，并根据该预测结果进行复配体的制备。

Claims (3)

1.一种基于有机固废特性数据的资源化复配利用的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)针对各类有机固废所含的单体组分进行理化特性分析，对分析所得结果进行整理并建立数据库，数据库中的数据至少包括各种单体组分的化学成分和热分析曲线；

(2)根据拟制备的复配体化学组分范围，从数据库中筛选出适合的有机固废单体，并计算其复配配比关系；所述复配配比关系如下：

式中，X,Y,..Z表示复配体的化学成分，是范围值或确定值；X₁,....,X_n,Y₁,....,Y_n,Z₁,....,Z_n表示不同单体组分对应的化学成分，a₁,a₂,...,a_n表示对应配比；

(3)根据复配体的应用需求，对步骤(2)中的有机固废单体和配比进行初步筛选，更替不符要求的单体组分选项；

进行初步筛选时，各类特性特征相应的国家标准中所规定的标准作为筛选依据；如某有机固废单体组分的数据指标不符合国家标准的规定，则应剔除并以后备选项更替后重新进行复配计算；

(4)根据初步筛选后的单体组分，选择相应的热分析曲线并转化为二值图像；

(5)对热分析曲线的二值图像进行处理，获取热分析曲线位置信息和数据标尺，并形成热分析曲线解析数据集；

处理的过程包括：截取图像矩阵，删去除曲线之外的无用像素，获取基于图像矩阵的热分析曲线位置信息，然后依据热分析曲线的坐标值给定数据标尺；

(6)基于步骤(2)中获得的复配配比关系和步骤(5)中的热分析曲线解析数据集，按下式进行复配计算并得到热分析曲线复配数据集：

a₁A₁+a₂A₂+a₃A₃+...+a_nA_n→A

式中，a₁,a₂,...,a_n表示对应配比，A₁,A₂,...,A_n为各有机固废单体组分的热分析曲线解析数据，A为复配体的热分析曲线数据；

(7)采用高斯多峰拟合以及Coats-Redfern方法对热分析曲线复配数据集进行动力学分析，计算其动力学参数；然后根据实际所需的复配体热稳定性、燃烧性能的要求，结合有机固废单体的储量与获取成本，对用于复配的多个有机固废单体组分配比的预测结果进行判断和筛选；对于判断符合要求的计算结果进行统计分析，根据实际应用场景对复配体热稳定性、燃烧性能的要求，结合有机固废单体的储量与获取成本，筛选出性能最优的预测结果；

(8)通过可视化交互界面输出最终的预测结果，并根据该预测结果进行复配体的制备。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机固废包括粉煤灰、煤矸石、污泥、赤泥、垃圾焚烧灰渣、污染土壤、矿化垃圾、铝灰、电石渣、脱硫石膏这10类有机固废。

3.一种基于有机固废特性数据的资源化复配利用的系统，其特征在于，包括处理器，适于实现各指令；以及存储设备，适于存储多条指令，所述指令适用于由处理器加载并执行权利要求1所述的方法；

该系统还包括以计算机程序形式实现的特性数据管理系统以及特性调控与智能预测系统；前者包括数据采集模块和特性数据管理模块，其中数据采集模块用于采集各类有机固废所含的单体组分的理化特性数据，特性数据管理模块用于存储包含特性数据的数据库；特性调控与智能预测系统基于数据库中的特性数据，实现权利要求1中步骤(2)至(8)的复配计算、筛选与结果输出的内容。