馬 振, 萬 皓

(1.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院,上海200444;2.上海大學(xué)能源管理辦公室,上海200444)

中國是燃煤大國,煤炭在一次能源中仍占據(jù)較大比重.SO2是導(dǎo)致酸雨和光化學(xué)煙霧的重要因素,對大氣環(huán)境產(chǎn)生巨大威脅,87%的SO2來源于煤的燃燒[1],而SO2轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的酸霧等二次污染物具有更嚴(yán)重的危害[2].雖然近幾年SO2的排放量逐漸減少,但排放總量仍較高,預(yù)計到2020年,中國SO2排放量將達(dá)到21 Mt/a[3].國家對環(huán)境質(zhì)量的控制要求越來越嚴(yán)格,因此提高對煙氣中SO2的脫除效率仍是一項重要任務(wù)[4].20世紀(jì)70年代,意大利等國開始研究氨法脫硫工藝并相繼獲得成功.隨著合成氨工業(yè)的發(fā)展及氨法脫硫工藝的完善,氨法脫硫技術(shù)逐漸得到推廣[5].該方法以氨的水溶液為吸收劑脫除煙氣中的SO2,生成NH4HSO3和(NH4)2SO3混合液,因其脫硫效率高、副產(chǎn)品硫酸銨易于利用,而被廣泛應(yīng)用于燃煤過程的煙氣脫硫[6],可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益的和諧統(tǒng)一,是一種適應(yīng)中國國情、極具推廣價值的煙氣脫硫技術(shù).目前,氨法脫硫技術(shù)的相關(guān)研究有很多,但缺乏對脫硫過程的系統(tǒng)綜合評價.本工作利用層次分析法(analytic hierarchical process,AHP)-模糊評價法綜合風(fēng)險指標(biāo)體系對氨法脫硫過程進(jìn)行風(fēng)險評價,對氨法脫硫理論與實(shí)踐具有一定的參考價值.

1 綜合風(fēng)險評價方法

層次分析法(AHP)是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法.在環(huán)境科研實(shí)踐中,AHP已廣泛應(yīng)用于環(huán)境規(guī)劃[7]、化學(xué)品環(huán)境性能評價[8]等眾多領(lǐng)域.模糊綜合評價法又稱模糊決策法,是一種對含有大量難以定量化影響因素的評價對象的隸屬度進(jìn)行多因素綜合評判的方法.綜合風(fēng)險評價是一個復(fù)雜問題,評價結(jié)果受諸多因素的影響.眾多風(fēng)險評價方法間最主要的區(qū)別是評價因子權(quán)重的計算,合理的權(quán)重值能反映評價因子的實(shí)際貢獻(xiàn)及因子間的協(xié)同作用,僅用模糊綜合評價模型,很難對各個影響因素分配合理的權(quán)重[9].層次分析法則依據(jù)問題的性質(zhì)和目標(biāo)構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu),對各評價因子的重要性給予定量表示,用數(shù)學(xué)方法確定各評價因子的權(quán)重,較好地避免了脫硫過程評價的主觀隨意性[10].本工作采用的風(fēng)險評價體系結(jié)合了層次分析法和模糊評價法,通過分析總結(jié)氨法脫硫過程的風(fēng)險因素,建立層次遞階結(jié)構(gòu),求解各指標(biāo)的權(quán)重值,并結(jié)合專家投票結(jié)果構(gòu)建各級因素的模糊評價矩陣,按照構(gòu)建的評分集計算出各因素的風(fēng)險等級.AHP-模糊評價法的綜合評價模型構(gòu)建有以下幾步.

(1)針對構(gòu)成評價問題的目標(biāo)(準(zhǔn)則)及因素等,建立多級遞階結(jié)構(gòu)模型.一級評價因素集U=(U1,U2,···,Un),n為一級因素個數(shù);二級評價因素集u=(ui1,ui2,···,uim),m為二級因素個數(shù).以上一級因素集為準(zhǔn)則,對二級因素集u互相比較后構(gòu)建判斷矩陣?yán)锰卣飨蛄糠ɑ騇atlab軟件求得u的權(quán)重集元素Wik(k=1,2,···,m)表示二級因素集u中的各元素對因素集重要性的隸屬程度.

式中,λmax為矩陣P的最大特征值,n為矩陣P的階數(shù).λmax可用Matlab軟件計算.多階矩陣引進(jìn)判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)(random index,RI)[11]的分布如表1所示.

表1 判斷矩陣的RI值Table 1 RI values of judgment matrix

(3)將二級因素集u中的各影響因素劃分為5個等級,即為評價集5個等級的分值如表2所示.

表2 風(fēng)險等級評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Rating criteria of risk level

(4)采用專家投票法評分.針對所構(gòu)建的評價集,專家根據(jù)指標(biāo)的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)意義憑借經(jīng)驗(yàn)給出評價分值, 對各評價元素的隸屬度進(jìn)行投票,由此構(gòu)建二級因素集u的模糊判斷矩陣根據(jù)公

(5)系統(tǒng)評價量化值Vi(評價結(jié)果分值)為

式中,bj為評價對象對評價集合的隸屬度,vj為對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)分值.將矩陣代入式(2)中,即可計算出各一級因素的量化值

(6)構(gòu)建一級因素評價矩陣A,求出最大特征值λmax及權(quán)重集E.該一級判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)通過后,根據(jù)所求權(quán)重及各一級因素的得分值Vi,求得氨法脫硫過程的總風(fēng)險值Vtotal.

2 研究方法的應(yīng)用

本工作針對燃煤電廠煙氣氨法脫硫過程,在查閱相關(guān)文獻(xiàn)及對大量工程調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后構(gòu)建綜合風(fēng)險評價指標(biāo)體系,確定評價因子.一級風(fēng)險評價因素集包括技術(shù)風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險、安全風(fēng)險、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險、管理風(fēng)險.每個一級評價指標(biāo)又含有4個具體的分析對象,以構(gòu)建氨法脫硫綜合風(fēng)險評價體系.一級評價因素集U=(U1,U2,U3,U4,U5),即U=Ui的集合;二級評價因素集u=(ui1,ui2,ui3,ui4).

構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣,對每一層次因子的相對重要性用數(shù)值形式給出判斷,應(yīng)用Saaty的1～9標(biāo)度法來反映指標(biāo)間的相對重要性,標(biāo)度及其含義如表3所示.

表3 判斷矩陣比例標(biāo)度及其含義Table 3 Calibration and meaning of judgment matrix

根據(jù)對煙氣脫硫相關(guān)技術(shù)人員的問卷調(diào)查,結(jié)合以上判斷矩陣的比例標(biāo)度,構(gòu)造二級評價

利用Matlab軟件計算二級判斷矩陣的最大特征值及權(quán)向量,并檢驗(yàn)其一致性.計算結(jié)果如下:

由表4可見,二級判斷矩陣的一致性比率(consistency ratio,CR)值分別為0.093,0.012,0.024,0.076,0.078,均小于0.1.計算CR值,CR=CI/RI.當(dāng)CR＜0.1時,認(rèn)為判斷矩陣P滿足一致性;當(dāng)CR＞0.1時,需重新調(diào)整矩陣,因此判斷矩陣滿足一致性,所得權(quán)重系數(shù)合理.

表4 二級判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)Table 4 Consistency check of judgment matrix in second level

根據(jù)一級及二級評價因素,對氨法脫硫行業(yè)的專家進(jìn)行問卷調(diào)查,共計25份調(diào)查問卷,結(jié)果如表5所示.

表5 氨法脫硫過程綜合風(fēng)險評價結(jié)果Table 5 Results of comprehensive risk assessment of ammonia desulfurization

根據(jù)氨法脫硫?qū)＜覍Χ壷笜?biāo)的投票結(jié)果,可得二級風(fēng)險評價因素集u的模糊評價矩陣如下:

一級評價因素Ui的模糊評價矩陣為的模糊評價矩陣計算如下:

在系統(tǒng)評價中,根據(jù)式(2)可計算出5個一級因素的量化值Vi(i=1,2,3,4,5):

一級因素的判斷矩陣?yán)肕atlab軟件計算矩陣A的最大特征值λmax=5.068,權(quán)重集E=(0.509,0.780,0.180,0.296,0.110).檢驗(yàn)該一級判斷矩陣的一致性可知,CR=0.017＜0.1,滿足一致性檢驗(yàn).V為一級因素的評分集,則總量化分值為

由上述計算結(jié)果可知:氨法脫硫過程風(fēng)險總值為60.65,處于“較高”風(fēng)險等級,其中氨法脫硫技術(shù)方面的風(fēng)險值V2為68.57,面臨著“高”風(fēng)險;安全隱患、環(huán)境問題及工業(yè)管理方面的指標(biāo)為“較高”風(fēng)險等級;而經(jīng)濟(jì)效益為“較低”風(fēng)險等級,可見技術(shù)改進(jìn)仍是提高氨法脫硫效率的關(guān)鍵.

3 技術(shù)改進(jìn)措施

氨法脫硫的主體部分涉及吸收、濃縮、氧化等諸多化工單元操作,脫硫過程中的設(shè)備防腐、脫硫效率、煙氣二次污染、副產(chǎn)品的回收等方面技術(shù)需進(jìn)一步改進(jìn).氨法脫硫各操作單元之間關(guān)聯(lián)緊密,工藝系統(tǒng)相對復(fù)雜,在自動控制、運(yùn)行穩(wěn)定性方面也要加快優(yōu)化步伐[12].另外,需改造反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu),如串級式氨法脫硫塔、塔外氧化裝置等,增加SO2的吸收,提高脫硫效率.一些研究還將氨法脫硫與其他方法結(jié)合,優(yōu)勢互補(bǔ),以促進(jìn)脫硫反應(yīng),如等離子法結(jié)合氨法脫硫技術(shù)就能有效提高煙氣凈化效率[13].

在氨法脫硫過程中,煙氣脫硫塔內(nèi)液體中的NH3易蒸發(fā)造成逸氨量增加.減少氨逃逸的首要措施是設(shè)定足夠大的液氣比,可以在脫硫塔吸收段上方設(shè)置NH3回收段,在地面設(shè)置噴淋水罐和噴淋水泵.噴淋水泵從噴淋水罐下部抽取噴淋水送往氨回收段噴淋層,經(jīng)噴嘴均布噴淋后下落,與上升的脫硫后的煙氣逆流接觸,使煙氣中殘存的氨被噴淋水吸收[14].為避免氨法脫硫過程中生成氣溶膠,需要降低脫硫區(qū)域的氣相游離氨濃度.氨極易揮發(fā),所用脫硫循環(huán)噴淋液中游離氨的濃度要盡量低,以控制脫硫區(qū)域氣相空間游離氨的濃度.另外,在煙氣進(jìn)入脫硫區(qū)域前需要除去所含的SO3和酸霧[15],可在脫硫塔進(jìn)口煙道布置水噴淋設(shè)施,使煙氣中的SO3等強(qiáng)酸型氧化物在遇到NH3前優(yōu)先溶于水,阻斷形成氣溶膠的途徑.針對副產(chǎn)物(NH4)2SO3在脫硫塔內(nèi)難以充分氧化的問題,可采用塔外氧化裝置,將脫硫生成的(NH4)2SO3排入塔外的氧化槽,內(nèi)部布置氨水添加裝置,控制漿液的pH值,使(NH4)2SO3在氧化槽內(nèi)被氧化成(NH4)2SO4,從而有效提高副產(chǎn)物氧化率.

4 結(jié)束語

本工作針對煙氣氨法脫硫過程缺乏統(tǒng)一的評價指標(biāo)體系及評價過程中指標(biāo)難以量化的問題,提出結(jié)合層次分析法(AHP)和模糊評價法,構(gòu)建AHP-模糊評價法綜合風(fēng)險指標(biāo)體系,并對氨法脫硫過程進(jìn)行分析評價.評價結(jié)果與氨法脫硫行業(yè)實(shí)際情況較為符合,因此所提出的評價方法具有一定的參考價值.通過綜合風(fēng)險評價,得出了各指標(biāo)對該行業(yè)進(jìn)展的重要性,使決策者能更好地把握整個行業(yè)的發(fā)展方向,了解不同影響因素的重要性.另外,氨法脫硫過程需加強(qiáng)脫硫反應(yīng)與設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn),提高脫硫效率與副產(chǎn)物的回收率,加快自動控制、運(yùn)行穩(wěn)定性方面的優(yōu)化步伐,以進(jìn)一步擴(kuò)大其工業(yè)化應(yīng)用.

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