燃煤煙氣脫氮技術(shù)的模糊綜合評價

劉志強

(山西省環(huán)境應急中心，山西 太原 030006)

引 言

氮氧化物是大氣中的主要污染物之一，是衡量大氣污染的重要指標之一。氮氧化物與空氣中的水結(jié)合會轉(zhuǎn)化成硝酸和硝酸鹽。硝酸是酸雨的成因之一，它與其他污染物在一定條件下能產(chǎn)生光化學煙霧污染。按照作用原理的不同，煙氣脫氮技術(shù)可分為催化還原、吸收和吸附3大類。因為氮氧化物缺乏化學活性，難以被水溶液吸收，因此，干法脫氮目前占主流地位，且主要為選擇性催化還原法和選擇性非催化還原法。由于現(xiàn)有的選擇性催化還原法煙氣脫氮技術(shù)的催化劑和使用周期問題使原有技術(shù)不能滿足目前排放控制的要求，因此，電子束法、濕式吸收法、吸附法等控制氮氧化物的技術(shù)成為新的研究趨勢［1，2］。

燃煤煙氣脫氮涉及技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境保護等多種因素，并且不同技術(shù)各具特點，因此，使脫氮技術(shù)評價指標中存在確定和不確定因素以及定量和定性等因素，從而使脫氮技術(shù)的評價存在較大的困難。本文在對5種燃煤煙氣脫氮技術(shù)進行綜合性能分析的基礎(chǔ)上，建立了燃煤煙氣脫氮技術(shù)綜合性能評價的多級模糊數(shù)學模型，將模糊數(shù)學綜合評價法應用于脫氮技術(shù)評價體系中，并對5種燃煤煙氣脫氮技術(shù)進行評價，得出最佳脫氮技術(shù)方案。

1 研究方法

1.1 建立模糊數(shù)學評價模型

1)確定評價對象(評價方案)集X={x1，x2…，xn};2)確定評價因素集 U={u1，u2，…，um};3)根據(jù)評價因素集U中各評價因素(ui)在綜合評價中所起的作用大小，確定權(quán)數(shù)集 A={a1，a2，a3，…，am};4)引入“不符合度”的隸屬函數(shù)，求取不符合度值{取值在［0，1］}。

1.2 模糊綜合評價

模糊綜合評價是在模糊集合理論的基礎(chǔ)上，將評價目標的評價矩陣和評價目標的模糊矩陣合成運算融合為一體的評價方法。它以評價矩陣的建立為基礎(chǔ)，通過德爾斐法對模糊環(huán)境中的模糊信息定量化，并通過該模糊矩陣的合成計算，將定量化的無序原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成有序的、規(guī)律性的數(shù)據(jù)，以完成綜合評價。

建立評價因素集模糊矩陣和評價矩陣，將評價目標的因素按屬性分成不同的級別，把不同級別的因素組成評價目標因素集，在此基礎(chǔ)上進行綜合評價。評價矩陣和重要程度的模糊集合矩陣的合成與線性代數(shù)的矩陣乘法有所不同，按照不同模糊合成方法的需要，既可以同線性代數(shù)的普通矩陣相乘進行運算，又可以將普通矩陣運算中的乘法換為最小運算或者最大運算，而加法運算轉(zhuǎn)換為相對應的最大運算和最小運算［3，4］。

2 煙氣脫氮技術(shù)的綜合性能分析

2.1 評價指標和脫氮技術(shù)類型的選擇

本文確定的燃煤煙氣脫氮技術(shù)綜合評價指標可以分為3類，即經(jīng)濟性指標、技術(shù)性指標和環(huán)境保護指標，包括脫氮效率、氨氮比、工藝流程、吸收利用率、吸收劑獲得與處理、脫氮副產(chǎn)物、負面影響、電耗占總用電量的比例、占地面積、技術(shù)成熟度、脫氮投資占燃煤設備總投資額比例、脫氮成本、副產(chǎn)品效益。

燃煤煙氣脫氮技術(shù)種類較多，本文選擇5種具有代表性的燃煤煙氣脫氮技術(shù)，分別為選擇性催化還原法、選擇性非催化還原法、吸附法、電子束法、氧化吸收法［5-7］。

2.2 綜合性能分析

5種燃煤煙氣脫氮技術(shù)的綜合性能分析如表1所示。

表1 燃煤煙氣脫氮技術(shù)綜合性能分析

3 建立模糊數(shù)學評價模型

根據(jù)燃煤煙氣脫氮技術(shù)的各評價因素的指標值和各技術(shù)在各因素方面能提供的指標值，統(tǒng)一用不符合度來處理，建立U×X的模糊矩陣R，R=(rij)，rij表示第j種評價對象對于第i種因素的不符合度的隸屬值。求對各種方案的綜合評價向量B，B=AοR，B=(b1，b2，…，bj)，bj為對第 j種方案綜合評價的不符合度值。

3.1 確定評價因子集

根據(jù)上述評價指標體系確定如下因素集:

U={U1，U2，U3}={環(huán)境性能集，經(jīng)濟性能集，技術(shù)性能集}。其中，U1={u11，u12}={脫氮效率，氨氮比};U2={u21，u22，u23}={煙氣脫氮投資占總投資的比例，單位脫氮成本，副產(chǎn)品收益};U3={u31，u32，u33，u34，u35，u36，u37}={工藝成熟度，技術(shù)復雜程度，吸收劑，系統(tǒng)升級性能，系統(tǒng)運行的影響，副產(chǎn)物處理，占地面積}。

3.2 確定隸屬函數(shù)

按照簡單實用的原則確定隸屬函數(shù)。

3.2.1 環(huán)境特性

1)脫氮效率。按照一般脫氮技術(shù)確定脫氮效率的約束條件為25%≤X%≤100%，采用線性隸屬函數(shù)，即式(1)。

2)氨氮比。氨氮比隸屬函數(shù)為式(2)。

3.2.2 經(jīng)濟特性

1)投資所占比例。脫氮系統(tǒng)投資占燃煤設備總投資比介于5% ～20%，該比例可以用降半梯形隸屬函數(shù)表達，即式(3)。

2)單位脫氮成本。將單位脫氮成本小于500元/t的NOx脫除視為低成本，大于2 000元/t的NOx脫除視為高成本，隸屬度可以用降半梯形分布來描述，即式(4)。

3)副產(chǎn)品收益。以脫除每噸NOx的副產(chǎn)品收入與單位脫氮成本的比值表示。

3.2.3 技術(shù)特性

1)工藝成熟度。將工藝成熟度按照小試、中試、工業(yè)示范、工業(yè)應用、商業(yè)化分為5個不同的階段，分別定為0級～5級，如表2所示。

表2 工藝成熟度分級

用隸屬函數(shù)表達為式(5)。

2)技術(shù)復雜程度。將流程復雜程度按簡單、較簡單、中等、較復雜、復雜分為5級(如表3所示)，用隸屬函數(shù)表達為式(6)。

表3 技術(shù)復雜程度分級

3)吸收劑。綜合吸收劑的可獲得性、易處理性和利用率，得到各工藝吸收劑的隸屬度，如表4所示。

表4 各類技術(shù)使用吸收劑的隸屬函數(shù)

4)系統(tǒng)升級性能。將系統(tǒng)升級性能分為差、較差、中、較好、好5級，如表5所示。

表5 系統(tǒng)升級和擴充性能分級

用隸屬函數(shù)表達為式(7)。

5)脫氮系統(tǒng)對燃煤設備運行的影響。將脫氮系統(tǒng)運行后對燃煤設備運行的影響分為5級，如表6所示。

表6 脫氮系統(tǒng)對燃煤設備運行的影響分級

用隸屬函數(shù)表達為式(8)。

6)副產(chǎn)品處理。脫氮副產(chǎn)品是否可以經(jīng)加工完成綜合利用和資源化，會受到技術(shù)、經(jīng)濟、市場等多種因素的制約，不確定性很大，按照差、較差、中、較好、好5級情況分級，如表7所示。

表7 副產(chǎn)品資源化的性能分析

用隸屬函數(shù)表達為式(9)。

7)占地面積。占地面積的約束條件(對于300 MW機組)為1 000 m2≤X≤8 000 m2，其隸屬函數(shù)為式(10)。

利用表1中數(shù)據(jù)，根據(jù)上述隸屬函數(shù)計算，得到各類技術(shù)對應具體指標的隸屬度，如第49頁表8所示。

表8 各指標因素的隸屬度

4 模糊綜合評價

4.1 初級評價

1)環(huán)境性能評價。結(jié)合專家意見和脫氮的實際，建立權(quán)數(shù)向量矩陣 A1={0.7，0.3}，進行模糊線性加權(quán)交換，可以得到B1。

2)經(jīng)濟性能評價。根據(jù)脫硫技術(shù)的實際和經(jīng)濟條件，建立權(quán)數(shù)向量矩陣A2。

進行模糊線性加權(quán)變換，可以得到B2。

3)技術(shù)性能評價。權(quán)數(shù)向量矩陣為A3。

進行模糊線性加權(quán)變換，可以得到B3。

4.2 綜合評價

3類主要因素的權(quán)數(shù)分配為A。

由各Uk的評價結(jié)果Bk(k=1，2，3)得出總的評價矩陣R。

得到U的綜合評價B。

經(jīng)歸一化，可以得到B*。

4.3 評價結(jié)果

根據(jù)最大隸屬原則，技術(shù)A(選擇性催化還原法)為綜合指標下的優(yōu)先考慮對象，其余各技術(shù)推薦順序依次為:B(選擇性非催化還原法)，D(電子束法)，C(吸附法)，E(氧化吸收法)。因此，選擇性催化還原法是目前用于燃煤煙氣脫氮最合理的技術(shù)。

5 結(jié)論

1)基于燃煤煙氣脫氮技術(shù)綜合評價較為模糊的特性，將模糊數(shù)學綜合評價方法引入煙氣脫氮技術(shù)綜合評價體系中。由于煙氣脫氮技術(shù)評定的指標較多，故采用2級評價的方法，得到比較準確的綜合評價結(jié)果，具有普遍的借鑒意義。

2)本文研究的模糊綜合評價法可將影響評價信息的主觀因素控制在比較小的范圍內(nèi)，使評價相對全面和客觀。同時，最終以數(shù)值的形式對應各種評價方案，數(shù)值之間的大小可以說明方案之間的優(yōu)劣關(guān)系，直觀性較強，對評價對象的適應性良好，可操作性較好。

3)本文最終的評價結(jié)果是在對應的權(quán)數(shù)矩陣基礎(chǔ)上得到的。因此，在使用本文的綜合評價方法時，需要根據(jù)煙氣脫氮工程的實際和要求來確定參與評價的脫氮技術(shù)和權(quán)數(shù)矩陣，以期得到適合特定條件下準確的綜合評價結(jié)果，順利實現(xiàn)在經(jīng)濟上實用、在技術(shù)上可行的燃煤煙氣脫氮技術(shù)選型，減少燃煤煙氣脫氮技術(shù)選用的片面性和盲目性，從而進一步推動燃煤煙氣脫氮技術(shù)的應用。

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