燃煤煙氣氨法脫硫過程的綜合風險評價

馬 振, 萬 皓

(1.上海大學環(huán)境與化學工程學院,上海200444;2.上海大學能源管理辦公室,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是導致酸雨和光化學煙霧的重要因素,對大氣環(huán)境產生巨大威脅,87%的SO2來源于煤的燃燒[1],而SO2轉化產生的酸霧等二次污染物具有更嚴重的危害[2].雖然近幾年SO2的排放量逐漸減少,但排放總量仍較高,預計到2020年,中國SO2排放量將達到21 Mt/a[3].國家對環(huán)境質量的控制要求越來越嚴格,因此提高對煙氣中SO2的脫除效率仍是一項重要任務[4].20世紀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、副產品硫酸銨易于利用,而被廣泛應用于燃煤過程的煙氣脫硫[6],可實現(xiàn)經濟與環(huán)境效益的和諧統(tǒng)一,是一種適應中國國情、極具推廣價值的煙氣脫硫技術.目前,氨法脫硫技術的相關研究有很多,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)-模糊評價法綜合風險指標體系對氨法脫硫過程進行風險評價,對氨法脫硫理論與實踐具有一定的參考價值.

1 綜合風險評價方法

層次分析法(AHP)是將與決策有關的元素分解成目標、準則、方案等層次,在此基礎上進行定性和定量分析的決策方法.在環(huán)境科研實踐中,AHP已廣泛應用于環(huán)境規(guī)劃[7]、化學品環(huán)境性能評價[8]等眾多領域.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行多因素綜合評判的方法.綜合風險評價是一個復雜問題,評價結果受諸多因素的影響.眾多風險評價方法間最主要的區(qū)別是評價因子權重的計算,合理的權重值能反映評價因子的實際貢獻及因子間的協(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重[9].層次分析法則依據(jù)問題的性質和目標構建遞階層次結構,對各評價因子的重要性給予定量表示,用數(shù)學方法確定各評價因子的權重,較好地避免了脫硫過程評價的主觀隨意性[10].本工作采用的風險評價體系結合了層次分析法和模糊評價法,通過分析總結氨法脫硫過程的風險因素,建立層次遞階結構,求解各指標的權重值,并結合專家投票結果構建各級因素的模糊評價矩陣,按照構建的評分集計算出各因素的風險等級.AHP-模糊評價法的綜合評價模型構建有以下幾步.

(1)針對構成評價問題的目標(準則)及因素等,建立多級遞階結構模型.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則,對二級因素集u互相比較后構建判斷矩陣利用特征向量法或Matlab軟件求得u的權重集元素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.多階矩陣引進判斷矩陣的平均隨機一致性指標(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 風險等級評分標準Table 2 Rating criteria of risk level

(4)采用專家投票法評分.針對所構建的評價集,專家根據(jù)指標的經濟和技術意義憑借經驗給出評價分值, 對各評價元素的隸屬度進行投票,由此構建二級因素集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為對應的標準分值.將矩陣代入式(2)中,即可計算出各一級因素的量化值

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

2 研究方法的應用

本工作針對燃煤電廠煙氣氨法脫硫過程,在查閱相關文獻及對大量工程調查數(shù)據(jù)進行分析后構建綜合風險評價指標體系,確定評價因子.一級風險評價因素集包括技術風險、環(huán)境風險、安全風險、經濟風險、管理風險.每個一級評價指標又含有4個具體的分析對象,以構建氨法脫硫綜合風險評價體系.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,應用Saaty的1～9標度法來反映指標間的相對重要性,標度及其含義如表3所示.

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

根據(jù)對煙氣脫硫相關技術人員的問卷調查,結合以上判斷矩陣的比例標度,構造二級評價

利用Matlab軟件計算二級判斷矩陣的最大特征值及權向量,并檢驗其一致性.計算結果如下:

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CR＜0.1時,認為判斷矩陣P滿足一致性;當CR＞0.1時,需重新調整矩陣,因此判斷矩陣滿足一致性,所得權重系數(shù)合理.

表4 二級判斷矩陣的一致性檢驗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)的專家進行問卷調查,共計25份調查問卷,結果如表5所示.

表5 氨法脫硫過程綜合風險評價結果Table 5 Results of comprehensive risk assessment of ammonia desulfurization

根據(jù)氨法脫硫專家對二級指標的投票結果,可得二級風險評價因素集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利用Matlab軟件計算矩陣A的最大特征值λmax=5.068,權重集E=(0.509,0.780,0.180,0.296,0.110).檢驗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.V為一級因素的評分集,則總量化分值為

由上述計算結果可知:氨法脫硫過程風險總值為60.65,處于“較高”風險等級,其中氨法脫硫技術方面的風險值V2為68.57,面臨著“高”風險;安全隱患、環(huán)境問題及工業(yè)管理方面的指標為“較高”風險等級;而經濟效益為“較低”風險等級,可見技術改進仍是提高氨法脫硫效率的關鍵.

3 技術改進措施

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,脫硫過程中的設備防腐、脫硫效率、煙氣二次污染、副產品的回收等方面技術需進一步改進.氨法脫硫各操作單元之間關聯(lián)緊密,工藝系統(tǒng)相對復雜,在自動控制、運行穩(wěn)定性方面也要加快優(yōu)化步伐[12].另外,需改造反應裝置結構,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合,優(yōu)勢互補,以促進脫硫反應,如等離子法結合氨法脫硫技術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定足夠大的液氣比,可以在脫硫塔吸收段上方設置NH3回收段,在地面設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],可在脫硫塔進口煙道布置水噴淋設施,使煙氣中的SO3等強酸型氧化物在遇到NH3前優(yōu)先溶于水,阻斷形成氣溶膠的途徑.針對副產物(NH4)2SO3在脫硫塔內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,內部布置氨水添加裝置,控制漿液的pH值,使(NH4)2SO3在氧化槽內被氧化成(NH4)2SO4,從而有效提高副產物氧化率.

4 結束語

本工作針對煙氣氨法脫硫過程缺乏統(tǒng)一的評價指標體系及評價過程中指標難以量化的問題,提出結合層次分析法(AHP)和模糊評價法,構建AHP-模糊評價法綜合風險指標體系,并對氨法脫硫過程進行分析評價.評價結果與氨法脫硫行業(yè)實際情況較為符合,因此所提出的評價方法具有一定的參考價值.通過綜合風險評價,得出了各指標對該行業(yè)進展的重要性,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脫硫反應與設備結構的改進,提高脫硫效率與副產物的回收率,加快自動控制、運行穩(wěn)定性方面的優(yōu)化步伐,以進一步擴大其工業(yè)化應用.

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