李旭華，周長波*，李君超，沈忱

電解鋁清潔生產(chǎn)審核中/高費方案可行性評價研究

李旭華1，周長波1*，李君超2，沈忱1

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院清潔生產(chǎn)中心，北京100012 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院工程設(shè)計中心，北京100012

針對電解鋁企業(yè)“能耗高、污染重”的特點，以“節(jié)能、減耗、減污、增效”為主旨，結(jié)合層次分析-模糊判斷（AHPFuzzy）綜合評價法，構(gòu)建了電解鋁企業(yè)清潔生產(chǎn)方案評價指標(biāo)體系和綜合評價模型，探索AHP-Fuzzy模型在電解鋁企業(yè)清潔生產(chǎn)審核中/高費方案可行性分析中應(yīng)用的可行性。結(jié)果表明，AHP-Fuzzy綜合評價法可以成功地應(yīng)用于電解鋁企業(yè)清潔生產(chǎn)中/高費方案的篩選，篩選出的方案實施后取得了良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

電解鋁企業(yè)；清潔生產(chǎn)方案；層次分析-模糊分析（AHP-Fuzzy）；可行性評估

李旭華，周長波，李君超，等.電解鋁清潔生產(chǎn)審核中/高費方案可行性評價研究［J］.環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報，2015，5（6）：519-524.

LIX H，ZHOU C B，LIJC，et al.Study on scheme feasibility assessment of cleaner production audit in aluminum electrolytic industry［J］.Journal of Environmental Engineering Technology，2015，5（6）：519-524.

受有色金屬行業(yè)迅猛發(fā)展的影響，近年來我國電解鋁企業(yè)呈“井噴狀”發(fā)展，產(chǎn)量不斷攀升，2013年產(chǎn)量達(dá)到2 474萬t［1-2］，中國成為全球最大電解鋁生產(chǎn)國。眾所周知，電解鋁是典型的能源密集型產(chǎn)業(yè)［3］，電力成本占其總成本的45%以上，隨著國內(nèi)電價提升，加之行業(yè)過度擴張、無序發(fā)展等帶來的產(chǎn)能過剩問題，近幾年鋁冶煉企業(yè)虧損嚴(yán)重。因此，推行清潔生產(chǎn)，實現(xiàn)“節(jié)能、降耗、減污、增效”，成為電解鋁行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

清潔生產(chǎn)審核是電解鋁企業(yè)推行清潔生產(chǎn)工作的重要抓手和有力武器，方案的可行性分析是清潔生產(chǎn)審核工作的第五階段，目的是對初步篩選出的中/高費方案進(jìn)行分析和評價，以確定最佳的、可實施的方案。該階段是企業(yè)清潔生產(chǎn)審核工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定并影響著后續(xù)階段方案實施對企業(yè)改進(jìn)后的清潔生產(chǎn)水平和可持續(xù)發(fā)展的態(tài)勢，企業(yè)決策者必須從中選擇出最優(yōu)的方案，其涉及到一個評價排序問題［4-5］。而目前對清潔生產(chǎn)方案的評價和選取方法主要是針對技術(shù)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)三方面的簡單分析和比較［4-6］，在技術(shù)可行的基礎(chǔ)上并不能有效解決經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益相悖的2種方案的優(yōu)劣，亟需采用多層次、多目標(biāo)的綜合評價方法對方案的整體加以評價決策。

筆者以某電解鋁企業(yè)清潔生產(chǎn)審核產(chǎn)生的中/高費方案為載體，通過案例分析探索層次分析-模糊判斷（AHP-Fuzzy）綜合評價模型［7-9］在清潔生產(chǎn)中/高費方案篩選中的適用性研究，尋找清潔生產(chǎn)審核過程中對中/高費方案的選擇更具有科學(xué)性和客觀性的評價方法，以利于領(lǐng)導(dǎo)者和決策層科學(xué)選取率先實施的清潔生產(chǎn)方案。

1　評價方案

1.1評價方法

層次分析方法（AHP）是美國運籌學(xué)家T.L. Saaty于20世紀(jì)70年代提出的。該方法以1～9標(biāo)度構(gòu)造判斷矩陣，不符合人為主觀判斷不精確性和模糊性的特性，1983年P(guān).J.M.Van Laarhoven等［10］提出利用三角模糊數(shù)表示模糊成對比較矩陣，實現(xiàn)把AHP拓展為模糊AHP，即AHP-Fuzzy。1985年J.J.Buckley又將其進(jìn)一步優(yōu)化完善，將一致性的概念轉(zhuǎn)化到模糊矩陣中［11］。AHP-Fuzzy綜合評價法使定性與定量相結(jié)合，以確定多指標(biāo)、多因素、多數(shù)據(jù)的決策，利用較少的定量信息把決策者的決策思維過程數(shù)學(xué)化，實現(xiàn)了不同角度優(yōu)化一個復(fù)雜系統(tǒng)，并對其進(jìn)行決策分析、預(yù)測及評價的目的。AHPFuzzy綜合評價流程見圖1。

圖1　AHP-Fuzzy綜合評價流程Fig.1　Flow chart of AHP-Fuzzy comprehensive assessment

1.2待評價方案

在寧夏回族自治區(qū)某電解鋁企業(yè)全廠范圍內(nèi)開展企業(yè)清潔生產(chǎn)審核工作。審核工作于2013年3月正式啟動，歷時9個月，通過清潔生產(chǎn)審核，共提出了清潔生產(chǎn)中/高費方案4項，具體方案為：空壓機系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造、凈化風(fēng)機變頻節(jié)能技術(shù)改造、電解槽罩板底部加裝絕緣磚改造和電解槽集氣罩板更換（表1）。

表1　清潔生產(chǎn)中/高費方案匯總Table 1　The summary table of cleaner production scheme

利用AHP-Fuzzy綜合評價法對上述4項清潔生產(chǎn)中/高費方案可行性優(yōu)劣進(jìn)行排序，為企業(yè)決策者方案篩選實施提供依據(jù)。

2　評價與結(jié)果

2.1評價指標(biāo)體系構(gòu)建

清潔生產(chǎn)方案優(yōu)選是一項系統(tǒng)工程，指標(biāo)體系構(gòu)建的合理與否直接關(guān)系著評價結(jié)果的優(yōu)劣［12］。筆者構(gòu)建的遞階層次結(jié)構(gòu)包括總目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、評價指標(biāo)層和方案層4個層次［13］。在參考了相關(guān)清潔生產(chǎn)評價指標(biāo)并結(jié)合清潔生產(chǎn)審核方法學(xué)要求的基礎(chǔ)上［4，14-16］，選取技術(shù)可行性、環(huán)境可行性、經(jīng)濟(jì)可行性3個一級指標(biāo)作為評價準(zhǔn)則層，從上述3個指標(biāo)出發(fā)結(jié)合電解鋁企業(yè)實際情況綜合考慮以13個二級指標(biāo)作為評價指標(biāo)層，其中技術(shù)可行性指標(biāo)主要從技術(shù)成熟性、技術(shù)先進(jìn)性、技術(shù)適用性、與國家相關(guān)技術(shù)政策相符性、現(xiàn)有公用工程配套程度等方面評價；環(huán)境可行性指標(biāo)主要從三廢削減量、噸產(chǎn)品電耗減少量、噸產(chǎn)品水耗減少量、噸產(chǎn)品原輔材料減少量等方面評價；經(jīng)濟(jì)可行性指標(biāo)主要從單位污染處理費用、廢物資源化利用效益、排污費減少額、總投資費用等方面評價；審核中不同中/高費方案作為方案層。根據(jù)上述設(shè)計構(gòu)建了4級結(jié)構(gòu)的評價指標(biāo)體系（表2）。

表2　電解鋁清潔生產(chǎn)方案評價指標(biāo)體系Table 2　The step up hierarchy chart of cleaner production schemes

2.2構(gòu)建判斷矩陣

依據(jù)AHP法原理和程序，對同層次各指標(biāo)兩兩重要性比較，比較結(jié)果根據(jù)T.L.Satty［17］提出的1～9比率標(biāo)度表列出，標(biāo)度結(jié)果組成各層次n×n階判斷矩陣（R=（rij）），得到4組判斷矩陣（RA、RB1、RB2、RB3）。

2.3一致性檢驗

判斷矩陣元素是依據(jù)經(jīng)驗判斷確定標(biāo)度值來定的，具有片面性。為了防止這種片面性導(dǎo)致的錯誤，需要對層次排序進(jìn)行一致性檢驗。

2.3.1層次單排序和一致性檢驗

層次單排序是根據(jù)判斷矩陣計算某一層上各指標(biāo)對其上層指標(biāo)相對重要性的權(quán)重，即計算判斷矩陣的最大特征值和特征向量問題。文中采用和積法（ANC）［18］計算各指標(biāo)的權(quán)重歸一化處理后再進(jìn)行一致性檢驗。

2.3.1.1歸一化

將判斷矩陣RA的每一列元素通過作歸一化處理得到：

2.3.1.2求特征向量

將每一列經(jīng)歸一化處理后的判斷矩陣按行相加，所得值除以該列所有值的和即得所求的特征向量W=（w1，w2，…，wn）T。得出矩陣RA的特征向量為：

同理，可得矩陣RB1、RB2、RB3的特征向量。

WB1=（0.263 6，0.477 2，0.053 2，0.098 8，0.107 2）T

WB2=（0.088 5，0.426 6，0.342 7，0.142 2）T

WB3=（0.153 0，0.239 5，0.521 5，0.086 0）T

2.3.1.3求最大特征根

同理，可得矩陣RB1、RB2、RB3的最大特征根分別為5.091 0、4.154 9和4.059 1。

2.3.1.4一致性檢驗

AHP法規(guī)定，當(dāng)隨機一致性比率（CR）小于0.10，判斷矩陣通過一致性檢驗，否則，就需要重新做出判斷。CR的計算公式為：

式中：CI為一致性指標(biāo)；RI為隨機一致性指標(biāo)，可根據(jù)表3查得。

表3　RI取值Table 3　The value of RI

計算所得權(quán)重值和一致性檢驗結(jié)果見表4。

表4　一致性檢驗結(jié)果Table 4　The result of consistency check up

由表4可知，4個判斷矩陣均通過一致性檢驗，表明構(gòu)造的判斷矩陣不需要調(diào)整。

2.3.2層次總排序及一致性檢驗

根據(jù)2.3.1.2節(jié)特征向量及一致性檢驗結(jié)果（表4）進(jìn)行指標(biāo)層權(quán)重分配（表5）。根據(jù)指標(biāo)層所有因素重要性的權(quán)重得到層次總排序。

表5　指標(biāo)層權(quán)重分配Table 5　Weight distribution of indexs

根據(jù)式（1）和（2）及表3進(jìn)行層次總排序隨機一致性比率（CRc）計算可得，CIc為0.040 3，RIc為0.923 1；根據(jù)式（1）計算可得，CRc為0.043 7＜0.10。

因此，總排序權(quán)重值通過一致性檢驗，完全可以用于進(jìn)行電解鋁企業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)方案的綜合評價。

2.4清潔生產(chǎn)方案隸屬度確定

對上述4項清潔生產(chǎn)中/高費方案的隸屬度采用專家咨詢打分的方式來確定。專家組由權(quán)威性機構(gòu)的專家及企業(yè)相關(guān)人員等組成，共10人。咨詢專家對咨詢表中每個備選清潔生產(chǎn)方案進(jìn)行唯一對應(yīng)結(jié)果的選擇，然后統(tǒng)計人員選擇結(jié)果概率，以此作為該要素的隸屬度。確定評價標(biāo)語集“很好、較好、一般、較差、很差”。各方案的隸屬度見表6。

表6　方案隸屬度統(tǒng)計表Table 6　The statistics of schemes subjection

2.5模糊綜合評價結(jié)果

從表7的綜合評價結(jié)果可以看出，4個方案優(yōu)劣排序為F03＞F04＞F02＞F01，該結(jié)果與沈忱等［1］的研究結(jié)果一致?？紤]到企業(yè)方案實施中受資金籌措、人員配置、設(shè)備選型等因素制約，建議根據(jù)優(yōu)劣排序分步實施4個方案，先實施F03號方案，再利用方案實施后的收益作為F04號方案的啟動資金，以此類推使方案滾動實施。

表7　方案模糊綜合評價結(jié)果Table 7　The result of schemes fuzzy comprehensive assessment

3　清潔生產(chǎn)方案實施績效分析

根據(jù)審核小組建議方案，該企業(yè)于2013年11月首先完成對電解車間直型集氣罩板的改造，F(xiàn)04方案已列入2015年技改計劃。通過調(diào)研、實測和計算等方法，依據(jù)企業(yè)財務(wù)數(shù)據(jù)、計量數(shù)據(jù)和成本核算數(shù)據(jù)，審核小組對方案實施效果進(jìn)行了跟蹤、統(tǒng)計。方案實施前，企業(yè)電解槽直型集氣罩板密閉性差，側(cè)門存在漏洞/縫，煙氣無組織排放情況嚴(yán)重，使原料氟化鹽和氧化鋁回收率較低。企業(yè)投資1 128萬元完成直型集氣罩板改造為彎型集氣罩板后，大大提升電解集氣效率，降低車間內(nèi)電解煙氣的無組織排放和氧化鋁單耗，為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益349萬元/a，預(yù)計約3.2 a企業(yè)可收回成本（圖2）。

圖2　集氣罩板更換前后對比Fig.2　The comparison chart of gas cover replacement

4　結(jié)語

層次分析-模糊判斷（AHP-Fuzzy）綜合評價法適用于電解鋁企業(yè)清潔生產(chǎn)中/高費方案可行性分析研究；該體系可以有效地對各方案的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行評價，能夠較為準(zhǔn)確地反映各指標(biāo)的清潔生產(chǎn)水平，幫助企業(yè)篩選出電解槽集氣罩板更換（F03）方案為優(yōu)先實施的清潔生產(chǎn)方案。方案實施后，一方面基本消除了企業(yè)電解車間煙氣的無組織排放，提升了集氣效率，有效改善了車間環(huán)境質(zhì)量和工人操作環(huán)境，環(huán)境效益顯著；另一方面，由于降低了氧化鋁單耗，為企業(yè)帶來349萬元/a的經(jīng)濟(jì)效益?？梢?，綜合評估結(jié)果與方案運行結(jié)果吻合，符合《清潔生產(chǎn)審核手冊》中清潔生產(chǎn)方案實施方案的要求，即方案在技術(shù)上先進(jìn)適用、在經(jīng)濟(jì)上合理有利，又能預(yù)防污染，從而保護(hù)環(huán)境。

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Study on Scheme Feasibility Assessment of Cleaner Production Audit in A lum inum Electrolytic Industry

LIXu-hua1，ZHOU Chang-bo1，LI Jun-chao2，SHEN Chen1
1.China National Cleaner Production Center，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China 2.Center for Environmental Engineering Design，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

According to the characteristics of"high energy consumption，heavy pollution"of aluminum electrolytic industry，with"energy saving，consumption reducing，pollution decreasing and benefit increasing"as the dominant purpose，the evaluation index system for cleaner production scheme in aluminum electrolytic industry was constructed by combing with AHP-Fuzzy comprehensive evaluation method，and the feasibility of the comprehensive evaluation model to be used in the evaluation of cleaner production scheme in this industry was explored.It shows that AHP-FUZZY comprehensive evaluation method can be successfully applied in screening cleaner production high-andmiddle-cost schemes in aluminum electrolytic industry，and the good economic，social and environmental benefits could be realized by implementation of the schemes screened out.

aluminum electrolytic industry；cleaner production schemes；AHP-Fuzzy；feasibility evaluation

X38

1674-991X（2015）06-0519-06doi：10.3969/j.issn.1674-991X.2015.06.081

2015-06-05

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2013ZX07503-001）

李旭華（1980—），女，副研究員，博士，主要從事清潔生產(chǎn)審核及方法學(xué)研究，lixh@craes.org.cn

周長波（1973—），男，研究員，博士后，主要從事清潔生產(chǎn)研究，zhoubc@craes.org.cn