扈學文,孫福紅,邵朱強,李艷萍,歐陽朝斌,喬琦*,白衛(wèi)南

1.中國環(huán)境科學研究院清潔生產與循環(huán)經濟研究中心，北京 100012 2.環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學研究院，北京 100012 3.中國有色金屬工業(yè)協會，北京 100814

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模糊數學評價方法應用于包頭混合型稀土精礦冶煉企業(yè)清潔生產評價指標體系制訂

扈學文1,孫福紅2,邵朱強3,李艷萍1,歐陽朝斌1,喬琦1*,白衛(wèi)南1

1.中國環(huán)境科學研究院清潔生產與循環(huán)經濟研究中心，北京 100012 2.環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學研究院，北京 100012 3.中國有色金屬工業(yè)協會，北京 100814

評價指標的合理分級是行業(yè)清潔生產評價指標體系構建的難題，采用模糊數學評價方法對包頭混合型稀土精礦冶煉企業(yè)清潔生產評價指標體系制定過程中的指標進行分級。結果表明，該方法可以改變單一指標之間的比較評估為整體性評估，使某一評價對象的生產工藝及裝備指標、資源能源消耗指標、資源綜合利用指標、污染物產生指標、產品特征指標和清潔生產管理指標等6類指標經過隸屬度計算得出一個綜合評價結果，經計算得出多個評價對象的綜合排序，使分級結果更加科學、合理，更有可操作性，對于指導其他行業(yè)清潔生產評價指標體系的制訂具有很大的現實意義。

模糊數學；清潔生產；評價指標；包頭混合型稀土精礦

自《清潔生產促進法》頒布以來，國家發(fā)展和改革委員會及環(huán)境保護部先后發(fā)布了50多個行業(yè)的清潔生產評價指標體系(簡稱“指標體系”)和清潔生產標準，2010—2013年國家發(fā)展和改革委員會、環(huán)境保護部會同工業(yè)和信息化部等有關部門為落實中央機構編制委員會辦公室〔2010〕108號文件要求, 對已經發(fā)布的清潔生產評價指標體系、清潔生產標準、清潔生產技術水平評價體系進行整合修編[1]。按照中央機構編制委員會辦公室要求，為滿足各行業(yè)推行清潔生產的迫切需求，加快形成統一規(guī)范的清潔生產評價指標體系文件，指導重點行業(yè)開展清潔生產，國家發(fā)展和改革委員會、環(huán)境保護部會同工業(yè)和信息化部分別于2014年9月和2016年5月，先后發(fā)布了2批清潔生產評價指標體系制(修)訂計劃，共立項104項，包括大氣污染控制相關行業(yè)、高能耗及重金屬污染行業(yè)、環(huán)保公共設施等行業(yè)領域，其中有色金屬行業(yè)18項，占總數的17%，稀土冶煉行業(yè)是其中之一[2-3]。

整合后的清潔生產評價指標體系用于生產企業(yè)的清潔生產審核、清潔生產潛力與機會的判斷、清潔生產績效評定和清潔生產績效公告、環(huán)境影響評價，還可用于排污許可證、環(huán)保領跑者等管理制度。清潔生產評價指標體系為行業(yè)清潔生產審核的開展提供了可量化的標尺，有效地促進了行業(yè)的技術升級和節(jié)能減排[4-5]。

2013年6月發(fā)布的《清潔生產評價指標體系編制通則》(試行稿)可用于指導其他行業(yè)清潔生產評價指標體系的編制工作[6]，但其僅規(guī)定了行業(yè)清潔生產評價體系制訂完成后，實施應用階段采用限定性指標評價和指標分級加權評價相結合的評價方法，計算行業(yè)清潔生產綜合評價指數對被評價企業(yè)給出合理的評價結果，對于行業(yè)清潔生產評價指標體系制訂過程中指標如何分級并未提及。筆者以包頭混合型稀土精礦為原料冶煉工序清潔生產評價指標體系制訂過程為例，研究模糊數學評價方法[7-12]在包頭混合型稀土精礦冶煉企業(yè)清潔生產評價指標體系制訂過程指標分級的應用。

1 行業(yè)清潔生產評價指標體系分級現狀

《清潔生產評價指標體系編制通則》規(guī)定，應根據當前行業(yè)清潔生產情況合理確定Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級基準值：確定Ⅰ級基準值時，應參考國際清潔生產指標先進水平，以當前國內5%的企業(yè)達到該基準值要求為取值原則；確定Ⅱ級基準值時，應以當前國內20%的企業(yè)達到該基準值要求為取值原則；確定Ⅲ級基準值時，以當前國內50%的企業(yè)達到該基準值要求為取值原則。該通則僅規(guī)定了Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級的劃分比例原則，未指出采用何種方法或途徑確定各級的基準值。在行業(yè)清潔生產評價指標體系制訂過程中，指標分級以及發(fā)布前指標的局部修改一直是困擾起草者的難題。

實際上清潔生產評價指標體系的分級是極其復雜的過程，需考慮行業(yè)的技術、經濟、環(huán)境和社會以及指標內部邏輯關系等多方面因素，涉及生產過程、工藝參數、污染物削減潛力、經濟分析等多方面數據資料。其難點主要有2個方面：1)評價對象企業(yè)往往是多個工序、多個技術的集成，涉及工序長、環(huán)節(jié)多。依據清潔生產技術定義，僅生產主工藝流程從原輔材料等進入生產現場開始，至最終產品運送出廠的過程，一些輔助設備和工藝與綜合能耗、原材料消耗、污染物產生均有密切聯系，多技術疊加導致綜合的清潔生產績效難于判斷。2)如何在分級過程和幾次修改過程中保持不同指標之間的整體邏輯性。如綜合能耗指標與資源綜合利用指標存在負相關關系，資源綜合利用指標中的原(輔)料回收往往需要增加回收工藝，提高原(輔)料回收率難免要引起綜合能耗，在指標體系分級和修改過程中如何平衡具有負相關關系指標缺乏評價方法。

目前清潔生產評價指標體系制訂過程分級的普遍做法是通過廣泛的企業(yè)調研和專家咨詢，再根據意見匯總權衡各方意見后最終確定分級數據或部分指標修改結果，該方法易受專家資源、學識和經驗局限等影響，難以保證分級結果的科學合理性和客觀公正性，再加上清潔生產評價指標體系在征求意見、審議和報批階段的部分指標值修改使清潔生產評價指標體系的分級工作更加困難。

目前對于指標體系分級在土地退化[13]、石油化工企業(yè)環(huán)境風險[14]方面有研究報道，但評價方法僅對部分指標進行單一性評價，對于行業(yè)清潔生產評價指標體系制訂過程中的多個指標的綜合系統評價鮮有報道。

模糊數學綜合評價屬于多屬性綜合評價方法，對于多屬性綜合評價方法的研究有很多報道[15-18]，多屬性評估可考慮多種因素，包括難以量化的定性指標，有助于綜合考慮多個相互影響因素，為多項備選技術之間的比較提供了更全面的方法選擇，能得到滿意的綜合評價結果。

在行業(yè)清潔生產評價指標體系制訂過程引入模糊數學概念，把指標分級中的一些模糊性問題定量化，用數學的方法來反映指標分級不確定性，能夠客觀地反映指標之間的模糊與連續(xù)性，使指標分級的綜合評價結果具有明顯的合理性，有利于解決行業(yè)清潔生產評價指標體系制訂過程中分級難的問題。

2 模糊數學綜合評價法

模糊數學綜合評價是一種不確定性的定量評價方法，該方法系統性強，能夠將不易量化、邊界不清的因素量化，在量化過程中能較大程度地避免主觀影響，結果比較清晰、客觀，能較好地解決模糊的、難以量化的問題[19]，適合行業(yè)清潔生產評價指標體系分級問題的解決。本文選取多屬性評估方法中的模糊數學綜合評估方法進行評價指標體系的分級計算，權重的確定采用德爾斐與層次分析法相結合的方法。

模糊綜合評價方法是利用模糊變換原理和最大隸屬度原則，通過建立參與評價的因子集、評價集、隸屬函數和權重集，充分考慮與所評價指標相關的各因素，對其做出綜合評價。具體分為6個步驟：1)根據制訂指標體系的適用范圍劃分系統邊界。2)確定行業(yè)清潔生產評價指標體系的指標框架。可根據《清潔生產評價指標體系編制通則》規(guī)定結合行業(yè)清潔生產特點進行篩選。3)建立評價集。4)確定隸屬度以及指標權重。目前權重的確定方法較多，該內容非本文的研究重點，故指標權重確定過程略。5)進行模糊運算。6)分析評價結果。

3 應用實例

以包頭混合型稀土精礦冶煉企業(yè)清潔生產評價指標體系制訂過程為例，重點介紹評價方法在清潔生產評價指標體系制訂指標分級過程的應用。

3.1 確定包頭混合型稀土精礦冶煉企業(yè)系統邊界

以包頭混合型稀土精礦為原料的冶煉工藝為例，通過深入分析包頭混合型稀土精礦冶煉分離工藝清潔生產的現狀和問題，確定從包頭混合型稀土精礦原料焙燒(酸法)工序開始至單一或稀土富集物(氧化物)產品生產的界區(qū)。

稀土資源冶煉工藝：主要采用硫酸強化焙燒工藝(三代酸法)，將精礦和濃硫酸混合后焙燒分解，稀土轉變?yōu)榱蛩猁}，釷形成難溶的焦磷酸釷，多余硫酸和氟化物以氣體的形式回收或處理，焙燒礦經水浸、中和除雜，轉型得到混合氯化稀土溶液[20]。

稀土分離工藝：稀土精礦冶煉后得到氯化稀土溶液，采用萃取分離、草酸沉淀或碳銨沉淀、煅燒制備單一稀土氧化物或富集物。其中萃取分離生產主要采用P507、P204等酸性萃取劑，為保證有機相負載量和分離能力，傳統上采用的氨皂化工藝，目前已經被國家明令淘汰，國家鼓勵采用非皂化鈣鎂皂化[21]等無氨氮萃取分離技術源頭解決氨氮廢水問題，聯動萃取分離技術可降低酸堿消耗并降低鹽排放30%以上。

3.2 包頭混合型稀土精礦冶煉企業(yè)清潔生產指標體系框架

根據清潔生產的原則要求和稀土工業(yè)生產特點，稀土行業(yè)清潔生產指標體系主要由一級指標和二級指標組成(表1)。其中，一級指標包括生產工藝及裝備指標、資源能源消耗指標、資源綜合利用指標、污染物產生指標、產品特征指標和清潔生產管理指標等6類，每類指標又由若干二級指標組成。其中，資源能源消耗指標、資源綜合利用指標以及污染物產生指標屬于定量指標；生產工藝與裝備指標、產品綜合特征指標以及清潔生產管理指標屬于定性指標。定量指標體系是選取有代表性的，能反映節(jié)能、降耗、減污和增效等方面的數據指標；定性指標則是主要根據國家有利于推行清潔生產的產業(yè)發(fā)展和技術進步政策、資源環(huán)境保護政策規(guī)定以及行業(yè)發(fā)展規(guī)劃，定性考核企業(yè)政策法規(guī)的符合性、清潔生產實施工作情況。

稀土冶煉行業(yè)依據《清潔生產評價指標體系編制通則》規(guī)定的行業(yè)清潔生產評價指標體系制訂要體現行業(yè)特征和指標要有前瞻性、引領性的原則，針對稀土冶煉在采用鈉皂萃取工藝取代氨皂萃取工藝后出現的鹽排放問題，本指標體系分別設定鹽減排系統減排量、單位產品鹽產生量(折合為氯化鈉)2項指標引領行業(yè)企業(yè)提高資源使用效率，減少污染物產生。

表1 稀土冶煉行業(yè)清潔生產指標體系分類

*為限定性指標，指對節(jié)能減排有重大影響的指標，或者法律法規(guī)明確規(guī)定嚴格執(zhí)行的指標。

3.3 建立評價指標體系評價集

在構建評價指標的基礎上，建立評估因素集。根據表1稀土冶煉行業(yè)清潔生產指標體系分類的一級指標，將U按不同屬性劃分為k個互不相交的因素子集：U={U1，U2，…，Uk}，則U1、U2、U3、U4、U5、U6分別代表生產工藝及裝備指標、資源能源消耗指標、資源能源綜合利用指標、污染物產生指標、產品特征指標以及清潔生產管理指標6方面的評估因素。根據上述評價指標體系確定的因素集如下：

U={U1，U2，U3，U4，U5，U6}={生產工藝及裝備指標，資源能源消耗指標，資源能源綜合利用指標，污染物產生指標，產品特征指標，清潔生產管理指標}

U1={U11，U12，U13，U14，U15，U16，U17，U18，U19，U110，U111，U112，U113，U114}={硫酸化焙燒工藝及裝備，轉型工藝，萃取分離工藝，沉淀工藝，生產過程控制水平，硫酸焙燒尾氣處理系統，鹽酸霧處理設施，放射性防護，萃取廢氣處理系統，自動監(jiān)控設備，噪聲防治措施，固體廢物控制，鹽減排系統，水污染防治措施}

U2={U21，U22，U23，U24}={單位產品新鮮水消耗，單位產品綜合能耗，單位產品濃硫酸(92%)消耗量，單位產品鹽酸(30%)消耗量}

U3={U31，U32，U33}={工業(yè)用水重復利用率，從稀土精礦到混合稀土總收率，從混合稀土到單一或富集稀土化合物稀土總收率}

U4={U41，U42，U43，U44，U45，U46，U47，U48}={單位產品COD產生量，單位產品廢水產生總量，單位產品氨氮產生量，單位產品二氧化硫產生量，單位產品鹽產生量(折合為氯化鈉)，單位產品氟化物產生量，單位產品一般工業(yè)固體廢物產生量(以干基計)，單位產品危險廢物產生量(以干基計)}

U5={U51，U52}={產品合格率，產品種類}

U6={U61，U62，U63，U64，U65，U66，U67}=

{達標排放與總量控制，建立健全環(huán)境管理體系，危險廢物安全處置，清潔生產組織機構及管理制度，清潔生產審核活動，能源管理機構、管理制度、能源管控中心，開展節(jié)能活動}。

3.4 建立評加指標體系隸屬度及權重

通過歷史數據查閱及專家咨詢，獲取清潔生產評價指標數值，選擇5家企業(yè)進行試算。實際制訂過程中在保證統一界區(qū)范圍內獲取指標值，但要對企業(yè)數據的真實性進行甄別的前提下，調研企業(yè)的數量原則上應至少滿足以下條件之一：1)產品產量占全國總產量的50%以上；2)企業(yè)數量占全國企業(yè)總數量的20%以上[22]等。本文選擇的5家企業(yè)僅為輔助方法說明進行試算使用，實際操作中按照行業(yè)的不同確定企業(yè)樣本數，本文數據與行業(yè)企業(yè)無任何聯系，同時為防止企業(yè)信息泄漏，包頭混合型稀土精礦清潔生產評價指標值表省略，包頭混合型精礦清潔生產評價隸屬函數及權重見表2。

表2 清潔生產評價指標隸屬函數及權重

*為限定性指標，指對節(jié)能減排有重大影響的指標，或者法律法規(guī)明確規(guī)定嚴格執(zhí)行的指標。

根據調研企業(yè)指標值，確定隸屬度函數并計算得出包頭混合型稀土精礦清潔生產評價隸屬函數。

當定量的評價指標越小越好時(如資源能源消耗指標、污染物產生指標)，采用降半梯形分布的隸屬函數。以單位產品新鮮水消耗為例(其他資源能源消耗指標、污染物產生指標略)，選擇隸屬度函數為：

(1)

式中：A為樣本中本指標的最小值；B為樣本中本指標最大值；x為樣本中本指標的其他值。

當定量的評價指標越大越好時(如資源綜合利用指標、產品合格率指標)，采用升半梯形分布的隸屬函數。以工業(yè)用水重復利用率為例(其他資源綜合利用指標、產品合格率指標略)，選擇隸屬度函數為：

(2)

式中：C為樣本中本指標的最小值；D為樣本中本指標最大值。

生產工藝及裝備指標、清潔生產管理指標屬于定性指標，均采用定性指標隸屬度的確定程度從①到⑤依次遞增，以硫酸化焙燒工藝及裝備指標為例(生產工藝及裝備要求、清潔生產管理指標屬于定性指標，略)，隸屬度函數表達式：

3.5 綜合評價

(1)生產工藝及裝備指標評價

建立權數向量

A1=[0.07 0.10 0.08 0.07 0.09 0.06 0.06 0.08 0.05 0.06 0.02 0.07 0.09 0.10]

建立隸屬度矩陣

B1=A1·R1=[0.630.781.281.011.15]

(2)資源能源消耗指標評價

建立權數向量

A2=[0.250.250.250.25]

建立隸屬度矩陣

B2=A2·R2=[0.960.640.430.480.37]

(3) 資源能源綜合利用指標評價

建立權數向量

A3=[0.240.380.38]

建立隸屬度矩陣

B3=A3·R3=[0.51 0.66 0.38 0.68 0.52]

(4)污染物產生指標評價

建立權數向量

A4=[0.16 0.16 0.20 0.10 0.11 0.11 0.06 0.10]

建立隸屬度矩陣

B4=A4·R4=[0.99 0.79 0.33 0.57 0.31]

(5)產品特征指標

建立權數向量

A5=[0.50 0.50]

建立隸屬度矩陣

B5=A5·R5=[0.60 0.33 0.53 0.58 0.30]

(6)環(huán)境管理指標評價

建立權數向量

A6=[0.35 0.08 0.12 0.06 0.3 0.06 0.03]

建立隸屬度矩陣

B6=A6·R6=[0.36 0.54 0.69 0.64 0.62]

(7)綜合評價

建立一級指標權數向量

A0=[0.35 0.08 0.06 0.30 0.03 0.18]

建立隸屬度矩陣

那么，B0=A0·R0=

[0.7077 0.7079 0.3943 0.7363 0.6769]

根據綜合評價結果，企業(yè)清潔生產綜合評價結果排序為企業(yè)4>企業(yè)2>企業(yè)1>企業(yè)5>企業(yè)3。

3.6 結果分析

根據企業(yè)綜合評價結果排序，僅以行業(yè)清潔生產評價指標體系中較難確定的主要生產工藝及裝備指標為例，以綜合評價指標結果較好的企業(yè)為研究對象，從技術使用的原輔料、能源的投入多少，原輔料的毒性程度高低，工藝設備效率高低，污染物的產生量大小，產生的污染物是否在廠內循環(huán)利用，是否符合國家產業(yè)、技術政策等方面再進行二次篩選，得出以包頭稀土混合礦為原料的稀土冶煉分離工序清潔生產評價指標體系生產工藝及裝備指標的分級結果，見表3。

硫酸化焙燒工藝及裝備：采用連續(xù)回轉窯，技術的工藝或設備效率較高，可有效降低其停車造成的能源消耗，為后端尾氣綜合回收提供相對穩(wěn)定原料。

表3 生產工藝及裝備清潔生產評價指標體系分級結果

轉型工藝：非皂化萃取轉型技術，硫酸焙燒礦硫酸稀土水浸液不進行碳沉生產碳酸稀土，而是直接將硫酸稀土溶液進行萃取轉型得到混合氯化稀土溶液，再經過P507或P204進行萃取分離。該工藝的最大特點是不產生低濃度氨氮廢水，廢水中主要含低濃度硫酸鹽，容易經中和處理等手段實現達標排放。從經濟性考慮，該方法較碳銨沉淀法投資增加，但運行成本降低，且稀土收率提高，特別適用于大規(guī)模生產，對提高行業(yè)集中度意義重大，目前該技術已廣泛應用到冶煉分離企業(yè)中。

萃取分離工藝：非皂化萃取分離技術，傳統的稀土萃取分離生產中普遍采用氨水進行有機皂化，會產生大量含氨氮廢水，對這部分廢水目前采用回收濃縮氯化銨的辦法進行治理，既增加了生產成本，又消耗了大量的能源；部分企業(yè)采用液堿皂化有機相，不僅增加生產成本，部分產品指標無法滿足用戶要求，同時也帶來了高鹽度廢水污染。為解決銨或鈉皂化萃取分離造成氨氮廢水污染及成本過高的問題，我國稀土工作者針對不同稀土資源和萃取體系，開發(fā)了多項非皂化或鎂(鈣)皂化萃取分離技術，其核心是革除傳統的皂化工藝，以氧化鎂或氧化鈣替代氨水皂化萃取劑，從根本上消除了萃取分離皂化段氨氮廢水的產生，避免了末端治理的難度和資源消耗，該工藝對帶動我國稀土產業(yè)持續(xù)、快速、健康發(fā)展具有重要的現實意義。

4 結論

通過制訂稀土行業(yè)清潔生產評價指標體系結合層次分析法確定一、二級清潔生產評價指標權重，并且采用模糊數學評價方法將其與6類指標作為整體進行評價比較，形成不同企業(yè)的綜合評價值對企業(yè)采取的清潔生產綜合效果進行評價，具有高度的客觀性和可操作性，該方法可以直接應用到其他行業(yè)清潔生產評價體系制訂過程中，可為其他行業(yè)指標修改提供更為綜合的依據，另外對于行業(yè)清潔生產評價指標體系制訂者來說采用數學分析的方法可以更合理、準確地定位清潔生產企業(yè)，為清潔生產技術進一步篩選提供便利條件。

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Application of Fuzzy Mathematics Method on Establishment of Clean Production Evaluation Index System in Baotou Mixed Rare Earths Concentrate Enterprises

HU Xuewen1, SUN Fuhong2, SHAO Zhuqiang3, LI Yanping1, OUYANG Zhaobin1, QIAO Qi1, BAI Weinan1

1.Cleaner Production and Circular Economy Research Center, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China 2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012, China 3.China Nonferrous Metals Industry Association, Beijing 100814, China

The reasonable classification of evaluation indexes is a problem for the establishment of the index system of cleaner production. The fuzzy mathematics assessment method was used for indicator classification in the establishment of clean production evaluation index system of Baotou mixed rare earths concentrate industry. The results show that, instead of comparison among single indicators, the holistic assessment combines indicators of production process and equipment, resource and energy consumption, pollutants generation, product characteristics and cleaner production management, presents an integrated result by the fuzzy subordination, and obtains synthetic ordering of multiple evaluation objects. This kind of method makes the grading result more scientific, rational and objective, which is practical for the establishment of clean production evaluation index systems in other industries.

fuzzy mathematics method; clean production; evaluation index; Baotou mixed rare earths concentrate

2016-07-05

國家環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(201209012)

扈學文(1979—)，男，碩士，研究方向為工業(yè)生態(tài)學、清潔生產政策與標準研究，huxuewen_2004@163.com

*責任作者：喬琦(1963—)，女，研究員，長期從事工業(yè)生態(tài)學、循環(huán)經濟規(guī)劃及清潔生產政策與標準研究，qiaoqi@craes.org.cn

X38

1674-991X(2016)06-0613-08

10.3969j.issn.1674-991X.2016.06.088

扈學文,孫福紅,邵朱強,等.模糊數學評價方法應用于包頭混合型稀土精礦冶煉企業(yè)清潔生產評價指標體系制訂[J].環(huán)境工程技術學報,2016,6(6):613-620.

HU X W,SUN F H,SHAO Z Q, et al.Application of fuzzy mathematics method on establishment of clean production evaluation index system in Baotou mixed rare earths concentrate enterprises[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(6):613-620.