裴生雷 葉利娟

(1.青海民族大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，青海西寧810007；2.青海民族大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，青海西寧810007)

層次分析法在生物質(zhì)能優(yōu)勢分析中的應(yīng)用①

裴生雷1葉利娟2

(1.青海民族大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，青海西寧810007；2.青海民族大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院，青海西寧810007)

可再生能源是國家一直關(guān)注的問題.然而，當(dāng)前使用的主要能源依然是化石能源，煤、石油、天然氣，這類化石能源都存在儲量和污染等問題.生物質(zhì)顆粒作為一種可再生的清潔能源，是生物質(zhì)能源化利用最簡單最直接的途徑之一.文中利用層次分析法將生物質(zhì)顆粒與三種常規(guī)能源做比較，最終得出生物質(zhì)顆粒在四種能源中的優(yōu)勢，比較適合在生物質(zhì)原料豐富的地區(qū)加以推廣使用，減少大氣污染.

層次分析法，評價準(zhǔn)則，判斷矩陣，最大特征值，生物質(zhì)顆粒

0 引言

人類社會發(fā)展到21世紀(jì)，能源與環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為限制全球社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個主要瓶頸，根據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)統(tǒng)計，如果按照目前的能源消耗速度，人類使用的石油、天然氣和煤炭等化石能源的地球儲量供人類開采的年限分別只有40年、50年和240年[1].此外，這三種常規(guī)能源的使用所帶來的環(huán)境問題也日益嚴(yán)峻，表現(xiàn)為大氣污染(如霧霾)、臭氧層破壞、溫室效應(yīng)加劇以及物種滅絕等[2].生物質(zhì)顆粒是秸稈、花生殼、玉米芯等植物殘渣在一定的壓力、溫度作用下，發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，最終形成直徑大于等于25 mm，長徑比小于等于4的顆粒狀固體燃料.這種固體燃料體積小便于存儲和運(yùn)輸，并且清潔無污染.所以大力發(fā)展作為全球第四大能源的生物質(zhì)能顯得尤為重要.我國也早在20世紀(jì)70年代開始重點研究發(fā)展生物質(zhì)能，目前對于生物質(zhì)顆粒燃料的生產(chǎn)、加工以及燃燒利用已初具規(guī)模[3].

1 化石能源與生物質(zhì)顆粒

表1 各種燃料燃燒產(chǎn)生的污染

二氧化氮二氧化硫煙塵標(biāo)準(zhǔn)煤kg/t917s8A(1-η)燃料油kg/t2.864.2s0.29(1-η)天然氣kg/萬m36.31.02.4

注：s-含硫量，以%計；A-灰分，以%計；η-燃燒效率，以小數(shù)點計.

生物質(zhì)顆粒與其它能源燃燒產(chǎn)生的污染，以及各項指標(biāo)的統(tǒng)計信息來自于文獻(xiàn)中的統(tǒng)計信息[4,5].

從表1及表2中可以看出燃燒煤產(chǎn)生的污染遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然氣和燃料油，其次是燃料油產(chǎn)生的污染大于天然氣產(chǎn)生的污染.生物質(zhì)顆粒燃料在燃燒時釋放的CO2基本相當(dāng)于其生長時通過光合作用所吸收的CO2量，所以生物質(zhì)顆粒燃燒所造成的溫室氣體CO2為零排放.大氣中CO2形成循環(huán)，溫室氣體保持動態(tài)平衡，對環(huán)境沒有污染.

表2 四類能源的各項指標(biāo)

鑒于以上的分析，我們的目標(biāo)是通過建立模型，選擇一種利于社會可持續(xù)發(fā)展的新能源.準(zhǔn)則是：資源可用量多、污染少、熱量高、價格低[6,7].

2 生物質(zhì)顆粒優(yōu)勢分析

利用層次分析法對煤、石油、天然氣和生物質(zhì)能的效用進(jìn)行比較，以此展示四類能源在社會環(huán)境和自然環(huán)境中的優(yōu)劣，形成層次分析模型結(jié)構(gòu)，如圖1所示.

圖1 層次分析模型結(jié)構(gòu)

2.1 構(gòu)造成對比較矩陣

元素之間兩兩比較分析，比較采用相對尺度.設(shè)要比較各準(zhǔn)則C1，C2，C3，C4對目標(biāo)的重要性：

表3Saaty尺度標(biāo)準(zhǔn)

αij135792,4,6,8CiCj相同稍強(qiáng)強(qiáng)明顯強(qiáng)絕對強(qiáng)中間值

對于不同的準(zhǔn)則來說，尺度采用Saaty等人提出的1-9尺度標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示.

2.2 建立判斷矩陣

結(jié)合2014年的能源實際情況，參考國際能源價格，以各個能源的價格比作為評價指標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)煤(P1)：燃料油(P2)：天然氣(P3)：生物質(zhì)顆粒(P4)=480∶7 200∶5 020:820，由saaty1-9尺度模型可給判斷矩陣內(nèi)下階進(jìn)行賦值[8]：P2∶P1=1∶9，P3∶P1=1∶8，P3∶P2=2∶1，P4∶P1=1:2 ，P4∶P2=7∶1，P4∶P3=6∶1，即判斷矩陣

對于準(zhǔn)則C2(熱量高)來說，標(biāo)準(zhǔn)煤(P1)：燃料油(P2)：天然氣(P3)：生物質(zhì)顆粒(P4)=3 800∶9 800∶8 600∶4 200，P2∶P1=7∶1，P3∶P1=6∶1 ，P3∶P2=1∶2，P4∶P1=2:1 ，P4∶P2=1∶6,P4∶P3=1∶5，即判斷矩陣

對于準(zhǔn)則C3(污染少)來說，根據(jù)國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，單位標(biāo)準(zhǔn)煤和燃料油GB25989-2010 中硫含量不能超過2.5%，天然氣GB17820-2012中硫含量為200mg/m3，生物質(zhì)顆粒完全燃燒產(chǎn)生CO2，煤燃燒還會產(chǎn)生CO、NO及煤渣等污染物，由此可將4種能源對環(huán)境造成的污染做對比：煤(P1)>燃料油(P2)>天然氣(P3)>生物質(zhì)顆粒(P4).

由saaty1-9尺度模型可給判斷矩陣內(nèi)下階進(jìn)行賦值：P2∶P1=3∶1，P3∶P1=5∶1 ，P3∶P2=2∶1，P4∶P1=9∶1 ，P4∶P2=7∶1,P4∶P3=2∶1，判斷矩陣

同樣由Saaty等人提出的1-9尺度模型可給判斷矩陣下階進(jìn)行賦值：P2∶P1=1∶3 ，P3∶P1=1∶5，P3∶P2=1∶2，P4∶P1=5∶1，P4∶P2=7∶1，P4∶P3=9∶1，判斷矩陣

至于四個準(zhǔn)則對目標(biāo)層的總目標(biāo)來說的評定順序，根據(jù)世界能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，可對四項指標(biāo)的重要性進(jìn)行排序[9]:資源可用量多(C4)>污染少(C3)>熱量高(C2)>價格低(C1). 判斷矩陣A為

2.3 層次單排序

計算矩陣的最大特征值及其對應(yīng)特征向量的精確值比較繁瑣，而成對比較矩陣是通過定性比較得到的較粗的結(jié)果，本文采用和法求判斷矩陣的最大特征值及其對應(yīng)的特征向量的近似值[10].記判斷矩陣A=(aij)4×4，首先求A的最大特征值及其對應(yīng)的特征向量.

(1)將每一列元素進(jìn)行歸一化處理

得歸一化的判斷矩陣為

(2)將歸一化的判斷矩陣按行相加，并將所得列向量歸一化

即最大特征值所對應(yīng)特征向量為(0.050 51,0.134 45,0.206 97,0.608 07)T.

(3)計算判斷矩陣的最大特征根

對判斷矩陣A的一致性檢驗

通過一次性檢驗，用同樣的方法可以計算出其他矩陣的最大特征值及其對應(yīng)的特征向量，如下：

對C2，相應(yīng)量為λ2≈4.070 1，(ω21,ω22,ω23,ω24)T=(0.057 7,0.516 0,0.337 1,0.089 1)T,

對C4，相應(yīng)量λ4≈4.118 8,(ω41,ω42,ω43,ω44)T=(0.211 4,0.088 5,0.052,0.647 8)T,

2.4 組合權(quán)重計算

根據(jù)層次單排序，可知目標(biāo)層A對準(zhǔn)則層C的相對權(quán)重為

準(zhǔn)則層的各準(zhǔn)則Ci，對方案層四個方案的相對權(quán)重為：

(ωi1,ωi2,ωi3,ωi4)T，i=1,2,3,4.

表4 因素組合權(quán)重計算

代入數(shù)據(jù)可得(ω1,ω2,ω3,ω4)T=(0.253 5,0.196 2,0.419 7,0.427 3)T.

2.5 層次總排序的一致性檢驗

由計算結(jié)果可以看出，四種方案的優(yōu)先權(quán)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)煤為0.253 5，燃料油為0.196 2，天然氣為0.419 7，生物質(zhì)顆粒為0.427 3，故生物質(zhì)顆粒為最優(yōu).

3 結(jié)論

由上述分析可知，企業(yè)選擇生物質(zhì)顆粒燃料代替化石能源的燃燒，不僅減少了化石能源的使用，而且符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略.生物質(zhì)顆粒作為可再生能源，在農(nóng)村推廣使用意義重大.

[1] 孟海波，趙立欣，徐義田，等. 用粗糙集理論評價生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24(3)：198-202.

[2] 董玉平，王理鵬，鄧波，等.國內(nèi)外生物質(zhì)能源開發(fā)利用技術(shù)[J]. 山東大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2007，37(3)：64-69.

[3] 田宜水,趙立欣.中國農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 生物產(chǎn)業(yè)技術(shù),2007(1):37-44.

[4] 張華軍.層燃鍋爐燃煤改燒生物質(zhì)顆粒燃料分析[J].山東工業(yè)技術(shù),2016(4):78-78.

[5] 李選瑞, 韓有朋.住宅區(qū)采暖方式的選擇[J]. 建筑熱能通風(fēng)空調(diào), 2000,19(2):18-21.

[6] 孫毅,張文標(biāo),林啟晨，等.6種生物質(zhì)顆粒成型燃料性能測試分析[J].浙江林業(yè)科技,2015,35(6): 16-22.

[7] 鄺俊俠,龍濤,黃清鳳,等.燃料燃燒排放系數(shù)的確定和估算方法[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù),2001,13(2): 24-26.

[8] 李勇,何蕾,龐傳軍，等.基于層次分析法的火電廠運(yùn)行情況量化評價方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2015,39(2): 500-504.

[9] 吳智泉,張屹山,劉明浩，等.基于能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的能源統(tǒng)計方法探討[J].統(tǒng)計與決策, 2015(13):8-11.

[10] 常照其,汪自書,呂春英，等. 基于情景分析和層次分析法的湖北省低碳能源系統(tǒng)優(yōu)化研究[C].//2016中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集(第1卷)，2016.

Application of Analytic Hierarchy Process in Biomass Energy Advantage Analysis

PEI Sheng-lei1YE Li-juan2

(1.School of Physics & Electronic Information Engineering, Qinghai University for Nationality, Xining 810007, China； 2.School of Mathematics & Statistics, Qinghai University for Nationality, Xining 810007, China)

Coal, oil, natural gas are the main energy of human consumption by far, this kind of fossil fuel is decreasing rapidly with the use of human beings, meanwhile the use of fossil fuel results in environmental pollution. Biomass pellet is a kind of renewable clean energy. A comparison of the biomass particles with other conventional energy sources shows that it is optimal, using analytic hierarchy process. Therefore, it is suitable to promote biomass in the area rich in biomass.

analytic hierarchy process, evaluation criteria, judgment matrix, eigenvalue of maximum, biomass pellet

2017-03-18

教育部春暉計劃項目(Z2016079) 資助

裴生雷，E-mail：peishenglei@qhmu.edu.cn.

TK6

A

1672-6634(2017)02-0035-05