鄧 雙,孫現(xiàn)偉,束 韞,李 博,郭鳳艷,張 凡

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燃煤電廠煙氣一次PM2.5控制技術(shù)的綜合評估

鄧 雙1,2*,孫現(xiàn)偉3,束 韞1,李 博1,郭鳳艷1,張 凡1

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012；2.環(huán)境基準(zhǔn)和風(fēng)險評估國家重點實驗室,北京 100012；3.廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院,廣東 廣州 511400)

以燃煤電廠煙氣顆粒物控制技術(shù)或組合為研究對象,在文獻調(diào)研和專家問卷調(diào)查基礎(chǔ)上,針對燃煤電廠一次PM2.5排放特征,構(gòu)建了包含環(huán)境、經(jīng)濟和技術(shù)三方面共16項四個層次的評價指標(biāo)體系;采用模糊綜合法對7種顆粒物控制技術(shù)及其組合開展了綜合評估.結(jié)果表明:在綜合分析或著重環(huán)境性能的情況下,7種單一或組合控制技術(shù)的優(yōu)先順序為:低低溫靜電除塵配高頻電源+濕式靜電除塵≈靜電除塵配高頻電源+濕式靜電除塵>電袋復(fù)合除塵>靜電除塵+濕式靜電除塵>袋式除塵>靜電除塵>電凝并+靜電除塵.若優(yōu)先考慮經(jīng)濟因素,靜電除塵為最優(yōu)選擇;優(yōu)先考慮技術(shù)性能則袋式除塵為最優(yōu)選擇.

燃煤電廠；一次PM2.5；技術(shù)評估；層次分析法；模糊綜合評價法

一次PM2.5排放是灰霾的主要成因之一[1].2015年我國工業(yè)煙(粉)的排放量約為1232.6×104t,其中燃煤電廠排放顆粒物165.2×104t[2],占全國工業(yè)總排放的13.4%,PM2.5排放量約為89.3×104t.為有效控制燃煤電廠一次PM2.5排放,必須通過技術(shù)評估以篩選出最佳技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)境效益的末端顆粒物控制技術(shù).

國外在20世紀(jì)80年代初就開始對煙氣控制技術(shù)的經(jīng)濟性進行了分析,其中報道較多的是美國電力研究院(EPRI)、國際能源機構(gòu).目前國內(nèi)對于大氣污染物開展的技術(shù)評估研究主要集中在火電廠脫硫脫硝方面[5-7].本文采用模糊綜合評價法對燃煤電廠煙氣一次PM2.5控制技術(shù)進行了綜合評估,以期為燃煤電廠一次PM2.5減排提供技術(shù)支持.

1 方法與路線

1.1 技術(shù)評估方法

目前技術(shù)評估方法主要包括模糊綜合評價法、層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)度綜合評價法,其中以模糊綜合評價法應(yīng)用最為廣泛.模糊綜合法[8]是一種用于涉及模糊因素的對象系統(tǒng)的綜合分析方法,其利用模糊集理論,充分利用人腦對模糊現(xiàn)象能做出正確判斷的特點,模擬人的思維推理過程,使定性因素向定量因素逼近,從而得出科學(xué)的結(jié)果.模糊綜合法最大優(yōu)勢在于能處理具有模糊性因素較多或定性定量指標(biāo)比較復(fù)雜的問題,廣泛應(yīng)用于環(huán)保、建筑和生態(tài)等領(lǐng)域[8-14].燃煤電廠煙氣一次PM2.5控制技術(shù)的評估指標(biāo)具有多元化和模糊性,除了包括環(huán)境、經(jīng)濟和技術(shù)的一級指標(biāo)外,還包含污染物脫除效率、對周圍環(huán)境的影響、技術(shù)成熟度等多層次指標(biāo),因此本論文采用模糊綜合評價法對燃煤電廠一次PM2.5控制技術(shù)展開評估研究.

1.2 評估技術(shù)路線

技術(shù)評估的主要步驟包括:(1)確定評價對象集,確定參與評估的技術(shù);(2)選擇評價方法和模型;(3)構(gòu)建技術(shù)評估指標(biāo)體系,確定評價指標(biāo)集,并收集評價對象的評估指標(biāo)參數(shù);(4)確定評估指標(biāo)的權(quán)重和量化方法;(5)綜合分析各指標(biāo)隸屬度和權(quán)重值,計算各評價技術(shù)的分值;(6)得出綜合評估結(jié)果.

技術(shù)評估流程如圖1所示:

圖1 技術(shù)評估流程

2 結(jié)果與討論

2.1 技術(shù)初選及評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

隨著我國環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格,電力行業(yè)污染物排放要求不斷提高,傳統(tǒng)的低效高能耗的除塵技術(shù)已被淘汰.根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會報道[15],截至2015年年底,燃煤電廠安裝電除塵的機組容量占全國煤電機組容量的69.1%,袋式除塵器和電袋復(fù)合除塵器分別占8.68%和22.2%.低低溫靜電除塵配高頻電源[16-18]、電凝并[19-20]和濕式電除塵[21]等一批具有應(yīng)用前景的新除塵技術(shù)及組合技術(shù)得到廣泛推廣.目前我國燃煤電廠的除塵技術(shù)及其工藝參數(shù)見表1.

根據(jù)這些技術(shù)在我國燃煤電廠的實際應(yīng)用情況,考慮到控制技術(shù)的捕集粒徑、除塵效率和本體阻力等工藝特性(表1),尤其是對于一次PM2.5的脫除效率,初步篩選出靜電除塵(T1)、袋式除塵(T2)、電袋復(fù)合除塵(T3)、靜電除塵+濕式靜電除塵(T4)、電凝并+靜電除塵(T5)、靜電除塵配高頻電源+濕式電除塵(T6)和低低溫靜電除塵配高頻電源+濕式電除塵(T7)7種單一及組合控制技術(shù)進行技術(shù)評估,分別用T1~T7表示.

通過專家咨詢,構(gòu)建了包含環(huán)境、經(jīng)濟和技術(shù)的三級評價指標(biāo)體系,如圖2所示.

表1 燃煤電廠除塵技術(shù)

圖2 燃煤電廠煙氣一次PM2.5控制技術(shù)評估指標(biāo)體系

Fig 2 Evaluation index system of primary PM2.5control technology for coal-fired power plant

2.2 評估指標(biāo)的量化

由于指標(biāo)間評估等級和量綱存在差異,不具有可比性,無法直接進行綜合比較,因此必須對評估指標(biāo)進行量化.評估指標(biāo)量化常用方法主要有歸一化法(定性指標(biāo))和等級賦值法(定量指標(biāo)),在評估過程中將評估指標(biāo)分為定量指標(biāo)和定性指標(biāo),分別用歸一化法和等級賦值法對其進行量化.各評估指標(biāo)的等級與量化方法如表2所示.

對于定性指標(biāo),通過文獻調(diào)研[16-22],和20位專家(涉及除塵技術(shù)研發(fā)、技術(shù)評估、能源和工程設(shè)備制造等領(lǐng)域)評分的方式對不同控制技術(shù)的某項指標(biāo)進行賦值.賦值結(jié)果通常為[0,1]之間,賦值越大,表明基于該項指標(biāo)的技術(shù)得分越好.首先根據(jù)定性指標(biāo)的等級進行賦值,等級和賦值如表3,然后按照式(1)計算得分.

u=x/5 (1)

表2 指標(biāo)等級與量化方法

表3 指標(biāo)等級及對應(yīng)的賦值

表4 指標(biāo)量化結(jié)果

續(xù)表4

對于定量指標(biāo),采取歸一化法將其進行量化.對于PM10、PM2.5的量化,可以采用式(2)進行:

2.3 評價指標(biāo)的權(quán)重確定

雖然各技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)量化,但每個指標(biāo)在評估過程中的權(quán)重各不相同,因此各技術(shù)之間還是無法直接比較.本研究通過專家問卷調(diào)查獲得各指標(biāo)重要性評分,然后在此基礎(chǔ)上利用層次分析法(AHP)[5]確定了指標(biāo)權(quán)重.

(1)設(shè)評價對象集,即設(shè)待評技術(shù)集為=｛1,2,,7｝;為因素集,按一定的方式將中元素分成3個互不相交的因素子集=｛1,2,3｝,1,2,3分別表示環(huán)境指標(biāo)、經(jīng)濟指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo).

(2)在此基礎(chǔ)上,對每個U(=1,2,3)進行初級綜合評價.本文設(shè)1包含對周圍環(huán)境影響、協(xié)同效益和脫除效率3個評價指標(biāo),即1=｛1(1),1(2),1(3)｝;2=｛2(1),2(2),2(3)｝;3=｛3(1),3(2),3(3)｝;對于T(=1,2,…,7)可用向量X()表示個評價指標(biāo)的屬性值,即:

X()=(1n(),2n(),…, x())(3)

對于U來說,個待評技術(shù)的評價指標(biāo)屬性值可用下面的矩陣X(=1~m,=1~)表示:

由于各評價指標(biāo)之間具有不可公度性,即各個指標(biāo)沒有統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn),如果直接使用指標(biāo)值不便于進行分析和比較,因此在進行綜合評價前,先將評價指標(biāo)規(guī)范化,即構(gòu)造評價指標(biāo)的隸屬函數(shù)使指標(biāo)值統(tǒng)一變換到[0,1]范圍內(nèi).由中的每個因素隸屬度組成隸屬度評價矩陣:

根據(jù)U中各因素所起作用大小定出權(quán)數(shù)分配A=(1(),2(),…,m()),且通過對模糊矩陣進行復(fù)合運算,可得出對U的一級綜合評價B:

Bk=Ak°Ek=(bk1,bk2,…,bkn) (6)

(3)對進行綜合評價

按各U在中所起作用的大小,給出其權(quán)重分配:

={1,2,3} (7)

由各的評價結(jié)果(=1,2,3),得出總的單因素評價矩陣:

經(jīng)模糊復(fù)合運算可得的綜合評價矩陣,

=AE=(1,2,…,) (9)

則b(=1,2,…,7)表示第個技術(shù)的綜合得分,通過對綜合得分排序即可找出哪項技術(shù)為最佳技術(shù).

通過燃煤電廠PM2.5控制技術(shù)評估軟件(V1.0)[23]、問卷調(diào)查與層次分析法(AHP)處理后,指標(biāo)權(quán)重值如表5所示:

表5 指標(biāo)權(quán)重

2.4 綜合分析和評估

根據(jù)表4和表5,按照公式(6)和(9)計算可以得到燃煤電廠一次PM2.5待評技術(shù)綜合得分,如表6所示.

表6 燃煤電廠PM2.5控制技術(shù)綜合評估結(jié)果

由于低低溫靜電除塵配高頻電源+濕式電除塵和靜電除塵配高頻電源+濕式電除塵技術(shù)組合的占地面積大、能耗高,導(dǎo)致其工程投資和單位脫除成本高.燃煤電廠在資金預(yù)算不足的情況下,可以考慮電袋復(fù)合除塵技術(shù),但其對PM2.5的脫除效率相對較低,協(xié)同脫硫效果和回收效益也較差.如果考慮環(huán)境性能,靜電除塵+濕式靜電除塵要優(yōu)于電袋除塵和袋式除塵,是現(xiàn)在主流的除塵技術(shù),但由于其是兩級除塵,其工程投資和運行成本較高、占地面積較大,故其綜合得分相比電袋除塵和袋式除塵技術(shù)相對較低.而對于綜合得分靠后的電凝并+靜電除塵技術(shù)來講,雖然其除塵效率比靜電除塵高,但其脫除PM2.5單位成本相對較高,占地面積相對較大,并且電凝并作為新興技術(shù),在技術(shù)可靠性方面存在一定的問題,因此,其得分低于靜電除塵,綜合得分最低.由此可見,采用本論文評估方法得到的結(jié)果與目前燃煤電廠的實際情況比較吻合.

層次分析法屬于主觀賦值法,對權(quán)重的確定有一定的局限性;因此將評價結(jié)果與運用專家問卷調(diào)研法得到的專家參考權(quán)重進行評估得到的結(jié)果進行比較,發(fā)現(xiàn)一致性較好(圖3).可見,本文采用的層次分析法盡量避免了主觀因素的影響,其評估結(jié)果具有可靠性.

權(quán)重敏感性分析是指指標(biāo)權(quán)重值改變對評價結(jié)果的影響.由于待評技術(shù)較多,故不對每個方案的權(quán)重變化臨界值和敏感度系數(shù)進行逐一計算,而是分別以環(huán)境、技術(shù)和經(jīng)濟為重點調(diào)整指標(biāo)權(quán)重,定性分析評估結(jié)果對權(quán)重的敏感性.當(dāng)分別強調(diào)環(huán)境、經(jīng)濟和技術(shù)性能時,將三項一級指標(biāo)的相對權(quán)重分別調(diào)整為1=(0.6,0.2,0.2)、2=(0.2,0.6, 0.2)和3=(0.2,0.2,0.6),各項二級、三級指標(biāo)權(quán)重按比例隨之變化,評價結(jié)果如圖4~圖6所示.

圖3 燃煤電廠不同權(quán)重下評估結(jié)果對比

圖4 強調(diào)環(huán)境性能的技術(shù)評估結(jié)果

圖5 強調(diào)經(jīng)濟性能的技術(shù)評估結(jié)果

圖6 強調(diào)技術(shù)性能的技術(shù)評估結(jié)果

優(yōu)先考慮環(huán)境性能時(圖4),評價結(jié)果與綜合評估結(jié)果相似,這主要是因為在綜合評估時將環(huán)境指標(biāo)的權(quán)重設(shè)置較高(0.5),只略低于優(yōu)先考慮環(huán)境性能的環(huán)境指標(biāo)權(quán)重(0.6).低低溫靜電除塵配高頻電源+濕式電除塵和靜電除塵配高頻電源+濕式電除塵技術(shù)組合為最佳選擇;其次為電袋復(fù)合除塵和靜電除塵+濕式靜電除塵,而單獨靜電除塵為最差選擇.

在優(yōu)先考慮經(jīng)濟性能(圖5)時,靜電除塵為最優(yōu)選擇,這也充分說明了靜電除塵為何受到廣大燃煤電廠企業(yè)的青睞;其次為布袋除塵和電袋復(fù)合除塵,可見如果能夠降低布袋消耗所帶來的材料費用,布袋除塵和靜電除塵將具有更強的經(jīng)濟優(yōu)勢;低低溫靜電除塵配高頻電源+濕式電除塵、靜電除塵配高頻電源+濕式電除塵為最差選擇,這兩項技術(shù)在經(jīng)濟性方面需要進一步改善.

當(dāng)優(yōu)先考慮技術(shù)性能(圖6)時,袋式除塵為最優(yōu)選擇,靜電除塵稍為次之,而電凝并+靜電除塵為最差選擇,主要因為目前電凝并為新興技術(shù),在技術(shù)可靠性方面存在一定的問題.由此可見,我國各地區(qū)燃煤電力企業(yè)可根據(jù)本地的經(jīng)濟發(fā)展水平、大氣環(huán)境容量和當(dāng)?shù)氐呐欧艠?biāo)準(zhǔn)等實際情況,進行燃煤電廠一次PM2.5控制技術(shù)選擇;具體到某個電廠在選擇PM2.5控制技術(shù)時,可根據(jù)其資金、電廠外部環(huán)境和是否為新建等實際情況,采用本論文建立的指標(biāo)評價體系和評價方法進行控制技術(shù)評估,篩選出適合本廠具有最佳環(huán)境、經(jīng)濟和技術(shù)效益的一次PM2.5控制技術(shù).

3 結(jié)論

采用模糊綜合評價法,并結(jié)合現(xiàn)有文獻調(diào)研和專家調(diào)查問卷,對燃煤電廠一次PM2.5控制技術(shù)進行了環(huán)境性能、技術(shù)性能和經(jīng)濟性能的綜合評價.評估結(jié)果表明,優(yōu)先考慮的因素不同,最后評價的結(jié)果也不盡相同.無論是綜合評價還是優(yōu)先考慮環(huán)境性能,低低溫靜電除塵配高頻電源+濕式靜電除塵和靜電除塵配高頻電源+濕式靜電除塵都是最佳實用技術(shù);優(yōu)先順序為:低低溫靜電除塵配高頻電源+濕式靜電除塵≈靜電除塵配高頻電源+濕式靜電除塵>電袋復(fù)合除塵>靜電除塵+濕式靜電除塵>袋式除塵>靜電除塵>電凝并+靜電除塵.優(yōu)先考慮經(jīng)濟因素時,靜電除塵為最優(yōu)選擇;優(yōu)先考慮技術(shù)性能時,袋式除塵為最優(yōu)選擇.

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Comprehensive assessment of primary PM2.5control technologies for coal-fired power plants.

DENG Shuang1,2*, SUN Xian-wei3, SHU Yun1, LI Bo1, GUO Feng-yan1, ZHANG Fan1

(1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Beijing 100012, China；3.Guangzhou Fibre Product Testing and Research Institute, Guangzhou 511400, China)., 2018,38(3)：1157~1164

The object of this study is the evaluation of coal-fired power plant flue gas particulate control technologies or their combinations. According to the literature and the expert questionnaire surveys,an assessment model with sixteen evaluation indexes regarding environment, economy and technology was constructed to investigate the primary PM2.5emission behaviors from coal-fired power plants. Analytic Hierarchy Process (AHP) was used to conducted an assessment for seven coal-fired power plant flue gas particulate control technologies or their combinations. The results showed that the order of priority based on a comprehensive analysis or considering environment is: low-temperature electrostatic precipitation with high-frequency power + wet electrostatic precipitation ≈ electrostatic precipitation with high frequency power + wet electrostatic precipitation > electrostatic-bag precipitation > electrostatic precipitation + wet electrostatic precipitation > bag precipitation > electrostatic precipitation > electrostatic coagulation precipitation. The Electrostatic precipitation could be the best option if considering economics. Otherwise, the bag precipitation was the best if considering technology.

coal-fired power plant；PM2.5；technology assessment；analytic hierarchy process；fuzzy comprehensive analysis method

X513

A

1000-6923(2018)03-1157-08

鄧 雙(1972-),女,湖南湘潭人,研究員,博士,主要從事大氣污染控制技術(shù)及對策研究.發(fā)表論文50余篇.

2017-08-08

國家科技支撐計劃項目(2014BAC23B00);環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(201309072)

* 責(zé)任作者, 研究員, dengshuang@craes.org.cn