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        基于層次分析法和熵權(quán)法的中小型沼氣工程凈化提純技術(shù)篩選

        2021-10-28 07:05:18金子爍劉虎成邵麗杰劉沛含王曉明張大雷
        可再生能源 2021年10期
        關(guān)鍵詞:權(quán)法沼氣分析法

        金子爍,劉虎成,寇 巍,邵麗杰,劉沛含,王曉明,張大雷

        (1.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,福建 福州 350118;2.沈陽航空航天大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院,遼寧沈陽 110122;3.遼寧省能源研究所有限公司,遼寧 營口 115004)

        0 引言

        在傳統(tǒng)化石能源日益枯竭的現(xiàn)代社會,生物質(zhì)能作為一種儲量豐富、綠色環(huán)保、發(fā)展?jié)摿Υ蟮目稍偕履茉?,受到越來越多的關(guān)注。諸多學(xué)者對生物質(zhì)能的利用方式進(jìn)行了研究,其中建設(shè)沼氣工程是一種優(yōu)良環(huán)保的生物質(zhì)能發(fā)展模式[1]。沼氣工程主要分為厭氧發(fā)酵和凈化提純兩部分,厭氧發(fā)酵是沼氣產(chǎn)生的基礎(chǔ),而凈化提純是沼氣高值利用的必要步驟。沼氣凈化提純主要涉及脫水、脫硫以及脫碳,對于一些特殊來源的沼氣,還有可能涉及脫氧、脫氮等。目前,脫硫方法主要有干法、濕法和生物法[2],[3];脫碳方法主要有變壓吸附法、物理吸收法、化學(xué)吸收法、膜分離法以及深冷 分 離 法[2],[4]。

        脫硫和脫碳方式的選擇與沼氣工程大小、沼氣來源、投資成本以及后續(xù)利用方式等多種因素有關(guān),因此,有關(guān)不同類型沼氣工程中脫硫和脫碳方式的選擇和確定有一定的研究應(yīng)用價(jià)值。對于多參數(shù)決策問題中指標(biāo)相對權(quán)重的確定,常用的 方 法 有 德 爾 菲 法(Delphi)、層 次 分 析 法(AHP)、熵權(quán)法、模糊聚類法、主成分分析法、模糊TOPSIS法等[5]~[9]。向欣運(yùn)用層次分析法和模糊綜合評價(jià)法篩選出了適合武漢地區(qū)使用的沼氣工程技術(shù),但篩選結(jié)果受所邀請專家的主觀影響較大[10]。為減少主觀因素的影響,朱桂英使用層次分析法和熵權(quán)法對沼氣工程技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行組合賦權(quán),使得沼氣工程技術(shù)指標(biāo)評價(jià)系統(tǒng)更加清晰和 完 善[11]。

        諸多學(xué)者在沼氣工程中厭氧發(fā)酵技術(shù)指標(biāo)、指標(biāo)權(quán)重等的建立方面展開了研究,但對沼氣凈化提純技術(shù)指標(biāo)及指標(biāo)權(quán)重的建立尚未見報(bào)道。本文以提純技術(shù)指標(biāo)及指標(biāo)權(quán)重的構(gòu)建為例,結(jié)合層次分析法與熵權(quán)法對常用脫碳方式在中小型沼氣工程中的適用性進(jìn)行評價(jià),減少了層次分析法的主觀性影響,提高了評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性,為中小型沼氣工程選擇合適的提純方式提供了理論依據(jù)。

        1 評價(jià)體系的構(gòu)建

        在查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,綜合數(shù)位業(yè)內(nèi)專家的意見,選取技術(shù)成熟度(C1)、產(chǎn)品氣性能(C2)、設(shè) 備 適 應(yīng) 性(C3)、環(huán) 境 指 標(biāo)(C4)和 經(jīng) 濟(jì) 指 標(biāo)(C5)來構(gòu)建沼氣凈化提純技術(shù)的指標(biāo)評價(jià)體系。

        1.1 技術(shù)成熟度

        技術(shù)成熟度是指技術(shù)、工藝和工藝領(lǐng)域應(yīng)用科學(xué)技術(shù)的發(fā)展程度和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用程度。綜合專家意見,選擇技術(shù)穩(wěn)定性 (C11)、操作復(fù)雜程度(C12)、預(yù) 處 理 復(fù) 雜 程 度(C13)和 單 位 產(chǎn) 能 總 耗 能(C14)作 為 下 級 指 標(biāo)[12],[13]。技 術(shù) 越 穩(wěn) 定,其 適 用 程 度越高,操作和前置預(yù)處理越簡單,日常運(yùn)作需要的維護(hù)人員越少。

        1.2 產(chǎn)品氣性能

        產(chǎn)品氣性能反映了提純技術(shù)的性能,包含產(chǎn)品 氣 純 度(C21)和 甲 烷 回 收 率(C22)兩 項(xiàng) 指 標(biāo)。在 生產(chǎn)中,只有產(chǎn)品氣達(dá)到一定純度才可以進(jìn)行后續(xù)利用,因此,產(chǎn)品氣純度是衡量提純技術(shù)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。沼氣提純過程的產(chǎn)品氣為CH4,在分離CO2的過程中不可避免會有部分CH4一起被分離出去,這是對可利用能源的浪費(fèi),因此,甲烷回收率越高,被分離出去的CH4越少。

        1.3 設(shè)備適應(yīng)性

        設(shè)備適應(yīng)性是指該技術(shù)所用設(shè)備對不同沼氣工程的適應(yīng)程度,包含對不同沼氣工程的適應(yīng)性(C31)、對 不 同 來 源 沼 氣 的 適 應(yīng) 性(C32)和 設(shè) 備 故 障率(C33)3項(xiàng)指標(biāo)。部分技術(shù)所需設(shè)備體積較大,適用于大型沼氣工程,對中小型沼氣工程的適用性不強(qiáng)。不同來源沼氣的組分略有差異,對提純技術(shù)的選擇會產(chǎn)生影響。

        1.4 環(huán)境指標(biāo)

        沼氣提純技術(shù)在實(shí)現(xiàn)沼氣高值化利用的同時也會減少溫室氣體的排放,對于不同提純技術(shù),排放氣的組分不同,其溫室氣體的排放量也不同,因此,以溫室氣體減排量(C41)作為環(huán)境指標(biāo)的下級指標(biāo)。

        1.5 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

        不同技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益是影響決策者選擇與否的重要因素之一,投資成本(C51)和投資回收期(C52)是兩項(xiàng)常用的評價(jià)指標(biāo),在沼氣提純設(shè)備中,設(shè)備核心部件是決定設(shè)備能否穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵且需要定時更換,因此,核心部件更換周期(C53)也是一項(xiàng)評價(jià)沼氣提純技術(shù)的指標(biāo)。

        1.6 綜合評價(jià)法的實(shí)施步驟

        將所建立的指標(biāo)評價(jià)體系劃分為3個層次,具體的指標(biāo)體系見圖1。綜合評價(jià)法的實(shí)施步驟為目標(biāo)層采用層次分析法確定目標(biāo)層組內(nèi)權(quán)重;準(zhǔn)則層先用層次分析法確定組內(nèi)權(quán)重,再與目標(biāo)層組內(nèi)權(quán)重合成為準(zhǔn)則層層次分析法絕對權(quán)重;方案層中定性指標(biāo)的確定采用層次分析法,定量指標(biāo)的確定采用熵權(quán)法,得到的組內(nèi)權(quán)重與準(zhǔn)則層權(quán)重合成得到準(zhǔn)則層熵權(quán)法絕對權(quán)重;將準(zhǔn)則層層次分析法和熵權(quán)法絕對權(quán)重加權(quán)平均得到準(zhǔn)則層綜合權(quán)重。

        2 層次分析法與熵權(quán)法的具體實(shí)施步驟

        2.1 層次分析法的具體實(shí)施步驟

        層次分析法是一種根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的相對重要程度賦予權(quán)重的方法,相對重要程度越高,則所賦值越大。層次分析法通過對不同層次指標(biāo)的綜合評判,得到定量化且較符合實(shí)際的評價(jià)結(jié)果,適用于多層次的多目標(biāo)決策問題。

        2.1.1 構(gòu)建兩兩比較判斷矩陣

        針對圖1所示的沼氣工程提純技術(shù)指標(biāo)評價(jià)體 系 中 的5個 同 層 次 指 標(biāo) 組{(C1,C2,C3,C4,C5),(C11,C12,C13,C14),(C21,C22),(C31,C32,C33),(C41),(C51,C52,C53)},邀 請 業(yè) 內(nèi) 專 家 對 組 內(nèi) 指 標(biāo) 相 對 重要性按1~9尺度法(表1)進(jìn)行兩兩比較賦值。以第一個指標(biāo)組為例,構(gòu)造表2所示的5階判斷矩陣A1,將專家的判斷思維數(shù)據(jù)化。

        表1 指標(biāo)相對重要性等級賦值表Table 1 Assignment table of relative importance level of indicators

        表2 A1組內(nèi)判斷矩陣Table 2 Judgment matrix in group A1

        2.1.2 判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)

        表2所示的專家打分矩陣具有很強(qiáng)的主觀性,因此,為保證計(jì)算結(jié)果的科學(xué)性、合理性,應(yīng)先對專家打分矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)CR,CR檢驗(yàn)公式為

        式中:CI為一致性指標(biāo);RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo);λmax為判斷矩陣的最大特征根;n為判斷矩陣的階數(shù)。

        λmax可以通過Matlab計(jì)算。RI是一個與矩陣階數(shù)相關(guān)的常數(shù),不同階數(shù)矩陣的RI值見表3。當(dāng)CR<0.1時,認(rèn)為判斷矩陣的一致性良好,反之,則認(rèn)為判斷矩陣不具備一致性,此專家所填寫的判斷矩陣應(yīng)當(dāng)舍棄。

        表3 層次分析法中平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的取值Table 3 Values of average random consistency index RI in AHP

        2.1.3 確定指標(biāo)組內(nèi)權(quán)重

        對符合一致性檢驗(yàn)的判斷矩陣進(jìn)行組內(nèi)權(quán)重計(jì)算。

        ①對判斷矩陣的每一列做歸一化處理

        2.1.4 確定指標(biāo)權(quán)重

        2.2 熵權(quán)法的具體實(shí)施步驟

        熵權(quán)法是一種根據(jù)數(shù)據(jù)差異性確定指標(biāo)權(quán)重的客觀賦值法。熵權(quán)法根據(jù)各指標(biāo)的變異程度,利用信息熵計(jì)算出各指標(biāo)的熵權(quán),再通過熵權(quán)對各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行修正,可以充分挖掘原有數(shù)據(jù)中的信息,較為客觀地展示各指標(biāo)的權(quán)重,但缺乏同層次指標(biāo)間的橫向比較,所得權(quán)重層次關(guān)聯(lián)性較低。

        2.2.1 構(gòu)建原始矩陣

        假設(shè)評價(jià)指標(biāo)有m個,被評價(jià)對象有n個,各 項(xiàng) 評 價(jià) 指 標(biāo) 值 分 別 為xij,其 中i=1,2,3,...,m;j=1,2,3,..,n(下 同)。則 構(gòu) 建 的 原 始 矩 陣 為

        2.2.2 對評價(jià)指標(biāo)賦值

        評價(jià)指標(biāo)中的定性指標(biāo)可以根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)按“優(yōu)、良、中、差、很差”打分得出,對應(yīng)分值分別為“100~80”,“80~60”,“60~40”,“40~20”,“20~0”。定量指標(biāo)則根據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)給出,本文以“甲烷回收率”為例進(jìn)行定量指標(biāo)評分說明,甲烷回收率按“100%~90%”,“90%~80%”,“80%~70%”,“70%~60%”,“60%~0%”分為5個等級,對應(yīng)分值分別為“100~80”,“80~60”,“60~40”,“40~20”,“20~0”。

        2.2.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

        按式(8)對原始矩陣中的指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

        式中:yij為原始矩陣第i行第j列標(biāo)準(zhǔn)化處理后的值。

        因此,標(biāo)準(zhǔn)化后的矩陣為

        所 得 向 量w=(w1,w2,w3,…,wm)T即 為 熵 權(quán) 法確定的準(zhǔn)則層權(quán)重。

        2.3 確定綜合權(quán)重

        層次分析法系統(tǒng)性強(qiáng),但打分依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn),偏重于實(shí)際應(yīng)用,主觀隨意性大。熵權(quán)法雖減少了專家打分帶來的主觀性,但理論性強(qiáng),得到的權(quán)重排序可能會偏離實(shí)際。因此,要將理論與實(shí)際相結(jié)合,利用式(14)對綜合權(quán)重進(jìn)行確定。

        式中:α為層次分析法所占比例,本文的取值為0.5。

        2.4 確定沼氣提純技術(shù)排序

        3 實(shí)例計(jì)算

        邀請15名沼氣工程領(lǐng)域內(nèi)的專家對同層次指標(biāo)組進(jìn)行兩兩比較賦值,并對熵權(quán)法中的定性指標(biāo)打分。實(shí)際操作過程中,共收到13份問卷回復(fù),在進(jìn)行一致性檢驗(yàn)時,有1份不具備一致性。

        3.1 層次分析法計(jì)算

        以一位專家對目標(biāo)層的賦值為例,運(yùn)用層次分析法進(jìn)行分析(其中一致性檢驗(yàn)中n=4),結(jié)果見 表4。

        表4 目標(biāo)層組內(nèi)權(quán)重分析示例Table 4 Example of weight analysis in target group

        對12份問卷中的每組指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算并取平均值,整理為表5中的數(shù)據(jù)。

        表5 目標(biāo)層及準(zhǔn)則層權(quán)重的平均權(quán)重表Table 5 Average weight table of target layer and criterion layer

        由表5可知,在目標(biāo)層中,產(chǎn)品氣性能、技術(shù)成熟度和設(shè)備適應(yīng)性的影響較大,所占權(quán)重分別為0.417 5,0.252 3和0.157 9,所以產(chǎn)品氣性能對沼氣提純技術(shù)的選擇至關(guān)重要,其次為技術(shù)成熟度。產(chǎn)品氣性能指標(biāo)中產(chǎn)品氣純度為關(guān)鍵,沼氣提純后產(chǎn)品氣為CH4,即CH4純度為評價(jià)沼氣提純技術(shù)優(yōu)劣的基礎(chǔ)。環(huán)境指標(biāo)所占權(quán)重最低,僅為0.076 2,這是因?yàn)檎託獾闹饕煞譃镃H4和CO2,提純過程即將CH4和CO2分離收集,所有沼氣提純技術(shù)均減少了溫室氣體的排放,因此,環(huán)境指標(biāo)在沼氣提純技術(shù)的選擇中所占權(quán)重最小。

        3.2 熵權(quán)法計(jì)算

        根據(jù)定性指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)和定量指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn),準(zhǔn)則層與方案層的評分如表6所示。

        表6 熵權(quán)法評分?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算表Table 6 Calculation table of scoring data in entropy weight method

        由表6可知,在各指標(biāo)熵權(quán)法排序中,甲烷回收率、預(yù)處理復(fù)雜程度和對不同來源沼氣的適應(yīng)性對目標(biāo)層的評選影響較大。與表5對比后可知,指標(biāo)層權(quán)重排序略有變化,這是由于熵權(quán)法和層次分析法所側(cè)重的因素不同所導(dǎo)致的,熵權(quán)法更側(cè)重理論計(jì)算,會對實(shí)際應(yīng)用過程中的一些因素考慮不到位,因此,須要將熵權(quán)法與層次分析法相結(jié)合進(jìn)行分析。

        3.3 綜合權(quán)重的確定

        將層次分析法與熵權(quán)法計(jì)算的準(zhǔn)則層絕對權(quán)重加權(quán)平均后繪制成圖2。由圖2可知,綜合權(quán)重介于層次分析法權(quán)重和熵權(quán)法權(quán)重之間,減少了層次分析法的主觀影響,弱化了熵權(quán)法部分結(jié)論與實(shí)際偏離的程度,所得結(jié)果更加準(zhǔn)確、客觀。

        圖2 權(quán)重對比圖Fig.2 The chart of weight comparison

        從圖2還可以看出,影響選擇沼氣提純技術(shù)的前3項(xiàng)指標(biāo)分別為產(chǎn)品氣純度、甲烷回收率和對不同來源沼氣的適應(yīng)性,其綜合權(quán)重分別為0.179 6,0.111 1和0.105 4,3項(xiàng) 指 標(biāo) 的 綜 合 權(quán) 重之和占全部指標(biāo)的40%,因此,可以認(rèn)為這3項(xiàng)指標(biāo)是影響沼氣提純技術(shù)評價(jià)的主要因素,這與目標(biāo)層中主要影響因素為產(chǎn)品氣性能和技術(shù)成熟度相一致。

        3.4 沼氣提純技術(shù)排序的確定

        表7為沼氣提純技術(shù)綜合指標(biāo)評價(jià)表。綜合評價(jià)分值越高,方案越好,即更適合在中小型沼氣工程提純系統(tǒng)中運(yùn)用。由表7可知,膜分離法的綜合評分最高,在中小型沼氣工程提純系統(tǒng)中的適用性更高。物理吸收法和化學(xué)吸收法所用裝置的占地面積大,對不同沼氣工程的適應(yīng)性較差,因此其綜合評分較低。

        表7 沼氣提純技術(shù)綜合指標(biāo)評價(jià)表Table 7 Comprehensive index evaluation of biogas purification technology

        4 結(jié)論

        本文構(gòu)建了沼氣提純技術(shù)指標(biāo)評價(jià)體系,并運(yùn)用層次分析法和熵權(quán)法對各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行了計(jì)算,得到了如下結(jié)論。

        ①根據(jù)專家打分,目標(biāo)層權(quán)重排序?yàn)楫a(chǎn)品氣性能、技術(shù)成熟度、設(shè)備適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)。

        ②依據(jù)13項(xiàng)指標(biāo)對5種常用沼氣提純技術(shù)進(jìn)行評價(jià),得出其選擇順序?yàn)槟し蛛x法、變壓吸附法、化學(xué)吸收法、物理吸收法、深冷分離法。

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