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。