燃煤烟气氨法脱硫过程的综合风险评价

马 振, 万 皓

(1.上海大学环境与化学工程学院,上海200444;2.上海大学能源管理办公室,上海200444)

中国是燃煤大国,煤炭在一次能源中仍占据较大比重.SO2是导致酸雨和光化学烟雾的重要因素,对大气环境产生巨大威胁,87%的SO2来源于煤的燃烧[1],而SO2转化产生的酸雾等二次污染物具有更严重的危害[2].虽然近几年SO2的排放量逐渐减少,但排放总量仍较高,预计到2020年,中国SO2排放量将达到21 Mt/a[3].国家对环境质量的控制要求越来越严格,因此提高对烟气中SO2的脱除效率仍是一项重要任务[4].20世纪70年代,意大利等国开始研究氨法脱硫工艺并相继获得成功.随着合成氨工业的发展及氨法脱硫工艺的完善,氨法脱硫技术逐渐得到推广[5].该方法以氨的水溶液为吸收剂脱除烟气中的SO2,生成NH4HSO3和(NH4)2SO3混合液,因其脱硫效率高、副产品硫酸铵易于利用,而被广泛应用于燃煤过程的烟气脱硫[6],可实现经济与环境效益的和谐统一,是一种适应中国国情、极具推广价值的烟气脱硫技术.目前,氨法脱硫技术的相关研究有很多,但缺乏对脱硫过程的系统综合评价.本工作利用层次分析法(analytic hierarchical process,AHP)-模糊评价法综合风险指标体系对氨法脱硫过程进行风险评价,对氨法脱硫理论与实践具有一定的参考价值.

1 综合风险评价方法

层次分析法(AHP)是将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次,在此基础上进行定性和定量分析的决策方法.在环境科研实践中,AHP已广泛应用于环境规划[7]、化学品环境性能评价[8]等众多领域.模糊综合评价法又称模糊决策法,是一种对含有大量难以定量化影响因素的评价对象的隶属度进行多因素综合评判的方法.综合风险评价是一个复杂问题,评价结果受诸多因素的影响.众多风险评价方法间最主要的区别是评价因子权重的计算,合理的权重值能反映评价因子的实际贡献及因子间的协同作用,仅用模糊综合评价模型,很难对各个影响因素分配合理的权重[9].层次分析法则依据问题的性质和目标构建递阶层次结构,对各评价因子的重要性给予定量表示,用数学方法确定各评价因子的权重,较好地避免了脱硫过程评价的主观随意性[10].本工作采用的风险评价体系结合了层次分析法和模糊评价法,通过分析总结氨法脱硫过程的风险因素,建立层次递阶结构,求解各指标的权重值,并结合专家投票结果构建各级因素的模糊评价矩阵,按照构建的评分集计算出各因素的风险等级.AHP-模糊评价法的综合评价模型构建有以下几步.

(1)针对构成评价问题的目标(准则)及因素等,建立多级递阶结构模型.一级评价因素集U=(U1,U2,···,Un),n为一级因素个数;二级评价因素集u=(ui1,ui2,···,uim),m为二级因素个数.以上一级因素集为准则,对二级因素集u互相比较后构建判断矩阵利用特征向量法或Matlab软件求得u的权重集元素Wik(k=1,2,···,m)表示二级因素集u中的各元素对因素集重要性的隶属程度.

式中,λmax为矩阵P的最大特征值,n为矩阵P的阶数.λmax可用Matlab软件计算.多阶矩阵引进判断矩阵的平均随机一致性指标(random index,RI)[11]的分布如表1所示.

表1 判断矩阵的RI值Table 1 RI values of judgment matrix

(3)将二级因素集u中的各影响因素划分为5个等级,即为评价集5个等级的分值如表2所示.

表2 风险等级评分标准Table 2 Rating criteria of risk level

(4)采用专家投票法评分.针对所构建的评价集,专家根据指标的经济和技术意义凭借经验给出评价分值, 对各评价元素的隶属度进行投票,由此构建二级因素集u的模糊判断矩阵根据公

(5)系统评价量化值Vi(评价结果分值)为

式中,bj为评价对象对评价集合的隶属度,vj为对应的标准分值.将矩阵代入式(2)中,即可计算出各一级因素的量化值

(6)构建一级因素评价矩阵A,求出最大特征值λmax及权重集E.该一级判断矩阵的一致性检验通过后,根据所求权重及各一级因素的得分值Vi,求得氨法脱硫过程的总风险值Vtotal.

2 研究方法的应用

本工作针对燃煤电厂烟气氨法脱硫过程,在查阅相关文献及对大量工程调查数据进行分析后构建综合风险评价指标体系,确定评价因子.一级风险评价因素集包括技术风险、环境风险、安全风险、经济风险、管理风险.每个一级评价指标又含有4个具体的分析对象,以构建氨法脱硫综合风险评价体系.一级评价因素集U=(U1,U2,U3,U4,U5),即U=Ui的集合;二级评价因素集u=(ui1,ui2,ui3,ui4).

构造两两比较判断矩阵,对每一层次因子的相对重要性用数值形式给出判断,应用Saaty的1～9标度法来反映指标间的相对重要性,标度及其含义如表3所示.

表3 判断矩阵比例标度及其含义Table 3 Calibration and meaning of judgment matrix

根据对烟气脱硫相关技术人员的问卷调查,结合以上判断矩阵的比例标度,构造二级评价

利用Matlab软件计算二级判断矩阵的最大特征值及权向量,并检验其一致性.计算结果如下:

由表4可见,二级判断矩阵的一致性比率(consistency ratio,CR)值分别为0.093,0.012,0.024,0.076,0.078,均小于0.1.计算CR值,CR=CI/RI.当CR＜0.1时,认为判断矩阵P满足一致性;当CR＞0.1时,需重新调整矩阵,因此判断矩阵满足一致性,所得权重系数合理.

表4 二级判断矩阵的一致性检验Table 4 Consistency check of judgment matrix in second level

根据一级及二级评价因素,对氨法脱硫行业的专家进行问卷调查,共计25份调查问卷,结果如表5所示.

表5 氨法脱硫过程综合风险评价结果Table 5 Results of comprehensive risk assessment of ammonia desulfurization

根据氨法脱硫专家对二级指标的投票结果,可得二级风险评价因素集u的模糊评价矩阵如下:

一级评价因素Ui的模糊评价矩阵为的模糊评价矩阵计算如下:

在系统评价中,根据式(2)可计算出5个一级因素的量化值Vi(i=1,2,3,4,5):

一级因素的判断矩阵利用Matlab软件计算矩阵A的最大特征值λmax=5.068,权重集E=(0.509,0.780,0.180,0.296,0.110).检验该一级判断矩阵的一致性可知,CR=0.017＜0.1,满足一致性检验.V为一级因素的评分集,则总量化分值为

由上述计算结果可知:氨法脱硫过程风险总值为60.65,处于“较高”风险等级,其中氨法脱硫技术方面的风险值V2为68.57,面临着“高”风险;安全隐患、环境问题及工业管理方面的指标为“较高”风险等级;而经济效益为“较低”风险等级,可见技术改进仍是提高氨法脱硫效率的关键.

3 技术改进措施

氨法脱硫的主体部分涉及吸收、浓缩、氧化等诸多化工单元操作,脱硫过程中的设备防腐、脱硫效率、烟气二次污染、副产品的回收等方面技术需进一步改进.氨法脱硫各操作单元之间关联紧密,工艺系统相对复杂,在自动控制、运行稳定性方面也要加快优化步伐[12].另外,需改造反应装置结构,如串级式氨法脱硫塔、塔外氧化装置等,增加SO2的吸收,提高脱硫效率.一些研究还将氨法脱硫与其他方法结合,优势互补,以促进脱硫反应,如等离子法结合氨法脱硫技术就能有效提高烟气净化效率[13].

在氨法脱硫过程中,烟气脱硫塔内液体中的NH3易蒸发造成逸氨量增加.减少氨逃逸的首要措施是设定足够大的液气比,可以在脱硫塔吸收段上方设置NH3回收段,在地面设置喷淋水罐和喷淋水泵.喷淋水泵从喷淋水罐下部抽取喷淋水送往氨回收段喷淋层,经喷嘴均布喷淋后下落,与上升的脱硫后的烟气逆流接触,使烟气中残存的氨被喷淋水吸收[14].为避免氨法脱硫过程中生成气溶胶,需要降低脱硫区域的气相游离氨浓度.氨极易挥发,所用脱硫循环喷淋液中游离氨的浓度要尽量低,以控制脱硫区域气相空间游离氨的浓度.另外,在烟气进入脱硫区域前需要除去所含的SO3和酸雾[15],可在脱硫塔进口烟道布置水喷淋设施,使烟气中的SO3等强酸型氧化物在遇到NH3前优先溶于水,阻断形成气溶胶的途径.针对副产物(NH4)2SO3在脱硫塔内难以充分氧化的问题,可采用塔外氧化装置,将脱硫生成的(NH4)2SO3排入塔外的氧化槽,内部布置氨水添加装置,控制浆液的pH值,使(NH4)2SO3在氧化槽内被氧化成(NH4)2SO4,从而有效提高副产物氧化率.

4 结束语

本工作针对烟气氨法脱硫过程缺乏统一的评价指标体系及评价过程中指标难以量化的问题,提出结合层次分析法(AHP)和模糊评价法,构建AHP-模糊评价法综合风险指标体系,并对氨法脱硫过程进行分析评价.评价结果与氨法脱硫行业实际情况较为符合,因此所提出的评价方法具有一定的参考价值.通过综合风险评价,得出了各指标对该行业进展的重要性,使决策者能更好地把握整个行业的发展方向,了解不同影响因素的重要性.另外,氨法脱硫过程需加强脱硫反应与设备结构的改进,提高脱硫效率与副产物的回收率,加快自动控制、运行稳定性方面的优化步伐,以进一步扩大其工业化应用.

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