燃煤电厂水分与余热回收系统工艺方案及模糊评价

马双忱，武凯，孙尧，刘畅，邢浩若

（华北电力大学环境科学与工程系，河北保定071003）

0 引言

随着国家对各类水污染治理力度加强，电力行业水处理问题受到广泛关注，湿法脱硫系统出口高湿烟气的水分和余热资源化利用是燃煤电厂节水降耗的重点研究方向之一。褐煤燃烧排放的烟气中水蒸气体积分数高达13%［1］，湿法脱硫后的烟气甚至会达到湿饱和状态，若烟气中20%的水蒸气被捕集，则燃煤电厂就可实现水资源的自给自足，从而大大提高燃煤电厂的经济效益。同时，烟气水分蒸发导致的余热损失占锅炉热损失的60%～70%，通常情况下，锅炉排烟温度每升高10 ℃，排烟损失增加0.6%～0.7%，会导致锅炉标准煤耗上升3～4 g∕（kW·h）［2］。此外，湿饱和烟气与环境空气接触后会导致湿烟羽现象，造成严重的视觉污染。我国部分城市关于湿烟羽治理的相关政策已陆续出台：2017年上海市要求排放烟气温度需达到75 ℃以上，冬季或重度污染天气时应达到78 ℃以上；河北省唐山市规定，若采取降温冷凝的方法控制烟温，正常工况下夏季冷凝后烟气温度应在48 ℃以下，烟气中水的体积分数应在11.0%以下，冬季冷凝后烟温应在45 ℃以下，烟气中水的体积分数应在9.5%以下［3］。

综上所述，烟气中的水分回收和余热利用存在巨大的节能降耗潜力，适度降低排烟温度并回收烟气中的水分和余热，有利于节能减排，促进环境友好型社会发展。对燃煤电厂来说，选择兼具环保性和经济性的水分和余热回收工艺是一个关键问题，恰当的评价方法可以为电厂决策提供科学的依据，而构建数学综合评价模型可应用于不同环保工艺的技术评价［4］。黄新元［5］、谢磊等［6］建立了适用于火电机组低压省煤器系统的数学评价模型，为工艺方案的选择提供参考。傅强等［7］基于层次分析法对不同管网供热系统构建评价体系，为系统故障分析提供依据。

由于电厂水分和余热回收系统中关键设备的布局设计是涉及技术、经济、环境等多因素、多目标的复杂问题，且具体评价指标既要定量又要定性，故本文在基于现场试验调研数据的基础上进行模拟计算，使用模糊层次分析（Fuzzy Analytical Hierarchy Process，FAHP）模型，综合考虑安全、经济、运行维护等因素，对烟气水分和余热回收技术进行多指标、多层次的综合分析，为电厂消除白色烟羽、回收烟气余热和协同治理废水零排放等关键设备工艺方案的评价提供参考。

1 评价对象

本文结合示范电厂现场实际情况，综合考虑安全、经济、运行维护等因素，对评价对象的不同层次评价指标进行科学处理，建立一套较为实用且具针对性的分析评价体系，实现对评价对象的综合分析。

评价对象为3种余热和水分回收系统的工艺方案。方案T1为已有的冷凝法烟气水分回收+机械蒸汽再压缩（Mechanical Vapor Recompression，MVR）废水处理工艺。脱硫塔后烟气经循环喷淋冷却实现余热利用和冷却水回用；脱硫废水经过预处理、蒸发和浓缩工艺实现回用，工艺流程如图1 所示。该工艺存在排烟温度较低、余热利用效率较低和不能满足“零排放”要求等问题。

图1 冷凝法烟气水分回收+MVR废水处理流程Fig.1 Condensation flue gas moisture recovery+MVR wastewater treatment process

方案T2为基于案例电厂综合限制条件在方案T1基础上改进的工艺系统，为喷淋冷却法烟气水分回收+废水烟道蒸发处理工艺。脱硫塔前后加装间壁式换热设备，且采用烟道蒸发方式处理废水，在降低工程造价和改装费用［8］的同时提升了余热利用效率和综合运行效益，工艺流程如图2所示。

相比方案T1和方案T2的工艺系统，方案T3为基于改性膜组件回收烟气水分与余热的膜法工艺和低温烟气浓缩耦合闪蒸的脱硫废水零排放工艺的集成设计方案。其工艺系统为膜法烟气水分回收+烟道扩容浓缩+闪蒸+热膜蒸馏系统。基于脱硫塔前后烟气特性和冷却水侧运行参数的分析，在脱硫塔前后分别加装膜组件集成设备，用于回收烟气水分及余热；废水经雾化与电除尘器后的低温烟气直接接触进行热量交换，并经循环浓缩后通过膜分离系统过滤分离，滤液重新返回浓缩池，结晶混盐外运，从而实现脱硫废水的零排放，为理论设计优选方案，工艺流程如图3所示。

图2 喷淋冷却法烟气水分回收+废水烟道蒸发处理流程Fig.2 Spray-cooled flue gas moisture recovery+wastewater flue evaporation process

图3 膜法烟气水分回收+热膜耦合废水处理流程Fig.3 Membrane-based flue gas moisture recovery+thermal membrane coupled wastewater treatment process

2 FAHP 综合评价模型

影响电厂水分和余热回收系统关键设备布置位置的定性指标较多，且各指标的影响权重值尚无法准确完整给出，只能相对比较各因素之间的作用强度，故本研究采用层次分析法实现多指标、多层次的综合评价［9］。对于3 种设计方案，将经济、技术、环境等特性分解为多层子系统评价指标，并按性质和从属关系进行分类、分组，形成有序的阶梯层次结构；对每种特性同一层次中各子系统进行两两比较，确定其相对重要性；用数学方法对整个系统进行综合排序比较，从而确定最佳布置方案［10］。火电厂现有的烟气水分和余热回收设备布置方案设计资料较少，信息不完整，专家主观定性评价某些指标会导致评价结果存在随意性和局限性，为了提高决策的科学性和合理性，本文引入FAHP 模型［11］，采用客观赋权法建立判断矩阵，进而确定各评价指标的权重。

本研究对水分和余热回收工艺设计方案采取基于模糊系统理论的层次分析法进行评价，是既包含定性分析又包含定量分析的综合型评价，从评价目标和评价最终结果判断，属于相对评价、狭义排序评价［12］，其主要步骤如图4所示。

图4 多指标综合评价主要步骤流程Fig.4 Main steps of the multi-index comprehensive evaluation

2.1 FAHP综合评价指标体系

燃煤电厂水分和余热回收系统工艺方案的选择受多种因素影响，在构建评价指标体系时应遵从科学指标构建原则。在满足目的性原则、全面性原则、独立性原则、可行性原则和针对性原则［13-14］的基础上，根据所评价工艺方案的实际情况，通过分解评价目标、选定分析指标、构造判断矩阵、层次单排序和层次总排序5个步骤计算各层次构成要素对总目标的组合权重，从而得出不同方案的综合评价值，为选择最优方案提供依据。

已有的研究［15-18］认为，评价水分与余热回收技术方案的优劣时应对上述3种工艺方案的评价指标或影响因素进行分层：模糊评价结果为总目标层；第1层（指标层）包括技术指标B1、经济性指标B2、环保性指标B3和系统适应性指标B4；第2 层（决策层）包括技术复杂性a1、运行稳定性a2、阻力影响a3、投资成本占电厂总投资比a4、单位水回收成本a5、副产品收益a6、余热回收量a7、烟气凝结水量a8、废水回收效率a9、回收水的水质a10、烟气多污染物协同脱除与烟气消白性能a11、占地面积a12、节煤效果a13和水平衡影响a14。评价体系如图5所示。

表1 为通过查阅文献、调研案例电厂运行参数和对模拟计算结果进行归纳整理后获得的评价指标评价书。

表1 3种水分和余热回收工艺方案不同评价指标的客观评价Tab.1 Objective assessment on different evaluation indexes of the three moisture and waste heat recovery process schemes

（1）定性指标评价等级标准。为量化定性指标，可将定性指标分成优、良、中、差、劣5个等级，然后按表2的通用赋值标准给出评定值。

（2）定量指标评价等级标准。定量指标同样需要优劣参考标度，与定性指标一样由专家给出，但若存在强制性控制指标，则优先执行国家相关规范、标准等。定量指标的标准化分级将为建立比较判断矩阵提供直观的数据参考，也为3 种待评价对象Ti（i=1，2，3）以及其他类似技术的优劣分级提供了参考，同时还为评价指标ak（k=1，2，3，…，14）对不同技术实例Ti的隶属度提供了参考范围。

图5 水分和余热回收技术综合评价指标体系Fig.5 Comprehensive evaluation index system for the moisture and waste heat recovery technology

根据表2、表3 的评价指标定性和定量标准分级，结合本例中需要综合排序的3 类工艺方案在正常工况条件下的评价指标数值（表1），对定量评价指标采用数据均值化方法进行无量纲化处理。其中范围类的定量指标量化要依据以下原则：2 数值之间取算术平均值，小于或大于某数值则取该值。

表2 通用的定性指标量化赋值标准Tab.2 Universal quantification and evaluation standard for qualitative indicators

表3 此次评价中定量指标优劣参考标准Tab.3 Quantitative index reference standard for this evaluation

设有m 种电厂废水和余热回收工艺方案，有n个评价指标，则无量纲化处理后的数据xi(k)为

评价指标数据均值化结果见表4。

表4 评价指标数据均值化结果Tab.4 Equalization results of the evaluation indexes

2.2 构建模糊判断矩阵及其一致性检验

模糊判断矩阵是得出综合评价结果的矢量矩阵，对隶属于同一层级的指标进行两两比较，依据各个元素的相对重要程度，按表5 所示的标度1—9进行赋值［19-25］。通过数量标度法构建的模糊判断矩阵形式为

式中：rij为元素ai和元素aj相对于元素B 进行比较时，元素ai和元素aj具有模糊关系“…比…重要得多”的隶属度。

表5 判断矩阵元素1—9标度法Tab.5 Scaling the judgment matrix elements within 1—9

建立模糊矩阵。

建立模糊矩阵后，对模糊矩阵进行归一化处理。

经归一化处理的模糊矩阵通常需要检验其一致性，以保持评价者对多因素评判逻辑的一致性，使各评价之间协调一致，而不会出现内部矛盾的结果，这也是保证评价结论可靠的必要条件。

一致性指标CI（Consistency Index）

式中：λmax为模糊判断矩阵的最大特征值；n 为判断矩阵的阶数。

然后按表6 确定平均一致性指标RI（Random Index），按公式（4）计算随机一致性比值CR（Consistency Ratio）。

表6 平均随机一致性指标Tab.6 Averaged random consistency index

2.3 评价指标的权重wi 与最大特征值λmax 的计算

将已经归一化的模糊一致矩阵按行向量相加，可计算二级评价指标ai对应的权重wi为

决策层权重集计算结果为

又由RW=λmaxW，首先计算判断矩阵特征向量最大值

根据上式计算得到子目标层技术指标B1、经济性指标B2、环保性指标B3和系统适应性指标B4的最大特征值分别为λmax(B1)=3.054，λmax(B2)=3.025，λmax(B3)=5.307，λmax(B4)=3.067。

3 水分和余热回收工艺方案综合评价

不同工艺方案的综合评价结果存在不同的优劣权重值，即评分原则，因此还需要按层次分析法法则求出每种技术的评价指标B1（a1，a2，a3），B2（a4，a5，a6），B3（a7，a8，a9，a10，a11），B4（a12，a13，a14）的对应权重值，计算过程与结果如下。

已知第2 层评价指标的模糊判断矩阵形式，根据表5中标度1—9得到关于总目标层A的模糊判断矩阵

模糊矩阵RA的权重WA、最大特征根λmax、一致性比值CR的算法同子目标层一样，计算结果如下。

计算结果小于0.100 0，符合模糊矩阵的一致性检验。

又已知表4 为3 种工艺方案（T1～T3）、14 项评价指标（a1～a14）整体水平的标准化表，则分别有矩阵EB1，EB2，EB3和EB4。

列向量DB1，DB2，DB3，DB4代表3种技术路线不同评价指标的模糊综合评价结果，有

同理可得

矩阵DA代表3 种技术在子目标层B1，B2，B3和B4的FAHP型综合评价矩阵，因而有

同理，总目标层A 的FAHP 型综合评价结果（3种技术的综合优劣排序）以公式A=DAWA表示，计算结果为：A=[0.567 2，0.763 0，0.782 2]3×1。

综上所述，可以得出如下结论。

（1）由 WA=[0.293 2，0.228 3，0.173 5，0.142 6]T可知，燃煤电厂水分和余热回收利用工艺方案的技术性能指标B1、经济性能指标B2、环境特性指标B3和系统适应性指标B4的重要性排序为：技术性能指标＞经济性能指标＞环保特性性指标＞系统适应性指标。

（2）由A=[0.567 2，0.763 0，0.782 2]3×1可知，本文选取的3种燃煤电厂水分回收系统布置方案的优劣排序为：T3＞T2＞T1，即膜法烟气水分回收+热膜耦合废水处理工艺（T3）优于喷淋冷却法烟气水分回收+废水烟道蒸发处理工艺（T2），优于冷凝法烟气水分回收+MVR废水处理工艺（T1）。

4 结论

基于燃煤烟气中的水分回收和余热利用技术的经济、环境综合效益，通过引入模糊层次分析模型，对示范电厂的基础方案、改进方案和优化方案进行评估。综合评价结果显示了不同影响因素占总评价目标的权重值，确定优化方案略优于喷淋冷却法烟气水分回收+废水烟道蒸发处理工艺方案，综合考虑经济、环境、技术、系统适应性等因素，这2个方案均优于传统冷凝法烟气水分回收+MVR 废水处理工艺方案。

本文应用权重评价矩阵进行计算，结合项目示范电厂具体情况确定了参与评价的技术参数和权数，据此，对该电厂推荐膜法烟气水分回收+热膜耦合废水处理的优化工艺方案。