廢紙脫墨工藝節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)評估方法研究

趙吝加 曾維華 許乃中 溫宗國

(1.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京，100875;2.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京，100084)

大力推廣應(yīng)用節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)，對于轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、實現(xiàn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、減少資源能源消耗和污染物排放的意義重大。造紙行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)數(shù)量多、技術(shù)參數(shù)復(fù)雜［1］;如何從中篩選出滿足節(jié)能減排先進(jìn)適用性要求的技術(shù)，是行業(yè)開展節(jié)能減排工作面臨的難題。目前有關(guān)造紙技術(shù)間優(yōu)劣評價的研究，常采用定性評估方法［2］，或多項技術(shù)參數(shù)分別比較［3-4］，很少給出直觀的、具有說服力的技術(shù)優(yōu)劣評估結(jié)果。本研究建立基于層次分析與模糊綜合評估的定性與定量方法相結(jié)合的廢紙脫墨工藝節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)評估方法，對洗滌法、浮選法、浮選-洗滌法3種典型的廢紙脫墨技術(shù)進(jìn)行綜合評估，彌補當(dāng)前我國技術(shù)評估方法多以定性判斷為主、缺乏綜合分析的不足。最終得到節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)直觀的綜合評估結(jié)果，為輔助行業(yè)專家評估篩選適用技術(shù)提供一定的參考。

1 方法介紹

可以利用模糊綜合評估方法進(jìn)行廢紙脫墨工藝節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)評估。模糊性指事物本身狀態(tài)的不確定性，是事物狀態(tài)存在中間過渡差異的結(jié)果。模糊綜合評估方法是在模糊環(huán)境下，以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，考慮多種因素的影響，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，從多個因素對被評事物隸屬等級狀況進(jìn)行綜合評估的一種方法［5-6］。它具有分析角度全面、定量分析與定性分析結(jié)合、避免主觀定性判斷造成的不確定性等優(yōu)勢，能夠?qū)?fù)雜、模糊的問題給出定量化的評估結(jié)果，增加了評估的準(zhǔn)確性和可靠性;適用于造紙行業(yè)進(jìn)行節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)的評估。

結(jié)合廢紙脫墨工藝節(jié)能減排技術(shù)評估篩選需求，建立基于模糊綜合評估的節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)評估方法［7-10］。方法流程如圖1所示，上半部分虛線框內(nèi)給出了技術(shù)評估方法的一般流程。首先，確定評估指標(biāo)體系，作為技術(shù)評估篩選的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn);其次，利用層次分析法 (AHP)［10-12］確定指標(biāo)權(quán)重;第三，構(gòu)建評估因素集和隸屬函數(shù)，并計算評估因素隸屬度;最后進(jìn)行模糊綜合評估，得到最終評估結(jié)果。下半部分虛線框為利用AHP確定指標(biāo)權(quán)重的一般步驟。其中，層次遞階結(jié)構(gòu)與指標(biāo)體系對應(yīng);將每一層次的各指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較判斷，按照一定的標(biāo)度準(zhǔn)則，得到其相對重要程度的比較標(biāo)度，建立判斷矩陣;通過專家對判斷矩陣打分，并計算判斷矩陣的最大特征值及其相應(yīng)的特征向量;若通過一致性檢驗，則將歸一化后的特征向量作為指標(biāo)對于其上層指標(biāo)的相對權(quán)重。

圖1 廢紙脫墨工藝節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)評估方法流程

計算評估因素隸屬度時，對于定量評估因素，應(yīng)根據(jù)評估值越大越好、越小越好兩種情況，分別采用升半梯形分布隸屬函數(shù)和降半梯形分布隸屬函數(shù)(見表1)確定其隸屬度［13］。

表1 定量評估因素隸屬函數(shù)分類

x，μ的含義同表1，其中x值的確定由專家結(jié)合評語集 {差，較差，一般，較好，好}，進(jìn)行 ［0，5］區(qū)間內(nèi)打分。

在進(jìn)行模糊綜合評估時，根據(jù)隸屬度計算結(jié)果，可構(gòu)造各評估因素子集的評估指標(biāo)隸屬度矩陣Rk={}。其中表示第k個評估因素子集下，第j項技術(shù)的第i個評估因素值。采用M(·，+)算子［8］，計算k個評估因素子集的模糊綜合評估矩陣Bk:

其中，Ak為第k個評估因素子集的相對權(quán)重矩陣，bkj為第j項技術(shù)第k個評估因素子集的模糊綜合評估值。

對于定性評估因素，其隸屬度的確定所采用的隸屬函數(shù)表達(dá)式為:

2 建立指標(biāo)體系并確定權(quán)重

2.1 指標(biāo)體系建立

“節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)”可定義為各行業(yè)為實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，篩選出來的適用于本行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)環(huán)境條件、相對成熟、有很好的節(jié)能減排績效、需要在本行業(yè)推廣應(yīng)用的技術(shù)。根據(jù)定義，節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)應(yīng)具備以下特征:①符合國家現(xiàn)行的產(chǎn)業(yè)、技術(shù)政策;②工藝成熟，技術(shù)先進(jìn)，能源資源效率高，環(huán)境影響較小，具有較好的節(jié)能減排效果，且技術(shù)經(jīng)濟性合理;③在國內(nèi)具有應(yīng)用實例，原則上穩(wěn)定運行時間應(yīng)至少在一年以上;④技術(shù)適應(yīng)性強，在本行業(yè)經(jīng)推廣應(yīng)用具有較大節(jié)能減排潛力，技術(shù)推廣應(yīng)用前景廣闊。

根據(jù)上述定義及特征，結(jié)合造紙行業(yè)特點，建立廢紙脫墨工藝節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)評估指標(biāo)體系，見表2。該指標(biāo)體系包含定量指標(biāo)和定性指標(biāo)，綜合反映了技術(shù)的物耗、能耗、污染物排放等方面的特征;分為目標(biāo)層 (P)、準(zhǔn)則層 (Pi)、評估指標(biāo)層 (Pij)。目標(biāo)層表述了整個指標(biāo)體系建立的最終目標(biāo)，是設(shè)置準(zhǔn)則層的基礎(chǔ)和依據(jù);準(zhǔn)則層是對目標(biāo)層的具體體現(xiàn)，而評估指標(biāo)層是對準(zhǔn)則層的進(jìn)一步細(xì)化。

表2 廢紙脫墨工藝節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)評估指標(biāo)體系

在廢紙脫墨工藝節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)評估指標(biāo)體系中，目標(biāo)層為節(jié)能減排技術(shù)的先進(jìn)適用性;準(zhǔn)則層包括:①資源消耗指標(biāo) 主要考核生產(chǎn)單位產(chǎn)品的水資源消耗水平;②能源消耗指標(biāo) 主要考核生產(chǎn)單位產(chǎn)品的電力消耗水平;③污染物排放指標(biāo) 主要考核生產(chǎn)過程中的廢水排放以及廢水主要污染物COD的濃度;④經(jīng)濟成本指標(biāo) 主要考核投資成本和運行成本兩項指標(biāo);⑤技術(shù)特性指標(biāo) 包括脫墨技術(shù)的主要考核指標(biāo)脫墨漿得率，以及判斷技術(shù)先進(jìn)適用程度的穩(wěn)定性、普及程度、應(yīng)用前景和國產(chǎn)化水平等指標(biāo)。

評估指標(biāo)值通過向企業(yè)調(diào)研得到，定性指標(biāo)值由專家研討會打分討論獲得。

2.2 指標(biāo)權(quán)重確定

采用專家咨詢會、企業(yè)現(xiàn)場調(diào)研打分，并向行業(yè)專家發(fā)放判斷矩陣打分表15份，回收到有效打分表8份。對打分表求平均值匯總后得到指標(biāo)體系判斷矩陣，以及利用免費版軟件Y(et)A(nother)ahp Version 0.5.2計算得到的指標(biāo)相對權(quán)重和判斷矩陣的一致性比例 (CR)［10］，見表3和表4。

表3 準(zhǔn)則層指標(biāo)判斷矩陣

權(quán)重計算結(jié)果說明，在篩選節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)時，技術(shù)特性是最重要的指標(biāo)。因為就現(xiàn)有值得推廣的技術(shù)而言，在資源消耗、能源消耗、污染物排放以及經(jīng)濟成本方面差距并不大，能區(qū)分開脫墨技術(shù)差異的就是脫墨漿得率、技術(shù)穩(wěn)定性、普及程度、推廣應(yīng)用前景、國產(chǎn)化水平等技術(shù)特性指標(biāo)。因此在設(shè)置準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重時，專家較一致地給技術(shù)特性指標(biāo)賦予了較高的權(quán)重。

3 構(gòu)建評估因素集與隸屬函數(shù)

3.1 評估因素集

依據(jù)指標(biāo)體系 (見表2)，構(gòu)建廢紙脫墨工藝節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)評估因素集:

U={U1，U2，U3，U4，U5}={資源消耗，能源消耗，污染物排放，經(jīng)濟成本，技術(shù)特性};

U1={U11}={單位產(chǎn)能新鮮水耗};

表4 評估指標(biāo)層指標(biāo)判斷矩陣

U2={U21}={單位產(chǎn)能電耗};

U3={U31，U32}={單位產(chǎn)能廢水排放量，廢水COD濃度};

U4={U41，U42}={單位產(chǎn)能投資成本，單位產(chǎn)能運行成本};

U5={U51，U52，U53，U54，U54}={脫墨漿得率，技術(shù)穩(wěn)定性，技術(shù)普及程度，技術(shù)推廣應(yīng)用前景，技術(shù)國產(chǎn)化水平}。

評估因素集U由5個因素子集Uk構(gòu)成。其中，U對應(yīng)指標(biāo)體系中的目標(biāo)層指標(biāo)，U1，U2，U3，U4，U5子集分別對應(yīng)指標(biāo)體系中的準(zhǔn)則層指標(biāo)，評估因素子集中的評估因素對應(yīng)評估指標(biāo)層指標(biāo)。同理，評估因素值和權(quán)重分別對應(yīng)指標(biāo)體系中的指標(biāo)值和權(quán)重。

3.2 隸屬函數(shù)及隸屬度的確定

廢紙脫墨工藝節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)評估因素集中包括定量評估因素和定性評估因素。其中定性評估因素包含模糊、不確定信息;且因素值評估標(biāo)準(zhǔn)不同，無法直接將評估某一技術(shù)的所有評估因素值綜合成一個具有實際意義的技術(shù)評估參考值。采用隸屬函數(shù)，計算評估因素隸屬度，統(tǒng)一量化評估因素值，再展開模糊綜合評估。

根據(jù)定量評估因素評估值越大越好、越小越好兩種情況，分別采用升半梯形分布隸屬函數(shù)和降半梯形分布隸屬函數(shù)。在廢紙脫墨工藝節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)評估因素集中，脫墨漿得率采用升半梯形分布隸屬函數(shù)，其余定量評估因素采用降半梯形分布隸屬函數(shù)。

x，在廢紙脫墨工藝節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)評估因素集中，技術(shù)穩(wěn)定性、技術(shù)普及程度、技術(shù)推廣應(yīng)用前景、技術(shù)國產(chǎn)化水平等采用該隸屬函數(shù)。

根據(jù)調(diào)研得到的評估因素值和上述隸屬函數(shù)計算得到3項脫墨技術(shù)所有評估因素的隸屬度，結(jié)果如表5所示。

評估因素隸屬度限定于 ［0，1］區(qū)間內(nèi)，能夠反映同一個評估因素下不同技術(shù)的優(yōu)劣，隸屬度越高則技術(shù)越好。根據(jù)隸屬度值可開展單因素技術(shù)評估。例如，由于洗滌法需要消耗大量水資源，因此從單位產(chǎn)能新鮮水耗方面看，技術(shù)1的水耗最大;同時，洗滌法也是最成熟的方法，所以從技術(shù)穩(wěn)定性方面看，技術(shù)1穩(wěn)定性最好。可以看出，不同評估因素下對技術(shù)的評估結(jié)果是不同的，需要對所有評估因素進(jìn)行綜合評估，以確定最優(yōu)的節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)。

表5 廢紙脫墨工藝節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)評估因素隸屬度 (μ)

4 模糊綜合評估

4.1 評估因素子集模糊綜合評估

以污染物排放子集U根據(jù)隸屬度計算結(jié)果，得到5個評估因素子集的評估指標(biāo)隸屬度矩陣Rk(見表5)。以污染物排放子集U3模糊綜合評估矩陣B3的計算為例，建立權(quán)重向量 A3={0.400 0.600}和隸屬度矩陣

則，B3=A3·R3={0.600 0.400 0.344}，表示從第1項技術(shù)到第3項技術(shù)的污染物排放的模糊綜合評估值分別為 0.600，0.400，0.344。該值越大說明技術(shù)污染物排放水平越低。

經(jīng)濟成本子集U4、技術(shù)特性子集U5的模糊綜合評估過程相似，分別可得:

資源消耗子集U1、能源消耗子集U2由于只有一個評估因素，故可直接得到:

4.2 評估因素集模糊綜合評估

計算過程同評估因素子集，即根據(jù)權(quán)重向量A0={0.12 0.14 0.14 0.08 0.52}以及隸屬度矩陣

得到，B0=A0·R0={0.595 0.753 0.468}，即 3項脫墨技術(shù)的模糊綜合評估值。

4.3 結(jié)果分析

利用本研究所建立的定性定量相結(jié)合的節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)評估方法得到造紙行業(yè)廢紙脫墨工藝3項技術(shù)的模糊綜合評估值。計算結(jié)果表明，3項技術(shù)節(jié)能減排先進(jìn)適用性得分從高到低依次為:浮選法脫墨技術(shù) (0.753)、洗滌法脫墨技術(shù) (0.595)、浮選-洗滌法脫墨技術(shù) (0.468)。

從因素子集評估結(jié)果R0來看，雖然綜合排名第一的浮選法脫墨技術(shù)在資源消耗方面得分最低;但是在能源消耗、污染物排放兩方面得分都最高;而且在經(jīng)濟成本和技術(shù)特性方面與最好的洗滌法脫墨技術(shù)相比，相差不大。綜合排名最后的浮選-洗滌脫墨技術(shù)，雖然在資源消耗方面得分最高，但是在其余方面均排在最后。可以看出，如果不采用模糊綜合評估方法，將很難判斷哪種技術(shù)更滿足節(jié)能減排的要求。

這一綜合排序結(jié)果反映了表征技術(shù)節(jié)能減排先進(jìn)適用性的物耗、能耗、污染物排放、經(jīng)濟成本、技術(shù)特性5方面的信息，能夠較全面地反映各脫墨技術(shù)的特點，與單因素評估相比更直觀、更具有參考價值。最終從節(jié)能減排先進(jìn)適用角度，推薦浮選法脫墨技術(shù)為廢紙脫墨工藝重點推廣的技術(shù)。

5 結(jié)論

5.1 建立基于模糊綜合評估的廢紙制漿脫墨工藝節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)評估方法。應(yīng)用該方法，得到廢紙脫墨工藝即洗滌法脫墨、浮選法脫墨、浮選-洗滌法脫墨3項技術(shù)的節(jié)能減排先進(jìn)適用性綜合得分排序。

5.2 通過運用層次分析法避免了指標(biāo)賦權(quán)的主觀性，運用模糊綜合評估方法克服了技術(shù)評估中的信息模糊性問題和信息遺漏問題，并且最終得到單一、明確的評估結(jié)果。但是，評估過程中應(yīng)注意評估因素集的合理性和全面性，以確保評估結(jié)果的科學(xué)、準(zhǔn)確。

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