基于灰色層次分析法的火電廠脫硫工藝綜合評價

林琳1，邊疆1，宋莉，王中榮

（1.國網天津市電力公司 電力科學研究院，天津 300384；2.國網天津市電力公司 電力交易中心，天津 300100）

基于灰色層次分析法的火電廠脫硫工藝綜合評價

林琳1，邊疆1，宋莉2，王中榮2

（1.國網天津市電力公司 電力科學研究院，天津 300384；2.國網天津市電力公司 電力交易中心，天津 300100）

隨著環境問題的日益嚴峻，國家對火電廠脫硫提出了更加嚴格的要求。因此，電廠如何根據自身實際情況和需求，選擇合適的脫硫技術顯得尤為重要。本文對目前火電廠采用的脫硫技術做了簡要介紹與說明，總結了各技術的優缺點。在此基礎上利用層次分析法，綜合考慮了環境、經濟、技術性能，構建了脫硫技術的綜合評價體系，然后引入灰色系統理論，結合實際情況提出了評價指標的白化函數。最后應用灰色層次分析法對7種主要的脫硫技術進行綜合評價，根據發電廠關注重點不同，可以得到不同的選擇。

層次分析法；綜合評價；脫硫；火電廠

0 引言

能源是社會發展的基礎，我國富煤的能源結構特點，使得煤炭在我國一次能源消費中占主導地位。21世紀以來，我國電力行業發展迅速，核電、風電和太陽能發電有較快增長，但火力發電仍是我國主要的發電形式，截止到2013年底，火電機組容量約占總裝機容量的69.1%，占總發電量的79.9%。火力發電產生了大量的二氧化硫，截止到2012年底，火電廠排放二氧化硫858.3萬噸，占全國二氧化硫排放量的40.5%[1]。二氧化硫不僅會對人類健康、自然生態、工農業生產、建筑物材料等造成危害和破壞，還會形成酸雨，導致土壤、河水酸化隨著居民生活水平的提高，對環境質量提出了更高的要求。為此，國家制定了一系列的法律法規，力求最大化的減少SO2排放，促進綠色可持續發展。例如，《火電廠大氣污染物排放標準》要求已建和新建火電廠必須加裝脫硫設備，而且規定了二氧化硫排放濃度的限值。因此，各大火電廠十分重視煙氣脫硫。目前，國內外已經開發出數百種脫硫技術，如何科學有效地對它們進行評價，結合實際需求選擇合理、經濟、實用的脫硫技術，具有十分重要的意義。

1 火電廠主要脫硫技術簡介

國內外普遍采用的四類脫硫方法包括：煤燃燒前脫硫、煤燃燒中脫硫、煤燃燒后脫硫以及煤轉化過程中脫硫。燃燒前脫硫是在燃燒前對煤進行凈化，去除原煤中所含的硫分；燃燒中脫硫是在燃燒過程中使用固硫劑除去

SO2；燃燒后脫硫即在尾部加裝脫硫裝置，對煙氣進行處理；煤轉化中脫硫主要是煤氣化、液化和水煤漿技術[2]?；痣姀S煤耗量大而且劣質煤硫分含量高，一般采用煙氣脫硫技術，只有循環流化床鍋爐采用燃燒中脫硫技術。

1）石灰石—石膏濕法煙氣脫硫技術

本技術以石灰或者石灰石當吸收劑，原料廉價且易獲取。整個系統由吸收塔系統、煙氣系統、石灰石漿液制備及供應系統、工藝水系統、廢水處理系統和電氣控制系統等組成。該技術具有以下優點：適用于任何含硫的煤種的煙氣脫硫，對SO2濃度變化適應范圍廣，脫硫效率高，吸收劑利用率高。近年來，隨著該技術系統的不斷改進和簡化，不但運行和維護更為方便，而且造價也在進一步降低[3]。

2）簡易石灰石—石膏濕法煙氣脫硫技術

本技術是在石灰石—石膏濕法高效、穩定成熟的基礎上提出的，其基本原理和主要系統與后者大致相同，只是對設備進行了簡化，減少了投資，在一定程度上降低了脫硫效率。

3）噴霧干燥法脫硫技術

本工藝采用石灰漿作為吸收劑，主要由石灰制漿系統、吸收塔系統、灰渣再循環系統組成。該工藝應用較為廣泛，多用于處理200MW以下機組的煙氣脫硫，有著顯著的優點：投資低、耗能小、腐蝕小、系統簡單，運行可靠性較高，無廢水排放[4]。缺點是用石灰吸收，容易在吸收塔壁結垢，產品綜合利用率低。近年來，其工藝結構沒有較大變化，主要通過灰渣再循環、利用添加劑等手段提高吸收劑利用率。

4）海水煙氣脫硫技術

本技術以天然海水作為吸收劑，通過海水的堿度，吸收煙氣中的SO2，由煙氣系統、SO2處理系統、海水循環系統等組成。該技術具有以下的特點：節約了淡水資源，脫硫效率高，一般達到90%，無廢產品和廢棄物，技術簡單成熟，維護費用低，運行穩定，但只能應用于沿海地區。近年來，海水脫硫技術在火電廠的應用規模在逐漸擴大，但其將廢水排入海洋，導致環保部門對其大規模應用仍采取審慎態度[5]。

5）爐內噴鈣加尾部增濕活化技術

本技術大多采用石灰石粉作為吸收劑，主要由爐內噴鈣系統、尾部增濕活化系統、脫硫灰再循環系統、煙氣再熱系統構成。該技術有以下優點：對于低硫煤，有著較高的脫硫效率，占地面積小，系統簡單，投資?。幻摿虍a品為粉末，耗水小，無泥漿廢水排放[6]。但它會對鍋爐性能產生負面影響，降低靜電除塵器的效率，使它的應用受到限制。

6）電子束煙氣脫硫技術

本技術利用電子加速器產生的等離子體對煙氣中的SO2和NOx進行氧化，與氨反應，生成硫氨和硝氨。整個系統主要由工業水供應系統、壓縮空氣系統、熱風冷風系統、蒸汽系統、液氨供應系統構成[7]。該技術有著顯著的優點：可以同時對SO2和NOx進行處理；反應速度快，耗時短；是干法工藝，不需要對廢水進行處理，生成的副產品可用作肥料，沒有二次污染。由于其技術沒有全面國產化，導致其造價較高，因此，為了大幅度降低造價，應走技術國產化之路。

7）循環流化床鍋爐脫硫技術

本技術一般采用干態的消石灰粉作為吸收劑。主要由吸收劑制備、吸收塔、脫硫灰再循環、除塵器及控制系統等部分組成。該技術具有脫硫效率高的特點，當硫鈣比為1.1～1.5時，脫硫率可達90%以上；系統簡單，運行可靠；對灰渣的利用率較高；占地面積小，工程投資低；吸收劑利用率高；運行費用低；對燃料適應性強，適合于現有電廠的脫硫技術改造[8]。但目前為止，我國對于大型循環流化床的研究仍停留在實驗階段。

2 基于層次分析法的脫硫評價

2.1層次分析法的基本理論

上世紀80年代，層次分析法首次被提出，它具有簡單、實用而且靈巧的特點。依據具體問題和要求，把定量指標和定性指標有機的結合起來，把問題逐層分解，構建成多個相互關聯的模塊，并找到他們之間的聯系。每一層次均以上一層次為依據，組成一個層次結構模型。然后逐層分析，計算出判斷矩陣的最大特征值以及對應的特征向量，獲得相對同一事件，各個元素的相對重要性權值，最終獲得最低層因素對于最高層（總目標）的重要性權值。對于各層次的權值通常可以根據以下步驟求解：

1）明確問題，建立層次結構：首先把整個問題條理化、清晰化，構建出一個層次模型。主要包括目的層，準則層、方案層，并確認各層次的因素。

2）構造判斷矩陣：為了確定各層相對重要性權重bij，通過分析之前構建的評價體系，結合已有的專家知識，用二元對比層次分析法逐個計算。構造判斷矩陣B表示針對上一層，本層的元素相對重要性。

3）層次單排序：為求得各評價因素的權重系數，可用和積法計算判斷矩陣B的最大特征值和其對應的特征向量。

4）層次總排序：按照由上到下的順序，結合第三步的結果，計算出本層次中所有因素相對于上一層次的重要性權重，這就是層次總排序。

5）一致性檢驗：對判斷矩陣進行一致性檢驗，確定所求權重是否科學。

此時所得到的特征向量就是所要求的指標權重系數向量W[9]。

2.2脫硫方法評價指標

圖1 脫硫技術綜合評價指標Fig.1 Integrated Evaluation Indexes for Desulfurization Technology

表1 對周圍環境的影響分級Table1 Classification of the Desulfurization Impact on Surrounding Environment

表2 副產品價值分級Table2 The Value Classification of By-product

建立指標評價體系要遵循科學性、實用性、可比性、可操作性、通用性原則，否則所建指標將雜亂無章，與此同時，利用這些原則對已經建立的指標進行檢驗，判斷其是否科學合理。對比和分析國內外已有的指標體系，綜合考慮脫硫技術的環境、經濟和技術性能，確定如下的脫硫技術綜合評價指標體系，如圖1所示。

在脫硫技術評價中，通常關注的要素很容易定量化，例如脫硫效率M7，鈣硫比M8，吸收劑利用率M9等要素，但是有些要素只能定性描述，例如周圍環境影響M1、一級副產品的處理M2、對吸收劑是否易得M10、技術復雜程度M13等。為此本文引入灰色系統理論，構建各項指標的白化函數，并對7種典型的煙氣脫硫技術進行計算得到其指標的定量值。在此基礎上再通過層次分析法，計算出其權重，最后得到綜合評價結果。

2.3白化函數

由于各個指標的量綱不同，取值范圍也有差異，為了確保評價結果的合理性，需要將各指標進行定量化。這里以灰色系統理論為基礎，構建脫硫技術各項指標的白化函數來求得指標的定量值。一般白化函數可分為3類：上灰類白化函數?(c1,c2,＋∞)，中灰類白化函數?(c1,c2)，下灰類白化函數?(0,c1,c2)，其中c1,c2為轉折點。本文中主要應用上灰類白化函數和下灰類白化函數，其數學關系如下：

運用統計法和指派法，并分析每個脫硫技術指標，對其實際情況進行綜合評價，分析定性指標和定量指標，對各層次的因素建立評價指標的白化函數。

2.3.1 環境性能指標

1）對周圍環境的影響：采用統計法建立白化函數

對周圍環境的影響分級見表1，x取值為0～5。

2）脫硫副產品的處置和可利用性：采用統計法建立白化函數

對副產品資源化的性能分級見表2，x取值為0～5。

2.3.2 經濟性能指標

1）單位容量造價：造價在200～1000元/kW范圍內較合理，構建下灰類白化函數?(0,200,1000)。

2）FGD系統投資占電廠總投資比例：通常占總投資的5%～20%，構建下灰類白化函數?(0,5,20)。

3）單位脫硫（SO2）成本：一般介于500～2000元/t之間，構建下灰類白化函數?(0,500,2000)。

4）上網電價的增加：經過計算上網電價增在0～2分/ kW·h之間，構建下灰類白化函數?(0,0,2)。

2.3.3 技術性能指標

1）脫硫效率：根據國家有關規定及電廠實際運行情況，脫硫效率一般不低于50%，構建上灰類白化函數?(50,100,＋∞)。

2）鈣硫比（或氨硫比）：鈣硫比大于4不合理，構建下灰類白化函數?(0,1,4)。

3）吸收劑利用率：FGD技術的吸收劑利用率一般大于50%，構建上灰類白化函數?(50,100,＋∞)。

4）吸收劑的可獲得性和易處理性：白化函數同式（4），同理對吸收劑的可獲得性和易處理性分級，x取值為0～5。

5）對電廠運行的影響：白化函數同式（3），同理對

電廠運行的影響分級，x取值為0～5。

表3 脫硫技術指標分析Table3 Analysis of the Index of Desulfurization Technology

表4 脫硫技術指標定量值Table4 Index of Desulfurization Technology of Quantitative Value

6）占地面積：介于0.005～0.02m2·KW-1，構建下灰類白化函數?(0,0.005,0.02)。

7）技術復雜程度：白化函數同式（4），同理對技術復雜程度分級，x取值為0～5。

8）技術的成熟程度：白化函數同式（4），同理對技術成熟度影響分級，x取值為0～5。

3 主要脫硫方法的綜合評價及結論

3.1評價指標權重

對于脫硫技術綜合評價來說，這里共有兩層，需要利用雙層層次分析法來確定各個指標的權重，為了給重要性對比值bij打分，要咨詢本專業教授，研究人員，對其進行合理的判斷給值。先對第一層的權重進行計算，第一層評價指標包括：經濟性能，環境性能和技術性能，其重要性對比值b12，b13，b23分別為1/4，1/3，2。由此，可得到判斷矩陣B。

利用和積法求特征向量：W=(0.12,0.56,0.32)T，同理可得第二層的指標權重：

環境性能指標權重：W1=(0.75,0.25)

經濟性能指標權重：W2=(0.17,0.28,0.44,0.11)

技術性能指標權重：W3=(0.31,0.14,0.10,0.06,0.10,0.04,0. 05,0.21)

3.2評價指標定量化

本文選擇以下7種脫硫技術進行評價：A1：循環流化床；A2：爐內噴鈣尾部增濕活化法；A3：簡易濕法；A4：旋轉噴霧干燥法；A5：石灰石濕法；A6：電子束法；A7：海水脫硫法。對這七種脫硫技術性能具體分析如表3所示。

根據所確定的白化函數得到評價指標的定量值如表4所示。

3.3灰色多層次系統綜合評價

基于以上評價指標定量化結果和評價指標權重可得第二層次綜合評價。

1）環境性能評價矩陣

2）經濟性能評價矩陣

3）技術性能評價矩陣

現在計算第一層脫硫技術N的評價指標矩陣。

3.4結論

根據以上的計算結果，可得如下結論：

1）若僅考慮環境性能，依據評價結果R1，應優先選用電子束法脫硫技術A6。

2）若僅考慮經濟性能，依據評價結果R2，應優先選用循環流化床脫硫技術A1。

3）若僅考慮技術性能，依據評價結果R3，應優先選用石灰石濕法脫硫技術A5。

4）根據綜合評價結果R，7種脫硫技術中應優先選用海水脫硫技術A7，次優的是循環流化床脫硫技術A1。

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[2]黃亞繼,顏珉．幾種脫硫技術綜合性評價及在我國應用前景分析[J]．新疆環境保護,2002,24(4)：22-27．

[3]鄒洋,夏凌風．燃煤電廠煙氣脫硫技術最新進展[J]．化工進展,2011,30：702-708．

[4]管菊根．噴霧干燥煙氣脫硫技術[J]．電力環境保護,1999,15(3)：59-62．

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聲明：

近期社會上有一些機構和個人，打著《儀器儀表用戶》正刊的牌子進行文章代發的招募工作，本刊特聲明：《儀器儀表用戶》正刊從未與任何機構和個人合作代發文章，也未授權任何機構和個人開展此項工作。特此聲明

《儀器儀表用戶》編輯部

2014年11月28日

Comprehensive Evaluation of Desulfurization Technology for Coal-Fired Power Plants Based on Hierarchy-Grey Evaluation Method

Lin Lin1，Bian Jiang1，Song Li2，Wang Zhongrong2
（1.The Electric Power Research Institute of State Grid TianJin Electric Power Company, Tianjin300384, China；2.The Electric PowerTrade Center of State GridTianJin Electric Power Company, Tianjin300100, China）

With theenvironmental problems increasingly serious, Chinahas made stricter requirements on thermal power plant desulfurization. Thus, it's extremely important how electric power plants choose proper desulfurization technology according to their actual situation and needs.So the paper makesbrief introduction and explanation on thermal power plant desulfurization technology and sums up the advantages and disadvantages of each technology. On the basis of that,Using analytic hierarchy processand consideringthe environmental, economic, technical performance, the comprehensive evaluation system of desulphurization technologyis built. Thenintroducinggrey system theory and combining actual situation,the whitening functionof each evaluation index is put forward. Finally, to make comprehensive evaluation on the seven major desulfurization technology though gray analytic hierarchy process, there are different choices owing to different focus of each power plant.

analytic hierarchy process;comprehensive evaluation;desulfurization;thermal power plant

X733

A

1671-1041(2014)06-00022-05

2014-10-09

林琳（1983-），女，天津人，碩士，工程師，從事火電廠脫硫脫硝技術研究。