燃煤電廠脫硝還原劑的模糊綜合性評判

張翔，許紅勝，趙龍生

(1.東南大學能源與環境學院，南京市210018; 2.東南大學熱電工程設計研究所，南京市210096)

燃煤電廠脫硝還原劑的模糊綜合性評判

張翔1，2，許紅勝2，趙龍生2

(1.東南大學能源與環境學院，南京市210018; 2.東南大學熱電工程設計研究所，南京市210096)

目前燃煤電廠煙氣脫硝系統采用的還原劑主要是液氨、氨水和尿素，實際工程中還原劑的選取是一個難題。為此，提出了基于模糊數學的綜合評判法和隸屬度理論，將脫硝還原劑各評判指標作定量分析，根據最大隸屬度原則得出評價結果。根據實際情況分析了各因素權重對最終結果所帶來的影響，從而得出了液氨為最佳的評判結果。在大機組選擇性催化還原法脫硝系統工藝的還原劑選取過程中，若液氨、氨水和尿素都可取，由于液氨經濟性突出，技術性能相比稍優，綜合來說屬于最佳選擇。

燃煤電廠;煙氣脫硝;還原劑;模糊綜合評判

0 引言

脫硝還原劑選擇是火電廠脫硝系統設計的重要環節，還原劑類型直接影響到脫硝系統的整體經濟評估，影響還原劑選取的因素繁多且較為模糊［1］。目前，國內脫硝還原劑的研究成果有很多，如:劉羽等研究了選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)法還原劑制備工藝［2］，丁朋果等介紹了SCR還原劑工程應用［3］，陸寬生比較了液氨和尿素的技術經濟性，但都只是定性地給出了脫硝還原劑優劣性比較，實際選取時仍有較大困難［4］。模糊綜合評判將評價目標是由多種因素組成的模糊集合，再設定這些因素所能選取的評審等級，組成評判的模糊集合，分別求出各單一因素對各個評審等級的隸屬程度進行組合(也稱為模糊矩陣)，然后根據各個因素在評價目標中的權重分配，通過計算得到評價的定量解值［5］。對于選擇性非催化還原(selective non-catalytic reduction，SNCR)法脫硝系統，還原劑的選取受爐內煙氣流場、溫度窗口、煙氣氣氛等硬性條件約束較大［6］，往往只能選用某種還原劑才能達到較高的脫硝效率，符合環保要求，本文暫不做考慮。本文將模糊綜合評判理論應用于燃煤電廠SCR脫硝系統工程還原劑的選擇，以選出適合脫硝工程實際情況的最優還原劑，為還原劑的選取提供參考。

1 還原劑評價指標

本文依托2×1 000 MW機組的SCR脫硝系統工程。設計工況下，NOx濃度為350 mg/m3，脫硝效率為80%，年利用小時數為6 000 h，此時液氨、氨水和尿素這3種還原劑的經濟、技術和環境指標［7-9］見表1。

2 還原劑的隸屬度函數

2.1 經濟指標

2.1.1 單位容量造價

單位容量造價即通過脫硝工程總投資和機組容量，計算得到每kW機組容量平均的投資費用(包括原料的儲存模塊、分配模塊及供給模塊)。將各項脫硝制備工藝參數進行對比和分析，視單位容量造價C1＜1元/kW為低成本，C1＞12.5元/kW為高成本，隸屬函數B(C1)為 2.1.2年運行費用

年運行費用指供氨裝置正常運行1年所需要的全部費用(包括了還原劑成本費用、運輸費及設備的電、蒸汽、油等能耗)。和上述方法類似，將年運行費用C2＜1 800萬元/a視為低費用，C2＞3 000萬元/a視為高費用，隸屬函數B(C2)為

2.1.3 供氨成本

供氨成本是供氨系統在壽命期內所發生的包括投資還貸、運行費用等在內的一切費用與其供氨總量之比，即經濟壽命期間產生氨所需費用，元/t。約束條件為4 000≤C3≤7 000，隸屬函數B(C3)為

2.2 技術性能指標

2.2.1 儲存條件

儲存條件按壓力大小可分為超高壓、高壓、常壓和低壓這4個等級，對應的儲存指標C4為0～1，1～2，2～3，3～4［10］，隸屬函數B(C4)為

2.2.2 技術復雜程度

按工藝流程及反應工藝實施的難易度將技術復雜程度分為簡單、較簡單、中等、較復雜、復雜共5級，對應的技術復雜程度指標C5分別為0～1，1～2，2～3，3～4，4～5，隸屬函數B(C5)為

2.2.3 技術成熟程度

按工藝和設備的成熟程度將技術成熟度分為成熟、較成熟、一般、較不成熟、不成熟共5級，對應的技術成熟程度指標C6分別為0～1，1～2，2～3，3～4，4～5［10］，隸屬函數B(C6)為

2.3 環境性能

2.3.1 安全性能指標

按工藝流程及設備的安全性將安全性能指標估算分為有毒、有害和無害這3個等級，對應的安全性能指標C7分別為0.3，0.5，0.9。

2.3.2 占地面積指標

供氨系統主體設備安置、還原劑儲存以及安全防護等所需占地面積按大小分為大、較大、一般、較小和小這5個等級，對應的占地面積指標C8分別為0～1，1～2，2～3，3～4，4～5，隸屬函數B(C8)為

2.3.3 對外圍環境的影響指標

系統對外圍環境的影響分為3類:(1)重大危險源，最小衛生防護距離500 m;(2)對環境危險性較小，防止泄漏及二次污染;(3)本身對環境無害，防止二次污染。對應的對外圍環境的影響指標隸屬度C9估算分別為0.3，0.5，0.8。

2.3.4 道路運輸指標

根據各還原劑運輸的管制要求，將其分為管制較嚴格、管制稍低、基本無要求這3類，對應的道路運輸指標隸屬度C10估算分別為0.3，0.5，0.9。

2.3.5 電廠位置及當地環保要求對脫硝劑影響指標

電廠所屬位置以及當地環保部門的要求對還原劑的選取也影響較大，電廠位置及環保要求分為嚴格、較嚴格、一般、寬松這4類，對應的占地面積指標C11分別為0～1，1～2，2～3，3～4，隸屬函數B(C11)［11］為

3 因素權重的確定

權重是進行后續分析的重要前提，一般選用的專家打分確定權重方法存在專家的主觀性和專家規模的弊端。為解決此問題，采用層次分析法作為此文的決策分析工具。將整個評價體系分成A、B、C層，A層是最終評判結果層，B層為經濟、技術、環境三大指標層，C層為三大指標下各因素層，按如下步驟確定指標和因素權重［12］。

設B1、B2、B3分別為經濟指標、技術指標、環境指標，Bi對Bj的相對重要性bij的數值體現用表2中的數字及其的倒數作為標度。由于影響因素較少，選用一般的9標度重要程度表造成誤差較大，經比較和改進后，選用以下重要程度表較為合適。判斷矩陣中的元素具有下述性質:(1)bij＞0;(2)bij=1/bji;(3)bii= 1。得到A層到B層的判斷矩陣為

根據文獻［7］的計算方法，近似計算TA-B的特征向量W=［0.405，0.329，0.266］T。同理可得，B1層到C層的判斷矩陣為

所得經濟指標下各因素所占權重向量為W1=［0.385，0.307 5，0.307 5］T。B2層到C層的判斷矩陣為

所得經濟指標下各因素所占權重向量為W2=［0.22，0.39，0.39］T。B3層到C層的判斷矩陣為

所得經濟指標下各因素所占權重向量為W3=［0.16，0.24，0.24，0.16，0.20］T。

4 模糊矩陣的確定及計算

根據建立的隸屬度函數計算得到個脫硝劑對應因素的隸屬度，如表3所示。劃分出經濟性能模糊矩陣R1、技術性能模糊矩陣R2及環境性能模糊矩陣R3如下:

根據上述數據，得到:經濟性能評判向量為HB1= W1R1=［0.771，0.525，0.470］T;技術性能評判向量為HB2=W2R2=［0.708，0.685，0.529］T;環境性能評判向量為HB3=W3R3=［0.316，0.526，0.824］T。

二級評判矩陣HA由1級綜合評判結果HB1、HB2、HB3得到，HA=W［HB1，HB2，HB3］T=［0.629，0.602，0.584］T。進行歸一化處理，則H＇A=［0.346，0.332，0.322］T。

根據最大隸屬度原則，可得出以下綜合評判結果:液氨、氨水、尿素這3種還原劑都可選取的情況下，液氨作為還原劑綜合來說優于氨水，氨水又優于尿素。采用SCR工藝系統進行脫硝的電廠，在法律、法規允許，土地資源都足夠，液氨、氨水、尿素都可取的情況下應優先選取液氨作為還原劑。這與目前國內還原劑應用是相符的，液氨供氨設備初始投資及運行費用最小、技術成熟、工藝簡單，最大的缺點在于環境的影響。但是在取得相關部門審查許可的情況下，做好相關防護措施，液氨無疑是最具有經濟效益的選擇。

我國大部分電廠均處于偏離城市中心較遠的地區，即使建廠較早的一些城市電廠也與周圍居民區、建筑物有一定的防護距離，因而在審查許可的時候大部分電廠都能選擇液氨作為還原劑。據資料表明在SCR脫硝方面，國內目前的還原劑應用最多的是液氨，占95%以上，尿素占3%～5%。如福州可門電廠二期2×600 MW機組煙氣脫硝，廣東河源電廠2×600 MW燃煤發電機組脫硝改造，福建石獅鴻山熱電廠2×1 000 MW機組煙氣脫硝(二期)等SCR項目均采用液氨作為還原劑。尿素比氨水工程實例要多的原因在于環境權重的影響，導致環境管制較松的地區采用液氨，較嚴格的地區則直接采用了尿素作為還原劑，具體可見下面的權重分析。

5 權重影響分析

在上述模糊綜合評判的確定中，經濟、技術、環境的權重為W=［0.405，0.329，0.266］T，所得出的結果是氨水為最佳。從一級評判向量HB1、HB2、HB3來看，液氨為經濟性最佳，技術性比其他兩者稍優，尿素為環境性最佳。故經濟、技術、環境三者的權重對最后的二級綜合評判結果有直接影響，為消除權重誤差對結果帶來的影響，做以下權重影響分析。記x1、x2、x3分別為經濟、技術和環境的權重，取環境權重分別為0.1，0.2，0.3，0.4，借助Matlab工具繪制以x1為橫坐標的最終評判隸屬度函數曲線，如圖1、2所示。

從圖1可以看出:(1)在環境權重偏小的情況下，液氨函數始終在氨水和尿素之上，隨著環境權重的增大，尿素逐漸超過液氨和氨水，這與實際情況也相符;(2)在環境權重不超過0.3，經濟權重處于0.28以上時，液氨總是優于其他兩項，這一權重區間在實際工程中大多比較合理，這也是液氨實例最多的原因。

圖2中，細分了環境權重為0.3～0.4的情況。由圖2可知，環境權重超過0.34后，經濟權重需達到0.45以上液氨才會優于尿素，而液氨總處于液氨和尿素的函數之下。因而在環境要求嚴格的地區，會直接采用尿素。

6 結論

(1)本文基于模糊數學的綜合評判法和隸屬度理論，將脫硝還原劑各評判指標作定量分析，根據最大隸屬度原則得出評價結果。并根據實際情況使用matlab編制了函數圖象，分析了各因素權重對最終結果所帶來的影響。大機組SCR脫硝系統工藝的還原劑選取過程中，在土地資源及相關法規允許，還原劑方便可取的情況下，液氨由于經濟性突出，技術性能相比稍優，綜合來說屬于最佳選擇。

(2)本文中的綜合評價方法在選用時應和脫硝系統工程的實際情況相結合，因為機組參數、權重的大小等可能都會影響最終的結果。可以參照表2，從實際參數出發，建立比其更為精細的重要程度表，構造出判斷矩陣，從而得出權重向量用作選取脫硝劑的依據。

［1］段傳和，夏懷祥.燃煤電站SCR煙氣脫硝工程技術［M］.北京:中國電力出版社，2009:24-28.

［2］劉羽，劉強，蓋東飛.選擇性催化還原脫硝還原劑的制備工藝［J］.華電技術，2011，33(12):60-62.

［3］丁朋果，張育嬋.燃煤電廠SCR脫硝還原劑種類及其工程應用［J］.能源與環境，2011(2):96-97.

［4］陸寬生.脫硝還原劑選用純氨和尿素的技術經濟探討［J］.應用能源技術，2012(1):9-12.

［5］楊綸標，高英儀.模糊數學原理及應用［M］.廣州:華南理工大學出版社，2005:43-61.

［6］孫克勤，韓祥.燃煤電廠煙氣脫硝設備及運行［M］.北京:機械工業出版社，2011:27-34.

［7］崔亞兵，陳曉平.燃煤電廠煙氣脫硫技術的模糊綜合評價［J］.中國電機工程學報，2005，25(1):25-34.

［8］馬忠云，陳慧雁，劉振強，等.煙氣SCR法脫硝工藝流程的設計與應用［J］.電力建設，2008，29(6):53-55.

［9］曹慶奎，阮俊虎，劉開第，等.基于隸屬度轉換新算法的煤氣站安全性模糊評價［J］.煤炭學報，2010，35(3):467-471.

［10］張戰鋒.華能福州電廠脫硝改造工程的設計和施工特點［J］.電力建設，2012，33(10):102-105.

［11］HJ 562—2010火電廠煙氣脫硝工程技術規范:選擇性催化還原法［S］.北京:中國環境科學出版社，2010.

［12］陳寶玉.燃煤電廠煙氣同時脫硫脫硝工藝的技術經濟評價研究［D］.重慶:重慶大學，2009.

［13］徐青，黃昕，劉海力.垃圾焚燒電廠煙氣脫硝技術的模糊綜合評價［J］.熱力發電，2012，41(7):37-40.

(編輯:蔣毅恒)

Fuzzy Comprehensive Evaluation for Reducing Agents for Flue Gas Denitration Systems in Coal-Fired Power Plants

ZHANG Xiang1，2，XU Hongsheng2，ZHAO Longsheng2
(1.College of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210018，China; 2.Thermoelectric Engineering and Research Institute，Southeast University，Nanjing 210096，China)

The reducing agents for flue gas denitration systems in coal-fired power plants mainly include liquid ammonia，ammonia water and urea.However，the selection of reducing agents in practical project is always a troublesome question.Based on fuzzy comprehensive evaluation method and membership degree principle，the quantitative analysis of evaluation index were carried out for reducing agent，and the evaluation results were obtained according to the principle of maximum membership degree.Then，this paper analyzed the impact of factor weights on the final results according to the actual situation，and obtained the result that liquid ammonia was best.Liquid ammonia，ammonia water and urea all can be used as reducing agent for the SCR denitration system in large units，but liquid ammonia is the best because of its prominent economy characteristics and slightly better technical performance.

coal-fired power plant;flue gas denitration;reducing agent;fuzzy comprehensive evaluation

TM 621.8

A

1000－7229(2014)01－0093－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.018［HT］

2013-07-12

2013-09-27

張翔(1989)，男，碩士研究生，研究方向為電廠NOx排放物控制及減排，E-mail:zx1989tc@163.com;

許紅勝(1963)，男，博士，教授，東南大學建筑設計研究院副院長，東南大學熱電工程設計研究所所長，研究方向為電廠污染物減排，電廠智能控制;

趙龍生(1965)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電廠脫硫脫硝及優化。