基于模糊網(wǎng)絡(luò)分析法的富氧燃燒CCS項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

孫辰晨，李?lèi)?ài)軍

(華中科技大學(xué),武漢 430074)

基于模糊網(wǎng)絡(luò)分析法的富氧燃燒CCS項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

孫辰晨，李?lèi)?ài)軍

(華中科技大學(xué),武漢 430074)

富氧燃燒CCS是一項(xiàng)新興的二氧化碳減排技術(shù)，此項(xiàng)技術(shù)可以有效降低大氣中的二氧化碳量，同時(shí)保證現(xiàn)有化石燃料使用力度不受影響。富氧燃燒CCS項(xiàng)目的廣泛應(yīng)用將無(wú)法避免大量的風(fēng)險(xiǎn)。文中應(yīng)用基于三角模糊數(shù)的模糊網(wǎng)絡(luò)分析法對(duì)富氧燃燒CCS項(xiàng)目進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果表明富氧燃燒CCS項(xiàng)目的綜合風(fēng)險(xiǎn)水平為0.373，說(shuō)明項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)屬于中等水平，應(yīng)該在大力發(fā)展的同時(shí)重視項(xiàng)目的各方面風(fēng)險(xiǎn)，采取有效的應(yīng)對(duì)措施。

二氧化碳捕集與封存；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；模糊網(wǎng)絡(luò)分析法

0 引 言

碳捕集分為燃燒前捕集，燃燒中捕集和燃燒后捕集，其中燃燒中捕集所指的就是富氧燃燒CCS技術(shù)，通常富氧燃燒技術(shù)是對(duì)現(xiàn)有的電站系統(tǒng)進(jìn)行改造，用CO2+O2的組合代替N2+O2的組合當(dāng)做燃?xì)猓^(guò)程中會(huì)利用煙氣進(jìn)行循環(huán)，煙氣中富含大量高純度的CO2，因此在捕集時(shí)無(wú)需和氮?dú)夥蛛x，非常便于捕集，改造的成本比普通CCS項(xiàng)目要低，研究表明，富氧燃燒技術(shù)是最可能大規(guī)模商業(yè)化的CCS技術(shù)之一。但是由于富氧燃燒CCS項(xiàng)目仍然處在示范階段，在技術(shù)成熟度上還沒(méi)有達(dá)到完善，環(huán)境方面的影響又沒(méi)有前例給予參考，社會(huì)接受度以及投資成本問(wèn)題上仍然存在很多不確定性，但是富氧燃燒CCS項(xiàng)目是亟需大力發(fā)展的，綜上所述，文中對(duì)富氧燃燒CCS項(xiàng)目進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)有助于決策者對(duì)項(xiàng)目發(fā)展中的風(fēng)險(xiǎn)以及各種風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重程度有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)和了解，對(duì)于富氧燃燒CCS項(xiàng)目未來(lái)的發(fā)展具有一定的幫助。

1 富氧燃燒CCS技術(shù)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

1.1 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析

(1)新型技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)

新型技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)是指富氧燃燒CCS技術(shù)由于采取新的工藝流程，會(huì)面臨許多新出現(xiàn)的問(wèn)題。由于富氧技術(shù)采用煙氣循環(huán)，純氧燃燒，技術(shù)上和普通的燃煤電廠大相徑庭，對(duì)于關(guān)鍵參數(shù)的取值可能還沒(méi)有達(dá)到最為合理的標(biāo)準(zhǔn)。富氧條件下火焰溫度比一般火電廠要高，因此氮氧化物的生成會(huì)加速，在煙氣循環(huán)下氮化物會(huì)一直存留在爐膛之內(nèi)，因此對(duì)爐膛內(nèi)造成比較大的負(fù)擔(dān)，而且雖然理論上富氧技術(shù)對(duì)氮是零排放，但是目前研究中還不可能完全分離，因此對(duì)環(huán)境也帶來(lái)了一定的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)新材料風(fēng)險(xiǎn)

新材料風(fēng)險(xiǎn)指由于富氧燃燒CCS項(xiàng)目的捕集階段需要進(jìn)行氮氧分離。利用空分技術(shù)制氧時(shí)，吸附劑只能在壓力比較低和常溫下使用，吸附劑的恢復(fù)時(shí)間決定其能否規(guī)模化應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目當(dāng)中。利用膜分離法制備氧氣時(shí)，分離膜對(duì)于不同氣體的滲透性的變化具有至關(guān)重要的作用，而當(dāng)前我國(guó)各種新型分離材料都有自身的缺陷，這對(duì)富氧燃燒CCS技術(shù)的發(fā)展造成了較大的阻礙。

(3)數(shù)據(jù)缺乏風(fēng)險(xiǎn)

在富氧燃燒采用新型燃燒和循環(huán)方式的情況下，由于實(shí)驗(yàn)規(guī)模不大，重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)量不夠，導(dǎo)致各項(xiàng)參數(shù)可能還沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)選擇，在煙氣流速較高，氧氣濃度較大，燃燒溫度較高的條件下如何達(dá)到穩(wěn)定節(jié)能的運(yùn)行還需要大規(guī)模的數(shù)據(jù)做支持。

(4)施工以及操作人員風(fēng)險(xiǎn)

人作為項(xiàng)目實(shí)施的最終行為者，承擔(dān)著項(xiàng)目的各項(xiàng)安全指標(biāo)正確落實(shí)的重任。而由于富氧燃燒CCS項(xiàng)目正處于示范階段，社會(huì)企業(yè)中經(jīng)驗(yàn)豐富，技術(shù)過(guò)硬的人才并不多，一旦在運(yùn)輸封存等過(guò)程中由于施工人員能力不足出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)引發(fā)諸如二氧化碳大規(guī)模泄漏、管道爆裂等危機(jī)，對(duì)環(huán)境和周?chē)巳簩⑺查g造成巨大的災(zāi)難。

1.2 社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)分析

(1)公眾風(fēng)險(xiǎn)

由于富氧燃燒CCS項(xiàng)目在運(yùn)輸和封存過(guò)程中有可能對(duì)公眾的健康和財(cái)產(chǎn)造成威脅。在群眾自我保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)和公益組織日益發(fā)展的今天，項(xiàng)目的發(fā)展過(guò)程中很可能受到公眾的集體抵制，從而導(dǎo)致項(xiàng)目被擱淺或者直接禁止繼續(xù)施工，導(dǎo)致資金斷裂，使投資方遭受?chē)?yán)重的損失。

(2)國(guó)內(nèi)政策風(fēng)險(xiǎn)

國(guó)內(nèi)關(guān)于富氧燃燒CCS項(xiàng)目發(fā)展政策的不完善會(huì)側(cè)面影響其發(fā)展聚集的力量。我國(guó)政策上更傾向于建立高參數(shù)電力設(shè)備，提高電廠的發(fā)電效率和大力發(fā)展新能源如核能上，并沒(méi)有對(duì)于富氧燃燒CCS技術(shù)的政策性傾斜，重視程度相對(duì)而言并不高，這直接導(dǎo)致企業(yè)投資富氧燃燒CCS項(xiàng)目的活躍度低下，提高了項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)水平。

(3)國(guó)際局勢(shì)風(fēng)險(xiǎn)

國(guó)際上如果發(fā)生大規(guī)模經(jīng)濟(jì)衰退，將會(huì)嚴(yán)重影響國(guó)際上對(duì)富氧燃燒CCS項(xiàng)目的關(guān)注度，并導(dǎo)致國(guó)際資金的斷裂，合作的減少將嚴(yán)重影響技術(shù)的發(fā)展；如果發(fā)生嚴(yán)重的富氧燃燒CCS項(xiàng)目的事故，將會(huì)直接導(dǎo)致項(xiàng)目的停滯發(fā)展，例如福島核電站事件導(dǎo)致全世界核電項(xiàng)目的擱置。

1.3 經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)分析

富氧燃燒CCS項(xiàng)目的改造成本比較高，需要較高的資金供給。首先由于國(guó)家政策、碳排放交易機(jī)制不完善等因素導(dǎo)致企業(yè)的投入和回報(bào)無(wú)法準(zhǔn)確估量，我國(guó)目前仍沒(méi)有完善的碳價(jià)和碳稅體系，企業(yè)改造CCS后獲得的減排量并沒(méi)有明確的交易價(jià)格，因此，企業(yè)的決策層更傾向于使用原有電廠，而不投入資金進(jìn)行富氧燃燒CCS項(xiàng)目改造。其次富氧燃燒科研技術(shù)水平的進(jìn)一步發(fā)展也需要大量的科研基金來(lái)補(bǔ)貼研發(fā)機(jī)構(gòu)，而科研的投入產(chǎn)出比也是無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)的。最后，目前我國(guó)發(fā)展的其他低碳技術(shù)對(duì)于富氧燃燒CCS技術(shù)的發(fā)展也有很大的競(jìng)爭(zhēng)性，例如核能、潮汐能等，如果這些技術(shù)的發(fā)展超越CCS技術(shù)，可能導(dǎo)致CCS技術(shù)退出歷史舞臺(tái)。因此當(dāng)前實(shí)施富氧燃燒CCS改造具有較高的投資風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

CO2泄漏是導(dǎo)致環(huán)境問(wèn)題的主要原因，主要導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)因素分析如下：

(1)影響氣候風(fēng)險(xiǎn)

如果在CO2埋存過(guò)程中發(fā)生大規(guī)模泄漏，大量CO2釋放到大氣當(dāng)中，將導(dǎo)致嚴(yán)重的溫室效應(yīng)等災(zāi)難性后果。發(fā)生泄漏可能由于如火山噴發(fā)，地震等地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致CO2迅速釋放造成影響氣候的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)人體健康風(fēng)險(xiǎn)

二氧化碳屬于無(wú)色無(wú)味的氣體，如果長(zhǎng)期漂浮在低洼處并不容易被明顯感知，如果有人經(jīng)過(guò)附近，可能會(huì)引起心跳加速，惡心或者暫時(shí)喪失知覺(jué)的危險(xiǎn)，當(dāng)CO2濃度過(guò)高時(shí)則會(huì)造成窒息從而嚴(yán)重威脅生命安全。

(3)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)

埋藏在地下的CO2會(huì)加速植物的光合作用，致使整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的新陳代謝變快。而CO2濃度過(guò)高時(shí)，卻會(huì)抑制植物的生長(zhǎng)，導(dǎo)致植物發(fā)育遲緩甚至死亡。因此，埋藏CO2對(duì)于環(huán)境的生態(tài)平衡有著不確定的風(fēng)險(xiǎn)。

(4)水污染風(fēng)險(xiǎn)

封存的CO2溶解到含水層會(huì)導(dǎo)致飲用水被污染。CO2有可能在壓力驅(qū)使下擴(kuò)散至水層。CO2將會(huì)降低飲用水的PH值，使飲用水酸性過(guò)高，并且還會(huì)富集許多重金屬、氯化物，使飲用水變色變味，降低附近群眾生活水平，嚴(yán)重還會(huì)導(dǎo)致飲用水中毒。

(5)地質(zhì)活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)

地質(zhì)活動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)包含兩個(gè)含義，一是埋藏地由于勘測(cè)水平不足導(dǎo)致沒(méi)有發(fā)現(xiàn)潛在的地震帶，發(fā)生地震后造成CO2大量泄漏；二是CO2在埋藏時(shí)是使用高壓注入的，一旦數(shù)據(jù)測(cè)量不精確，注入壓力大于地質(zhì)本身的壓力，理論上將會(huì)誘發(fā)地震，造成嚴(yán)重的地質(zhì)危害。

(6)地下資源破壞風(fēng)險(xiǎn)

封存環(huán)境屬于高壓環(huán)境，高壓環(huán)境下CO2可能會(huì)和其他化合物發(fā)生緩慢反應(yīng)，如果CO2在地質(zhì)中和地下的珍貴礦物質(zhì)結(jié)合，將會(huì)影響礦物質(zhì)的純度，對(duì)造成地下礦產(chǎn)資源造成破壞。

2 富氧燃燒CCS技術(shù)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

文中的研究方法建立在層次分析法、網(wǎng)絡(luò)分析法以及模糊綜合評(píng)判的基礎(chǔ)上，利用層次分析法的原理建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，利用網(wǎng)絡(luò)分析法求解權(quán)重各級(jí)權(quán)重指標(biāo)，并用模糊綜合評(píng)判的理論求解富氧燃燒CCS項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)值。該方法的基本步驟見(jiàn)[1-3]，這里不再介紹。

2.1 構(gòu)建F-ANP模型

根據(jù)上文對(duì)富氧燃燒CCS項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)分析，我們將其應(yīng)用于層次分析法的體系當(dāng)中，構(gòu)建出基于F-ANP模型的富氧燃燒CCS項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系。如圖1所示。

圖1 富氧燃燒CCS項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系

2.2 確定項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語(yǔ)集

評(píng)語(yǔ)集分為5個(gè)等級(jí)。具體的評(píng)語(yǔ)集確定為：

V={v1,v2,v3,…,vm}=高風(fēng)險(xiǎn)，較高風(fēng)險(xiǎn)，中等風(fēng)險(xiǎn)，較低風(fēng)險(xiǎn)，低風(fēng)險(xiǎn)

2.3 建立模糊關(guān)系矩陣

利用模糊統(tǒng)計(jì)學(xué)，選取該領(lǐng)域的10位專(zhuān)家對(duì)各因素rij進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的三個(gè)特性，風(fēng)險(xiǎn)的損失，風(fēng)險(xiǎn)的概率以及風(fēng)險(xiǎn)的可控制性，以問(wèn)卷調(diào)查的形式對(duì)二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)，由式(1)

(1)

可得出模糊判斷矩陣：

同理，可以得出發(fā)生概率模糊判斷矩陣F.R(P)，可控制性模糊判斷矩陣F.R(C)，假設(shè)風(fēng)險(xiǎn)的三個(gè)特性對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)的影響程度相同，將以上結(jié)果等價(jià)疊加，即為風(fēng)險(xiǎn)因素的單因素模糊判斷矩陣。

2.4 F-ANP確定權(quán)重

當(dāng)準(zhǔn)則為風(fēng)險(xiǎn)損失時(shí)，利用F-ANP求解權(quán)重的過(guò)程如下：

(1)計(jì)算二級(jí)指標(biāo)權(quán)重

在元素集U1中，以元素u11為次準(zhǔn)則，元素集U1中的元素u11、u12、u13和u14按照其對(duì)u11影響大小進(jìn)行優(yōu)劣度比較，利用F-ANP求解，得出權(quán)重向量W(11)。見(jiàn)表1。

表1 以u(píng)11為次準(zhǔn)則的間接優(yōu)勢(shì)度比較判斷矩陣

同理，以元素u12為次準(zhǔn)則，求解W(12)，見(jiàn)表2。

表2 以u(píng)12為次準(zhǔn)則的間接優(yōu)勢(shì)度比較判斷矩陣

按照以上步驟即可得出W11：

W11=(W(11),W(12),W(13),W(14))=

按照以上步驟，即可得出W22、W33、W44、W12、W13、W14、W21、W23、W24、W31、W32、W34、W41、W42、W43。本文不再一一列舉。

(2)計(jì)算一級(jí)指標(biāo)成分模糊權(quán)重

W的列向量表示Ui中元素對(duì)Uj中元素的影響程度。由于W只考慮了元素組內(nèi)部元素的排序，沒(méi)有全面的考慮整個(gè)其他元素組對(duì)當(dāng)前準(zhǔn)則的影響，因此必須進(jìn)行元素組之間的兩兩比較排序，即將元素組當(dāng)做元素，求得元素組的相對(duì)權(quán)重A，求解元素組的權(quán)重，方法與求解元素的權(quán)重相同。

W=(0.058429 0.050256 0.068902 0.044211 0.063863 0.072275 0.078189 0.056613 0.067555 0.087991 0.075726 0.071286 0.041091 0.036586 0.042375 0.02784 0.028888 0.027925)

2.5 計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果

利用M(+,·)算子，由B=w×F.R計(jì)算可得項(xiàng)目的整體風(fēng)險(xiǎn)度。

B=w×F.R=

(0.0970.2430.3730.2190.067)

根據(jù)最大隸屬度原則，在B中最大值是0.373，工程上一般使用等風(fēng)險(xiǎn)圖來(lái)判別項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的分類(lèi)，風(fēng)險(xiǎn)值為0～0.3為低風(fēng)險(xiǎn)，0.3～0.7為中等風(fēng)險(xiǎn)，大于0.7為高風(fēng)險(xiǎn)，因此可判斷富氧燃燒CCS項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果屬于中等風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)評(píng)價(jià)分析可以得到如下結(jié)論，為以后的富氧燃燒CCS發(fā)展的工作提供幫助

(1)一級(jí)指標(biāo)中經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重最大，為0.303，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)次之，為0.271，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重相對(duì)較低，分別為0.205和0.222，二級(jí)指標(biāo)中國(guó)內(nèi)政策風(fēng)險(xiǎn)和收益不確定性風(fēng)險(xiǎn)以及其他能源的競(jìng)爭(zhēng)風(fēng)險(xiǎn)是最高的，分別為0.078 189、 0.087 991和0.075 726。說(shuō)明對(duì)于富氧燃燒CCS項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，技術(shù)已經(jīng)相對(duì)比較成熟，不容易發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，而政策上的支持和國(guó)家以及企業(yè)的投資才是CCS項(xiàng)目發(fā)展的關(guān)鍵所在。

(2)富氧燃燒CCS項(xiàng)目的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為0.373，其風(fēng)險(xiǎn)屬于中等水平，但是與其他新興項(xiàng)目相比，富氧燃燒CCS項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)在可以接受的范圍內(nèi)，我國(guó)大力發(fā)展富氧燃燒CCS項(xiàng)目是可以接受的。

[1] 封 江，李 軍，華 斌.層次分析法在重點(diǎn)用能企業(yè)節(jié)能考核評(píng)價(jià)體系的應(yīng)用研究[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2011(9)：8-11.

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Risk Assessment of Oxy-fuel Combustion Carbon Capture and Storage Project Based on the Fuzzy Analytic Network Process

SUN Chen-chen, LI Ai-jun

(Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China)

Oxy-fuel combustion CCS is a new technology of carbon dioxide emission reduction, this technology can effectively reduce carbon dioxide in the atmosphere, while ensuring the use of fossil fuels is not affected. The extensive application of Oxy-fuel combustion CCS project will not be able to avoid a lot of risk. In this paper, the fuzzy network analysis method based on triangular fuzzy number is used to evaluate the risk of Oxy-fuel combustion CCS project. Risk assessment results show that Oxy-fuel combustion CCS project integrated risk level is 0.373. That project risk belongs to medium level, should vigorously develop also pay special attention to all aspects of risk, to take effective measures to deal with it.

Oxy-fuel combustion CCS; Risk assessment; The fuzzy analytic network process

2015-05-25

2015-05-31

孫辰晨，碩士研究生，華中科技大學(xué)導(dǎo)師。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.06.001

TK223.6

B

1009-3230(2015)06-0001-06