燃煤電廠煙氣一次PM2.5控制技術的綜合評估

鄧 雙,孫現偉,束 韞,李 博,郭鳳艷,張 凡

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燃煤電廠煙氣一次PM2.5控制技術的綜合評估

鄧 雙1,2*,孫現偉3,束 韞1,李 博1,郭鳳艷1,張 凡1

(1.中國環境科學研究院,北京 100012；2.環境基準和風險評估國家重點實驗室,北京 100012；3.廣州纖維產品檢測研究院,廣東 廣州 511400)

以燃煤電廠煙氣顆粒物控制技術或組合為研究對象,在文獻調研和專家問卷調查基礎上,針對燃煤電廠一次PM2.5排放特征,構建了包含環境、經濟和技術三方面共16項四個層次的評價指標體系;采用模糊綜合法對7種顆粒物控制技術及其組合開展了綜合評估.結果表明:在綜合分析或著重環境性能的情況下,7種單一或組合控制技術的優先順序為:低低溫靜電除塵配高頻電源+濕式靜電除塵≈靜電除塵配高頻電源+濕式靜電除塵>電袋復合除塵>靜電除塵+濕式靜電除塵>袋式除塵>靜電除塵>電凝并+靜電除塵.若優先考慮經濟因素,靜電除塵為最優選擇;優先考慮技術性能則袋式除塵為最優選擇.

燃煤電廠；一次PM2.5；技術評估；層次分析法；模糊綜合評價法

一次PM2.5排放是灰霾的主要成因之一[1].2015年我國工業煙(粉)的排放量約為1232.6×104t,其中燃煤電廠排放顆粒物165.2×104t[2],占全國工業總排放的13.4%,PM2.5排放量約為89.3×104t.為有效控制燃煤電廠一次PM2.5排放,必須通過技術評估以篩選出最佳技術、經濟和環境效益的末端顆粒物控制技術.

國外在20世紀80年代初就開始對煙氣控制技術的經濟性進行了分析,其中報道較多的是美國電力研究院(EPRI)、國際能源機構.目前國內對于大氣污染物開展的技術評估研究主要集中在火電廠脫硫脫硝方面[5-7].本文采用模糊綜合評價法對燃煤電廠煙氣一次PM2.5控制技術進行了綜合評估,以期為燃煤電廠一次PM2.5減排提供技術支持.

1 方法與路線

1.1 技術評估方法

目前技術評估方法主要包括模糊綜合評價法、層次分析法和灰色關聯度綜合評價法,其中以模糊綜合評價法應用最為廣泛.模糊綜合法[8]是一種用于涉及模糊因素的對象系統的綜合分析方法,其利用模糊集理論,充分利用人腦對模糊現象能做出正確判斷的特點,模擬人的思維推理過程,使定性因素向定量因素逼近,從而得出科學的結果.模糊綜合法最大優勢在于能處理具有模糊性因素較多或定性定量指標比較復雜的問題,廣泛應用于環保、建筑和生態等領域[8-14].燃煤電廠煙氣一次PM2.5控制技術的評估指標具有多元化和模糊性,除了包括環境、經濟和技術的一級指標外,還包含污染物脫除效率、對周圍環境的影響、技術成熟度等多層次指標,因此本論文采用模糊綜合評價法對燃煤電廠一次PM2.5控制技術展開評估研究.

1.2 評估技術路線

技術評估的主要步驟包括:(1)確定評價對象集,確定參與評估的技術;(2)選擇評價方法和模型;(3)構建技術評估指標體系,確定評價指標集,并收集評價對象的評估指標參數;(4)確定評估指標的權重和量化方法;(5)綜合分析各指標隸屬度和權重值,計算各評價技術的分值;(6)得出綜合評估結果.

技術評估流程如圖1所示:

圖1 技術評估流程

2 結果與討論

2.1 技術初選及評價指標體系的構建

隨著我國環保法規的日益嚴格,電力行業污染物排放要求不斷提高,傳統的低效高能耗的除塵技術已被淘汰.根據中國電力企業聯合會報道[15],截至2015年年底,燃煤電廠安裝電除塵的機組容量占全國煤電機組容量的69.1%,袋式除塵器和電袋復合除塵器分別占8.68%和22.2%.低低溫靜電除塵配高頻電源[16-18]、電凝并[19-20]和濕式電除塵[21]等一批具有應用前景的新除塵技術及組合技術得到廣泛推廣.目前我國燃煤電廠的除塵技術及其工藝參數見表1.

根據這些技術在我國燃煤電廠的實際應用情況,考慮到控制技術的捕集粒徑、除塵效率和本體阻力等工藝特性(表1),尤其是對于一次PM2.5的脫除效率,初步篩選出靜電除塵(T1)、袋式除塵(T2)、電袋復合除塵(T3)、靜電除塵+濕式靜電除塵(T4)、電凝并+靜電除塵(T5)、靜電除塵配高頻電源+濕式電除塵(T6)和低低溫靜電除塵配高頻電源+濕式電除塵(T7)7種單一及組合控制技術進行技術評估,分別用T1~T7表示.

通過專家咨詢,構建了包含環境、經濟和技術的三級評價指標體系,如圖2所示.

表1 燃煤電廠除塵技術

圖2 燃煤電廠煙氣一次PM2.5控制技術評估指標體系

Fig 2 Evaluation index system of primary PM2.5control technology for coal-fired power plant

2.2 評估指標的量化

由于指標間評估等級和量綱存在差異,不具有可比性,無法直接進行綜合比較,因此必須對評估指標進行量化.評估指標量化常用方法主要有歸一化法(定性指標)和等級賦值法(定量指標),在評估過程中將評估指標分為定量指標和定性指標,分別用歸一化法和等級賦值法對其進行量化.各評估指標的等級與量化方法如表2所示.

對于定性指標,通過文獻調研[16-22],和20位專家(涉及除塵技術研發、技術評估、能源和工程設備制造等領域)評分的方式對不同控制技術的某項指標進行賦值.賦值結果通常為[0,1]之間,賦值越大,表明基于該項指標的技術得分越好.首先根據定性指標的等級進行賦值,等級和賦值如表3,然后按照式(1)計算得分.

u=x/5 (1)

表2 指標等級與量化方法

表3 指標等級及對應的賦值

表4 指標量化結果

續表4

對于定量指標,采取歸一化法將其進行量化.對于PM10、PM2.5的量化,可以采用式(2)進行:

2.3 評價指標的權重確定

雖然各技術指標已經量化,但每個指標在評估過程中的權重各不相同,因此各技術之間還是無法直接比較.本研究通過專家問卷調查獲得各指標重要性評分,然后在此基礎上利用層次分析法(AHP)[5]確定了指標權重.

(1)設評價對象集,即設待評技術集為=｛1,2,,7｝;為因素集,按一定的方式將中元素分成3個互不相交的因素子集=｛1,2,3｝,1,2,3分別表示環境指標、經濟指標和技術指標.

(2)在此基礎上,對每個U(=1,2,3)進行初級綜合評價.本文設1包含對周圍環境影響、協同效益和脫除效率3個評價指標,即1=｛1(1),1(2),1(3)｝;2=｛2(1),2(2),2(3)｝;3=｛3(1),3(2),3(3)｝;對于T(=1,2,…,7)可用向量X()表示個評價指標的屬性值,即:

X()=(1n(),2n(),…, x())(3)

對于U來說,個待評技術的評價指標屬性值可用下面的矩陣X(=1~m,=1~)表示:

由于各評價指標之間具有不可公度性,即各個指標沒有統一的度量標準,如果直接使用指標值不便于進行分析和比較,因此在進行綜合評價前,先將評價指標規范化,即構造評價指標的隸屬函數使指標值統一變換到[0,1]范圍內.由中的每個因素隸屬度組成隸屬度評價矩陣:

根據U中各因素所起作用大小定出權數分配A=(1(),2(),…,m()),且通過對模糊矩陣進行復合運算,可得出對U的一級綜合評價B:

Bk=Ak°Ek=(bk1,bk2,…,bkn) (6)

(3)對進行綜合評價

按各U在中所起作用的大小,給出其權重分配:

={1,2,3} (7)

由各的評價結果(=1,2,3),得出總的單因素評價矩陣:

經模糊復合運算可得的綜合評價矩陣,

=AE=(1,2,…,) (9)

則b(=1,2,…,7)表示第個技術的綜合得分,通過對綜合得分排序即可找出哪項技術為最佳技術.

通過燃煤電廠PM2.5控制技術評估軟件(V1.0)[23]、問卷調查與層次分析法(AHP)處理后,指標權重值如表5所示:

表5 指標權重

2.4 綜合分析和評估

根據表4和表5,按照公式(6)和(9)計算可以得到燃煤電廠一次PM2.5待評技術綜合得分,如表6所示.

表6 燃煤電廠PM2.5控制技術綜合評估結果

由于低低溫靜電除塵配高頻電源+濕式電除塵和靜電除塵配高頻電源+濕式電除塵技術組合的占地面積大、能耗高,導致其工程投資和單位脫除成本高.燃煤電廠在資金預算不足的情況下,可以考慮電袋復合除塵技術,但其對PM2.5的脫除效率相對較低,協同脫硫效果和回收效益也較差.如果考慮環境性能,靜電除塵+濕式靜電除塵要優于電袋除塵和袋式除塵,是現在主流的除塵技術,但由于其是兩級除塵,其工程投資和運行成本較高、占地面積較大,故其綜合得分相比電袋除塵和袋式除塵技術相對較低.而對于綜合得分靠后的電凝并+靜電除塵技術來講,雖然其除塵效率比靜電除塵高,但其脫除PM2.5單位成本相對較高,占地面積相對較大,并且電凝并作為新興技術,在技術可靠性方面存在一定的問題,因此,其得分低于靜電除塵,綜合得分最低.由此可見,采用本論文評估方法得到的結果與目前燃煤電廠的實際情況比較吻合.

層次分析法屬于主觀賦值法,對權重的確定有一定的局限性;因此將評價結果與運用專家問卷調研法得到的專家參考權重進行評估得到的結果進行比較,發現一致性較好(圖3).可見,本文采用的層次分析法盡量避免了主觀因素的影響,其評估結果具有可靠性.

權重敏感性分析是指指標權重值改變對評價結果的影響.由于待評技術較多,故不對每個方案的權重變化臨界值和敏感度系數進行逐一計算,而是分別以環境、技術和經濟為重點調整指標權重,定性分析評估結果對權重的敏感性.當分別強調環境、經濟和技術性能時,將三項一級指標的相對權重分別調整為1=(0.6,0.2,0.2)、2=(0.2,0.6, 0.2)和3=(0.2,0.2,0.6),各項二級、三級指標權重按比例隨之變化,評價結果如圖4~圖6所示.

圖3 燃煤電廠不同權重下評估結果對比

圖4 強調環境性能的技術評估結果

圖5 強調經濟性能的技術評估結果

圖6 強調技術性能的技術評估結果

優先考慮環境性能時(圖4),評價結果與綜合評估結果相似,這主要是因為在綜合評估時將環境指標的權重設置較高(0.5),只略低于優先考慮環境性能的環境指標權重(0.6).低低溫靜電除塵配高頻電源+濕式電除塵和靜電除塵配高頻電源+濕式電除塵技術組合為最佳選擇;其次為電袋復合除塵和靜電除塵+濕式靜電除塵,而單獨靜電除塵為最差選擇.

在優先考慮經濟性能(圖5)時,靜電除塵為最優選擇,這也充分說明了靜電除塵為何受到廣大燃煤電廠企業的青睞;其次為布袋除塵和電袋復合除塵,可見如果能夠降低布袋消耗所帶來的材料費用,布袋除塵和靜電除塵將具有更強的經濟優勢;低低溫靜電除塵配高頻電源+濕式電除塵、靜電除塵配高頻電源+濕式電除塵為最差選擇,這兩項技術在經濟性方面需要進一步改善.

當優先考慮技術性能(圖6)時,袋式除塵為最優選擇,靜電除塵稍為次之,而電凝并+靜電除塵為最差選擇,主要因為目前電凝并為新興技術,在技術可靠性方面存在一定的問題.由此可見,我國各地區燃煤電力企業可根據本地的經濟發展水平、大氣環境容量和當地的排放標準等實際情況,進行燃煤電廠一次PM2.5控制技術選擇;具體到某個電廠在選擇PM2.5控制技術時,可根據其資金、電廠外部環境和是否為新建等實際情況,采用本論文建立的指標評價體系和評價方法進行控制技術評估,篩選出適合本廠具有最佳環境、經濟和技術效益的一次PM2.5控制技術.

3 結論

采用模糊綜合評價法,并結合現有文獻調研和專家調查問卷,對燃煤電廠一次PM2.5控制技術進行了環境性能、技術性能和經濟性能的綜合評價.評估結果表明,優先考慮的因素不同,最后評價的結果也不盡相同.無論是綜合評價還是優先考慮環境性能,低低溫靜電除塵配高頻電源+濕式靜電除塵和靜電除塵配高頻電源+濕式靜電除塵都是最佳實用技術;優先順序為:低低溫靜電除塵配高頻電源+濕式靜電除塵≈靜電除塵配高頻電源+濕式靜電除塵>電袋復合除塵>靜電除塵+濕式靜電除塵>袋式除塵>靜電除塵>電凝并+靜電除塵.優先考慮經濟因素時,靜電除塵為最優選擇;優先考慮技術性能時,袋式除塵為最優選擇.

[1] 劉紅年,朱 焱,林惠娟,等.基于自動站資料的蘇州灰霾天氣分析 [J]. 中國環境科學, 2015,35(3):668-675.

[2] 中華人民共和國環境保護部.2015年環境統計年報[EB/OL]. http://www.zhb.gov.cn/gzfw_13107/hjtj/hjtjnb/201702/P020170223595802837498. pdf.

[3] EPRI. Economic evaluation of flue gas desulfurization systems [M]. EPRI publications, 1991.

[4] EPA. Guidance for determining BACT under PSD [EB/OL]. https://www.epa.gov/nsr/guidance-determining-bact-under- psd.

[5] 張 潔.火力發電脫硝工程項目方案選擇評價研究[D]. 北京:華北電力大學, 2014.

[6] 趙東陽,靳雅娜,張世秋.燃煤電廠污染減排成本有效性分析及超低排放政策討論 [J]. 中國環境科學, 2016,36(9):2841-2848.

[7] 王書肖,郝吉明,陸永琪,等.火電廠煙氣脫硫技術的模糊綜合評價[J]. 中國電力, 2001,34(12):58-62.

[8] Zhao X, Hwang B G, Gao Y. A Fuzzy Synthetic Evaluation Approach for Risk Assessment: A Case of Singapore’s Green Projects [J]. Journal of Cleaner Production, 2015,115:203-213.

[9] Rajakarunakaran S, Kumar A M, Prabhu V A. Applications of fuzzy faulty tree analysis and expert elicitation for evaluation of risks in LPG refuelling station [J]. Journal of Loss Prevention in The Process Industries, 2015,33:109-123.

[10] Fang R. Calculating systems build of manas river basin water environmental carrying capacity [J]. Ground Water, 2014,36(6): 105-107.

[11] Gorai A K, Kanchan, Upadhyay A, et al. Design of fuzzy synthetic evaluation model for air quality assessment [J]. Environment Systems & Decisions, 2014,34(3):456-469.

[12] Jewell J, Cherp A, Riahi K. Energy security under de- carbonization scenarios:An assessment framework and evaluation under different technology and policy choices [J]. Energy Policy, 2014,65(3):743-760.

[13] Liu Y, Fang P, Bian D, et al. Fuzzy comprehensive evaluation for the motion performance of autonomous underwater vehicles [J]. Ocean Engineering, 2014,88(5):568- 577.

[14] Lin J F. Using fuzzy synthetic evaluation model to assess technical risk of China’s alternative fuel vehicle industry [J]. Advanced Materials Research, 2014,986(4):648-651.

[15] 中國電力企業聯合會.中國電力行業年度發展報告[M]. 北京:中國市場出版社, 2016.

[16] Wang A, Song Q, Tu G, et al. Influence of flue gas cleaning system on characteristics of PM2.5emission from coal-fired power plants [J]. International Journal of Coal Science & Technology, 2014,1(1):4-12.

[17] Córdoba P, Ochoa-Gonzalez R, Font O, et al. Partitioning of trace inorganic elements in a coal-fired power plant equipped with a wet flue gas desulphurisation system [J]. Fuel, 2012, 92(1):145-157.

[18] Hua M O, Zhu F H, Wang S, et al. Application of WESP in coal-fired power plants and Its effect on emission reduction of PM2.5[J]. Electric Power, 2013,46(11):62-65.

[19] Zukeran A, Ikeda Y, Ehara Y, et alAgglomeration of particles by AC corona-discharge [J]. Electrical Engineering in Japan, 2000, 130(1):30-37.

[20] Watanabe T, Tochikubo F, Koizurni Y, et al. Submicron particle agglomeration by an electrostatic agglomerator [J]. Journal of Electrostatics, 1995,34(4):367-383.

[21] Altman R, Offen G, Buckley W, et al. Wet electrostatic precipitation demonstrating promise for fine particulate control - Part II [J]. Power Engineering, 2001,105(2):37-39.

[22] 孫現偉,鄧 雙,朱 云,等.我國燃煤電廠PM2.5減排潛力預測和分析[J]. 環境科學研究, 2016,29(5):637-645..

[23] 鄧 雙.燃煤電廠PM2.5控制技術評估軟件V1.0 [CP]. 中國軟件著作權:2016SR166821, 2016-05-02.

Comprehensive assessment of primary PM2.5control technologies for coal-fired power plants.

DENG Shuang1,2*, SUN Xian-wei3, SHU Yun1, LI Bo1, GUO Feng-yan1, ZHANG Fan1

(1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；2.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Beijing 100012, China；3.Guangzhou Fibre Product Testing and Research Institute, Guangzhou 511400, China)., 2018,38(3)：1157~1164

The object of this study is the evaluation of coal-fired power plant flue gas particulate control technologies or their combinations. According to the literature and the expert questionnaire surveys,an assessment model with sixteen evaluation indexes regarding environment, economy and technology was constructed to investigate the primary PM2.5emission behaviors from coal-fired power plants. Analytic Hierarchy Process (AHP) was used to conducted an assessment for seven coal-fired power plant flue gas particulate control technologies or their combinations. The results showed that the order of priority based on a comprehensive analysis or considering environment is: low-temperature electrostatic precipitation with high-frequency power + wet electrostatic precipitation ≈ electrostatic precipitation with high frequency power + wet electrostatic precipitation > electrostatic-bag precipitation > electrostatic precipitation + wet electrostatic precipitation > bag precipitation > electrostatic precipitation > electrostatic coagulation precipitation. The Electrostatic precipitation could be the best option if considering economics. Otherwise, the bag precipitation was the best if considering technology.

coal-fired power plant；PM2.5；technology assessment；analytic hierarchy process；fuzzy comprehensive analysis method

X513

A

1000-6923(2018)03-1157-08

鄧 雙(1972-),女,湖南湘潭人,研究員,博士,主要從事大氣污染控制技術及對策研究.發表論文50余篇.

2017-08-08

國家科技支撐計劃項目(2014BAC23B00);環境保護公益性行業科研專項(201309072)

* 責任作者, 研究員, dengshuang@craes.org.cn