基于熵值法的燃煤電站脫硫廢水處理工藝綜合評價

潘好偉，張 亮，鄒 夢，劉 寅，郜 寧，馬 萍

(1.新疆新能集團有限責任公司 烏魯木齊電力建設調試所，新疆 烏魯木齊 830011；2.國網新疆電力有限公司 電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

燃煤發電產業被認為是二氧化硫等大氣污染物的主要來源。二氧化硫是導致酸雨的主要前驅物之一[1-4]，因此，對燃煤電廠的環保要求也日益嚴格。石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(WFGD)是一項成熟的高效脫硫技術，目前應用最為廣泛，脫硫副產物可作為水泥等建筑材料的有效添加劑；但脫硫漿液循環濃縮，導致脫硫廢水中所含污染物超標。如何高效經濟處理脫硫廢水越來越受重視[5-7]。

目前，脫硫廢水處理技術有多種，主要有預處理技術，蒸發結晶技術及濃縮減量技術[8-12]。常見的預處理方法為三聯箱技術，即依次通過pH調節、沉淀、絮凝去除金屬陽離子，但對于廢水中高濃度Cl-未能去除，同時存在物耗量較大問題。蒸發結晶技術是利用煙氣余熱與廢水進行熱交換，廢水迅速蒸發結晶，進而被電除塵器一并捕集。該技術對系統本身影響較小，但存在下游設備易結垢、維護費用高等問題。濃縮減量技術是通過濃縮法將廢水減量，使后續處理成本降低。主要分為膜濃縮與熱濃縮。該技術無需引入大量蒸汽能源，成本較低，同時實現電廠廢熱再利用。因此，對現場實際工程而言，要保證系統運行穩定性和安全性，需對脫硫廢水處理技術進行綜合評價，選擇綜合性能較好的技術。

綜合評價模型是近年發展起來的。模型以模糊數學為基礎，應用模糊關系合成原理，將一些邊界不明、不易定量的因素定量化進而進行綜合評價。基于模糊層次法的綜合評價是利用層次分析法和模糊數學中的最大隸屬度原則，根據不同指標對評價對象的影響程度來分配權重，并對影響評價對象的各指標因素統一量化，從而對評價對象給出合理的綜合評價。熵值法是一種客觀的賦權方法，在權重確定過程中避免了主觀因素的干擾，能夠如實地反映各指標的相對重要程度，從而為多指標綜合評價提供依據。如果某個指標的熵值越小，說明能提供的有效信息越多，在綜合評價中的作用越大，其權重應該越大；如果某個指標的熵值越大，說明該指標能提供的有效信息越少，在綜合評價中起的作用越小，其權重也應越小。根據目前國內燃煤電廠常見的脫硫廢水處理工藝，確定4類技術為評價對象并給出綜合評價的優劣排序：A1為沉降池+灰場噴灑；A2為三聯箱技術；A3為三聯箱技術+膜濃縮+蒸發結晶；A4為三聯箱技術+膜濃縮+主煙道余熱蒸發干燥。

1 基于熵值法的模糊綜合評價

1.1 評價體系的建立

通過Delphi專家咨詢法征詢熟悉評價對象的13位環境科學領域的專家意見，經3輪歸納、反饋，形成意見趨于一致的脫硫廢水處理工藝綜合評價體系，如圖1所示。該評價體系可劃分為3層次，以脫硫廢水處理工藝綜合性能為評價目標，共涉及重金屬脫除率、TDS脫除率、COD脫除率、初始投資、單位廢水處理成本、水回用率和占地面積共7個評價指標，方案層共有4種預選配煤方案。

圖1 脫硫廢水處理工藝綜合評價體系

1.2 相關性分析

評價體系中的指標應遵循獨立性原則，即同層次上的指標不應具有包含關系。因此，對評價因素進行篩選，剔除不需要的指標。采用極大不相關法進行評價指標篩選，具體流程如下。設有n個指標X1，X2，…，Xp的m組數據組成樣本矩陣X，即

(1)

由X得出變量xi的均值、方差及xi、xj之間的協方差分別見式(2)～(4)：

(2)

(3)

(i≠j,i,j=1,2,…,p)。

(4)

指標X1，X2，…，Xp的協方差矩陣Sp×p為

(5)

將n個指標X1，X2，…，Xp分成兩部分，X1，X2，…，Xp1和Xp1+1，…，Xp，分別記為X(1)和X(2)，即

(6)

則

(7)

式中：S11，S22分別表示X(1)和X(2)的協方陣。在給定X(1)及正態分布前提下，X(2)對X(1)的條件協方陣為

(8)

具體做法為：依次按式得到p個值ti(i=1，2，…，p)，選定臨界值C，若滿足ti

1.3 模糊綜合評價

1.3.1 熵值法權重賦值

權重反映不同指標在評價體系中價值地位的大小，不同權重組合會導致不同的評價結果。通過熵值法對指標權重進行賦值。熵是信息論中用來衡量不確定性大小的指標，信息量越大，不確定性越小，熵也越小。通常情況下，將評價集記為{Mi}(i=1，2，…，m)，用于評價的指標集記為{Xj}(j=1，2，…，n)，用xij表示第i個方案第j個指標的原始值。計算過程如下：

1)將xij做標準化處理，同時計算第j個指標在第i個方案中所占的比重bij，

(9)

2)計算第j個指標的熵值ej,

(10)

3)計算第j個指標的差異系數kj,

kj=1-mj，(j=1,2,…,n)；

(11)

4) 計算第j個指標的權重wj,

(12)

1.3.2 模糊綜合評價

首先確定評價等級論域V={V1,V2,…,Vp}，每個等級可對應一個模糊子集。通常情況下，評價等級數p取[3，7]中的整數。進行單因素評價，對被評價事物從每個因素Xi上進行量化，確定各等級子集的隸屬度(R|Xi)的模糊關系矩陣

(13)

利用已知的模糊權向量，通過合適的合成算子將W與被評價事物的模糊關系矩陣合成得到評價結果向量B。

=(f1,f2,…,fn)⊙B。

(14)

式中，⊙—模糊復合運算，最后利用最大隸屬原理對模糊綜合評價結果進行排序分析。

2 應用案例

根據目前國內燃煤電廠常見的脫硫廢水處理工藝，確定4類技術為評價對象：A1為沉降池+灰場噴灑；A2為三聯箱技術；A3為三聯箱技術+膜濃縮+蒸發結晶；A4為三聯箱技術+膜濃縮+主煙道余熱蒸發干燥。通過大量文獻與現場實際調研得各評價指標見表1[13-16]。在7個評價指標中，重金屬脫除率、TDS脫除率、COD脫除率及水回用率為效益型指標，該類指標值越高，對評價結果的影響越好；初始投資、單位水處理成本及占地面積屬于成本型指標，其值越低對評價結果越好。廢水中：Cd2+、Hg2+等重金屬離子的存在不利于生態環境的發展；TDS表示溶解于水中雜質的含量，反映水質污染程度；COD反映水中受還原性物質污染的程度。投資及占地面積則是電廠管理者所關注的焦點問題。

表1 4種脫硫廢水處理技術方案的評價指標

在模糊綜合評價中，m=4，n=7，則由表2可得初始評價數據矩陣

對初始矩陣按式(15)標準化函數進行無量綱標準化處理，得評價矩陣X′。

(15)

按式(9)～(12)計算各指標熵值ej。

k=lnm-1=ln4-1=0.386 3,
ej=(0.504 3，0.467 2，0.519 4，0.255 1，
0.292 8，0.486 2，0.275 0)。

則差異系數

gj=(0.495 7，0.532 8，0.480 6，0.744 9，
0.707 2，0.513 8，0.725 0)，

各指標權重

wj=(0.118 0，0.126 9，0.114 4，0.177 4，
0.168 4，0.122 3，0.172 6)。

對評價矩陣進行模糊復合運算，將模糊評價矩陣Y與對應的權重向量wj進行復合運算。其中，B1、B2、B3為合成的3種算法的結果，∨表示取小，∧表示取大，計算結果如下：

B1=(∨(w(k)∧y(k))；

(16)

B2=(∧(w(k)∨y(k))；

(17)

B3=∑(w(k)y(k))。

(18)

為使評判結果更加準確，利用加權平均算法對計算結果進行綜合，權重分配(0．3,0．3,0．4)。兩種路線的環境性評價結果為

B=[0.294 9 0.374 7 0.280 3 0.538 3]。

4種脫硫廢水處理方案的模糊值如圖2所示。

圖2 4種脫硫廢水處理方案的模糊值

由圖2看出：選取的4種濕法煙氣脫硫廢水處理技術的優劣排序為A4>A2>A1>A3，即三聯箱技術+膜濃縮+主煙道余熱蒸發干燥路線優于三聯箱技術，優于沉降池+灰場噴灑，而三聯箱技術+膜濃縮+蒸發結晶的路線相對最差；評價結果認為，A4脫硫廢水處理方案的單位水處理成本和占地面積雖然較高，但擁有較高的重金屬、TDS及COD脫除率，環保性能高，同時具有良好的水回用率。因此，綜合優勢較為明顯。

3 結論

對4種常用脫硫廢水處理工藝進行綜合評價，以脫硫廢水處理工藝的綜合性能為評價目標，共涉及重金屬脫除率、TDS脫除率、COD脫除率、初始投資、單位廢水處理成本、水回用率和占地面積共7個指標，利用熵值法確定各指標權重。評價結果表明：三聯箱技術+膜濃縮+主煙道余熱蒸發干燥技術有較高的重金屬、TDS及COD脫除率，環保性能高；同時具有良好的水回用率及適中的運行成本，具有較為明顯的綜合優勢。