基于層次分析法的電解鋅廢渣資源化技術評價

肖宇凡,張建強,周 楊,何 楊

(西南交通大學 地球科學與環境工程學院,四川 成都 611756)

隨著我國經濟發展，工業危險廢物產生量逐年增加，根據《全國大、中城市固體廢物污染環境防治年報》，2019年我國大、中城市危險廢物產生量為46.43 Mt，同比增長15.78%，作為主要處理途徑的綜合利用量占43.7%。根據《國家危險廢物名錄》，電解鋅行業所產生的浸出渣（簡稱電鋅廢渣）屬于危險固體廢物［1］。目前，國內大部分鋅冶煉廠及相關危險廢物處理處置企業多采用回轉窯設備處理危險固體廢物［1-3］，電鋅廢渣回轉窯資源化受到原料、窯溫、還原劑、含氧量等多種因素的影響［4］，類比鉛、鐵金屬冶煉工藝評價，其資源化效果評價涉及生產運行與節能環保等多個方面［5］，目前卻尚未見報道。許曉芳等［6］采用層次分析法（AHP）對醫療廢物處置技術進行了評價［7］。但AHP過于依賴專家評價打分，主觀性過強，容易出現偏差［8-12］，而主成分分析法（PCA）可通過電鋅廢渣回轉窯資源化運行參數優化AHP的專家評分過程。BHANU等［13］采用PCA進行煤礦區大氣污染評價，確定了主要污染物PM10和O3等的來源分布及污染物排放、形成與擴散機制。EKOSSE等［14］將PCA用于研究高嶺土礦床中主要元素的空間變化，建立了高嶺土化學成分變化最大的主要元素的固有特征屬性，利用PCA從復雜指標中提取AHP構建中的準則層［15］。

本文將PCA與AHP相結合，采用PCA-AHP法建立了電鋅廢渣回轉窯資源化指標評價體系，獲得了運行參數指標、資源化指標以及污染指標的占比數據，為電鋅廢渣資源化效果評價提供理論依據。

1 數據收集與分析方法

1.1 數據處理與收集

采用回轉窯處理電鋅廢渣的工藝主要包括配料喂料、反應揮發、尾氣處理、窯渣處理4個單元［16］，工藝流程見圖1。

圖1 回轉窯工藝流程圖

1.2 系統層次邊界的確定

電鋅廢渣回轉窯資源化技術指標層主要以鋅資源化率、焦比、副產品產率、電鋅廢渣含水率、TSP（總懸浮顆粒物）污染指數、SO2污染指數、鉛及其化合物污染指數、NOx污染指數、單位能耗為主要評價指標，系統層次邊界見圖2，指標定義見表1。

圖2 系統層次邊界

基于表1中的運行指標，采用PCA進行降維、簡化、重組為一組無相關的新指標，將高維輸入向量轉化為低維輸入向量［17-19］，提取特征值大于1的成分［20］，進而建立系統層次，指標與主成分間的聯系的絕對值越大，聯系越緊密［21］。模型公式見式（1）［22-23］。

式中，a1i，a2i，…，aki為判斷矩陣X=（x1，x2，…，xk）的協方差的特征值，X1'，X2'，…，Xk'是原始變量經過標準化處理的值，Fi為第i個主成分。

1.3 判斷矩陣構建與一致性檢驗

通過成分得分系數矩陣，定義各元素得分系數為Pi，Pj。通過得分系數差值矩陣B，判斷兩個指標的相對重要程度［24］，詳見式（2）和式（3），矩陣判斷標度見表2。

式中：當bij>0時，Pi比Pj重要；bij=0時，Pi與Pj一樣重要；當bij<0時，Pj比Pi重要。

當α計算得分為負時，則標度為正標度的倒數。

采用式（4）和式（5）對得出的判斷矩陣進行一致性檢驗。

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征根；n為判斷矩陣階數；RC為隨機一致性比率，IC為一致性指標；IR為平均隨機一致性指標，IR的取值見表3。當n=9時，IR取1.49。

通過一致性檢驗的判斷矩陣X，歸一化后的得分矩陣C行向量之和與得分總和之比為指標權重Pci。詳見式（6）。

表1 指標定義

表2 優化標度含義及其計算公式

表3 IR的取值

2 結果與討論

2.1 電鋅廢渣回轉窯資源化特征

回轉窯運行指標變化特征見圖3，鋅資源化率約在60%~75%（7月除外），電鋅廢渣含水率處于25%~35%，焦比控制在50%~70%［25-26］，說明進窯物料與還原劑處于相對穩定的狀態。除7月外，系統運行平穩，單位能耗穩定，副產品產率處于33.9%~47.7%，波動不大，這說明該回轉窯系統運行相對穩定，各項指標范圍在同類型企業中具有一定的代表性［27］。

另外，污染物排放是另一項重要的限制性因素。該企業的4種污染指數見圖4。

圖3 回轉窯運行指標變化特征

其中SO2污染指數和氮氧化物污染物指數達到相關限值要求；TSP污染指數幾乎完全超標，這是由于有色金屬在高爐冶煉過程中產生的廢渣在進行水淬后其物理特性會發生一定的變化形成顆粒物［28］；鉛及其化合物污染指數部分超標，但超標數量未超過均值與中位值，超標的污染物中鉛及其化合物的污染指數中位線低于標準線，TSP污染指數的下線也低于標準線，證明企業能夠通過生產運行管理手段來降低污染物的排放濃度。

圖4 污染指數

2.2 層次構建與權重計算

采用PCA在9個指標MC、CK、BR、EC、ZU、Pb、TSP、SO2、NOx中提取主成分，其中ZU與MC均涉及主要原料（電鋅廢渣）與主要產品，二者對電鋅廢渣回轉窯資源化具有重要影響，因此將二者合并為資源化參數指標（RPI）。CK，BR，EC均為生產運行的關鍵指標，其中CK作為回轉窯冶煉工藝主要的還原劑與熱能來源，對整體工藝的運行具有決定作用；BR可預示煙氣脫硫的能力，具有一定的經濟價值；EC可表征工藝的清潔生產能力，三者可代表電鋅廢渣回轉窯資源化的運行能力，可定義為運行參數指標（OPI）。Pb，TSP，SO2，NOx均屬于環境污染監測指標，可識別為污染指標（PI）。綜上所述，電鋅廢渣資源化評價指標層次見圖5。

圖5 電鋅廢渣資源化評價指標層次模型

根據式（1）~式（3）通過差值法構建判斷矩陣，RC值為0.001 6<0.10，證明判斷矩陣具有一致性，構建分配合理［29］。通過式（6）計算二、三級指標權重，詳見表4。其中OPI占比35.06%，RPI占比26.22%，PI占比38.72%，PI占比最高，其次為OPI，RPI最弱。然而，3個二級指標權重的差異并不明顯，說明三者在該評價體系中的貢獻相對分散，但3個二級指標下的三級指標中的貢獻則相對集中，其中，CK、ZU和TSP分別對準則層的貢獻率高達73.10%、91.04%和69.24%，遠高于同類的其他三級指標。CK作為電鋅廢渣回轉窯資源化工藝中最核心的參數［30］，其反映的還原能力關系到氧化鋅的產量，鋅的揮發量隨焦粉增加而顯著增加［31］。在回轉窯處理生活垃圾時，CK對回轉窯處理效率也是至關重要的［32］。而ZU作為電鋅廢渣資源化能力的指示性指標在指標體系整體中權重較高（23.87%），對于RPI也具有絕對的貢獻（91.04%），既體現了回轉窯資源化能力，也表征了產品的產率，是工礦企業重點關注的指標。作為污染指標中占比最高的指標，TSP是目前企業較難控制的污染物，因為其控制效率與粒徑大小相關，現有的除塵系統對粗顆粒的控制明顯優于細顆粒［33］。

表4 各指標權重一覽表

2.3 模型驗證與實例分析

近年來，回轉窯富氧技術受到關注，隨著供風氧濃度的提高，產品次氧化鋅中的含鋅量有所提高，供風中O2體積分數升至29%，鋅回收率提高10.6%［34］。采用文中構建的指標體系對四川某電鋅廢渣回轉窯工藝調整前（BPA）及富氧工藝調整后（APA）的運行數據進行評價，各組分權重及得分見表5。

由表5可見，經工藝調整后，電鋅廢渣回轉窯資源化水平有小幅度提升，而BPA與APA的差異主要集中在RPI中，經工藝調整后，APA得分是BPA的2倍多；OPI中APA得分有小幅度提高；工藝調整后，對氣態污染物的控制能力有所提升，脫硫效果提升顯著，但對NOx的控制卻影響不大；對于顆粒污染物Pb，APA得分明顯下降；對于TSP，得分基本持平。BPA組電鋅廢渣Pb含量約為4.50%，而APA組Pb含量約為4.67%，略高于BPA組，原料中的Pb品位差異可能是導致煙氣中鉛及其化合物得分變異的主要原因。TSP得分基本持平，工藝提升并沒有有效控制TSP，可能與污染控制設備的處理效率有關，以較低標準為排放限值設計的尾氣處理設備很難滿足新標準的要求。

表5 實例分析各組得分情況

3 結論

a）在一個生產周期內進窯物料及運行指標穩定且具代表性，污染物排放是電鋅廢渣資源化的主要限制性因素。

b）電鋅廢渣回轉窯資源化評價指標被歸納為運行指標、資源化指標及污染指標，且權重分別為35.06%，26.22%和38.72%，其中，焦比、鋅資源化率及TSP污染指數總計權重為76.31%，對回轉窯資源化運行評價具有重要意義。

c）通過實例分析，基于PCA-AHP構建的評價指標體系可適用于電鋅廢渣回轉窯資源化企業，且通過工藝調整可提升電鋅廢渣資源化水平。