基于灰色层次分析法的火电厂脱硫工艺综合评价

林琳1，边疆1，宋莉，王中荣

（1.国网天津市电力公司 电力科学研究院，天津 300384；2.国网天津市电力公司 电力交易中心，天津 300100）

基于灰色层次分析法的火电厂脱硫工艺综合评价

林琳1，边疆1，宋莉2，王中荣2

（1.国网天津市电力公司 电力科学研究院，天津 300384；2.国网天津市电力公司 电力交易中心，天津 300100）

随着环境问题的日益严峻，国家对火电厂脱硫提出了更加严格的要求。因此，电厂如何根据自身实际情况和需求，选择合适的脱硫技术显得尤为重要。本文对目前火电厂采用的脱硫技术做了简要介绍与说明，总结了各技术的优缺点。在此基础上利用层次分析法，综合考虑了环境、经济、技术性能，构建了脱硫技术的综合评价体系，然后引入灰色系统理论，结合实际情况提出了评价指标的白化函数。最后应用灰色层次分析法对7种主要的脱硫技术进行综合评价，根据发电厂关注重点不同，可以得到不同的选择。

层次分析法；综合评价；脱硫；火电厂

0 引言

能源是社会发展的基础，我国富煤的能源结构特点，使得煤炭在我国一次能源消费中占主导地位。21世纪以来，我国电力行业发展迅速，核电、风电和太阳能发电有较快增长，但火力发电仍是我国主要的发电形式，截止到2013年底，火电机组容量约占总装机容量的69.1%，占总发电量的79.9%。火力发电产生了大量的二氧化硫，截止到2012年底，火电厂排放二氧化硫858.3万吨，占全国二氧化硫排放量的40.5%[1]。二氧化硫不仅会对人类健康、自然生态、工农业生产、建筑物材料等造成危害和破坏，还会形成酸雨，导致土壤、河水酸化随着居民生活水平的提高，对环境质量提出了更高的要求。为此，国家制定了一系列的法律法规，力求最大化的减少SO2排放，促进绿色可持续发展。例如，《火电厂大气污染物排放标准》要求已建和新建火电厂必须加装脱硫设备，而且规定了二氧化硫排放浓度的限值。因此，各大火电厂十分重视烟气脱硫。目前，国内外已经开发出数百种脱硫技术，如何科学有效地对它们进行评价，结合实际需求选择合理、经济、实用的脱硫技术，具有十分重要的意义。

1 火电厂主要脱硫技术简介

国内外普遍采用的四类脱硫方法包括：煤燃烧前脱硫、煤燃烧中脱硫、煤燃烧后脱硫以及煤转化过程中脱硫。燃烧前脱硫是在燃烧前对煤进行净化，去除原煤中所含的硫分；燃烧中脱硫是在燃烧过程中使用固硫剂除去

SO2；燃烧后脱硫即在尾部加装脱硫装置，对烟气进行处理；煤转化中脱硫主要是煤气化、液化和水煤浆技术[2]。火电厂煤耗量大而且劣质煤硫分含量高，一般采用烟气脱硫技术，只有循环流化床锅炉采用燃烧中脱硫技术。

1）石灰石—石膏湿法烟气脱硫技术

本技术以石灰或者石灰石当吸收剂，原料廉价且易获取。整个系统由吸收塔系统、烟气系统、石灰石浆液制备及供应系统、工艺水系统、废水处理系统和电气控制系统等组成。该技术具有以下优点：适用于任何含硫的煤种的烟气脱硫，对SO2浓度变化适应范围广，脱硫效率高，吸收剂利用率高。近年来，随着该技术系统的不断改进和简化，不但运行和维护更为方便，而且造价也在进一步降低[3]。

2）简易石灰石—石膏湿法烟气脱硫技术

本技术是在石灰石—石膏湿法高效、稳定成熟的基础上提出的，其基本原理和主要系统与后者大致相同，只是对设备进行了简化，减少了投资，在一定程度上降低了脱硫效率。

3）喷雾干燥法脱硫技术

本工艺采用石灰浆作为吸收剂，主要由石灰制浆系统、吸收塔系统、灰渣再循环系统组成。该工艺应用较为广泛，多用于处理200MW以下机组的烟气脱硫，有着显著的优点：投资低、耗能小、腐蚀小、系统简单，运行可靠性较高，无废水排放[4]。缺点是用石灰吸收，容易在吸收塔壁结垢，产品综合利用率低。近年来，其工艺结构没有较大变化，主要通过灰渣再循环、利用添加剂等手段提高吸收剂利用率。

4）海水烟气脱硫技术

本技术以天然海水作为吸收剂，通过海水的碱度，吸收烟气中的SO2，由烟气系统、SO2处理系统、海水循环系统等组成。该技术具有以下的特点：节约了淡水资源，脱硫效率高，一般达到90%，无废产品和废弃物，技术简单成熟，维护费用低，运行稳定，但只能应用于沿海地区。近年来，海水脱硫技术在火电厂的应用规模在逐渐扩大，但其将废水排入海洋，导致环保部门对其大规模应用仍采取审慎态度[5]。

5）炉内喷钙加尾部增湿活化技术

本技术大多采用石灰石粉作为吸收剂，主要由炉内喷钙系统、尾部增湿活化系统、脱硫灰再循环系统、烟气再热系统构成。该技术有以下优点：对于低硫煤，有着较高的脱硫效率，占地面积小，系统简单，投资小；脱硫产品为粉末，耗水小，无泥浆废水排放[6]。但它会对锅炉性能产生负面影响，降低静电除尘器的效率，使它的应用受到限制。

6）电子束烟气脱硫技术

本技术利用电子加速器产生的等离子体对烟气中的SO2和NOx进行氧化，与氨反应，生成硫氨和硝氨。整个系统主要由工业水供应系统、压缩空气系统、热风冷风系统、蒸汽系统、液氨供应系统构成[7]。该技术有着显著的优点：可以同时对SO2和NOx进行处理；反应速度快，耗时短；是干法工艺，不需要对废水进行处理，生成的副产品可用作肥料，没有二次污染。由于其技术没有全面国产化，导致其造价较高，因此，为了大幅度降低造价，应走技术国产化之路。

7）循环流化床锅炉脱硫技术

本技术一般采用干态的消石灰粉作为吸收剂。主要由吸收剂制备、吸收塔、脱硫灰再循环、除尘器及控制系统等部分组成。该技术具有脱硫效率高的特点，当硫钙比为1.1～1.5时，脱硫率可达90%以上；系统简单，运行可靠；对灰渣的利用率较高；占地面积小，工程投资低；吸收剂利用率高；运行费用低；对燃料适应性强，适合于现有电厂的脱硫技术改造[8]。但目前为止，我国对于大型循环流化床的研究仍停留在实验阶段。

2 基于层次分析法的脱硫评价

2.1层次分析法的基本理论

上世纪80年代，层次分析法首次被提出，它具有简单、实用而且灵巧的特点。依据具体问题和要求，把定量指标和定性指标有机的结合起来，把问题逐层分解，构建成多个相互关联的模块，并找到他们之间的联系。每一层次均以上一层次为依据，组成一个层次结构模型。然后逐层分析，计算出判断矩阵的最大特征值以及对应的特征向量，获得相对同一事件，各个元素的相对重要性权值，最终获得最低层因素对于最高层（总目标）的重要性权值。对于各层次的权值通常可以根据以下步骤求解：

1）明确问题，建立层次结构：首先把整个问题条理化、清晰化，构建出一个层次模型。主要包括目的层，准则层、方案层，并确认各层次的因素。

2）构造判断矩阵：为了确定各层相对重要性权重bij，通过分析之前构建的评价体系，结合已有的专家知识，用二元对比层次分析法逐个计算。构造判断矩阵B表示针对上一层，本层的元素相对重要性。

3）层次单排序：为求得各评价因素的权重系数，可用和积法计算判断矩阵B的最大特征值和其对应的特征向量。

4）层次总排序：按照由上到下的顺序，结合第三步的结果，计算出本层次中所有因素相对于上一层次的重要性权重，这就是层次总排序。

5）一致性检验：对判断矩阵进行一致性检验，确定所求权重是否科学。

此时所得到的特征向量就是所要求的指标权重系数向量W[9]。

2.2脱硫方法评价指标

图1 脱硫技术综合评价指标Fig.1 Integrated Evaluation Indexes for Desulfurization Technology

表1 对周围环境的影响分级Table1 Classification of the Desulfurization Impact on Surrounding Environment

表2 副产品价值分级Table2 The Value Classification of By-product

建立指标评价体系要遵循科学性、实用性、可比性、可操作性、通用性原则，否则所建指标将杂乱无章，与此同时，利用这些原则对已经建立的指标进行检验，判断其是否科学合理。对比和分析国内外已有的指标体系，综合考虑脱硫技术的环境、经济和技术性能，确定如下的脱硫技术综合评价指标体系，如图1所示。

在脱硫技术评价中，通常关注的要素很容易定量化，例如脱硫效率M7，钙硫比M8，吸收剂利用率M9等要素，但是有些要素只能定性描述，例如周围环境影响M1、一级副产品的处理M2、对吸收剂是否易得M10、技术复杂程度M13等。为此本文引入灰色系统理论，构建各项指标的白化函数，并对7种典型的烟气脱硫技术进行计算得到其指标的定量值。在此基础上再通过层次分析法，计算出其权重，最后得到综合评价结果。

2.3白化函数

由于各个指标的量纲不同，取值范围也有差异，为了确保评价结果的合理性，需要将各指标进行定量化。这里以灰色系统理论为基础，构建脱硫技术各项指标的白化函数来求得指标的定量值。一般白化函数可分为3类：上灰类白化函数ƒ(c1,c2,＋∞)，中灰类白化函数ƒ(c1,c2)，下灰类白化函数ƒ(0,c1,c2)，其中c1,c2为转折点。本文中主要应用上灰类白化函数和下灰类白化函数，其数学关系如下：

运用统计法和指派法，并分析每个脱硫技术指标，对其实际情况进行综合评价，分析定性指标和定量指标，对各层次的因素建立评价指标的白化函数。

2.3.1 环境性能指标

1）对周围环境的影响：采用统计法建立白化函数

对周围环境的影响分级见表1，x取值为0～5。

2）脱硫副产品的处置和可利用性：采用统计法建立白化函数

对副产品资源化的性能分级见表2，x取值为0～5。

2.3.2 经济性能指标

1）单位容量造价：造价在200～1000元/kW范围内较合理，构建下灰类白化函数ƒ(0,200,1000)。

2）FGD系统投资占电厂总投资比例：通常占总投资的5%～20%，构建下灰类白化函数ƒ(0,5,20)。

3）单位脱硫（SO2）成本：一般介于500～2000元/t之间，构建下灰类白化函数ƒ(0,500,2000)。

4）上网电价的增加：经过计算上网电价增在0～2分/ kW·h之间，构建下灰类白化函数ƒ(0,0,2)。

2.3.3 技术性能指标

1）脱硫效率：根据国家有关规定及电厂实际运行情况，脱硫效率一般不低于50%，构建上灰类白化函数ƒ(50,100,＋∞)。

2）钙硫比（或氨硫比）：钙硫比大于4不合理，构建下灰类白化函数ƒ(0,1,4)。

3）吸收剂利用率：FGD技术的吸收剂利用率一般大于50%，构建上灰类白化函数ƒ(50,100,＋∞)。

4）吸收剂的可获得性和易处理性：白化函数同式（4），同理对吸收剂的可获得性和易处理性分级，x取值为0～5。

5）对电厂运行的影响：白化函数同式（3），同理对

电厂运行的影响分级，x取值为0～5。

表3 脱硫技术指标分析Table3 Analysis of the Index of Desulfurization Technology

表4 脱硫技术指标定量值Table4 Index of Desulfurization Technology of Quantitative Value

6）占地面积：介于0.005～0.02m2·KW-1，构建下灰类白化函数ƒ(0,0.005,0.02)。

7）技术复杂程度：白化函数同式（4），同理对技术复杂程度分级，x取值为0～5。

8）技术的成熟程度：白化函数同式（4），同理对技术成熟度影响分级，x取值为0～5。

3 主要脱硫方法的综合评价及结论

3.1评价指标权重

对于脱硫技术综合评价来说，这里共有两层，需要利用双层层次分析法来确定各个指标的权重，为了给重要性对比值bij打分，要咨询本专业教授，研究人员，对其进行合理的判断给值。先对第一层的权重进行计算，第一层评价指标包括：经济性能，环境性能和技术性能，其重要性对比值b12，b13，b23分别为1/4，1/3，2。由此，可得到判断矩阵B。

利用和积法求特征向量：W=(0.12,0.56,0.32)T，同理可得第二层的指标权重：

环境性能指标权重：W1=(0.75,0.25)

经济性能指标权重：W2=(0.17,0.28,0.44,0.11)

技术性能指标权重：W3=(0.31,0.14,0.10,0.06,0.10,0.04,0. 05,0.21)

3.2评价指标定量化

本文选择以下7种脱硫技术进行评价：A1：循环流化床；A2：炉内喷钙尾部增湿活化法；A3：简易湿法；A4：旋转喷雾干燥法；A5：石灰石湿法；A6：电子束法；A7：海水脱硫法。对这七种脱硫技术性能具体分析如表3所示。

根据所确定的白化函数得到评价指标的定量值如表4所示。

3.3灰色多层次系统综合评价

基于以上评价指标定量化结果和评价指标权重可得第二层次综合评价。

1）环境性能评价矩阵

2）经济性能评价矩阵

3）技术性能评价矩阵

现在计算第一层脱硫技术N的评价指标矩阵。

3.4结论

根据以上的计算结果，可得如下结论：

1）若仅考虑环境性能，依据评价结果R1，应优先选用电子束法脱硫技术A6。

2）若仅考虑经济性能，依据评价结果R2，应优先选用循环流化床脱硫技术A1。

3）若仅考虑技术性能，依据评价结果R3，应优先选用石灰石湿法脱硫技术A5。

4）根据综合评价结果R，7种脱硫技术中应优先选用海水脱硫技术A7，次优的是循环流化床脱硫技术A1。

[1]环境保护部．2012年环境统计年报[R]．

[2]黄亚继,颜珉．几种脱硫技术综合性评价及在我国应用前景分析[J]．新疆环境保护,2002,24(4)：22-27．

[3]邹洋,夏凌风．燃煤电厂烟气脱硫技术最新进展[J]．化工进展,2011,30：702-708．

[4]管菊根．喷雾干燥烟气脱硫技术[J]．电力环境保护,1999,15(3)：59-62．

[5]陈坚军,王冠华．海水烟气脱硫技术研究进展[J]．广东化工,2010,37(6)：74-75．

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[7]孙军榕．电子束烟气脱硫技术[J]．科技情报开发与经济,2003,13(8)：142-144．

[8]郭爽,边丽秀,张玉萍,等．循环流化床锅炉及其控制系统[C]．河北电力技术,2000,6(19)：5-8．

[9]邓雪,李家铭．层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J]．数学的实践与认识,2012,42(7)：93-100．

声明：

近期社会上有一些机构和个人，打着《仪器仪表用户》正刊的牌子进行文章代发的招募工作，本刊特声明：《仪器仪表用户》正刊从未与任何机构和个人合作代发文章，也未授权任何机构和个人开展此项工作。特此声明

《仪器仪表用户》编辑部

2014年11月28日

Comprehensive Evaluation of Desulfurization Technology for Coal-Fired Power Plants Based on Hierarchy-Grey Evaluation Method

Lin Lin1，Bian Jiang1，Song Li2，Wang Zhongrong2
（1.The Electric Power Research Institute of State Grid TianJin Electric Power Company, Tianjin300384, China；2.The Electric PowerTrade Center of State GridTianJin Electric Power Company, Tianjin300100, China）

With theenvironmental problems increasingly serious, Chinahas made stricter requirements on thermal power plant desulfurization. Thus, it's extremely important how electric power plants choose proper desulfurization technology according to their actual situation and needs.So the paper makesbrief introduction and explanation on thermal power plant desulfurization technology and sums up the advantages and disadvantages of each technology. On the basis of that,Using analytic hierarchy processand consideringthe environmental, economic, technical performance, the comprehensive evaluation system of desulphurization technologyis built. Thenintroducinggrey system theory and combining actual situation,the whitening functionof each evaluation index is put forward. Finally, to make comprehensive evaluation on the seven major desulfurization technology though gray analytic hierarchy process, there are different choices owing to different focus of each power plant.

analytic hierarchy process;comprehensive evaluation;desulfurization;thermal power plant

X733

A

1671-1041(2014)06-00022-05

2014-10-09

林琳（1983-），女，天津人，硕士，工程师，从事火电厂脱硫脱硝技术研究。