燃煤电厂脱硝还原剂的模糊综合性评判

张翔，许红胜，赵龙生

(1.东南大学能源与环境学院，南京市210018; 2.东南大学热电工程设计研究所，南京市210096)

燃煤电厂脱硝还原剂的模糊综合性评判

张翔1，2，许红胜2，赵龙生2

(1.东南大学能源与环境学院，南京市210018; 2.东南大学热电工程设计研究所，南京市210096)

目前燃煤电厂烟气脱硝系统采用的还原剂主要是液氨、氨水和尿素，实际工程中还原剂的选取是一个难题。为此，提出了基于模糊数学的综合评判法和隶属度理论，将脱硝还原剂各评判指标作定量分析，根据最大隶属度原则得出评价结果。根据实际情况分析了各因素权重对最终结果所带来的影响，从而得出了液氨为最佳的评判结果。在大机组选择性催化还原法脱硝系统工艺的还原剂选取过程中，若液氨、氨水和尿素都可取，由于液氨经济性突出，技术性能相比稍优，综合来说属于最佳选择。

燃煤电厂;烟气脱硝;还原剂;模糊综合评判

0 引言

脱硝还原剂选择是火电厂脱硝系统设计的重要环节，还原剂类型直接影响到脱硝系统的整体经济评估，影响还原剂选取的因素繁多且较为模糊［1］。目前，国内脱硝还原剂的研究成果有很多，如:刘羽等研究了选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)法还原剂制备工艺［2］，丁朋果等介绍了SCR还原剂工程应用［3］，陆宽生比较了液氨和尿素的技术经济性，但都只是定性地给出了脱硝还原剂优劣性比较，实际选取时仍有较大困难［4］。模糊综合评判将评价目标是由多种因素组成的模糊集合，再设定这些因素所能选取的评审等级，组成评判的模糊集合，分别求出各单一因素对各个评审等级的隶属程度进行组合(也称为模糊矩阵)，然后根据各个因素在评价目标中的权重分配，通过计算得到评价的定量解值［5］。对于选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction，SNCR)法脱硝系统，还原剂的选取受炉内烟气流场、温度窗口、烟气气氛等硬性条件约束较大［6］，往往只能选用某种还原剂才能达到较高的脱硝效率，符合环保要求，本文暂不做考虑。本文将模糊综合评判理论应用于燃煤电厂SCR脱硝系统工程还原剂的选择，以选出适合脱硝工程实际情况的最优还原剂，为还原剂的选取提供参考。

1 还原剂评价指标

本文依托2×1 000 MW机组的SCR脱硝系统工程。设计工况下，NOx浓度为350 mg/m3，脱硝效率为80%，年利用小时数为6 000 h，此时液氨、氨水和尿素这3种还原剂的经济、技术和环境指标［7-9］见表1。

2 还原剂的隶属度函数

2.1 经济指标

2.1.1 单位容量造价

单位容量造价即通过脱硝工程总投资和机组容量，计算得到每kW机组容量平均的投资费用(包括原料的储存模块、分配模块及供给模块)。将各项脱硝制备工艺参数进行对比和分析，视单位容量造价C1＜1元/kW为低成本，C1＞12.5元/kW为高成本，隶属函数B(C1)为 2.1.2年运行费用

年运行费用指供氨装置正常运行1年所需要的全部费用(包括了还原剂成本费用、运输费及设备的电、蒸汽、油等能耗)。和上述方法类似，将年运行费用C2＜1 800万元/a视为低费用，C2＞3 000万元/a视为高费用，隶属函数B(C2)为

2.1.3 供氨成本

供氨成本是供氨系统在寿命期内所发生的包括投资还贷、运行费用等在内的一切费用与其供氨总量之比，即经济寿命期间产生氨所需费用，元/t。约束条件为4 000≤C3≤7 000，隶属函数B(C3)为

2.2 技术性能指标

2.2.1 储存条件

储存条件按压力大小可分为超高压、高压、常压和低压这4个等级，对应的储存指标C4为0～1，1～2，2～3，3～4［10］，隶属函数B(C4)为

2.2.2 技术复杂程度

按工艺流程及反应工艺实施的难易度将技术复杂程度分为简单、较简单、中等、较复杂、复杂共5级，对应的技术复杂程度指标C5分别为0～1，1～2，2～3，3～4，4～5，隶属函数B(C5)为

2.2.3 技术成熟程度

按工艺和设备的成熟程度将技术成熟度分为成熟、较成熟、一般、较不成熟、不成熟共5级，对应的技术成熟程度指标C6分别为0～1，1～2，2～3，3～4，4～5［10］，隶属函数B(C6)为

2.3 环境性能

2.3.1 安全性能指标

按工艺流程及设备的安全性将安全性能指标估算分为有毒、有害和无害这3个等级，对应的安全性能指标C7分别为0.3，0.5，0.9。

2.3.2 占地面积指标

供氨系统主体设备安置、还原剂储存以及安全防护等所需占地面积按大小分为大、较大、一般、较小和小这5个等级，对应的占地面积指标C8分别为0～1，1～2，2～3，3～4，4～5，隶属函数B(C8)为

2.3.3 对外围环境的影响指标

系统对外围环境的影响分为3类:(1)重大危险源，最小卫生防护距离500 m;(2)对环境危险性较小，防止泄漏及二次污染;(3)本身对环境无害，防止二次污染。对应的对外围环境的影响指标隶属度C9估算分别为0.3，0.5，0.8。

2.3.4 道路运输指标

根据各还原剂运输的管制要求，将其分为管制较严格、管制稍低、基本无要求这3类，对应的道路运输指标隶属度C10估算分别为0.3，0.5，0.9。

2.3.5 电厂位置及当地环保要求对脱硝剂影响指标

电厂所属位置以及当地环保部门的要求对还原剂的选取也影响较大，电厂位置及环保要求分为严格、较严格、一般、宽松这4类，对应的占地面积指标C11分别为0～1，1～2，2～3，3～4，隶属函数B(C11)［11］为

3 因素权重的确定

权重是进行后续分析的重要前提，一般选用的专家打分确定权重方法存在专家的主观性和专家规模的弊端。为解决此问题，采用层次分析法作为此文的决策分析工具。将整个评价体系分成A、B、C层，A层是最终评判结果层，B层为经济、技术、环境三大指标层，C层为三大指标下各因素层，按如下步骤确定指标和因素权重［12］。

设B1、B2、B3分别为经济指标、技术指标、环境指标，Bi对Bj的相对重要性bij的数值体现用表2中的数字及其的倒数作为标度。由于影响因素较少，选用一般的9标度重要程度表造成误差较大，经比较和改进后，选用以下重要程度表较为合适。判断矩阵中的元素具有下述性质:(1)bij＞0;(2)bij=1/bji;(3)bii= 1。得到A层到B层的判断矩阵为

根据文献［7］的计算方法，近似计算TA-B的特征向量W=［0.405，0.329，0.266］T。同理可得，B1层到C层的判断矩阵为

所得经济指标下各因素所占权重向量为W1=［0.385，0.307 5，0.307 5］T。B2层到C层的判断矩阵为

所得经济指标下各因素所占权重向量为W2=［0.22，0.39，0.39］T。B3层到C层的判断矩阵为

所得经济指标下各因素所占权重向量为W3=［0.16，0.24，0.24，0.16，0.20］T。

4 模糊矩阵的确定及计算

根据建立的隶属度函数计算得到个脱硝剂对应因素的隶属度，如表3所示。划分出经济性能模糊矩阵R1、技术性能模糊矩阵R2及环境性能模糊矩阵R3如下:

根据上述数据，得到:经济性能评判向量为HB1= W1R1=［0.771，0.525，0.470］T;技术性能评判向量为HB2=W2R2=［0.708，0.685，0.529］T;环境性能评判向量为HB3=W3R3=［0.316，0.526，0.824］T。

二级评判矩阵HA由1级综合评判结果HB1、HB2、HB3得到，HA=W［HB1，HB2，HB3］T=［0.629，0.602，0.584］T。进行归一化处理，则H＇A=［0.346，0.332，0.322］T。

根据最大隶属度原则，可得出以下综合评判结果:液氨、氨水、尿素这3种还原剂都可选取的情况下，液氨作为还原剂综合来说优于氨水，氨水又优于尿素。采用SCR工艺系统进行脱硝的电厂，在法律、法规允许，土地资源都足够，液氨、氨水、尿素都可取的情况下应优先选取液氨作为还原剂。这与目前国内还原剂应用是相符的，液氨供氨设备初始投资及运行费用最小、技术成熟、工艺简单，最大的缺点在于环境的影响。但是在取得相关部门审查许可的情况下，做好相关防护措施，液氨无疑是最具有经济效益的选择。

我国大部分电厂均处于偏离城市中心较远的地区，即使建厂较早的一些城市电厂也与周围居民区、建筑物有一定的防护距离，因而在审查许可的时候大部分电厂都能选择液氨作为还原剂。据资料表明在SCR脱硝方面，国内目前的还原剂应用最多的是液氨，占95%以上，尿素占3%～5%。如福州可门电厂二期2×600 MW机组烟气脱硝，广东河源电厂2×600 MW燃煤发电机组脱硝改造，福建石狮鸿山热电厂2×1 000 MW机组烟气脱硝(二期)等SCR项目均采用液氨作为还原剂。尿素比氨水工程实例要多的原因在于环境权重的影响，导致环境管制较松的地区采用液氨，较严格的地区则直接采用了尿素作为还原剂，具体可见下面的权重分析。

5 权重影响分析

在上述模糊综合评判的确定中，经济、技术、环境的权重为W=［0.405，0.329，0.266］T，所得出的结果是氨水为最佳。从一级评判向量HB1、HB2、HB3来看，液氨为经济性最佳，技术性比其他两者稍优，尿素为环境性最佳。故经济、技术、环境三者的权重对最后的二级综合评判结果有直接影响，为消除权重误差对结果带来的影响，做以下权重影响分析。记x1、x2、x3分别为经济、技术和环境的权重，取环境权重分别为0.1，0.2，0.3，0.4，借助Matlab工具绘制以x1为横坐标的最终评判隶属度函数曲线，如图1、2所示。

从图1可以看出:(1)在环境权重偏小的情况下，液氨函数始终在氨水和尿素之上，随着环境权重的增大，尿素逐渐超过液氨和氨水，这与实际情况也相符;(2)在环境权重不超过0.3，经济权重处于0.28以上时，液氨总是优于其他两项，这一权重区间在实际工程中大多比较合理，这也是液氨实例最多的原因。

图2中，细分了环境权重为0.3～0.4的情况。由图2可知，环境权重超过0.34后，经济权重需达到0.45以上液氨才会优于尿素，而液氨总处于液氨和尿素的函数之下。因而在环境要求严格的地区，会直接采用尿素。

6 结论

(1)本文基于模糊数学的综合评判法和隶属度理论，将脱硝还原剂各评判指标作定量分析，根据最大隶属度原则得出评价结果。并根据实际情况使用matlab编制了函数图象，分析了各因素权重对最终结果所带来的影响。大机组SCR脱硝系统工艺的还原剂选取过程中，在土地资源及相关法规允许，还原剂方便可取的情况下，液氨由于经济性突出，技术性能相比稍优，综合来说属于最佳选择。

(2)本文中的综合评价方法在选用时应和脱硝系统工程的实际情况相结合，因为机组参数、权重的大小等可能都会影响最终的结果。可以参照表2，从实际参数出发，建立比其更为精细的重要程度表，构造出判断矩阵，从而得出权重向量用作选取脱硝剂的依据。

［1］段传和，夏怀祥.燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术［M］.北京:中国电力出版社，2009:24-28.

［2］刘羽，刘强，盖东飞.选择性催化还原脱硝还原剂的制备工艺［J］.华电技术，2011，33(12):60-62.

［3］丁朋果，张育婵.燃煤电厂SCR脱硝还原剂种类及其工程应用［J］.能源与环境，2011(2):96-97.

［4］陆宽生.脱硝还原剂选用纯氨和尿素的技术经济探讨［J］.应用能源技术，2012(1):9-12.

［5］杨纶标，高英仪.模糊数学原理及应用［M］.广州:华南理工大学出版社，2005:43-61.

［6］孙克勤，韩祥.燃煤电厂烟气脱硝设备及运行［M］.北京:机械工业出版社，2011:27-34.

［7］崔亚兵，陈晓平.燃煤电厂烟气脱硫技术的模糊综合评价［J］.中国电机工程学报，2005，25(1):25-34.

［8］马忠云，陈慧雁，刘振强，等.烟气SCR法脱硝工艺流程的设计与应用［J］.电力建设，2008，29(6):53-55.

［9］曹庆奎，阮俊虎，刘开第，等.基于隶属度转换新算法的煤气站安全性模糊评价［J］.煤炭学报，2010，35(3):467-471.

［10］张战锋.华能福州电厂脱硝改造工程的设计和施工特点［J］.电力建设，2012，33(10):102-105.

［11］HJ 562—2010火电厂烟气脱硝工程技术规范:选择性催化还原法［S］.北京:中国环境科学出版社，2010.

［12］陈宝玉.燃煤电厂烟气同时脱硫脱硝工艺的技术经济评价研究［D］.重庆:重庆大学，2009.

［13］徐青，黄昕，刘海力.垃圾焚烧电厂烟气脱硝技术的模糊综合评价［J］.热力发电，2012，41(7):37-40.

(编辑:蒋毅恒)

Fuzzy Comprehensive Evaluation for Reducing Agents for Flue Gas Denitration Systems in Coal-Fired Power Plants

ZHANG Xiang1，2，XU Hongsheng2，ZHAO Longsheng2
(1.College of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210018，China; 2.Thermoelectric Engineering and Research Institute，Southeast University，Nanjing 210096，China)

The reducing agents for flue gas denitration systems in coal-fired power plants mainly include liquid ammonia，ammonia water and urea.However，the selection of reducing agents in practical project is always a troublesome question.Based on fuzzy comprehensive evaluation method and membership degree principle，the quantitative analysis of evaluation index were carried out for reducing agent，and the evaluation results were obtained according to the principle of maximum membership degree.Then，this paper analyzed the impact of factor weights on the final results according to the actual situation，and obtained the result that liquid ammonia was best.Liquid ammonia，ammonia water and urea all can be used as reducing agent for the SCR denitration system in large units，but liquid ammonia is the best because of its prominent economy characteristics and slightly better technical performance.

coal-fired power plant;flue gas denitration;reducing agent;fuzzy comprehensive evaluation

TM 621.8

A

1000－7229(2014)01－0093－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.018［HT］

2013-07-12

2013-09-27

张翔(1989)，男，硕士研究生，研究方向为电厂NOx排放物控制及减排，E-mail:zx1989tc@163.com;

许红胜(1963)，男，博士，教授，东南大学建筑设计研究院副院长，东南大学热电工程设计研究所所长，研究方向为电厂污染物减排，电厂智能控制;

赵龙生(1965)，男，硕士，高级工程师，研究方向为电厂脱硫脱硝及优化。