层次分析法在生物质能优势分析中的应用①

裴生雷 叶利娟

(1.青海民族大学物理与电子信息工程学院，青海西宁810007；2.青海民族大学数学与统计学院，青海西宁810007)

层次分析法在生物质能优势分析中的应用①

裴生雷1叶利娟2

(1.青海民族大学物理与电子信息工程学院，青海西宁810007；2.青海民族大学数学与统计学院，青海西宁810007)

可再生能源是国家一直关注的问题.然而，当前使用的主要能源依然是化石能源，煤、石油、天然气，这类化石能源都存在储量和污染等问题.生物质颗粒作为一种可再生的清洁能源，是生物质能源化利用最简单最直接的途径之一.文中利用层次分析法将生物质颗粒与三种常规能源做比较，最终得出生物质颗粒在四种能源中的优势，比较适合在生物质原料丰富的地区加以推广使用，减少大气污染.

层次分析法，评价准则，判断矩阵，最大特征值，生物质颗粒

0 引言

人类社会发展到21世纪，能源与环境保护已经成为限制全球社会经济发展的一个主要瓶颈，根据国际能源机构统计，如果按照目前的能源消耗速度，人类使用的石油、天然气和煤炭等化石能源的地球储量供人类开采的年限分别只有40年、50年和240年[1].此外，这三种常规能源的使用所带来的环境问题也日益严峻，表现为大气污染(如雾霾)、臭氧层破坏、温室效应加剧以及物种灭绝等[2].生物质颗粒是秸秆、花生壳、玉米芯等植物残渣在一定的压力、温度作用下，发生一系列物理化学变化，最终形成直径大于等于25 mm，长径比小于等于4的颗粒状固体燃料.这种固体燃料体积小便于存储和运输，并且清洁无污染.所以大力发展作为全球第四大能源的生物质能显得尤为重要.我国也早在20世纪70年代开始重点研究发展生物质能，目前对于生物质颗粒燃料的生产、加工以及燃烧利用已初具规模[3].

1 化石能源与生物质颗粒

表1 各种燃料燃烧产生的污染

二氧化氮二氧化硫烟尘标准煤kg/t917s8A(1-η)燃料油kg/t2.864.2s0.29(1-η)天然气kg/万m36.31.02.4

注：s-含硫量，以%计；A-灰分，以%计；η-燃烧效率，以小数点计.

生物质颗粒与其它能源燃烧产生的污染，以及各项指标的统计信息来自于文献中的统计信息[4,5].

从表1及表2中可以看出燃烧煤产生的污染远远高于天然气和燃料油，其次是燃料油产生的污染大于天然气产生的污染.生物质颗粒燃料在燃烧时释放的CO2基本相当于其生长时通过光合作用所吸收的CO2量，所以生物质颗粒燃烧所造成的温室气体CO2为零排放.大气中CO2形成循环，温室气体保持动态平衡，对环境没有污染.

表2 四类能源的各项指标

鉴于以上的分析，我们的目标是通过建立模型，选择一种利于社会可持续发展的新能源.准则是：资源可用量多、污染少、热量高、价格低[6,7].

2 生物质颗粒优势分析

利用层次分析法对煤、石油、天然气和生物质能的效用进行比较，以此展示四类能源在社会环境和自然环境中的优劣，形成层次分析模型结构，如图1所示.

图1 层次分析模型结构

2.1 构造成对比较矩阵

元素之间两两比较分析，比较采用相对尺度.设要比较各准则C1，C2，C3，C4对目标的重要性：

表3Saaty尺度标准

αij135792,4,6,8CiCj相同稍强强明显强绝对强中间值

对于不同的准则来说，尺度采用Saaty等人提出的1-9尺度标准，如表3所示.

2.2 建立判断矩阵

结合2014年的能源实际情况，参考国际能源价格，以各个能源的价格比作为评价指标，标准煤(P1)：燃料油(P2)：天然气(P3)：生物质颗粒(P4)=480∶7 200∶5 020:820，由saaty1-9尺度模型可给判断矩阵内下阶进行赋值[8]：P2∶P1=1∶9，P3∶P1=1∶8，P3∶P2=2∶1，P4∶P1=1:2 ，P4∶P2=7∶1，P4∶P3=6∶1，即判断矩阵

对于准则C2(热量高)来说，标准煤(P1)：燃料油(P2)：天然气(P3)：生物质颗粒(P4)=3 800∶9 800∶8 600∶4 200，P2∶P1=7∶1，P3∶P1=6∶1 ，P3∶P2=1∶2，P4∶P1=2:1 ，P4∶P2=1∶6,P4∶P3=1∶5，即判断矩阵

对于准则C3(污染少)来说，根据国家强制性标准规定，单位标准煤和燃料油GB25989-2010 中硫含量不能超过2.5%，天然气GB17820-2012中硫含量为200mg/m3，生物质颗粒完全燃烧产生CO2，煤燃烧还会产生CO、NO及煤渣等污染物，由此可将4种能源对环境造成的污染做对比：煤(P1)>燃料油(P2)>天然气(P3)>生物质颗粒(P4).

由saaty1-9尺度模型可给判断矩阵内下阶进行赋值：P2∶P1=3∶1，P3∶P1=5∶1 ，P3∶P2=2∶1，P4∶P1=9∶1 ，P4∶P2=7∶1,P4∶P3=2∶1，判断矩阵

同样由Saaty等人提出的1-9尺度模型可给判断矩阵下阶进行赋值：P2∶P1=1∶3 ，P3∶P1=1∶5，P3∶P2=1∶2，P4∶P1=5∶1，P4∶P2=7∶1，P4∶P3=9∶1，判断矩阵

至于四个准则对目标层的总目标来说的评定顺序，根据世界能源可持续发展战略，可对四项指标的重要性进行排序[9]:资源可用量多(C4)>污染少(C3)>热量高(C2)>价格低(C1). 判断矩阵A为

2.3 层次单排序

计算矩阵的最大特征值及其对应特征向量的精确值比较繁琐，而成对比较矩阵是通过定性比较得到的较粗的结果，本文采用和法求判断矩阵的最大特征值及其对应的特征向量的近似值[10].记判断矩阵A=(aij)4×4，首先求A的最大特征值及其对应的特征向量.

(1)将每一列元素进行归一化处理

得归一化的判断矩阵为

(2)将归一化的判断矩阵按行相加，并将所得列向量归一化

即最大特征值所对应特征向量为(0.050 51,0.134 45,0.206 97,0.608 07)T.

(3)计算判断矩阵的最大特征根

对判断矩阵A的一致性检验

通过一次性检验，用同样的方法可以计算出其他矩阵的最大特征值及其对应的特征向量，如下：

对C2，相应量为λ2≈4.070 1，(ω21,ω22,ω23,ω24)T=(0.057 7,0.516 0,0.337 1,0.089 1)T,

对C4，相应量λ4≈4.118 8,(ω41,ω42,ω43,ω44)T=(0.211 4,0.088 5,0.052,0.647 8)T,

2.4 组合权重计算

根据层次单排序，可知目标层A对准则层C的相对权重为

准则层的各准则Ci，对方案层四个方案的相对权重为：

(ωi1,ωi2,ωi3,ωi4)T，i=1,2,3,4.

表4 因素组合权重计算

代入数据可得(ω1,ω2,ω3,ω4)T=(0.253 5,0.196 2,0.419 7,0.427 3)T.

2.5 层次总排序的一致性检验

由计算结果可以看出，四种方案的优先权数标准煤为0.253 5，燃料油为0.196 2，天然气为0.419 7，生物质颗粒为0.427 3，故生物质颗粒为最优.

3 结论

由上述分析可知，企业选择生物质颗粒燃料代替化石能源的燃烧，不仅减少了化石能源的使用，而且符合国家可持续发展战略.生物质颗粒作为可再生能源，在农村推广使用意义重大.

[1] 孟海波，赵立欣，徐义田，等. 用粗糙集理论评价生物质固体成型燃料技术的研究[J]. 农业工程学报，2008，24(3)：198-202.

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[7] 邝俊侠,龙涛,黄清凤,等.燃料燃烧排放系数的确定和估算方法[J].环境监测管理与技术,2001,13(2): 24-26.

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[9] 吴智泉,张屹山,刘明浩，等.基于能源结构调整的能源统计方法探讨[J].统计与决策, 2015(13):8-11.

[10] 常照其,汪自书,吕春英，等. 基于情景分析和层次分析法的湖北省低碳能源系统优化研究[C].//2016中国环境科学学会学术年会论文集(第1卷)，2016.

Application of Analytic Hierarchy Process in Biomass Energy Advantage Analysis

PEI Sheng-lei1YE Li-juan2

(1.School of Physics & Electronic Information Engineering, Qinghai University for Nationality, Xining 810007, China； 2.School of Mathematics & Statistics, Qinghai University for Nationality, Xining 810007, China)

Coal, oil, natural gas are the main energy of human consumption by far, this kind of fossil fuel is decreasing rapidly with the use of human beings, meanwhile the use of fossil fuel results in environmental pollution. Biomass pellet is a kind of renewable clean energy. A comparison of the biomass particles with other conventional energy sources shows that it is optimal, using analytic hierarchy process. Therefore, it is suitable to promote biomass in the area rich in biomass.

analytic hierarchy process, evaluation criteria, judgment matrix, eigenvalue of maximum, biomass pellet

2017-03-18

教育部春晖计划项目(Z2016079) 资助

裴生雷，E-mail：peishenglei@qhmu.edu.cn.

TK6

A

1672-6634(2017)02-0035-05