对烟气高效除尘技术的模糊综合评判

毛双华，祝云飞，林国辉

(浙江巨化热电有限公司，浙江 衢州 324000)

0　概　述

某发电集团公司首次提出了超低排放理念，即排放时二氧化硫不超过35 mg/m3、氮氧化物不超过50 mg/m3、烟尘不超过5 mg/m3。为了实现电站锅炉的超低排放，各大电站常采用高效的多污染物协同控制技术，对燃煤电站原有的脱硝设备、脱硫设备和除尘设备进行提效改造，并引入了新型环保技术进一步脱除汞及三氧化硫，达到超低排放的要求。为了改善当前的雾霾天气，增设高效除尘设备是必然趋势[1-6]。目前，国内电厂已普遍建立了环保除尘项目，但适用范围、投运效果和工程造价，大不相同。为此，对除尘项目进行科学合理的评估，是实施环保项目重要的前期工作。

1　除尘技术与评估

目前，除尘技术已有10多种，但因各电厂在地理位置、气象条件、燃煤成分和废物处理上存在差异，采用的除尘技术各不相同。在国内外，对除尘技术的经济评价有许多研究成果，比较成熟的有美国EPRI评价体系、IEA评价体系[7，8]等。在国内，较为常见的有能源研究会评价体系、杭州环保所评价体系等[9]。在正确评价或选择除尘类型时，必须结合机组的具体条件，考虑多方面的影响因素。各种因素具有不用程度的模糊性，依据各评价休系，对除尘技术指标进行分析，发现各评价体系所取指标的灵活度较小。为使评判模型既统筹全局，又能突出重点，需充分考虑各因素之间的关联度，同时，可灵活地分配指标权重，以适应不同的电站。为此，引入了模糊综合评判法[10]，对燃煤锅炉采用的多种除尘技术，分别进行了环保技术及适应性方面的综合评价。

2　建立模糊综合评判模型

模糊综合评判是综合考虑被评判对象的各项经济技术指标，同时，又兼顾被评判对象的特性及影响因素，可量化各项指标，并根据不同指标的重要程度，分配权重系数，然后得出被评判对象的综合评判值。最终，可根据评判值的优劣，优选最佳的技术方案。

模糊综合评判可分为一级模糊综合评判和多级模糊综合评判。当评价指标较少时，宜用一级模糊综合评判。评价指标较多时，宜用多级模糊综合评判。

2.1　一级模糊综合评判

在进行模糊评判时，首先要确定2个集合，即影响评判结果的主要因素组成的因素集，记作U={u1,u2,···,ui}。还有评语组成的评语集，记作V={v1,v2,···,vj}。评判的具体步骤[10]：

(1)单因素评价

根据评估经验和规则，对因素集U中的单个因素un(n=1,2,···,i)，做单因素评价，将该因素带入其隶属函数，由因素ui，确定该因素对评语vm(m=1,2,···,j)的隶属程度rnm，从而得出第n个因素un的单因素评价集，即：rn=(rn1,rn2,···,rnj)。

(2)评判矩阵

将i个单因素评价集作为行，构成总的评价矩阵Rij。得：

(3)确定各因素的权重

(4)综合评判

B=A*R=(b1,b2,···,bj)

(1)

式(1)中，“*”表示广义模糊合成运算，即：

2.2　多级模糊综合评判

由于被评判对象的影响因素较多，难于细致地分配各影响因素的权重，即便定出了权重，但根据权重归一性原则，将使各影响因素所分得的权重值很小，导致各影响因素的评判结果十分接近，从面无法清晰地分辨优劣。因此，可将多种影响因素，按某些属性分成若干类的大因素，然后进行多层次综合评判，即构成多级模糊综合评判模型[10]。二级模糊综合评判的步骤：

(1)将给定的因素集U，按各因素不同的属性，划分成S个互不相交的因素子集。得：

U=(U1,U2,···,US)

此时，因素集U中的子集Ui=(ui1,ui2,···,uik)(i=1,2,···,S)，为U的子类或因素子集。

(2)对因素子集Ui(i=1,2,···S)，再进行一级综合评价。

设Ui重要因素的模糊子集为Ai，Ui的ki个因素对V的模糊综合评价集为R，选择1个一级模型，对Ui进行模糊综合评价。设Ui的模糊综合评价集为：

Bi=Ai*Ri=(bi1,bi2,···,bij)(i=1,2,···,S)

(3)对因素集U进行二级模糊综合评判。

将因素集U的S个因素子集Ui，看成是因素集U上的S个单因素，设U=(U1,U2,···,US)的因素重要程度模糊子集为：

A=(A1,A2,···AS)

由各Ui的评价结果Bi，构造二级综合评判矩阵R：

即可得U的综合评判矩阵B：

按照同样的程序，还可建立三级、四级或更高层次的综合评价模型。

3　除尘技术方案的模糊评判

3.1　模糊评判对象集的选取

根据国内某电站已投运的3种烟气高效除尘技术，选取评判对象集，为S=(S1,S2,S3)=(湿式电除尘，管束式除尘，湿式相变凝聚除尘)。利用模糊评判法，为新老电厂除尘方案的选择，提供参考。

3.2　评价指标体系的确定

对于烟气高效除尘技术优劣的评判，所产生的影响因素有很多。根据主要影响因素，组成了因素集，为：

U=(U1,U2,U3,U4)=(环境特性集，技术性能集，经济性能集，对燃煤锅炉的适应性集)

U1=(U11,U12,U13)= (平均出口粉尘浓度，PM2.5及以下颗粒的吸附率，平均出口液滴含量)

U2=(U21,U22,U23,U24,U25,U26)=(工艺成熟度，技术复杂程度，系统升级性能，使用寿命，电耗，水耗)

U3=(U31,U32,U33)=(设备投资金额，年检维修成本，年运行成本。)

U4=(U41,U42,U43)=(对电厂设备的影响，对机组运行方式的适应性，其它有益效果)

3.3　除尘技术的对比

通过试验和调研，对3种烟气高效除尘技术，分别进行了综合性能指标比较[16-18]。经比较，各类除尘技术的综合性能指标，如表1所示。

表1高效除尘技术综合性能指标

指标湿式电除尘管束式除尘湿式相变凝聚除尘平均出口粉尘浓度/(mg·(Nm3)-1)4.62.52.6PM2.5及以下颗粒的吸附率/%908595平均出口液滴含量/(mg·(Nm3)-1)18308工艺成熟度商业化工业应用国内工业示范技术复杂程度复杂较简单简单系统升级性能一般较好一般使用寿命/a101520电耗/kW100030水耗/(t·h-1)125几乎为零设备投资金额/万元1400600350年检维修成本/万元3551年运行成本/万元49512对电厂设备的影响影响较小影响脱硫系统水平衡影响较小对机组运行方式的适应性好较好好其它有益效果脱除部分汞和砷等有毒重金属脱除部分汞和砷等有毒重金属脱除部分汞和砷等有毒重金属、回收汽化潜热

3.4　隶属函数及隶属度的确定

确立隶属函数的方法，主要有图表法、中值法等[10]。现根据综合评判中各因素的具体情况，遵循隶属函数的本质及简单实用的原则，对定量因素和定性因素，分别采用图表法和五级分类法，确定各因素相应的隶属函数。

首先，构建定量因素(U11,U12,U13,U24,U25,U26,U31,U32,U33)的隶属函数。

(1)平均出口粉尘浓度

根据除尘标准，确定除尘效率的约束条件，为0≤X≤10，采用线性隶属函数，即：

(2)对颗粒的吸附率

根据除尘技术所能达到的比值范围，采用线性隶属函数，即：

(3)平均出口液滴含量

以135 MW机组为例，将平均出口液滴含量的约束条件，确定为10≤X≤50，其隶属函数为：

(4)使用寿命

根据除尘设备的实际情况，使用寿命的约束条件，确定为5≤X≤20，其隶属函数为：

(5)电耗

根据3种除尘设备的使用情况，将电耗的约束条件，确定为0≤X≤150，其隶属函数为：

(6)水耗

根据3种除尘设备的运行情况，将水耗的约束条件，确定为0≤X≤15，其隶属函数为：

(7)设备投资金额

以135 MW机组为例，当设备投资金额高于1 500万元时，视为高额投资。低于300万元时，视为低额投资。将该投资比例，按降半梯形隶属函数式表达，即：

(8)年检维修成本

以135 MW机组为例，将除尘设备的年检维修成本的约束条件，确定为0≤X≤50，其隶属函数为：

(9)年运行成本

以135 MW机组为例，将除尘设备的年运行成本小于5万元，视为低成本，大于50万元，视为高成本，其隶属函数的表达式，可用降半梯形分布进行描述，即：

对于定性因素(U21,U22,U23,U41,U42,U43)，可统一采用五级分类法，构建其隶属函数。除尘设备的技术复杂程度的分级，如表2所示。现以U22为例进行分析，将技术复杂程度，分为很复杂、复杂、较复杂、较简单、较简单等五个等级，利用隶属函数表达式，即为：

表2技术复杂程度的分级

技术复杂度很复杂复杂较复杂较简单简单分级4～53～42～31～20～1

利用表2的数据和评价，确定隶属函数，经计算，得到各类烟气高效除尘技术指标的隶属度，各指标隶属度的数值，如表3所示。

表3高效除尘技术的指标隶属度

指标湿式电除尘管束式除尘湿式相变凝聚除尘平均出口粉尘浓度/(mg·(Nm3)-1)0.540.750.74PM2.5及以下颗粒的吸附率/%0.750.6250.875平均出口液滴含量/(mg·(Nm3)-1)0.80.51工艺成熟度10.80.6技术复杂程度0.40.60.8系统升级性能0.40.60.4使用寿命/年0.330.671电耗/kW0.3310.8水耗/(t·h-1)0.20.671设备投资金额/万元0.0830.750.96年检维修成本/万元0.30.90.98年运行成本/万元0.0210.84对电厂设备的影响0.80.70.9对机组运行方式的适应性0.90.80.85对煤种的适应性0.90.750.85

3.5　权重矩阵的确定

权重的确定，一般采用专家赋权法。赋权法可反映部分实际情况，但易受主观经验的影响，造成评判的失真。因此，现采用判断矩阵分析法确定权重，可尽量消除主观成分，较为符合客观事实[10]。

根据综合评价指标体系，利用判断矩阵分析法，逐层确定各层评价指标的权重。

(1)第一层评价指标的权重

根据四项评价指标U1，U2，U3，U4，其相对重要程度判断值b12，b13，b14，b23，b24，b34，分别为3，1，4，0.5，2，3。构造矩阵为：

A=(1.86,0.76,1.66,0.45)

将数值归一化后，得第一层评价指标(U1，U2，U3，U4)的权重，取A=(0.39,0.16,0.35,0.1)。

(2)第二层评价指标的权重

利用相同方法，对第二层评价指标的重要对比值进行判断，可分别得第二层评价指标的权重。环境特性指标A1=(0.54,0.3,0.16)，技术性能指标A2=(0.45,0.16,0.015,0.36,0.01,0.005)，经济性能指标A3=(0.54,0.2,0.26)，对燃煤锅炉的适应性A4=(0.57,0.28,0.15)。

3.6　综合评判

(1)初级评价

依据表3数据，对环境特性进行评价。根据环境特性评价指标的隶属度，构造隶属度矩阵为：

采用加权平均模型M(·,+)[11]，对环境特性进行一级模糊综合评判，得到评价结果为：

B1=A1·R1=

(0.645,0.673,0.822)

将数据归一化后，得B1=(0.301,0.314,0.384)。

同理，对技术性能评价后，得B2=(0.301,0.336,0.363)。对经济性能评价后，得B3=(0.058,0.449,0.494)。对燃煤锅炉的适应性评价后，得B4=(0.316,0.355,0.329)。

(2)第二级评价

由各初级评判的结果，构造二级综合评判矩阵为：

采用加权平均模型M(·,+)，可进行二级模糊综合评判，得到烟气高效除尘技术的综合评价为：

B=A·R=

(0.217,0.369,0.414)

根据各因素的最大关联度，经计算，湿式相变凝聚除尘的评分值最高，为0.414，是烟气高效除尘的最佳方案。其次，是管束式除尘的评分值，为0.369。湿式电除尘的评分值，为0.217。

4　结　语

引入模糊评判方法，是为了优选燃煤电站适用的除尘方案。综合考虑环境特性、技术性能、经济性能及适应性等因素，利用判断矩阵分析法，确定各影响因素的权重，算法较为简易，逻辑性强，评价的结果可靠。

评判结果表明，采用湿式相变凝聚除尘技术是较佳的除尘方案。在2017年5月，该电厂8号炉投运了湿式相变凝聚除尘设备，将烟气平均出口粉尘的浓度，控制在2.6 mg/m3以下，

达到了超低排放的标准。6号炉、7号炉分别安装了管束式除尘设备和湿式电除尘设备，出口烟气的粉尘浓度，为5 mg/m3。根据实测数据，验证了模糊评判方法的合理性。

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