基于层次分析法的电解锌废渣资源化技术评价

2021-06-17肖宇凡张建强

化工环保 2021年3期

肖宇凡,张建强,周杨,何杨

(西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都 611756)

随着我国经济发展，工业危险废物产生量逐年增加，根据《全国大、中城市固体废物污染环境防治年报》，2019年我国大、中城市危险废物产生量为46.43 Mt，同比增长15.78%，作为主要处理途径的综合利用量占43.7%。根据《国家危险废物名录》，电解锌行业所产生的浸出渣（简称电锌废渣）属于危险固体废物［1］。目前，国内大部分锌冶炼厂及相关危险废物处理处置企业多采用回转窑设备处理危险固体废物［1-3］，电锌废渣回转窑资源化受到原料、窑温、还原剂、含氧量等多种因素的影响［4］，类比铅、铁金属冶炼工艺评价，其资源化效果评价涉及生产运行与节能环保等多个方面［5］，目前却尚未见报道。许晓芳等［6］采用层次分析法（AHP）对医疗废物处置技术进行了评价［7］。但AHP过于依赖专家评价打分，主观性过强，容易出现偏差［8-12］，而主成分分析法（PCA）可通过电锌废渣回转窑资源化运行参数优化AHP的专家评分过程。BHANU等［13］采用PCA进行煤矿区大气污染评价，确定了主要污染物PM10和O3等的来源分布及污染物排放、形成与扩散机制。EKOSSE等［14］将PCA用于研究高岭土矿床中主要元素的空间变化，建立了高岭土化学成分变化最大的主要元素的固有特征属性，利用PCA从复杂指标中提取AHP构建中的准则层［15］。

本文将PCA与AHP相结合，采用PCA-AHP法建立了电锌废渣回转窑资源化指标评价体系，获得了运行参数指标、资源化指标以及污染指标的占比数据，为电锌废渣资源化效果评价提供理论依据。

1 数据收集与分析方法

1.1 数据处理与收集

采用回转窑处理电锌废渣的工艺主要包括配料喂料、反应挥发、尾气处理、窑渣处理4个单元［16］，工艺流程见图1。

图1 回转窑工艺流程图

1.2 系统层次边界的确定

电锌废渣回转窑资源化技术指标层主要以锌资源化率、焦比、副产品产率、电锌废渣含水率、TSP（总悬浮颗粒物）污染指数、SO2污染指数、铅及其化合物污染指数、NOx污染指数、单位能耗为主要评价指标，系统层次边界见图2，指标定义见表1。

图2 系统层次边界

基于表1中的运行指标，采用PCA进行降维、简化、重组为一组无相关的新指标，将高维输入向量转化为低维输入向量［17-19］，提取特征值大于1的成分［20］，进而建立系统层次，指标与主成分间的联系的绝对值越大，联系越紧密［21］。模型公式见式（1）［22-23］。

式中，a1i，a2i，…，aki为判断矩阵X=（x1，x2，…，xk）的协方差的特征值，X1'，X2'，…，Xk'是原始变量经过标准化处理的值，Fi为第i个主成分。

1.3 判断矩阵构建与一致性检验

通过成分得分系数矩阵，定义各元素得分系数为Pi，Pj。通过得分系数差值矩阵B，判断两个指标的相对重要程度［24］，详见式（2）和式（3），矩阵判断标度见表2。

式中：当bij>0时，Pi比Pj重要；bij=0时，Pi与Pj一样重要；当bij<0时，Pj比Pi重要。

当α计算得分为负时，则标度为正标度的倒数。

采用式（4）和式（5）对得出的判断矩阵进行一致性检验。

式中：λmax为判断矩阵的最大特征根；n为判断矩阵阶数；RC为随机一致性比率，IC为一致性指标；IR为平均随机一致性指标，IR的取值见表3。当n=9时，IR取1.49。

通过一致性检验的判断矩阵X，归一化后的得分矩阵C行向量之和与得分总和之比为指标权重Pci。详见式（6）。

表1 指标定义

表2 优化标度含义及其计算公式

表3 IR的取值

2 结果与讨论

2.1 电锌废渣回转窑资源化特征

回转窑运行指标变化特征见图3，锌资源化率约在60%~75%（7月除外），电锌废渣含水率处于25%~35%，焦比控制在50%~70%［25-26］，说明进窑物料与还原剂处于相对稳定的状态。除7月外，系统运行平稳，单位能耗稳定，副产品产率处于33.9%~47.7%，波动不大，这说明该回转窑系统运行相对稳定，各项指标范围在同类型企业中具有一定的代表性［27］。

另外，污染物排放是另一项重要的限制性因素。该企业的4种污染指数见图4。

图3 回转窑运行指标变化特征

其中SO2污染指数和氮氧化物污染物指数达到相关限值要求；TSP污染指数几乎完全超标，这是由于有色金属在高炉冶炼过程中产生的废渣在进行水淬后其物理特性会发生一定的变化形成颗粒物［28］；铅及其化合物污染指数部分超标，但超标数量未超过均值与中位值，超标的污染物中铅及其化合物的污染指数中位线低于标准线，TSP污染指数的下线也低于标准线，证明企业能够通过生产运行管理手段来降低污染物的排放浓度。

图4 污染指数

2.2 层次构建与权重计算

采用PCA在9个指标MC、CK、BR、EC、ZU、Pb、TSP、SO2、NOx中提取主成分，其中ZU与MC均涉及主要原料（电锌废渣）与主要产品，二者对电锌废渣回转窑资源化具有重要影响，因此将二者合并为资源化参数指标（RPI）。CK，BR，EC均为生产运行的关键指标，其中CK作为回转窑冶炼工艺主要的还原剂与热能来源，对整体工艺的运行具有决定作用；BR可预示烟气脱硫的能力，具有一定的经济价值；EC可表征工艺的清洁生产能力，三者可代表电锌废渣回转窑资源化的运行能力，可定义为运行参数指标（OPI）。Pb，TSP，SO2，NOx均属于环境污染监测指标，可识别为污染指标（PI）。综上所述，电锌废渣资源化评价指标层次见图5。

图5 电锌废渣资源化评价指标层次模型

根据式（1）~式（3）通过差值法构建判断矩阵，RC值为0.001 6<0.10，证明判断矩阵具有一致性，构建分配合理［29］。通过式（6）计算二、三级指标权重，详见表4。其中OPI占比35.06%，RPI占比26.22%，PI占比38.72%，PI占比最高，其次为OPI，RPI最弱。然而，3个二级指标权重的差异并不明显，说明三者在该评价体系中的贡献相对分散，但3个二级指标下的三级指标中的贡献则相对集中，其中，CK、ZU和TSP分别对准则层的贡献率高达73.10%、91.04%和69.24%，远高于同类的其他三级指标。CK作为电锌废渣回转窑资源化工艺中最核心的参数［30］，其反映的还原能力关系到氧化锌的产量，锌的挥发量随焦粉增加而显著增加［31］。在回转窑处理生活垃圾时，CK对回转窑处理效率也是至关重要的［32］。而ZU作为电锌废渣资源化能力的指示性指标在指标体系整体中权重较高（23.87%），对于RPI也具有绝对的贡献（91.04%），既体现了回转窑资源化能力，也表征了产品的产率，是工矿企业重点关注的指标。作为污染指标中占比最高的指标，TSP是目前企业较难控制的污染物，因为其控制效率与粒径大小相关，现有的除尘系统对粗颗粒的控制明显优于细颗粒［33］。

表4 各指标权重一览表

2.3 模型验证与实例分析

近年来，回转窑富氧技术受到关注，随着供风氧浓度的提高，产品次氧化锌中的含锌量有所提高，供风中O2体积分数升至29%，锌回收率提高10.6%［34］。采用文中构建的指标体系对四川某电锌废渣回转窑工艺调整前（BPA）及富氧工艺调整后（APA）的运行数据进行评价，各组分权重及得分见表5。

由表5可见，经工艺调整后，电锌废渣回转窑资源化水平有小幅度提升，而BPA与APA的差异主要集中在RPI中，经工艺调整后，APA得分是BPA的2倍多；OPI中APA得分有小幅度提高；工艺调整后，对气态污染物的控制能力有所提升，脱硫效果提升显著，但对NOx的控制却影响不大；对于颗粒污染物Pb，APA得分明显下降；对于TSP，得分基本持平。BPA组电锌废渣Pb含量约为4.50%，而APA组Pb含量约为4.67%，略高于BPA组，原料中的Pb品位差异可能是导致烟气中铅及其化合物得分变异的主要原因。TSP得分基本持平，工艺提升并没有有效控制TSP，可能与污染控制设备的处理效率有关，以较低标准为排放限值设计的尾气处理设备很难满足新标准的要求。