燃煤電廠(chǎng)脫硝還原劑的模糊綜合性評(píng)判

張翔，許紅勝，趙龍生

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京市210018; 2.東南大學(xué)熱電工程設(shè)計(jì)研究所，南京市210096)

燃煤電廠(chǎng)脫硝還原劑的模糊綜合性評(píng)判

張翔1，2，許紅勝2，趙龍生2

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京市210018; 2.東南大學(xué)熱電工程設(shè)計(jì)研究所，南京市210096)

目前燃煤電廠(chǎng)煙氣脫硝系統(tǒng)采用的還原劑主要是液氨、氨水和尿素，實(shí)際工程中還原劑的選取是一個(gè)難題。為此，提出了基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)判法和隸屬度理論，將脫硝還原劑各評(píng)判指標(biāo)作定量分析，根據(jù)最大隸屬度原則得出評(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)實(shí)際情況分析了各因素權(quán)重對(duì)最終結(jié)果所帶來(lái)的影響，從而得出了液氨為最佳的評(píng)判結(jié)果。在大機(jī)組選擇性催化還原法脫硝系統(tǒng)工藝的還原劑選取過(guò)程中，若液氨、氨水和尿素都可取，由于液氨經(jīng)濟(jì)性突出，技術(shù)性能相比稍?xún)?yōu)，綜合來(lái)說(shuō)屬于最佳選擇。

燃煤電廠(chǎng);煙氣脫硝;還原劑;模糊綜合評(píng)判

0 引言

脫硝還原劑選擇是火電廠(chǎng)脫硝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，還原劑類(lèi)型直接影響到脫硝系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)評(píng)估，影響還原劑選取的因素繁多且較為模糊［1］。目前，國(guó)內(nèi)脫硝還原劑的研究成果有很多，如:劉羽等研究了選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)法還原劑制備工藝［2］，丁朋果等介紹了SCR還原劑工程應(yīng)用［3］，陸寬生比較了液氨和尿素的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，但都只是定性地給出了脫硝還原劑優(yōu)劣性比較，實(shí)際選取時(shí)仍有較大困難［4］。模糊綜合評(píng)判將評(píng)價(jià)目標(biāo)是由多種因素組成的模糊集合，再設(shè)定這些因素所能選取的評(píng)審等級(jí)，組成評(píng)判的模糊集合，分別求出各單一因素對(duì)各個(gè)評(píng)審等級(jí)的隸屬程度進(jìn)行組合(也稱(chēng)為模糊矩陣)，然后根據(jù)各個(gè)因素在評(píng)價(jià)目標(biāo)中的權(quán)重分配，通過(guò)計(jì)算得到評(píng)價(jià)的定量解值［5］。對(duì)于選擇性非催化還原(selective non-catalytic reduction，SNCR)法脫硝系統(tǒng)，還原劑的選取受爐內(nèi)煙氣流場(chǎng)、溫度窗口、煙氣氣氛等硬性條件約束較大［6］，往往只能選用某種還原劑才能達(dá)到較高的脫硝效率，符合環(huán)保要求，本文暫不做考慮。本文將模糊綜合評(píng)判理論應(yīng)用于燃煤電廠(chǎng)SCR脫硝系統(tǒng)工程還原劑的選擇，以選出適合脫硝工程實(shí)際情況的最優(yōu)還原劑，為還原劑的選取提供參考。

1 還原劑評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文依托2×1 000 MW機(jī)組的SCR脫硝系統(tǒng)工程。設(shè)計(jì)工況下，NOx濃度為350 mg/m3，脫硝效率為80%，年利用小時(shí)數(shù)為6 000 h，此時(shí)液氨、氨水和尿素這3種還原劑的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境指標(biāo)［7-9］見(jiàn)表1。

2 還原劑的隸屬度函數(shù)

2.1 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2.1.1 單位容量造價(jià)

單位容量造價(jià)即通過(guò)脫硝工程總投資和機(jī)組容量，計(jì)算得到每kW機(jī)組容量平均的投資費(fèi)用(包括原料的儲(chǔ)存模塊、分配模塊及供給模塊)。將各項(xiàng)脫硝制備工藝參數(shù)進(jìn)行對(duì)比和分析，視單位容量造價(jià)C1＜1元/kW為低成本，C1＞12.5元/kW為高成本，隸屬函數(shù)B(C1)為 2.1.2年運(yùn)行費(fèi)用

年運(yùn)行費(fèi)用指供氨裝置正常運(yùn)行1年所需要的全部費(fèi)用(包括了還原劑成本費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)及設(shè)備的電、蒸汽、油等能耗)。和上述方法類(lèi)似，將年運(yùn)行費(fèi)用C2＜1 800萬(wàn)元/a視為低費(fèi)用，C2＞3 000萬(wàn)元/a視為高費(fèi)用，隸屬函數(shù)B(C2)為

2.1.3 供氨成本

供氨成本是供氨系統(tǒng)在壽命期內(nèi)所發(fā)生的包括投資還貸、運(yùn)行費(fèi)用等在內(nèi)的一切費(fèi)用與其供氨總量之比，即經(jīng)濟(jì)壽命期間產(chǎn)生氨所需費(fèi)用，元/t。約束條件為4 000≤C3≤7 000，隸屬函數(shù)B(C3)為

2.2 技術(shù)性能指標(biāo)

2.2.1 儲(chǔ)存條件

儲(chǔ)存條件按壓力大小可分為超高壓、高壓、常壓和低壓這4個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)存指標(biāo)C4為0～1，1～2，2～3，3～4［10］，隸屬函數(shù)B(C4)為

2.2.2 技術(shù)復(fù)雜程度

按工藝流程及反應(yīng)工藝實(shí)施的難易度將技術(shù)復(fù)雜程度分為簡(jiǎn)單、較簡(jiǎn)單、中等、較復(fù)雜、復(fù)雜共5級(jí)，對(duì)應(yīng)的技術(shù)復(fù)雜程度指標(biāo)C5分別為0～1，1～2，2～3，3～4，4～5，隸屬函數(shù)B(C5)為

2.2.3 技術(shù)成熟程度

按工藝和設(shè)備的成熟程度將技術(shù)成熟度分為成熟、較成熟、一般、較不成熟、不成熟共5級(jí)，對(duì)應(yīng)的技術(shù)成熟程度指標(biāo)C6分別為0～1，1～2，2～3，3～4，4～5［10］，隸屬函數(shù)B(C6)為

2.3 環(huán)境性能

2.3.1 安全性能指標(biāo)

按工藝流程及設(shè)備的安全性將安全性能指標(biāo)估算分為有毒、有害和無(wú)害這3個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的安全性能指標(biāo)C7分別為0.3，0.5，0.9。

2.3.2 占地面積指標(biāo)

供氨系統(tǒng)主體設(shè)備安置、還原劑儲(chǔ)存以及安全防護(hù)等所需占地面積按大小分為大、較大、一般、較小和小這5個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的占地面積指標(biāo)C8分別為0～1，1～2，2～3，3～4，4～5，隸屬函數(shù)B(C8)為

2.3.3 對(duì)外圍環(huán)境的影響指標(biāo)

系統(tǒng)對(duì)外圍環(huán)境的影響分為3類(lèi):(1)重大危險(xiǎn)源，最小衛(wèi)生防護(hù)距離500 m;(2)對(duì)環(huán)境危險(xiǎn)性較小，防止泄漏及二次污染;(3)本身對(duì)環(huán)境無(wú)害，防止二次污染。對(duì)應(yīng)的對(duì)外圍環(huán)境的影響指標(biāo)隸屬度C9估算分別為0.3，0.5，0.8。

2.3.4 道路運(yùn)輸指標(biāo)

根據(jù)各還原劑運(yùn)輸?shù)墓苤埔?，將其分為管制較嚴(yán)格、管制稍低、基本無(wú)要求這3類(lèi)，對(duì)應(yīng)的道路運(yùn)輸指標(biāo)隸屬度C10估算分別為0.3，0.5，0.9。

2.3.5 電廠(chǎng)位置及當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求對(duì)脫硝劑影響指標(biāo)

電廠(chǎng)所屬位置以及當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門(mén)的要求對(duì)還原劑的選取也影響較大，電廠(chǎng)位置及環(huán)保要求分為嚴(yán)格、較嚴(yán)格、一般、寬松這4類(lèi)，對(duì)應(yīng)的占地面積指標(biāo)C11分別為0～1，1～2，2～3，3～4，隸屬函數(shù)B(C11)［11］為

3 因素權(quán)重的確定

權(quán)重是進(jìn)行后續(xù)分析的重要前提，一般選用的專(zhuān)家打分確定權(quán)重方法存在專(zhuān)家的主觀(guān)性和專(zhuān)家規(guī)模的弊端。為解決此問(wèn)題，采用層次分析法作為此文的決策分析工具。將整個(gè)評(píng)價(jià)體系分成A、B、C層，A層是最終評(píng)判結(jié)果層，B層為經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境三大指標(biāo)層，C層為三大指標(biāo)下各因素層，按如下步驟確定指標(biāo)和因素權(quán)重［12］。

設(shè)B1、B2、B3分別為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)，Bi對(duì)Bj的相對(duì)重要性bij的數(shù)值體現(xiàn)用表2中的數(shù)字及其的倒數(shù)作為標(biāo)度。由于影響因素較少，選用一般的9標(biāo)度重要程度表造成誤差較大，經(jīng)比較和改進(jìn)后，選用以下重要程度表較為合適。判斷矩陣中的元素具有下述性質(zhì):(1)bij＞0;(2)bij=1/bji;(3)bii= 1。得到A層到B層的判斷矩陣為

根據(jù)文獻(xiàn)［7］的計(jì)算方法，近似計(jì)算TA-B的特征向量W=［0.405，0.329，0.266］T。同理可得，B1層到C層的判斷矩陣為

所得經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下各因素所占權(quán)重向量為W1=［0.385，0.307 5，0.307 5］T。B2層到C層的判斷矩陣為

所得經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下各因素所占權(quán)重向量為W2=［0.22，0.39，0.39］T。B3層到C層的判斷矩陣為

所得經(jīng)濟(jì)指標(biāo)下各因素所占權(quán)重向量為W3=［0.16，0.24，0.24，0.16，0.20］T。

4 模糊矩陣的確定及計(jì)算

根據(jù)建立的隸屬度函數(shù)計(jì)算得到個(gè)脫硝劑對(duì)應(yīng)因素的隸屬度，如表3所示。劃分出經(jīng)濟(jì)性能模糊矩陣R1、技術(shù)性能模糊矩陣R2及環(huán)境性能模糊矩陣R3如下:

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，得到:經(jīng)濟(jì)性能評(píng)判向量為HB1= W1R1=［0.771，0.525，0.470］T;技術(shù)性能評(píng)判向量為HB2=W2R2=［0.708，0.685，0.529］T;環(huán)境性能評(píng)判向量為HB3=W3R3=［0.316，0.526，0.824］T。

二級(jí)評(píng)判矩陣HA由1級(jí)綜合評(píng)判結(jié)果HB1、HB2、HB3得到，HA=W［HB1，HB2，HB3］T=［0.629，0.602，0.584］T。進(jìn)行歸一化處理，則H＇A=［0.346，0.332，0.322］T。

根據(jù)最大隸屬度原則，可得出以下綜合評(píng)判結(jié)果:液氨、氨水、尿素這3種還原劑都可選取的情況下，液氨作為還原劑綜合來(lái)說(shuō)優(yōu)于氨水，氨水又優(yōu)于尿素。采用SCR工藝系統(tǒng)進(jìn)行脫硝的電廠(chǎng)，在法律、法規(guī)允許，土地資源都足夠，液氨、氨水、尿素都可取的情況下應(yīng)優(yōu)先選取液氨作為還原劑。這與目前國(guó)內(nèi)還原劑應(yīng)用是相符的，液氨供氨設(shè)備初始投資及運(yùn)行費(fèi)用最小、技術(shù)成熟、工藝簡(jiǎn)單，最大的缺點(diǎn)在于環(huán)境的影響。但是在取得相關(guān)部門(mén)審查許可的情況下，做好相關(guān)防護(hù)措施，液氨無(wú)疑是最具有經(jīng)濟(jì)效益的選擇。

我國(guó)大部分電廠(chǎng)均處于偏離城市中心較遠(yuǎn)的地區(qū)，即使建廠(chǎng)較早的一些城市電廠(chǎng)也與周?chē)用駞^(qū)、建筑物有一定的防護(hù)距離，因而在審查許可的時(shí)候大部分電廠(chǎng)都能選擇液氨作為還原劑。據(jù)資料表明在SCR脫硝方面，國(guó)內(nèi)目前的還原劑應(yīng)用最多的是液氨，占95%以上，尿素占3%～5%。如福州可門(mén)電廠(chǎng)二期2×600 MW機(jī)組煙氣脫硝，廣東河源電廠(chǎng)2×600 MW燃煤發(fā)電機(jī)組脫硝改造，福建石獅鴻山熱電廠(chǎng)2×1 000 MW機(jī)組煙氣脫硝(二期)等SCR項(xiàng)目均采用液氨作為還原劑。尿素比氨水工程實(shí)例要多的原因在于環(huán)境權(quán)重的影響，導(dǎo)致環(huán)境管制較松的地區(qū)采用液氨，較嚴(yán)格的地區(qū)則直接采用了尿素作為還原劑，具體可見(jiàn)下面的權(quán)重分析。

5 權(quán)重影響分析

在上述模糊綜合評(píng)判的確定中，經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境的權(quán)重為W=［0.405，0.329，0.266］T，所得出的結(jié)果是氨水為最佳。從一級(jí)評(píng)判向量HB1、HB2、HB3來(lái)看，液氨為經(jīng)濟(jì)性最佳，技術(shù)性比其他兩者稍?xún)?yōu)，尿素為環(huán)境性最佳。故經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境三者的權(quán)重對(duì)最后的二級(jí)綜合評(píng)判結(jié)果有直接影響，為消除權(quán)重誤差對(duì)結(jié)果帶來(lái)的影響，做以下權(quán)重影響分析。記x1、x2、x3分別為經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境的權(quán)重，取環(huán)境權(quán)重分別為0.1，0.2，0.3，0.4，借助Matlab工具繪制以x1為橫坐標(biāo)的最終評(píng)判隸屬度函數(shù)曲線(xiàn)，如圖1、2所示。

從圖1可以看出:(1)在環(huán)境權(quán)重偏小的情況下，液氨函數(shù)始終在氨水和尿素之上，隨著環(huán)境權(quán)重的增大，尿素逐漸超過(guò)液氨和氨水，這與實(shí)際情況也相符;(2)在環(huán)境權(quán)重不超過(guò)0.3，經(jīng)濟(jì)權(quán)重處于0.28以上時(shí)，液氨總是優(yōu)于其他兩項(xiàng)，這一權(quán)重區(qū)間在實(shí)際工程中大多比較合理，這也是液氨實(shí)例最多的原因。

圖2中，細(xì)分了環(huán)境權(quán)重為0.3～0.4的情況。由圖2可知，環(huán)境權(quán)重超過(guò)0.34后，經(jīng)濟(jì)權(quán)重需達(dá)到0.45以上液氨才會(huì)優(yōu)于尿素，而液氨總處于液氨和尿素的函數(shù)之下。因而在環(huán)境要求嚴(yán)格的地區(qū)，會(huì)直接采用尿素。

6 結(jié)論

(1)本文基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)判法和隸屬度理論，將脫硝還原劑各評(píng)判指標(biāo)作定量分析，根據(jù)最大隸屬度原則得出評(píng)價(jià)結(jié)果。并根據(jù)實(shí)際情況使用matlab編制了函數(shù)圖象，分析了各因素權(quán)重對(duì)最終結(jié)果所帶來(lái)的影響。大機(jī)組SCR脫硝系統(tǒng)工藝的還原劑選取過(guò)程中，在土地資源及相關(guān)法規(guī)允許，還原劑方便可取的情況下，液氨由于經(jīng)濟(jì)性突出，技術(shù)性能相比稍?xún)?yōu)，綜合來(lái)說(shuō)屬于最佳選擇。

(2)本文中的綜合評(píng)價(jià)方法在選用時(shí)應(yīng)和脫硝系統(tǒng)工程的實(shí)際情況相結(jié)合，因?yàn)闄C(jī)組參數(shù)、權(quán)重的大小等可能都會(huì)影響最終的結(jié)果?？梢詤⒄毡?，從實(shí)際參數(shù)出發(fā)，建立比其更為精細(xì)的重要程度表，構(gòu)造出判斷矩陣，從而得出權(quán)重向量用作選取脫硝劑的依據(jù)。

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(編輯:蔣毅恒)

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

張翔(1989)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姀S(chǎng)NOx排放物控制及減排，E-mail:zx1989tc@163.com;

許紅勝(1963)，男，博士，教授，東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院副院長(zhǎng)，東南大學(xué)熱電工程設(shè)計(jì)研究所所長(zhǎng)，研究方向?yàn)殡姀S(chǎng)污染物減排，電廠(chǎng)智能控制;

趙龍生(1965)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姀S(chǎng)脫硫脫硝及優(yōu)化。