偶氮二甲酰胺發(fā)泡劑清潔生產(chǎn)評價模型

趙建喜，趙麗娜，史 翎

（1.北京化工大學 理學院，北京 100029；2. 北京化工大學 材料科學與工程學院，北京 100029）

偶氮二甲酰胺（ADC）發(fā)泡劑是最重要的肼基發(fā)泡劑［1］。在我國，ADC發(fā)泡劑的生產(chǎn)工藝主要為尿素法，少數(shù)外資或合資企業(yè)采用酮聯(lián)氮法。尿素法生產(chǎn)工藝會產(chǎn)生大量的污染物，氨氮廢水的排放量超過10 Mt/a［2］。

目前，針對ADC發(fā)泡劑清潔生產(chǎn)評價方面的研究較少。在構(gòu)建評價指標體系方面，主要有李文軍［2］的定量體系和朱寶菊等［3］的綜合體系。在確定評價指標權(quán)重方面，常用方法包括專家咨詢法［2］、層次分析法［3-6］和模糊綜合評價法［7-8］等。對于評價指標的單向評價指數(shù)，常采用比值法確定［2-3］；對于綜合評價指數(shù)，則采用加權(quán)求和法確定［2-3］。這幾種方法簡單直觀，但存在主觀性強、指標間信息交叉、線性效果差、需要尋找或求基準值等缺點。

本工作提出了基于逐層序關(guān)系分析法、極差標準化法、主成分分析法的ADC發(fā)泡劑清潔生產(chǎn)評價模型，有效克服了原模型的諸多不足。

1 理論與方法

1.1 基于尿素法和酮聯(lián)氮法的評價指標體系

朱寶菊等［3］的定量與定性評價指標體系較為完善地覆蓋了尿素法ADC發(fā)泡劑清潔生產(chǎn)工藝的各個方面，雖然其定性部分主觀性過于強烈且相關(guān)資料不易獲取，可操作性不強，但其定量部分可從一定程度上反映出定性體系的部分內(nèi)容。因此，采用朱寶菊等的定量評價指標體系。

該定量評價指標體系包括目標層（A層）、準則層（B層）和方案層（C層）。目標層（A層）包括資源與能源消耗指標（A1）、產(chǎn)品特征指標（A2）、污染物產(chǎn)生指標（A3）、資源綜合利用指標（A4）和環(huán)境管理與勞動安全衛(wèi)生指標（A5）。準則層（B層）包括能量消耗指標（B1）、原料消耗指標（B2）、新鮮水消耗指標（B3）、產(chǎn)品優(yōu)級品率（B4）、產(chǎn)品特征（B5）、產(chǎn)品改性比例（B6）、廢水（B7）、廢氣（B8）、廢渣（B9）、鹽酸綜合利用率（B10）、含氨廢水綜合利用率（B11）、硫酸鈣綜合利用率（B12）、十水碳酸鈉綜合利用率（B13）、職業(yè)病發(fā)生率（B14）、年投入環(huán)保資金（B15）、傷亡事故率（B16）和勞保投入額（B17）。方案層（C層）包括尿素消耗（C1）、硫酸消耗（C2）、燒堿消耗（C3）、氯氣消耗（C4）、產(chǎn)品發(fā)氣量（C5）、產(chǎn)品分解溫度（C6）、產(chǎn)品含水量（C7）、廢水量（C8）、COD（C9）、廢水中氨氮含量（C10）、廢水中鹽總量（C11）、廢氣量（C12）、廢氣中氯化氫含量（C13）和廢渣（十水碳酸鈉+硫酸鈣干基）量（C14）。

針對酮聯(lián)氮法的評價指標體系與針對尿素法的評價指標體系基本相同，不同之處在于尿素法生產(chǎn)過程需要原料硫酸，而酮聯(lián)氮法需要氨和丙酮（丙酮實際并未消耗）。為綜合評價不同工藝的產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，假定硫酸在尿素法評價指標體系中的重要性與氨和丙酮在酮聯(lián)氮法評價指標體系中的重要性相同。

1.2 逐層序關(guān)系分析法

確定目標層A1，A2，A3，A4，A5的序關(guān)系（指標重要性的排序）［9］。

參考（10/10）～（18/2）標度［10］，給出序關(guān)系下相鄰兩指標的權(quán)重（ω）的比值（r）。

計算各定量評價指標的影響因子，計算結(jié)果見表1。

表1 各定量評價指標的影響因子

1.3 極差標準化法

清潔生產(chǎn)評價指標體系分為正向指標和逆向指標兩部分。對于正向指標，數(shù)值越大越符合清潔生產(chǎn)的要求；對于逆向指標，數(shù)值越小越符合清潔生產(chǎn)的要求［2］。極差標準化法［11］有正線性相關(guān)式和負線性相關(guān)式兩種表達形式，分別見式（6）和式（7）。極差標準化法符合正向指標與逆向指標的要求，且在實際應(yīng)用中的線性效果較好。

式中：xij表示第j個指標、第i個試樣的原指標值；yij表示xij經(jīng)極差標準化后的數(shù)值；n為試樣的個數(shù)；p為指標的個數(shù)。

極差標準化法消除了各評價指標數(shù)據(jù)量綱和數(shù)量級的影響。但各指標數(shù)據(jù)不具備同趨性，即重要性水平不同。所以，將各評價指標數(shù)據(jù)乘以對應(yīng)的影響因子，從而使其具備可比性。

1.4 主成分分析法

主成分分析法是指將具有一定相關(guān)關(guān)系的指標重新組合成一組新的少數(shù)相互無關(guān)的綜合指標的統(tǒng)計方法［12］。在實際應(yīng)用中，幾個最大的主成分所包含信息的總和即代表了大部分的原有信息。該方法避免了指標間的相關(guān)性對分析結(jié)果造成影響，克服了加權(quán)求和法信息重疊的缺陷。

2 實例分析

本工作選取7家尿素法ADC發(fā)泡劑生產(chǎn)企業(yè)（分別為江蘇某公司、福建某公司1、福建某公司2、江西某公司、湖南某公司、廣東某公司和山東某公司2）和1家酮聯(lián)氮法ADC發(fā)泡劑生產(chǎn)企業(yè)（山東某公司1），并獲得了各項清潔生產(chǎn)評價指標數(shù)據(jù)。對于正向指標，用式（6）標準化；對于逆向指標，用式（7）標準化。通過式（6）與式（7）將原指標值變換到［0，1］區(qū)間，以消除量綱和數(shù)量級影響。將經(jīng)過極差標準化法處理后的各評價指標數(shù)值乘以對應(yīng)的影響因子，使各指標數(shù)據(jù)具備同趨性，然后進行主成分分析。

由于極差標準化屬于標準化的一種，故可略過主成分分析中原有的z-score標準化過程，直接用MATLAB數(shù)學軟件編程，進行后續(xù)計算。主成分分析的計算過程如下。

1）建立試樣協(xié)方差矩陣S。

2）求試樣協(xié)方差矩陣S的特征值及相應(yīng)的單位特征向量。

3）選擇主要的主成分：經(jīng)計算，前兩個主成分的方差累計貢獻率大于85%，說明前兩個主成分基本包含了原指標所具有的信息，因此僅提取前兩個主成分即可。

4）構(gòu)造綜合評價指標（F）。

式中：F1為提取的第一主成分的評價指標，F(xiàn)2為提取的第二主成分的評價指標。根據(jù)前兩個特征值對應(yīng)的特征向量組成的矩陣，可找出每個主成分對應(yīng)的有較大影響力的原指標。第一主成分對應(yīng)的有較大影響力的指標為尿素消耗量、硫酸消耗量、燒堿消耗量、氯氣消耗量、新鮮水消耗量、廢水量、COD和廢水中氨氮含量，各指標對主成分的影響值［12］分別為0.403 0，0.161 7，0.317 5，0.262 9，0.205 8，0.232 3，0.424 6，0.539 6。前5個指標為資源消耗，后3個指標為主要污染物，所以第一主成分可命名為資源消耗與廢水污染物產(chǎn)生指標；第二主成分對應(yīng)的有較大影響力的指標為含氨廢水綜合利用率（指標對主成分的影響值為0.705 1），其影響值遠大于其他指標的影響值，故將第二主成分命名為含氨廢水綜合利用率指標。

3 結(jié)果與討論

3.1 主成分分析法的計算結(jié)果

根據(jù)綜合評價指標計算各企業(yè)得分。企業(yè)得分越高，說明其清潔生產(chǎn)水平越高，反之越低。主成分分析法的計算結(jié)果見表2。

表2 主成分分析法的計算結(jié)果

按照加權(quán)求和法［2-3］計算得到的各公司的得分及排名見表3。

表3 加權(quán)求和法的計算結(jié)果

對比表2和表3可知：在主成分分析法中，福建某公司2和湖南某公司分別排名第四和第六，廣東某公司和山東某公司2分別排名第七和第八；在加權(quán)求和法中，福建某公司2和湖南某公司分別排名第六和第四，廣東某公司和山東某公司2分別排名第八和第七，與主成分分析法所得排名相反。這是由于，原指標間具有一定的相關(guān)性，即指標間有不同程度的信息重疊，加權(quán)求和會導(dǎo)致信息的重復(fù)計算，導(dǎo)致最終結(jié)果失真，而主成分分析法將相關(guān)指標轉(zhuǎn)化為新的相互無關(guān)指標，避免了指標間的相關(guān)性對結(jié)果造成的影響。綜合分析比較，主成分分析法所得結(jié)果更具可信性。

3.2 清潔生產(chǎn)水平等級劃分和結(jié)果成因分析

將ADC發(fā)泡劑生產(chǎn)企業(yè)清潔生產(chǎn)水平劃分為優(yōu)秀（90.0～100（折合后得分，下同））、良好（70.0～89.9）、一般（60.0～69.9）、不合格（0～59.9）4個等級。 各企業(yè)的清潔生產(chǎn)等級見表4。

表4 各企業(yè)的清潔生產(chǎn)等級

由表4可知，在8家ADC發(fā)泡劑生產(chǎn)企業(yè)中，有6家清潔生產(chǎn)水平合格，2家不合格。山東某公司1作為唯一一家使用酮聯(lián)氮法的企業(yè)，得分顯著高于其他公司，清潔生產(chǎn)等級為優(yōu)秀。酮聯(lián)氮法在較大程度上避免了酸、堿的無效消耗，原料利用率提高，副產(chǎn)物的種類和數(shù)量減少，物料消耗顯著降低；與尿素法相比，酮聯(lián)氮法不需要冷凍脫鹽，能量消耗低；酮聯(lián)氮法的外排廢水主要成分為氯化鈉，污染物產(chǎn)生量小。

江蘇某公司綜合能耗和新鮮水消耗量明顯小于其他6家公司，而且嚴格控制污染物的排放，廢水中主要污染物氨氮、COD排放量小，清潔生產(chǎn)等級為良好。廣東某公司和山東某公司2在資源消耗和污染物產(chǎn)生方面較差，前者的尿素、燒堿、硫酸消耗多，廢水中氨氮、COD、總鹽量含量極高；后者的新鮮水、尿素、燒堿和氯氣消耗多，廢水中氨氮、COD含量極高。

3.3 小結(jié)

逐層序關(guān)系分析法是對層次分析法的改進，該方法不用建立判斷矩陣和檢驗一致性，計算量減少。相對于專家咨詢法，逐層序關(guān)系分析法可以計算大量指標的影響因子，且計算結(jié)果精確。極差標準化法不需要尋找或計算各評價指標的基準值，克服了比值法中逆向指標公式非線性的缺陷。主成分分析法避免了指標間信息交叉對結(jié)果的影響。將以上3種方法首次應(yīng)用于ADC發(fā)泡劑清潔生產(chǎn)評價領(lǐng)域，優(yōu)勢明顯且實證效果好。

4 結(jié)論

a）提出了一套完整的針對不同生產(chǎn)工藝的ADC發(fā)泡劑清潔生產(chǎn)企業(yè)綜合評價模型。該模型涉及逐層序關(guān)系分析法、極差標準化法和主成分分析法3種方法。

b）采用逐層序關(guān)系分析法可確定各評價指標的影響因子，采用極差標準化法可消除指標數(shù)據(jù)量綱和數(shù)量級影響，采用主成分分析法可對各生產(chǎn)企業(yè)進行排名。

c）該模型合理可行，為ADC發(fā)泡劑生產(chǎn)企業(yè)的清潔生產(chǎn)評價提供了一個參考方案。

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