基于模糊網(wǎng)絡(luò)分析法的富氧燃燒CCS項目風險評價

孫辰晨，李愛軍

(華中科技大學,武漢 430074)

基于模糊網(wǎng)絡(luò)分析法的富氧燃燒CCS項目風險評價

孫辰晨，李愛軍

(華中科技大學,武漢 430074)

富氧燃燒CCS是一項新興的二氧化碳減排技術(shù)，此項技術(shù)可以有效降低大氣中的二氧化碳量，同時保證現(xiàn)有化石燃料使用力度不受影響。富氧燃燒CCS項目的廣泛應(yīng)用將無法避免大量的風險。文中應(yīng)用基于三角模糊數(shù)的模糊網(wǎng)絡(luò)分析法對富氧燃燒CCS項目進行風險評價。風險評價的結(jié)果表明富氧燃燒CCS項目的綜合風險水平為0.373，說明項目風險屬于中等水平，應(yīng)該在大力發(fā)展的同時重視項目的各方面風險，采取有效的應(yīng)對措施。

二氧化碳捕集與封存；風險評價；模糊網(wǎng)絡(luò)分析法

0 引 言

碳捕集分為燃燒前捕集，燃燒中捕集和燃燒后捕集，其中燃燒中捕集所指的就是富氧燃燒CCS技術(shù)，通常富氧燃燒技術(shù)是對現(xiàn)有的電站系統(tǒng)進行改造，用CO2+O2的組合代替N2+O2的組合當做燃氣，過程中會利用煙氣進行循環(huán)，煙氣中富含大量高純度的CO2，因此在捕集時無需和氮氣分離，非常便于捕集，改造的成本比普通CCS項目要低，研究表明，富氧燃燒技術(shù)是最可能大規(guī)模商業(yè)化的CCS技術(shù)之一。但是由于富氧燃燒CCS項目仍然處在示范階段，在技術(shù)成熟度上還沒有達到完善，環(huán)境方面的影響又沒有前例給予參考，社會接受度以及投資成本問題上仍然存在很多不確定性，但是富氧燃燒CCS項目是亟需大力發(fā)展的，綜上所述，文中對富氧燃燒CCS項目進行風險評價有助于決策者對項目發(fā)展中的風險以及各種風險的嚴重程度有一個全面的認識和了解，對于富氧燃燒CCS項目未來的發(fā)展具有一定的幫助。

1 富氧燃燒CCS技術(shù)項目的風險識別

1.1 技術(shù)風險分析

(1)新型技術(shù)風險

新型技術(shù)風險是指富氧燃燒CCS技術(shù)由于采取新的工藝流程，會面臨許多新出現(xiàn)的問題。由于富氧技術(shù)采用煙氣循環(huán)，純氧燃燒，技術(shù)上和普通的燃煤電廠大相徑庭，對于關(guān)鍵參數(shù)的取值可能還沒有達到最為合理的標準。富氧條件下火焰溫度比一般火電廠要高，因此氮氧化物的生成會加速，在煙氣循環(huán)下氮化物會一直存留在爐膛之內(nèi)，因此對爐膛內(nèi)造成比較大的負擔，而且雖然理論上富氧技術(shù)對氮是零排放，但是目前研究中還不可能完全分離，因此對環(huán)境也帶來了一定的風險。

(2)新材料風險

新材料風險指由于富氧燃燒CCS項目的捕集階段需要進行氮氧分離。利用空分技術(shù)制氧時，吸附劑只能在壓力比較低和常溫下使用，吸附劑的恢復時間決定其能否規(guī)模化應(yīng)用于實際項目當中。利用膜分離法制備氧氣時，分離膜對于不同氣體的滲透性的變化具有至關(guān)重要的作用，而當前我國各種新型分離材料都有自身的缺陷，這對富氧燃燒CCS技術(shù)的發(fā)展造成了較大的阻礙。

(3)數(shù)據(jù)缺乏風險

在富氧燃燒采用新型燃燒和循環(huán)方式的情況下，由于實驗規(guī)模不大，重復實驗數(shù)量不夠，導致各項參數(shù)可能還沒有達到最優(yōu)選擇，在煙氣流速較高，氧氣濃度較大，燃燒溫度較高的條件下如何達到穩(wěn)定節(jié)能的運行還需要大規(guī)模的數(shù)據(jù)做支持。

(4)施工以及操作人員風險

人作為項目實施的最終行為者，承擔著項目的各項安全指標正確落實的重任。而由于富氧燃燒CCS項目正處于示范階段，社會企業(yè)中經(jīng)驗豐富，技術(shù)過硬的人才并不多，一旦在運輸封存等過程中由于施工人員能力不足出現(xiàn)問題，會引發(fā)諸如二氧化碳大規(guī)模泄漏、管道爆裂等危機，對環(huán)境和周圍人群將瞬間造成巨大的災(zāi)難。

1.2 社會風險分析

(1)公眾風險

由于富氧燃燒CCS項目在運輸和封存過程中有可能對公眾的健康和財產(chǎn)造成威脅。在群眾自我保護意識的增強和公益組織日益發(fā)展的今天，項目的發(fā)展過程中很可能受到公眾的集體抵制，從而導致項目被擱淺或者直接禁止繼續(xù)施工，導致資金斷裂，使投資方遭受嚴重的損失。

(2)國內(nèi)政策風險

國內(nèi)關(guān)于富氧燃燒CCS項目發(fā)展政策的不完善會側(cè)面影響其發(fā)展聚集的力量。我國政策上更傾向于建立高參數(shù)電力設(shè)備，提高電廠的發(fā)電效率和大力發(fā)展新能源如核能上，并沒有對于富氧燃燒CCS技術(shù)的政策性傾斜，重視程度相對而言并不高，這直接導致企業(yè)投資富氧燃燒CCS項目的活躍度低下，提高了項目的風險水平。

(3)國際局勢風險

國際上如果發(fā)生大規(guī)模經(jīng)濟衰退，將會嚴重影響國際上對富氧燃燒CCS項目的關(guān)注度，并導致國際資金的斷裂，合作的減少將嚴重影響技術(shù)的發(fā)展；如果發(fā)生嚴重的富氧燃燒CCS項目的事故，將會直接導致項目的停滯發(fā)展，例如福島核電站事件導致全世界核電項目的擱置。

1.3 經(jīng)濟風險分析

富氧燃燒CCS項目的改造成本比較高，需要較高的資金供給。首先由于國家政策、碳排放交易機制不完善等因素導致企業(yè)的投入和回報無法準確估量，我國目前仍沒有完善的碳價和碳稅體系，企業(yè)改造CCS后獲得的減排量并沒有明確的交易價格，因此，企業(yè)的決策層更傾向于使用原有電廠，而不投入資金進行富氧燃燒CCS項目改造。其次富氧燃燒科研技術(shù)水平的進一步發(fā)展也需要大量的科研基金來補貼研發(fā)機構(gòu)，而科研的投入產(chǎn)出比也是無法準確估計的。最后，目前我國發(fā)展的其他低碳技術(shù)對于富氧燃燒CCS技術(shù)的發(fā)展也有很大的競爭性，例如核能、潮汐能等，如果這些技術(shù)的發(fā)展超越CCS技術(shù)，可能導致CCS技術(shù)退出歷史舞臺。因此當前實施富氧燃燒CCS改造具有較高的投資風險。

1.4 環(huán)境風險分析

CO2泄漏是導致環(huán)境問題的主要原因，主要導致的風險因素分析如下：

(1)影響氣候風險

如果在CO2埋存過程中發(fā)生大規(guī)模泄漏，大量CO2釋放到大氣當中，將導致嚴重的溫室效應(yīng)等災(zāi)難性后果。發(fā)生泄漏可能由于如火山噴發(fā)，地震等地質(zhì)災(zāi)害，導致CO2迅速釋放造成影響氣候的風險。

(2)人體健康風險

二氧化碳屬于無色無味的氣體，如果長期漂浮在低洼處并不容易被明顯感知，如果有人經(jīng)過附近，可能會引起心跳加速，惡心或者暫時喪失知覺的危險，當CO2濃度過高時則會造成窒息從而嚴重威脅生命安全。

(3)生態(tài)風險

埋藏在地下的CO2會加速植物的光合作用，致使整個生態(tài)系統(tǒng)的新陳代謝變快。而CO2濃度過高時，卻會抑制植物的生長，導致植物發(fā)育遲緩甚至死亡。因此，埋藏CO2對于環(huán)境的生態(tài)平衡有著不確定的風險。

(4)水污染風險

封存的CO2溶解到含水層會導致飲用水被污染。CO2有可能在壓力驅(qū)使下擴散至水層。CO2將會降低飲用水的PH值，使飲用水酸性過高，并且還會富集許多重金屬、氯化物，使飲用水變色變味，降低附近群眾生活水平，嚴重還會導致飲用水中毒。

(5)地質(zhì)活動風險

地質(zhì)活動風險包含兩個含義，一是埋藏地由于勘測水平不足導致沒有發(fā)現(xiàn)潛在的地震帶，發(fā)生地震后造成CO2大量泄漏；二是CO2在埋藏時是使用高壓注入的，一旦數(shù)據(jù)測量不精確，注入壓力大于地質(zhì)本身的壓力，理論上將會誘發(fā)地震，造成嚴重的地質(zhì)危害。

(6)地下資源破壞風險

封存環(huán)境屬于高壓環(huán)境，高壓環(huán)境下CO2可能會和其他化合物發(fā)生緩慢反應(yīng)，如果CO2在地質(zhì)中和地下的珍貴礦物質(zhì)結(jié)合，將會影響礦物質(zhì)的純度，對造成地下礦產(chǎn)資源造成破壞。

2 富氧燃燒CCS技術(shù)項目的風險評價

文中的研究方法建立在層次分析法、網(wǎng)絡(luò)分析法以及模糊綜合評判的基礎(chǔ)上，利用層次分析法的原理建立風險評價模型，利用網(wǎng)絡(luò)分析法求解權(quán)重各級權(quán)重指標，并用模糊綜合評判的理論求解富氧燃燒CCS項目的風險值。該方法的基本步驟見[1-3]，這里不再介紹。

2.1 構(gòu)建F-ANP模型

根據(jù)上文對富氧燃燒CCS項目的風險分析，我們將其應(yīng)用于層次分析法的體系當中，構(gòu)建出基于F-ANP模型的富氧燃燒CCS項目風險評價體系。如圖1所示。

圖1 富氧燃燒CCS項目風險評價體系

2.2 確定項目風險評語集

評語集分為5個等級。具體的評語集確定為：

V={v1,v2,v3,…,vm}=高風險，較高風險，中等風險，較低風險，低風險

2.3 建立模糊關(guān)系矩陣

利用模糊統(tǒng)計學，選取該領(lǐng)域的10位專家對各因素rij進行評價，根據(jù)風險的三個特性，風險的損失，風險的概率以及風險的可控制性，以問卷調(diào)查的形式對二級指標進行單因素評價，由式(1)

(1)

可得出模糊判斷矩陣：

同理，可以得出發(fā)生概率模糊判斷矩陣F.R(P)，可控制性模糊判斷矩陣F.R(C)，假設(shè)風險的三個特性對于風險的影響程度相同，將以上結(jié)果等價疊加，即為風險因素的單因素模糊判斷矩陣。

2.4 F-ANP確定權(quán)重

當準則為風險損失時，利用F-ANP求解權(quán)重的過程如下：

(1)計算二級指標權(quán)重

在元素集U1中，以元素u11為次準則，元素集U1中的元素u11、u12、u13和u14按照其對u11影響大小進行優(yōu)劣度比較，利用F-ANP求解，得出權(quán)重向量W(11)。見表1。

表1 以u11為次準則的間接優(yōu)勢度比較判斷矩陣

同理，以元素u12為次準則，求解W(12)，見表2。

表2 以u12為次準則的間接優(yōu)勢度比較判斷矩陣

按照以上步驟即可得出W11：

W11=(W(11),W(12),W(13),W(14))=

按照以上步驟，即可得出W22、W33、W44、W12、W13、W14、W21、W23、W24、W31、W32、W34、W41、W42、W43。本文不再一一列舉。

(2)計算一級指標成分模糊權(quán)重

W的列向量表示Ui中元素對Uj中元素的影響程度。由于W只考慮了元素組內(nèi)部元素的排序，沒有全面的考慮整個其他元素組對當前準則的影響，因此必須進行元素組之間的兩兩比較排序，即將元素組當做元素，求得元素組的相對權(quán)重A，求解元素組的權(quán)重，方法與求解元素的權(quán)重相同。

W=(0.058429 0.050256 0.068902 0.044211 0.063863 0.072275 0.078189 0.056613 0.067555 0.087991 0.075726 0.071286 0.041091 0.036586 0.042375 0.02784 0.028888 0.027925)

2.5 計算評價結(jié)果

利用M(+,·)算子，由B=w×F.R計算可得項目的整體風險度。

B=w×F.R=

(0.0970.2430.3730.2190.067)

根據(jù)最大隸屬度原則，在B中最大值是0.373，工程上一般使用等風險圖來判別項目風險的分類，風險值為0～0.3為低風險，0.3～0.7為中等風險，大于0.7為高風險，因此可判斷富氧燃燒CCS項目的風險評價結(jié)果屬于中等風險。

3 結(jié)束語

通過評價分析可以得到如下結(jié)論，為以后的富氧燃燒CCS發(fā)展的工作提供幫助

(1)一級指標中經(jīng)濟風險的權(quán)重最大，為0.303，社會風險次之，為0.271，環(huán)境風險和技術(shù)風險的權(quán)重相對較低，分別為0.205和0.222，二級指標中國內(nèi)政策風險和收益不確定性風險以及其他能源的競爭風險是最高的，分別為0.078 189、 0.087 991和0.075 726。說明對于富氧燃燒CCS項目來說，技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟，不容易發(fā)生風險，而政策上的支持和國家以及企業(yè)的投資才是CCS項目發(fā)展的關(guān)鍵所在。

(2)富氧燃燒CCS項目的綜合評價結(jié)果為0.373，其風險屬于中等水平，但是與其他新興項目相比，富氧燃燒CCS項目的風險在可以接受的范圍內(nèi)，我國大力發(fā)展富氧燃燒CCS項目是可以接受的。

[1] 封 江，李 軍，華 斌.層次分析法在重點用能企業(yè)節(jié)能考核評價體系的應(yīng)用研究[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2011(9)：8-11.

[2] 陳曉紅，陽 熹.一種基于三角模糊數(shù)的多屬性群決策方法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2008，30(2)：278-282.

[3] 聶相田，羅 剛.基于模糊網(wǎng)絡(luò)分析法的水利施工風險分析[J].人民黃河，2011,33(5)：113-142.

Risk Assessment of Oxy-fuel Combustion Carbon Capture and Storage Project Based on the Fuzzy Analytic Network Process

SUN Chen-chen, LI Ai-jun

(Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China)

Oxy-fuel combustion CCS is a new technology of carbon dioxide emission reduction, this technology can effectively reduce carbon dioxide in the atmosphere, while ensuring the use of fossil fuels is not affected. The extensive application of Oxy-fuel combustion CCS project will not be able to avoid a lot of risk. In this paper, the fuzzy network analysis method based on triangular fuzzy number is used to evaluate the risk of Oxy-fuel combustion CCS project. Risk assessment results show that Oxy-fuel combustion CCS project integrated risk level is 0.373. That project risk belongs to medium level, should vigorously develop also pay special attention to all aspects of risk, to take effective measures to deal with it.

Oxy-fuel combustion CCS; Risk assessment; The fuzzy analytic network process

2015-05-25

2015-05-31

孫辰晨，碩士研究生，華中科技大學導師。

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.06.001

TK223.6

B

1009-3230(2015)06-0001-06