基于層次分析法的煤制甲醇過程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

王旭

青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院 （山東青島 266042）

0 引言

近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的壓力，不斷爆發(fā)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問題已引起社會(huì)各界的重視。我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、環(huán)境污染事件高頻率發(fā)生、環(huán)境污染損失居高不下的發(fā)展階段?！笆晃濉币詠?，我國(guó)環(huán)境保護(hù)形勢(shì)明顯好轉(zhuǎn)，污染物減排取得明顯成效，但環(huán)境污染事件依然頻頻發(fā)生。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，2008～2013年，我國(guó)共發(fā)生突發(fā)環(huán)境事件3108起[1]?！吨袊?guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》數(shù)據(jù)顯示，2006～2013年，我國(guó)環(huán)境污染治理投資額逐年緩步增加，2013年投資額是2006年的3倍以上[2]，見圖1。高額的環(huán)境污染治理投資金額不僅反映出國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)、治理方面的關(guān)注度日益提升，也說明環(huán)境污染已經(jīng)制約了國(guó)家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展。

圖1 我國(guó)2006～2013年環(huán)境污染治理投資金額

我國(guó)自然資源具有富煤、少油、缺氣的特點(diǎn)[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年煤炭資源探明儲(chǔ)量1145億t，占世界探明儲(chǔ)量的13.3%，居世界第三位[4]。因此，在此后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)仍將以煤為主。嚴(yán)峻的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)形勢(shì)已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要約束條件之一，對(duì)煤化工過程中的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行合理有效的評(píng)估成為目前亟待解決的問題。甲醇是一種無色、透明、有毒且易燃的液體，是重要的基礎(chǔ)化工原料，其消費(fèi)量在世界范圍內(nèi)僅次于苯、乙烯等。我國(guó)屬于煤炭能源大國(guó)，以煤為原料制備甲醇是重要的甲醇生產(chǎn)途徑。然而煤制甲醇過程中存在著一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，需要格外引起人們的重視。煤制甲醇主要生產(chǎn)工序包括煤氣化、變換、酸脫以及合成[5]。大量有毒有害、易燃、易爆物質(zhì)存在于甲醇的生產(chǎn)過程中，這些物質(zhì)的潛在危險(xiǎn)性較高，一旦發(fā)生事故，將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)煤制甲醇過程進(jìn)行合理的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并以此提出合理的建議及管理措施可以適當(dāng)?shù)販p少環(huán)境污染事故的發(fā)生。本課題以山東某企業(yè)為例，對(duì)煤制甲醇過程進(jìn)行環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析，并運(yùn)用層次分析法對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行排序。

1 煤制甲醇過程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 指標(biāo)選取原則

煤制甲醇過程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建比較復(fù)雜，涉及到生態(tài)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管理等多方面因素。其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的劃分必須根據(jù)實(shí)際，客觀地反映環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的本質(zhì)特征，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分指標(biāo)的篩選與構(gòu)建應(yīng)遵循科學(xué)性、系統(tǒng)性、層次性、可操作性及相對(duì)獨(dú)立性等原則[6]。

1.2 構(gòu)建指標(biāo)體系

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取原則，結(jié)合我國(guó)煤制甲醇過程的實(shí)際情況和具體需求，構(gòu)建煤制甲醇過程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。將煤制甲醇過程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)設(shè)為一級(jí)指標(biāo)A；生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備裝置、環(huán)境敏感性、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理、環(huán)保設(shè)施等5個(gè)指標(biāo)設(shè)為二級(jí)指標(biāo)B；三級(jí)指標(biāo)C的劃分具體為：生產(chǎn)運(yùn)行劃分為生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)過程中涉及到的危險(xiǎn)物質(zhì)，設(shè)備裝置劃分為設(shè)備故障率、設(shè)備維修保養(yǎng)合格率、設(shè)備更新改造率，環(huán)境敏感性劃分為人口密度、敏感目標(biāo)的個(gè)數(shù)及附近高風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)的數(shù)量，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理劃分為安全管理、綜合管理和應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急演練，環(huán)保設(shè)施劃分為有效除塵裝置、廢氣與廢水的回用和處理。

指標(biāo)劃分具體情況見圖2，應(yīng)用層次分析法對(duì)各層次指標(biāo)進(jìn)行排序分析。

圖2 煤制甲醇過程風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分指標(biāo)體系

2 層次分析法計(jì)算

2.1 建立層次分析結(jié)構(gòu)

建立層次分析結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

設(shè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)中有n個(gè)環(huán)境因子，通過兩兩相互比較和判斷，就每一層次各環(huán)境因子的相對(duì)重要性bij列出n×n階矩陣C，稱為判斷矩陣。以矩陣形式表述每一層次中各指標(biāo)的相對(duì)重要度，為使判斷定量化，層次分析采用1～9標(biāo)度方法，對(duì)不同情況的評(píng)比結(jié)果給予數(shù)量標(biāo)度，見表1。

以生產(chǎn)運(yùn)行B1、設(shè)備裝置B2、環(huán)境敏感性B3、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理B4、環(huán)保設(shè)施B5為準(zhǔn)則，對(duì)煤制甲醇過程的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)A進(jìn)行劃分，參考企業(yè)運(yùn)行現(xiàn)狀并運(yùn)用專家打分法來構(gòu)造一級(jí)判斷矩陣，如表2所示。

表1 層次分析標(biāo)度表

表2 一級(jí)判斷矩陣

2.3 對(duì)判斷矩陣進(jìn)行計(jì)算及一致性檢驗(yàn)

（1）計(jì)算判斷矩陣每行元素乘積的n次方根

（2）計(jì)算二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重

將上述結(jié)果組成向量并且對(duì)其進(jìn)行規(guī)范化，wi=w 為指標(biāo)權(quán)重，經(jīng)計(jì)算，5項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重分別為w1=0.5129，w2=0.2022，w3=0.1323，w4=0.0464，w5=0.1062。

（3）計(jì)算判斷矩陣的最大特征根

λmax=經(jīng)計(jì)算，λmax=5.1689。

（4）矩陣的一致性檢驗(yàn)

為檢查構(gòu)成的判斷矩陣及導(dǎo)出的權(quán)重向量的合理性，需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，利用一致性比率指標(biāo) CR進(jìn)行檢驗(yàn)，CR=CI/RI，其中 CI=為一致性指標(biāo)，RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，RI值見表 3[7]。經(jīng)計(jì)算，CR=0.0377，CR＜0.1，表明該矩陣有較好的一致性。

表3 對(duì)應(yīng)1～9的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值

參照上述方法構(gòu)造并計(jì)算因素層的情形。以生產(chǎn)規(guī)模C1、涉及到的危險(xiǎn)物質(zhì)C2、生產(chǎn)工藝C3為三級(jí)指標(biāo)對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行構(gòu)造二級(jí)判斷矩陣，計(jì)算得到三項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重分別為0.2583，0.6372，0.1055；最大特征根 λmax=3.0385，CR=0.0332＜0.1，表明該矩陣有良好的一致性。以設(shè)備故障率C4、設(shè)備維修保養(yǎng)合格率C5、設(shè)備更新改造率C6為三級(jí)指標(biāo)對(duì)設(shè)備裝置構(gòu)造二級(jí)判斷矩陣，計(jì)算得到三項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重分別為0.6000，0.2000，0.2000；最大特征根 λmax=3.0000，CR≈0，表明該矩陣具有良好的一致性。以人口密度C7、敏感目標(biāo)的個(gè)數(shù)C8及附近高風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)的數(shù)量C9為三級(jí)指標(biāo)對(duì)環(huán)境敏感性構(gòu)造二級(jí)判斷矩陣，計(jì)算得到三項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重分別為0.2143，0.1807，0.6050；最大特征根 λmax=3.1124，CR=0.0969＜0.1，表明該矩陣具有良好的一致性。以安全管理C10、綜合管理C11、應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急演練C12為三級(jí)指標(biāo)對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理構(gòu)造二級(jí)判斷矩陣，計(jì)算得到三項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重分別為0.4405，0.1986，0.3609；最大特征根 λmax=3.1167，CR=0.1006≈0.1，可認(rèn)為矩陣具有良好的一致性。以有效除塵裝置C13、廢氣的回用和處理C14、廢水的回用和處理C15為三級(jí)指標(biāo)對(duì)環(huán)保設(shè)施構(gòu)造二級(jí)判斷矩陣，計(jì)算得到三項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重分別為0.1428，0.4286，0.4286；最大特征根 λmax=3.0000，CR≈0，表明該矩陣具有良好的一致性。

2.4 計(jì)算結(jié)果與結(jié)論

就案例企業(yè)的煤制甲醇過程而言，根據(jù)表2中一級(jí)判斷矩陣的計(jì)算結(jié)果，通過權(quán)重值可以判斷出B1＞B2＞B3＞B5＞B4，即這 5個(gè)因素對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的影響從大到小分別為生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備裝置、環(huán)境敏感性、環(huán)保設(shè)施、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理。根據(jù)二級(jí)判斷矩陣的計(jì)算結(jié)果，可以判斷出每一個(gè)二級(jí)指標(biāo)下劃分的三級(jí)指標(biāo)對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)影響的重要程度，在生產(chǎn)運(yùn)行下劃分的三個(gè)指標(biāo)中C2＞C1＞C3，即涉及到的危險(xiǎn)物質(zhì)項(xiàng)對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)影響最大，同理可以推斷出設(shè)備故障率、附近高風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)數(shù)量、安全管理以及廢氣和廢水的回用與處理等對(duì)煤制甲醇過程的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)影響較大。

3 結(jié)語

國(guó)內(nèi)煤制甲醇企業(yè)數(shù)量不斷增多，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，由此帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和事故危害也隨之增大。運(yùn)用層次分析法對(duì)煤制甲醇過程的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能夠?qū)γ褐萍状计髽I(yè)的安全管理及污染物的合理排放提供較為可靠的幫助，使企業(yè)更容易發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中存在的問題，并基于這些問題提出合理的解決措施，對(duì)企業(yè)的綠色、安全生產(chǎn)具有重要意義。

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