電解鋁清潔生產(chǎn)審核中/高費(fèi)方案可行性評(píng)價(jià)研究

李旭華，周長(zhǎng)波*，李君超，沈忱

電解鋁清潔生產(chǎn)審核中/高費(fèi)方案可行性評(píng)價(jià)研究

李旭華1，周長(zhǎng)波1*，李君超2，沈忱1

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院清潔生產(chǎn)中心，北京100012 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院工程設(shè)計(jì)中心，北京100012

針對(duì)電解鋁企業(yè)“能耗高、污染重”的特點(diǎn)，以“節(jié)能、減耗、減污、增效”為主旨，結(jié)合層次分析-模糊判斷（AHPFuzzy）綜合評(píng)價(jià)法，構(gòu)建了電解鋁企業(yè)清潔生產(chǎn)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和綜合評(píng)價(jià)模型，探索AHP-Fuzzy模型在電解鋁企業(yè)清潔生產(chǎn)審核中/高費(fèi)方案可行性分析中應(yīng)用的可行性。結(jié)果表明，AHP-Fuzzy綜合評(píng)價(jià)法可以成功地應(yīng)用于電解鋁企業(yè)清潔生產(chǎn)中/高費(fèi)方案的篩選，篩選出的方案實(shí)施后取得了良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

電解鋁企業(yè)；清潔生產(chǎn)方案；層次分析-模糊分析（AHP-Fuzzy）；可行性評(píng)估

李旭華，周長(zhǎng)波，李君超，等.電解鋁清潔生產(chǎn)審核中/高費(fèi)方案可行性評(píng)價(jià)研究［J］.環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，5（6）：519-524.

LIX H，ZHOU C B，LIJC，et al.Study on scheme feasibility assessment of cleaner production audit in aluminum electrolytic industry［J］.Journal of Environmental Engineering Technology，2015，5（6）：519-524.

受有色金屬行業(yè)迅猛發(fā)展的影響，近年來(lái)我國(guó)電解鋁企業(yè)呈“井噴狀”發(fā)展，產(chǎn)量不斷攀升，2013年產(chǎn)量達(dá)到2 474萬(wàn)t［1-2］，中國(guó)成為全球最大電解鋁生產(chǎn)國(guó)。眾所周知，電解鋁是典型的能源密集型產(chǎn)業(yè)［3］，電力成本占其總成本的45%以上，隨著國(guó)內(nèi)電價(jià)提升，加之行業(yè)過(guò)度擴(kuò)張、無(wú)序發(fā)展等帶來(lái)的產(chǎn)能過(guò)剩問(wèn)題，近幾年鋁冶煉企業(yè)虧損嚴(yán)重。因此，推行清潔生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)“節(jié)能、降耗、減污、增效”，成為電解鋁行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

清潔生產(chǎn)審核是電解鋁企業(yè)推行清潔生產(chǎn)工作的重要抓手和有力武器，方案的可行性分析是清潔生產(chǎn)審核工作的第五階段，目的是對(duì)初步篩選出的中/高費(fèi)方案進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，以確定最佳的、可實(shí)施的方案。該階段是企業(yè)清潔生產(chǎn)審核工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定并影響著后續(xù)階段方案實(shí)施對(duì)企業(yè)改進(jìn)后的清潔生產(chǎn)水平和可持續(xù)發(fā)展的態(tài)勢(shì)，企業(yè)決策者必須從中選擇出最優(yōu)的方案，其涉及到一個(gè)評(píng)價(jià)排序問(wèn)題［4-5］。而目前對(duì)清潔生產(chǎn)方案的評(píng)價(jià)和選取方法主要是針對(duì)技術(shù)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)三方面的簡(jiǎn)單分析和比較［4-6］，在技術(shù)可行的基礎(chǔ)上并不能有效解決經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益相悖的2種方案的優(yōu)劣，亟需采用多層次、多目標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)方案的整體加以評(píng)價(jià)決策。

筆者以某電解鋁企業(yè)清潔生產(chǎn)審核產(chǎn)生的中/高費(fèi)方案為載體，通過(guò)案例分析探索層次分析-模糊判斷（AHP-Fuzzy）綜合評(píng)價(jià)模型［7-9］在清潔生產(chǎn)中/高費(fèi)方案篩選中的適用性研究，尋找清潔生產(chǎn)審核過(guò)程中對(duì)中/高費(fèi)方案的選擇更具有科學(xué)性和客觀(guān)性的評(píng)價(jià)方法，以利于領(lǐng)導(dǎo)者和決策層科學(xué)選取率先實(shí)施的清潔生產(chǎn)方案。

1　評(píng)價(jià)方案

1.1評(píng)價(jià)方法

層次分析方法（AHP）是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T.L. Saaty于20世紀(jì)70年代提出的。該方法以1～9標(biāo)度構(gòu)造判斷矩陣，不符合人為主觀(guān)判斷不精確性和模糊性的特性，1983年P(guān).J.M.Van Laarhoven等［10］提出利用三角模糊數(shù)表示模糊成對(duì)比較矩陣，實(shí)現(xiàn)把AHP拓展為模糊AHP，即AHP-Fuzzy。1985年J.J.Buckley又將其進(jìn)一步優(yōu)化完善，將一致性的概念轉(zhuǎn)化到模糊矩陣中［11］。AHP-Fuzzy綜合評(píng)價(jià)法使定性與定量相結(jié)合，以確定多指標(biāo)、多因素、多數(shù)據(jù)的決策，利用較少的定量信息把決策者的決策思維過(guò)程數(shù)學(xué)化，實(shí)現(xiàn)了不同角度優(yōu)化一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行決策分析、預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)的目的。AHPFuzzy綜合評(píng)價(jià)流程見(jiàn)圖1。

圖1　AHP-Fuzzy綜合評(píng)價(jià)流程Fig.1　Flow chart of AHP-Fuzzy comprehensive assessment

1.2待評(píng)價(jià)方案

在寧夏回族自治區(qū)某電解鋁企業(yè)全廠(chǎng)范圍內(nèi)開(kāi)展企業(yè)清潔生產(chǎn)審核工作。審核工作于2013年3月正式啟動(dòng)，歷時(shí)9個(gè)月，通過(guò)清潔生產(chǎn)審核，共提出了清潔生產(chǎn)中/高費(fèi)方案4項(xiàng)，具體方案為：空壓機(jī)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)改造、凈化風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)改造、電解槽罩板底部加裝絕緣磚改造和電解槽集氣罩板更換（表1）。

表1　清潔生產(chǎn)中/高費(fèi)方案匯總Table 1　The summary table of cleaner production scheme

利用AHP-Fuzzy綜合評(píng)價(jià)法對(duì)上述4項(xiàng)清潔生產(chǎn)中/高費(fèi)方案可行性?xún)?yōu)劣進(jìn)行排序，為企業(yè)決策者方案篩選實(shí)施提供依據(jù)。

2　評(píng)價(jià)與結(jié)果

2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

清潔生產(chǎn)方案優(yōu)選是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，指標(biāo)體系構(gòu)建的合理與否直接關(guān)系著評(píng)價(jià)結(jié)果的優(yōu)劣［12］。筆者構(gòu)建的遞階層次結(jié)構(gòu)包括總目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、評(píng)價(jià)指標(biāo)層和方案層4個(gè)層次［13］。在參考了相關(guān)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)并結(jié)合清潔生產(chǎn)審核方法學(xué)要求的基礎(chǔ)上［4，14-16］，選取技術(shù)可行性、環(huán)境可行性、經(jīng)濟(jì)可行性3個(gè)一級(jí)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則層，從上述3個(gè)指標(biāo)出發(fā)結(jié)合電解鋁企業(yè)實(shí)際情況綜合考慮以13個(gè)二級(jí)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)層，其中技術(shù)可行性指標(biāo)主要從技術(shù)成熟性、技術(shù)先進(jìn)性、技術(shù)適用性、與國(guó)家相關(guān)技術(shù)政策相符性、現(xiàn)有公用工程配套程度等方面評(píng)價(jià)；環(huán)境可行性指標(biāo)主要從三廢削減量、噸產(chǎn)品電耗減少量、噸產(chǎn)品水耗減少量、噸產(chǎn)品原輔材料減少量等方面評(píng)價(jià)；經(jīng)濟(jì)可行性指標(biāo)主要從單位污染處理費(fèi)用、廢物資源化利用效益、排污費(fèi)減少額、總投資費(fèi)用等方面評(píng)價(jià)；審核中不同中/高費(fèi)方案作為方案層。根據(jù)上述設(shè)計(jì)構(gòu)建了4級(jí)結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（表2）。

表2　電解鋁清潔生產(chǎn)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 2　The step up hierarchy chart of cleaner production schemes

2.2構(gòu)建判斷矩陣

依據(jù)AHP法原理和程序，對(duì)同層次各指標(biāo)兩兩重要性比較，比較結(jié)果根據(jù)T.L.Satty［17］提出的1～9比率標(biāo)度表列出，標(biāo)度結(jié)果組成各層次n×n階判斷矩陣（R=（rij）），得到4組判斷矩陣（RA、RB1、RB2、RB3）。

2.3一致性檢驗(yàn)

判斷矩陣元素是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷確定標(biāo)度值來(lái)定的，具有片面性。為了防止這種片面性導(dǎo)致的錯(cuò)誤，需要對(duì)層次排序進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

2.3.1層次單排序和一致性檢驗(yàn)

層次單排序是根據(jù)判斷矩陣計(jì)算某一層上各指標(biāo)對(duì)其上層指標(biāo)相對(duì)重要性的權(quán)重，即計(jì)算判斷矩陣的最大特征值和特征向量問(wèn)題。文中采用和積法（ANC）［18］計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重歸一化處理后再進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

2.3.1.1歸一化

將判斷矩陣RA的每一列元素通過(guò)作歸一化處理得到：

2.3.1.2求特征向量

將每一列經(jīng)歸一化處理后的判斷矩陣按行相加，所得值除以該列所有值的和即得所求的特征向量W=（w1，w2，…，wn）T。得出矩陣RA的特征向量為：

同理，可得矩陣RB1、RB2、RB3的特征向量。

WB1=（0.263 6，0.477 2，0.053 2，0.098 8，0.107 2）T

WB2=（0.088 5，0.426 6，0.342 7，0.142 2）T

WB3=（0.153 0，0.239 5，0.521 5，0.086 0）T

2.3.1.3求最大特征根

同理，可得矩陣RB1、RB2、RB3的最大特征根分別為5.091 0、4.154 9和4.059 1。

2.3.1.4一致性檢驗(yàn)

AHP法規(guī)定，當(dāng)隨機(jī)一致性比率（CR）小于0.10，判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)，否則，就需要重新做出判斷。CR的計(jì)算公式為：

式中：CI為一致性指標(biāo)；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，可根據(jù)表3查得。

表3　RI取值Table 3　The value of RI

計(jì)算所得權(quán)重值和一致性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　一致性檢驗(yàn)結(jié)果Table 4　The result of consistency check up

由表4可知，4個(gè)判斷矩陣均通過(guò)一致性檢驗(yàn)，表明構(gòu)造的判斷矩陣不需要調(diào)整。

2.3.2層次總排序及一致性檢驗(yàn)

根據(jù)2.3.1.2節(jié)特征向量及一致性檢驗(yàn)結(jié)果（表4）進(jìn)行指標(biāo)層權(quán)重分配（表5）。根據(jù)指標(biāo)層所有因素重要性的權(quán)重得到層次總排序。

表5　指標(biāo)層權(quán)重分配Table 5　Weight distribution of indexs

根據(jù)式（1）和（2）及表3進(jìn)行層次總排序隨機(jī)一致性比率（CRc）計(jì)算可得，CIc為0.040 3，RIc為0.923 1；根據(jù)式（1）計(jì)算可得，CRc為0.043 7＜0.10。

因此，總排序權(quán)重值通過(guò)一致性檢驗(yàn)，完全可以用于進(jìn)行電解鋁企業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)方案的綜合評(píng)價(jià)。

2.4清潔生產(chǎn)方案隸屬度確定

對(duì)上述4項(xiàng)清潔生產(chǎn)中/高費(fèi)方案的隸屬度采用專(zhuān)家咨詢(xún)打分的方式來(lái)確定。專(zhuān)家組由權(quán)威性機(jī)構(gòu)的專(zhuān)家及企業(yè)相關(guān)人員等組成，共10人。咨詢(xún)專(zhuān)家對(duì)咨詢(xún)表中每個(gè)備選清潔生產(chǎn)方案進(jìn)行唯一對(duì)應(yīng)結(jié)果的選擇，然后統(tǒng)計(jì)人員選擇結(jié)果概率，以此作為該要素的隸屬度。確定評(píng)價(jià)標(biāo)語(yǔ)集“很好、較好、一般、較差、很差”。各方案的隸屬度見(jiàn)表6。

表6　方案隸屬度統(tǒng)計(jì)表Table 6　The statistics of schemes subjection

2.5模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

從表7的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，4個(gè)方案優(yōu)劣排序?yàn)镕03＞F04＞F02＞F01，該結(jié)果與沈忱等［1］的研究結(jié)果一致?？紤]到企業(yè)方案實(shí)施中受資金籌措、人員配置、設(shè)備選型等因素制約，建議根據(jù)優(yōu)劣排序分步實(shí)施4個(gè)方案，先實(shí)施F03號(hào)方案，再利用方案實(shí)施后的收益作為F04號(hào)方案的啟動(dòng)資金，以此類(lèi)推使方案滾動(dòng)實(shí)施。

表7　方案模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Table 7　The result of schemes fuzzy comprehensive assessment

3　清潔生產(chǎn)方案實(shí)施績(jī)效分析

根據(jù)審核小組建議方案，該企業(yè)于2013年11月首先完成對(duì)電解車(chē)間直型集氣罩板的改造，F(xiàn)04方案已列入2015年技改計(jì)劃。通過(guò)調(diào)研、實(shí)測(cè)和計(jì)算等方法，依據(jù)企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)、計(jì)量數(shù)據(jù)和成本核算數(shù)據(jù)，審核小組對(duì)方案實(shí)施效果進(jìn)行了跟蹤、統(tǒng)計(jì)。方案實(shí)施前，企業(yè)電解槽直型集氣罩板密閉性差，側(cè)門(mén)存在漏洞/縫，煙氣無(wú)組織排放情況嚴(yán)重，使原料氟化鹽和氧化鋁回收率較低。企業(yè)投資1 128萬(wàn)元完成直型集氣罩板改造為彎型集氣罩板后，大大提升電解集氣效率，降低車(chē)間內(nèi)電解煙氣的無(wú)組織排放和氧化鋁單耗，為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益349萬(wàn)元/a，預(yù)計(jì)約3.2 a企業(yè)可收回成本（圖2）。

圖2　集氣罩板更換前后對(duì)比Fig.2　The comparison chart of gas cover replacement

4　結(jié)語(yǔ)

層次分析-模糊判斷（AHP-Fuzzy）綜合評(píng)價(jià)法適用于電解鋁企業(yè)清潔生產(chǎn)中/高費(fèi)方案可行性分析研究；該體系可以有效地對(duì)各方案的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，能夠較為準(zhǔn)確地反映各指標(biāo)的清潔生產(chǎn)水平，幫助企業(yè)篩選出電解槽集氣罩板更換（F03）方案為優(yōu)先實(shí)施的清潔生產(chǎn)方案。方案實(shí)施后，一方面基本消除了企業(yè)電解車(chē)間煙氣的無(wú)組織排放，提升了集氣效率，有效改善了車(chē)間環(huán)境質(zhì)量和工人操作環(huán)境，環(huán)境效益顯著；另一方面，由于降低了氧化鋁單耗，為企業(yè)帶來(lái)349萬(wàn)元/a的經(jīng)濟(jì)效益?？梢?jiàn)，綜合評(píng)估結(jié)果與方案運(yùn)行結(jié)果吻合，符合《清潔生產(chǎn)審核手冊(cè)》中清潔生產(chǎn)方案實(shí)施方案的要求，即方案在技術(shù)上先進(jìn)適用、在經(jīng)濟(jì)上合理有利，又能預(yù)防污染，從而保護(hù)環(huán)境。

［1］沈忱，周長(zhǎng)波，李旭華，等.電解鋁行業(yè)清潔生產(chǎn)案例分析及推行建議［J］.環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，4（3）：237-242.

［2］劉大鈞，汪家權(quán).我國(guó)電解鋁行業(yè)現(xiàn)狀分析及環(huán)保優(yōu)化發(fā)展的對(duì)策建議［J］.輕金屬，2014（9）：9-13.

［3］肖序，萬(wàn)紅艷.技術(shù)進(jìn)步對(duì)中國(guó)電解鋁能源消費(fèi)回彈效應(yīng)的影響：基于二級(jí)鑲嵌式 CES函數(shù)的實(shí)證研究［J］.中國(guó)人口·資源與環(huán)境，2012，22（10）：144-150.

［4］環(huán)境保護(hù)部清潔生產(chǎn)中心.清潔生產(chǎn)審核手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)環(huán)境出版社，2015：42-46.

［5］劉啟承.灰色關(guān)聯(lián)度分析法在清潔生產(chǎn)方案研制過(guò)程中的應(yīng)用［D］.重慶：重慶大學(xué)，2007：45-49.

［6］張曉旭，張蕓，李金花，等.基于DEA的水泥脫硝清潔生產(chǎn)方案可行性評(píng)價(jià)［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2015，38（1）：164-169.

［7］BüYüK?ZKAN G，CIFCIG，GüLERYüZ S.Strategic analysis of healthcare service quality using fuzzy AHP methodology［J］. Expert Systems with Applications，2011，38（8）：9407-9424.

［8］趙瑩，金慧，陳慶紅，等.AHP-Fuzzy綜合評(píng)價(jià)法在食用植物油工業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.長(zhǎng)春師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，32（6）：87-91.

［9］朱美，黃占斌.AHP-Fuzzy綜合評(píng)價(jià)法在燃料乙醇行業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.城市環(huán)境與城市生態(tài)，2014，27（4）：43-46.

［10］Van LAARHOVEN P JM，PEDRYCZW.A fuzzy extension of Saaty's priority theory［J］.Fuzzy Setsand Systems，1983，11（1/ 2/3）：199-227.

［11］BUCKLEY J J.Fuzzy hierarchical analysis［J］.Fuzzy Sets and Systems，1985，17（3）：233-247.

［12］ ALWAER H，CLEMENTS-CROOME D J.Key performance indicators（KPIs）and priority setting in using multi-attribute approach for assessing sustainable intelligent buildings［J］. Building and Environment，2010，45：799-807.

［13］黃羽，劉大銀，董俊，等.AHP-Fuzzy綜合評(píng)價(jià)法優(yōu)選清潔生產(chǎn)方案：以湖北某氮肥廠(chǎng)方案優(yōu)選為例［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（2）：58-61.

［14］ TSENGM L，LIN Y H，CHIU A S F.Fuzzy AHP-based study of cleaner production implementation in Taiwan PWB manufacturer［J］.Journal of Cleaner Production，2009，17：1249-1256.

［15］張雁飛，崔兆杰，王曉菲，等.煉油工業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立及應(yīng)用［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2013，43（4）：99-104.

［16］李佳，張一敏，劉濤.石煤提釩行業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)方法研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2013，36（8）：200-205.

［17］SAATY T L.The analytieal hierarehy process［M］.New York：Me Graw Hill，1980：1-85.

［18］王連芬，許樹(shù)柏.層次分析法引論［M］.北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，1990：89-90.○

Study on Scheme Feasibility Assessment of Cleaner Production Audit in A lum inum Electrolytic Industry

LIXu-hua1，ZHOU Chang-bo1，LI Jun-chao2，SHEN Chen1
1.China National Cleaner Production Center，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China 2.Center for Environmental Engineering Design，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

According to the characteristics of"high energy consumption，heavy pollution"of aluminum electrolytic industry，with"energy saving，consumption reducing，pollution decreasing and benefit increasing"as the dominant purpose，the evaluation index system for cleaner production scheme in aluminum electrolytic industry was constructed by combing with AHP-Fuzzy comprehensive evaluation method，and the feasibility of the comprehensive evaluation model to be used in the evaluation of cleaner production scheme in this industry was explored.It shows that AHP-FUZZY comprehensive evaluation method can be successfully applied in screening cleaner production high-andmiddle-cost schemes in aluminum electrolytic industry，and the good economic，social and environmental benefits could be realized by implementation of the schemes screened out.

aluminum electrolytic industry；cleaner production schemes；AHP-Fuzzy；feasibility evaluation

X38

1674-991X（2015）06-0519-06doi：10.3969/j.issn.1674-991X.2015.06.081

2015-06-05

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)（2013ZX07503-001）

李旭華（1980—），女，副研究員，博士，主要從事清潔生產(chǎn)審核及方法學(xué)研究，lixh@craes.org.cn

周長(zhǎng)波（1973—），男，研究員，博士后，主要從事清潔生產(chǎn)研究，zhoubc@craes.org.cn