燃煤電廠水分與余熱回收系統(tǒng)工藝方案及模糊評(píng)價(jià)

馬雙忱，武凱，孫堯，劉暢，邢浩若

（華北電力大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，河北保定071003）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)各類水污染治理力度加強(qiáng)，電力行業(yè)水處理問(wèn)題受到廣泛關(guān)注，濕法脫硫系統(tǒng)出口高濕煙氣的水分和余熱資源化利用是燃煤電廠節(jié)水降耗的重點(diǎn)研究方向之一。褐煤燃燒排放的煙氣中水蒸氣體積分?jǐn)?shù)高達(dá)13%［1］，濕法脫硫后的煙氣甚至?xí)_(dá)到濕飽和狀態(tài)，若煙氣中20%的水蒸氣被捕集，則燃煤電廠就可實(shí)現(xiàn)水資源的自給自足，從而大大提高燃煤電廠的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，煙氣水分蒸發(fā)導(dǎo)致的余熱損失占鍋爐熱損失的60%～70%，通常情況下，鍋爐排煙溫度每升高10 ℃，排煙損失增加0.6%～0.7%，會(huì)導(dǎo)致鍋爐標(biāo)準(zhǔn)煤耗上升3～4 g∕（kW·h）［2］。此外，濕飽和煙氣與環(huán)境空氣接觸后會(huì)導(dǎo)致濕煙羽現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的視覺(jué)污染。我國(guó)部分城市關(guān)于濕煙羽治理的相關(guān)政策已陸續(xù)出臺(tái)：2017年上海市要求排放煙氣溫度需達(dá)到75 ℃以上，冬季或重度污染天氣時(shí)應(yīng)達(dá)到78 ℃以上；河北省唐山市規(guī)定，若采取降溫冷凝的方法控制煙溫，正常工況下夏季冷凝后煙氣溫度應(yīng)在48 ℃以下，煙氣中水的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)在11.0%以下，冬季冷凝后煙溫應(yīng)在45 ℃以下，煙氣中水的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)在9.5%以下［3］。

綜上所述，煙氣中的水分回收和余熱利用存在巨大的節(jié)能降耗潛力，適度降低排煙溫度并回收煙氣中的水分和余熱，有利于節(jié)能減排，促進(jìn)環(huán)境友好型社會(huì)發(fā)展。對(duì)燃煤電廠來(lái)說(shuō)，選擇兼具環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性的水分和余熱回收工藝是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)方法可以為電廠決策提供科學(xué)的依據(jù)，而構(gòu)建數(shù)學(xué)綜合評(píng)價(jià)模型可應(yīng)用于不同環(huán)保工藝的技術(shù)評(píng)價(jià)［4］。黃新元［5］、謝磊等［6］建立了適用于火電機(jī)組低壓省煤器系統(tǒng)的數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，為工藝方案的選擇提供參考。傅強(qiáng)等［7］基于層次分析法對(duì)不同管網(wǎng)供熱系統(tǒng)構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，為系統(tǒng)故障分析提供依據(jù)。

由于電廠水分和余熱回收系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備的布局設(shè)計(jì)是涉及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多因素、多目標(biāo)的復(fù)雜問(wèn)題，且具體評(píng)價(jià)指標(biāo)既要定量又要定性，故本文在基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)研數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬計(jì)算，使用模糊層次分析（Fuzzy Analytical Hierarchy Process，F(xiàn)AHP）模型，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行維護(hù)等因素，對(duì)煙氣水分和余熱回收技術(shù)進(jìn)行多指標(biāo)、多層次的綜合分析，為電廠消除白色煙羽、回收煙氣余熱和協(xié)同治理廢水零排放等關(guān)鍵設(shè)備工藝方案的評(píng)價(jià)提供參考。

1 評(píng)價(jià)對(duì)象

本文結(jié)合示范電廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行維護(hù)等因素，對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的不同層次評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行科學(xué)處理，建立一套較為實(shí)用且具針對(duì)性的分析評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合分析。

評(píng)價(jià)對(duì)象為3種余熱和水分回收系統(tǒng)的工藝方案。方案T1為已有的冷凝法煙氣水分回收+機(jī)械蒸汽再壓縮（Mechanical Vapor Recompression，MVR）廢水處理工藝。脫硫塔后煙氣經(jīng)循環(huán)噴淋冷卻實(shí)現(xiàn)余熱利用和冷卻水回用；脫硫廢水經(jīng)過(guò)預(yù)處理、蒸發(fā)和濃縮工藝實(shí)現(xiàn)回用，工藝流程如圖1 所示。該工藝存在排煙溫度較低、余熱利用效率較低和不能滿足“零排放”要求等問(wèn)題。

圖1 冷凝法煙氣水分回收+MVR廢水處理流程Fig.1 Condensation flue gas moisture recovery+MVR wastewater treatment process

方案T2為基于案例電廠綜合限制條件在方案T1基礎(chǔ)上改進(jìn)的工藝系統(tǒng)，為噴淋冷卻法煙氣水分回收+廢水煙道蒸發(fā)處理工藝。脫硫塔前后加裝間壁式換熱設(shè)備，且采用煙道蒸發(fā)方式處理廢水，在降低工程造價(jià)和改裝費(fèi)用［8］的同時(shí)提升了余熱利用效率和綜合運(yùn)行效益，工藝流程如圖2所示。

相比方案T1和方案T2的工藝系統(tǒng)，方案T3為基于改性膜組件回收煙氣水分與余熱的膜法工藝和低溫?zé)煔鉂饪s耦合閃蒸的脫硫廢水零排放工藝的集成設(shè)計(jì)方案。其工藝系統(tǒng)為膜法煙氣水分回收+煙道擴(kuò)容濃縮+閃蒸+熱膜蒸餾系統(tǒng)。基于脫硫塔前后煙氣特性和冷卻水側(cè)運(yùn)行參數(shù)的分析，在脫硫塔前后分別加裝膜組件集成設(shè)備，用于回收煙氣水分及余熱；廢水經(jīng)霧化與電除塵器后的低溫?zé)煔庵苯咏佑|進(jìn)行熱量交換，并經(jīng)循環(huán)濃縮后通過(guò)膜分離系統(tǒng)過(guò)濾分離，濾液重新返回濃縮池，結(jié)晶混鹽外運(yùn)，從而實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的零排放，為理論設(shè)計(jì)優(yōu)選方案，工藝流程如圖3所示。

圖2 噴淋冷卻法煙氣水分回收+廢水煙道蒸發(fā)處理流程Fig.2 Spray-cooled flue gas moisture recovery+wastewater flue evaporation process

圖3 膜法煙氣水分回收+熱膜耦合廢水處理流程Fig.3 Membrane-based flue gas moisture recovery+thermal membrane coupled wastewater treatment process

2 FAHP 綜合評(píng)價(jià)模型

影響電廠水分和余熱回收系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備布置位置的定性指標(biāo)較多，且各指標(biāo)的影響權(quán)重值尚無(wú)法準(zhǔn)確完整給出，只能相對(duì)比較各因素之間的作用強(qiáng)度，故本研究采用層次分析法實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)、多層次的綜合評(píng)價(jià)［9］。對(duì)于3 種設(shè)計(jì)方案，將經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、環(huán)境等特性分解為多層子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并按性質(zhì)和從屬關(guān)系進(jìn)行分類、分組，形成有序的階梯層次結(jié)構(gòu)；對(duì)每種特性同一層次中各子系統(tǒng)進(jìn)行兩兩比較，確定其相對(duì)重要性；用數(shù)學(xué)方法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合排序比較，從而確定最佳布置方案［10］?；痣姀S現(xiàn)有的煙氣水分和余熱回收設(shè)備布置方案設(shè)計(jì)資料較少，信息不完整，專家主觀定性評(píng)價(jià)某些指標(biāo)會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果存在隨意性和局限性，為了提高決策的科學(xué)性和合理性，本文引入FAHP 模型［11］，采用客觀賦權(quán)法建立判斷矩陣，進(jìn)而確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

本研究對(duì)水分和余熱回收工藝設(shè)計(jì)方案采取基于模糊系統(tǒng)理論的層次分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)，是既包含定性分析又包含定量分析的綜合型評(píng)價(jià)，從評(píng)價(jià)目標(biāo)和評(píng)價(jià)最終結(jié)果判斷，屬于相對(duì)評(píng)價(jià)、狹義排序評(píng)價(jià)［12］，其主要步驟如圖4所示。

圖4 多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)主要步驟流程Fig.4 Main steps of the multi-index comprehensive evaluation

2.1 FAHP綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

燃煤電廠水分和余熱回收系統(tǒng)工藝方案的選擇受多種因素影響，在構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)應(yīng)遵從科學(xué)指標(biāo)構(gòu)建原則。在滿足目的性原則、全面性原則、獨(dú)立性原則、可行性原則和針對(duì)性原則［13-14］的基礎(chǔ)上，根據(jù)所評(píng)價(jià)工藝方案的實(shí)際情況，通過(guò)分解評(píng)價(jià)目標(biāo)、選定分析指標(biāo)、構(gòu)造判斷矩陣、層次單排序和層次總排序5個(gè)步驟計(jì)算各層次構(gòu)成要素對(duì)總目標(biāo)的組合權(quán)重，從而得出不同方案的綜合評(píng)價(jià)值，為選擇最優(yōu)方案提供依據(jù)。

已有的研究［15-18］認(rèn)為，評(píng)價(jià)水分與余熱回收技術(shù)方案的優(yōu)劣時(shí)應(yīng)對(duì)上述3種工藝方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)或影響因素進(jìn)行分層：模糊評(píng)價(jià)結(jié)果為總目標(biāo)層；第1層（指標(biāo)層）包括技術(shù)指標(biāo)B1、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)B2、環(huán)保性指標(biāo)B3和系統(tǒng)適應(yīng)性指標(biāo)B4；第2 層（決策層）包括技術(shù)復(fù)雜性a1、運(yùn)行穩(wěn)定性a2、阻力影響a3、投資成本占電廠總投資比a4、單位水回收成本a5、副產(chǎn)品收益a6、余熱回收量a7、煙氣凝結(jié)水量a8、廢水回收效率a9、回收水的水質(zhì)a10、煙氣多污染物協(xié)同脫除與煙氣消白性能a11、占地面積a12、節(jié)煤效果a13和水平衡影響a14。評(píng)價(jià)體系如圖5所示。

表1 為通過(guò)查閱文獻(xiàn)、調(diào)研案例電廠運(yùn)行參數(shù)和對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行歸納整理后獲得的評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)書(shū)。

表1 3種水分和余熱回收工藝方案不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的客觀評(píng)價(jià)Tab.1 Objective assessment on different evaluation indexes of the three moisture and waste heat recovery process schemes

（1）定性指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。為量化定性指標(biāo)，可將定性指標(biāo)分成優(yōu)、良、中、差、劣5個(gè)等級(jí)，然后按表2的通用賦值標(biāo)準(zhǔn)給出評(píng)定值。

（2）定量指標(biāo)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。定量指標(biāo)同樣需要優(yōu)劣參考標(biāo)度，與定性指標(biāo)一樣由專家給出，但若存在強(qiáng)制性控制指標(biāo)，則優(yōu)先執(zhí)行國(guó)家相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等。定量指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化分級(jí)將為建立比較判斷矩陣提供直觀的數(shù)據(jù)參考，也為3 種待評(píng)價(jià)對(duì)象Ti（i=1，2，3）以及其他類似技術(shù)的優(yōu)劣分級(jí)提供了參考，同時(shí)還為評(píng)價(jià)指標(biāo)ak（k=1，2，3，…，14）對(duì)不同技術(shù)實(shí)例Ti的隸屬度提供了參考范圍。

圖5 水分和余熱回收技術(shù)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.5 Comprehensive evaluation index system for the moisture and waste heat recovery technology

根據(jù)表2、表3 的評(píng)價(jià)指標(biāo)定性和定量標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)，結(jié)合本例中需要綜合排序的3 類工藝方案在正常工況條件下的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值（表1），對(duì)定量評(píng)價(jià)指標(biāo)采用數(shù)據(jù)均值化方法進(jìn)行無(wú)量綱化處理。其中范圍類的定量指標(biāo)量化要依據(jù)以下原則：2 數(shù)值之間取算術(shù)平均值，小于或大于某數(shù)值則取該值。

表2 通用的定性指標(biāo)量化賦值標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Universal quantification and evaluation standard for qualitative indicators

表3 此次評(píng)價(jià)中定量指標(biāo)優(yōu)劣參考標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Quantitative index reference standard for this evaluation

設(shè)有m 種電廠廢水和余熱回收工藝方案，有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，則無(wú)量綱化處理后的數(shù)據(jù)xi(k)為

評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)均值化結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)均值化結(jié)果Tab.4 Equalization results of the evaluation indexes

2.2 構(gòu)建模糊判斷矩陣及其一致性檢驗(yàn)

模糊判斷矩陣是得出綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的矢量矩陣，對(duì)隸屬于同一層級(jí)的指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，依據(jù)各個(gè)元素的相對(duì)重要程度，按表5 所示的標(biāo)度1—9進(jìn)行賦值［19-25］。通過(guò)數(shù)量標(biāo)度法構(gòu)建的模糊判斷矩陣形式為

式中：rij為元素ai和元素aj相對(duì)于元素B 進(jìn)行比較時(shí)，元素ai和元素aj具有模糊關(guān)系“…比…重要得多”的隸屬度。

表5 判斷矩陣元素1—9標(biāo)度法Tab.5 Scaling the judgment matrix elements within 1—9

建立模糊矩陣。

建立模糊矩陣后，對(duì)模糊矩陣進(jìn)行歸一化處理。

經(jīng)歸一化處理的模糊矩陣通常需要檢驗(yàn)其一致性，以保持評(píng)價(jià)者對(duì)多因素評(píng)判邏輯的一致性，使各評(píng)價(jià)之間協(xié)調(diào)一致，而不會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部矛盾的結(jié)果，這也是保證評(píng)價(jià)結(jié)論可靠的必要條件。

一致性指標(biāo)CI（Consistency Index）

式中：λmax為模糊判斷矩陣的最大特征值；n 為判斷矩陣的階數(shù)。

然后按表6 確定平均一致性指標(biāo)RI（Random Index），按公式（4）計(jì)算隨機(jī)一致性比值CR（Consistency Ratio）。

表6 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Tab.6 Averaged random consistency index

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重wi 與最大特征值λmax 的計(jì)算

將已經(jīng)歸一化的模糊一致矩陣按行向量相加，可計(jì)算二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)ai對(duì)應(yīng)的權(quán)重wi為

決策層權(quán)重集計(jì)算結(jié)果為

又由RW=λmaxW，首先計(jì)算判斷矩陣特征向量最大值

根據(jù)上式計(jì)算得到子目標(biāo)層技術(shù)指標(biāo)B1、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)B2、環(huán)保性指標(biāo)B3和系統(tǒng)適應(yīng)性指標(biāo)B4的最大特征值分別為λmax(B1)=3.054，λmax(B2)=3.025，λmax(B3)=5.307，λmax(B4)=3.067。

3 水分和余熱回收工藝方案綜合評(píng)價(jià)

不同工藝方案的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果存在不同的優(yōu)劣權(quán)重值，即評(píng)分原則，因此還需要按層次分析法法則求出每種技術(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)B1（a1，a2，a3），B2（a4，a5，a6），B3（a7，a8，a9，a10，a11），B4（a12，a13，a14）的對(duì)應(yīng)權(quán)重值，計(jì)算過(guò)程與結(jié)果如下。

已知第2 層評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊判斷矩陣形式，根據(jù)表5中標(biāo)度1—9得到關(guān)于總目標(biāo)層A的模糊判斷矩陣

模糊矩陣RA的權(quán)重WA、最大特征根λmax、一致性比值CR的算法同子目標(biāo)層一樣，計(jì)算結(jié)果如下。

計(jì)算結(jié)果小于0.100 0，符合模糊矩陣的一致性檢驗(yàn)。

又已知表4 為3 種工藝方案（T1～T3）、14 項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)（a1～a14）整體水平的標(biāo)準(zhǔn)化表，則分別有矩陣EB1，EB2，EB3和EB4。

列向量DB1，DB2，DB3，DB4代表3種技術(shù)路線不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，有

同理可得

矩陣DA代表3 種技術(shù)在子目標(biāo)層B1，B2，B3和B4的FAHP型綜合評(píng)價(jià)矩陣，因而有

同理，總目標(biāo)層A 的FAHP 型綜合評(píng)價(jià)結(jié)果（3種技術(shù)的綜合優(yōu)劣排序）以公式A=DAWA表示，計(jì)算結(jié)果為：A=[0.567 2，0.763 0，0.782 2]3×1。

綜上所述，可以得出如下結(jié)論。

（1）由 WA=[0.293 2，0.228 3，0.173 5，0.142 6]T可知，燃煤電廠水分和余熱回收利用工藝方案的技術(shù)性能指標(biāo)B1、經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)B2、環(huán)境特性指標(biāo)B3和系統(tǒng)適應(yīng)性指標(biāo)B4的重要性排序?yàn)椋杭夹g(shù)性能指標(biāo)＞經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)＞環(huán)保特性性指標(biāo)＞系統(tǒng)適應(yīng)性指標(biāo)。

（2）由A=[0.567 2，0.763 0，0.782 2]3×1可知，本文選取的3種燃煤電廠水分回收系統(tǒng)布置方案的優(yōu)劣排序?yàn)椋篢3＞T2＞T1，即膜法煙氣水分回收+熱膜耦合廢水處理工藝（T3）優(yōu)于噴淋冷卻法煙氣水分回收+廢水煙道蒸發(fā)處理工藝（T2），優(yōu)于冷凝法煙氣水分回收+MVR廢水處理工藝（T1）。

4 結(jié)論

基于燃煤煙氣中的水分回收和余熱利用技術(shù)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境綜合效益，通過(guò)引入模糊層次分析模型，對(duì)示范電廠的基礎(chǔ)方案、改進(jìn)方案和優(yōu)化方案進(jìn)行評(píng)估。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示了不同影響因素占總評(píng)價(jià)目標(biāo)的權(quán)重值，確定優(yōu)化方案略優(yōu)于噴淋冷卻法煙氣水分回收+廢水煙道蒸發(fā)處理工藝方案，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、技術(shù)、系統(tǒng)適應(yīng)性等因素，這2個(gè)方案均優(yōu)于傳統(tǒng)冷凝法煙氣水分回收+MVR 廢水處理工藝方案。

本文應(yīng)用權(quán)重評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合項(xiàng)目示范電廠具體情況確定了參與評(píng)價(jià)的技術(shù)參數(shù)和權(quán)數(shù)，據(jù)此，對(duì)該電廠推薦膜法煙氣水分回收+熱膜耦合廢水處理的優(yōu)化工藝方案。