基于層次分析法的電解鋅廢渣資源化技術(shù)評(píng)價(jià)

肖宇凡,張建強(qiáng),周 楊,何 楊

(西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川 成都 611756)

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工業(yè)危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生量逐年增加，根據(jù)《全國大、中城市固體廢物污染環(huán)境防治年報(bào)》，2019年我國大、中城市危險(xiǎn)廢物產(chǎn)生量為46.43 Mt，同比增長(zhǎng)15.78%，作為主要處理途徑的綜合利用量占43.7%。根據(jù)《國家危險(xiǎn)廢物名錄》，電解鋅行業(yè)所產(chǎn)生的浸出渣（簡(jiǎn)稱電鋅廢渣）屬于危險(xiǎn)固體廢物［1］。目前，國內(nèi)大部分鋅冶煉廠及相關(guān)危險(xiǎn)廢物處理處置企業(yè)多采用回轉(zhuǎn)窯設(shè)備處理危險(xiǎn)固體廢物［1-3］，電鋅廢渣回轉(zhuǎn)窯資源化受到原料、窯溫、還原劑、含氧量等多種因素的影響［4］，類比鉛、鐵金屬冶煉工藝評(píng)價(jià)，其資源化效果評(píng)價(jià)涉及生產(chǎn)運(yùn)行與節(jié)能環(huán)保等多個(gè)方面［5］，目前卻尚未見報(bào)道。許曉芳等［6］采用層次分析法（AHP）對(duì)醫(yī)療廢物處置技術(shù)進(jìn)行了評(píng)價(jià)［7］。但AHP過于依賴專家評(píng)價(jià)打分，主觀性過強(qiáng)，容易出現(xiàn)偏差［8-12］，而主成分分析法（PCA）可通過電鋅廢渣回轉(zhuǎn)窯資源化運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化AHP的專家評(píng)分過程。BHANU等［13］采用PCA進(jìn)行煤礦區(qū)大氣污染評(píng)價(jià)，確定了主要污染物PM10和O3等的來源分布及污染物排放、形成與擴(kuò)散機(jī)制。EKOSSE等［14］將PCA用于研究高嶺土礦床中主要元素的空間變化，建立了高嶺土化學(xué)成分變化最大的主要元素的固有特征屬性，利用PCA從復(fù)雜指標(biāo)中提取AHP構(gòu)建中的準(zhǔn)則層［15］。

本文將PCA與AHP相結(jié)合，采用PCA-AHP法建立了電鋅廢渣回轉(zhuǎn)窯資源化指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，獲得了運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)、資源化指標(biāo)以及污染指標(biāo)的占比數(shù)據(jù)，為電鋅廢渣資源化效果評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)收集與分析方法

1.1 數(shù)據(jù)處理與收集

采用回轉(zhuǎn)窯處理電鋅廢渣的工藝主要包括配料喂料、反應(yīng)揮發(fā)、尾氣處理、窯渣處理4個(gè)單元［16］，工藝流程見圖1。

圖1 回轉(zhuǎn)窯工藝流程圖

1.2 系統(tǒng)層次邊界的確定

電鋅廢渣回轉(zhuǎn)窯資源化技術(shù)指標(biāo)層主要以鋅資源化率、焦比、副產(chǎn)品產(chǎn)率、電鋅廢渣含水率、TSP（總懸浮顆粒物）污染指數(shù)、SO2污染指數(shù)、鉛及其化合物污染指數(shù)、NOx污染指數(shù)、單位能耗為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，系統(tǒng)層次邊界見圖2，指標(biāo)定義見表1。

圖2 系統(tǒng)層次邊界

基于表1中的運(yùn)行指標(biāo)，采用PCA進(jìn)行降維、簡(jiǎn)化、重組為一組無相關(guān)的新指標(biāo)，將高維輸入向量轉(zhuǎn)化為低維輸入向量［17-19］，提取特征值大于1的成分［20］，進(jìn)而建立系統(tǒng)層次，指標(biāo)與主成分間的聯(lián)系的絕對(duì)值越大，聯(lián)系越緊密［21］。模型公式見式（1）［22-23］。

式中，a1i，a2i，…，aki為判斷矩陣X=（x1，x2，…，xk）的協(xié)方差的特征值，X1'，X2'，…，Xk'是原始變量經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的值，F(xiàn)i為第i個(gè)主成分。

1.3 判斷矩陣構(gòu)建與一致性檢驗(yàn)

通過成分得分系數(shù)矩陣，定義各元素得分系數(shù)為Pi，Pj。通過得分系數(shù)差值矩陣B，判斷兩個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要程度［24］，詳見式（2）和式（3），矩陣判斷標(biāo)度見表2。

式中：當(dāng)bij>0時(shí)，Pi比Pj重要；bij=0時(shí)，Pi與Pj一樣重要；當(dāng)bij<0時(shí)，Pj比Pi重要。

當(dāng)α計(jì)算得分為負(fù)時(shí)，則標(biāo)度為正標(biāo)度的倒數(shù)。

采用式（4）和式（5）對(duì)得出的判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征根；n為判斷矩陣階數(shù)；RC為隨機(jī)一致性比率，IC為一致性指標(biāo)；IR為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，IR的取值見表3。當(dāng)n=9時(shí)，IR取1.49。

通過一致性檢驗(yàn)的判斷矩陣X，歸一化后的得分矩陣C行向量之和與得分總和之比為指標(biāo)權(quán)重Pci。詳見式（6）。

表1 指標(biāo)定義

表2 優(yōu)化標(biāo)度含義及其計(jì)算公式

表3 IR的取值

2 結(jié)果與討論

2.1 電鋅廢渣回轉(zhuǎn)窯資源化特征

回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行指標(biāo)變化特征見圖3，鋅資源化率約在60%~75%（7月除外），電鋅廢渣含水率處于25%~35%，焦比控制在50%~70%［25-26］，說明進(jìn)窯物料與還原劑處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。除7月外，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，單位能耗穩(wěn)定，副產(chǎn)品產(chǎn)率處于33.9%~47.7%，波動(dòng)不大，這說明該回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)范圍在同類型企業(yè)中具有一定的代表性［27］。

另外，污染物排放是另一項(xiàng)重要的限制性因素。該企業(yè)的4種污染指數(shù)見圖4。

圖3 回轉(zhuǎn)窯運(yùn)行指標(biāo)變化特征

其中SO2污染指數(shù)和氮氧化物污染物指數(shù)達(dá)到相關(guān)限值要求；TSP污染指數(shù)幾乎完全超標(biāo)，這是由于有色金屬在高爐冶煉過程中產(chǎn)生的廢渣在進(jìn)行水淬后其物理特性會(huì)發(fā)生一定的變化形成顆粒物［28］；鉛及其化合物污染指數(shù)部分超標(biāo)，但超標(biāo)數(shù)量未超過均值與中位值，超標(biāo)的污染物中鉛及其化合物的污染指數(shù)中位線低于標(biāo)準(zhǔn)線，TSP污染指數(shù)的下線也低于標(biāo)準(zhǔn)線，證明企業(yè)能夠通過生產(chǎn)運(yùn)行管理手段來降低污染物的排放濃度。

圖4 污染指數(shù)

2.2 層次構(gòu)建與權(quán)重計(jì)算

采用PCA在9個(gè)指標(biāo)MC、CK、BR、EC、ZU、Pb、TSP、SO2、NOx中提取主成分，其中ZU與MC均涉及主要原料（電鋅廢渣）與主要產(chǎn)品，二者對(duì)電鋅廢渣回轉(zhuǎn)窯資源化具有重要影響，因此將二者合并為資源化參數(shù)指標(biāo)（RPI）。CK，BR，EC均為生產(chǎn)運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)，其中CK作為回轉(zhuǎn)窯冶煉工藝主要的還原劑與熱能來源，對(duì)整體工藝的運(yùn)行具有決定作用；BR可預(yù)示煙氣脫硫的能力，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值；EC可表征工藝的清潔生產(chǎn)能力，三者可代表電鋅廢渣回轉(zhuǎn)窯資源化的運(yùn)行能力，可定義為運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)（OPI）。Pb，TSP，SO2，NOx均屬于環(huán)境污染監(jiān)測(cè)指標(biāo)，可識(shí)別為污染指標(biāo)（PI）。綜上所述，電鋅廢渣資源化評(píng)價(jià)指標(biāo)層次見圖5。

圖5 電鋅廢渣資源化評(píng)價(jià)指標(biāo)層次模型

根據(jù)式（1）~式（3）通過差值法構(gòu)建判斷矩陣，RC值為0.001 6<0.10，證明判斷矩陣具有一致性，構(gòu)建分配合理［29］。通過式（6）計(jì)算二、三級(jí)指標(biāo)權(quán)重，詳見表4。其中OPI占比35.06%，RPI占比26.22%，PI占比38.72%，PI占比最高，其次為OPI，RPI最弱。然而，3個(gè)二級(jí)指標(biāo)權(quán)重的差異并不明顯，說明三者在該評(píng)價(jià)體系中的貢獻(xiàn)相對(duì)分散，但3個(gè)二級(jí)指標(biāo)下的三級(jí)指標(biāo)中的貢獻(xiàn)則相對(duì)集中，其中，CK、ZU和TSP分別對(duì)準(zhǔn)則層的貢獻(xiàn)率高達(dá)73.10%、91.04%和69.24%，遠(yuǎn)高于同類的其他三級(jí)指標(biāo)。CK作為電鋅廢渣回轉(zhuǎn)窯資源化工藝中最核心的參數(shù)［30］，其反映的還原能力關(guān)系到氧化鋅的產(chǎn)量，鋅的揮發(fā)量隨焦粉增加而顯著增加［31］。在回轉(zhuǎn)窯處理生活垃圾時(shí)，CK對(duì)回轉(zhuǎn)窯處理效率也是至關(guān)重要的［32］。而ZU作為電鋅廢渣資源化能力的指示性指標(biāo)在指標(biāo)體系整體中權(quán)重較高（23.87%），對(duì)于RPI也具有絕對(duì)的貢獻(xiàn)（91.04%），既體現(xiàn)了回轉(zhuǎn)窯資源化能力，也表征了產(chǎn)品的產(chǎn)率，是工礦企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。作為污染指標(biāo)中占比最高的指標(biāo)，TSP是目前企業(yè)較難控制的污染物，因?yàn)槠淇刂菩逝c粒徑大小相關(guān)，現(xiàn)有的除塵系統(tǒng)對(duì)粗顆粒的控制明顯優(yōu)于細(xì)顆粒［33］。

表4 各指標(biāo)權(quán)重一覽表

2.3 模型驗(yàn)證與實(shí)例分析

近年來，回轉(zhuǎn)窯富氧技術(shù)受到關(guān)注，隨著供風(fēng)氧濃度的提高，產(chǎn)品次氧化鋅中的含鋅量有所提高，供風(fēng)中O2體積分?jǐn)?shù)升至29%，鋅回收率提高10.6%［34］。采用文中構(gòu)建的指標(biāo)體系對(duì)四川某電鋅廢渣回轉(zhuǎn)窯工藝調(diào)整前（BPA）及富氧工藝調(diào)整后（APA）的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，各組分權(quán)重及得分見表5。

由表5可見，經(jīng)工藝調(diào)整后，電鋅廢渣回轉(zhuǎn)窯資源化水平有小幅度提升，而BPA與APA的差異主要集中在RPI中，經(jīng)工藝調(diào)整后，APA得分是BPA的2倍多；OPI中APA得分有小幅度提高；工藝調(diào)整后，對(duì)氣態(tài)污染物的控制能力有所提升，脫硫效果提升顯著，但對(duì)NOx的控制卻影響不大；對(duì)于顆粒污染物Pb，APA得分明顯下降；對(duì)于TSP，得分基本持平。BPA組電鋅廢渣Pb含量約為4.50%，而APA組Pb含量約為4.67%，略高于BPA組，原料中的Pb品位差異可能是導(dǎo)致煙氣中鉛及其化合物得分變異的主要原因。TSP得分基本持平，工藝提升并沒有有效控制TSP，可能與污染控制設(shè)備的處理效率有關(guān)，以較低標(biāo)準(zhǔn)為排放限值設(shè)計(jì)的尾氣處理設(shè)備很難滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表5 實(shí)例分析各組得分情況

3 結(jié)論

a）在一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)進(jìn)窯物料及運(yùn)行指標(biāo)穩(wěn)定且具代表性，污染物排放是電鋅廢渣資源化的主要限制性因素。

b）電鋅廢渣回轉(zhuǎn)窯資源化評(píng)價(jià)指標(biāo)被歸納為運(yùn)行指標(biāo)、資源化指標(biāo)及污染指標(biāo)，且權(quán)重分別為35.06%，26.22%和38.72%，其中，焦比、鋅資源化率及TSP污染指數(shù)總計(jì)權(quán)重為76.31%，對(duì)回轉(zhuǎn)窯資源化運(yùn)行評(píng)價(jià)具有重要意義。

c）通過實(shí)例分析，基于PCA-AHP構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可適用于電鋅廢渣回轉(zhuǎn)窯資源化企業(yè)，且通過工藝調(diào)整可提升電鋅廢渣資源化水平。