基于熵值法的燃煤電站脫硫廢水處理工藝綜合評價

潘好偉，張 亮，鄒 夢，劉 寅，郜 寧，馬 萍

(1.新疆新能集團有限責(zé)任公司 烏魯木齊電力建設(shè)調(diào)試所，新疆 烏魯木齊 830011；2.國網(wǎng)新疆電力有限公司 電力科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830011)

燃煤發(fā)電產(chǎn)業(yè)被認為是二氧化硫等大氣污染物的主要來源。二氧化硫是導(dǎo)致酸雨的主要前驅(qū)物之一[1-4]，因此，對燃煤電廠的環(huán)保要求也日益嚴格。石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)(WFGD)是一項成熟的高效脫硫技術(shù)，目前應(yīng)用最為廣泛，脫硫副產(chǎn)物可作為水泥等建筑材料的有效添加劑；但脫硫漿液循環(huán)濃縮，導(dǎo)致脫硫廢水中所含污染物超標。如何高效經(jīng)濟處理脫硫廢水越來越受重視[5-7]。

目前，脫硫廢水處理技術(shù)有多種，主要有預(yù)處理技術(shù)，蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)及濃縮減量技術(shù)[8-12]。常見的預(yù)處理方法為三聯(lián)箱技術(shù)，即依次通過pH調(diào)節(jié)、沉淀、絮凝去除金屬陽離子，但對于廢水中高濃度Cl-未能去除，同時存在物耗量較大問題。蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)是利用煙氣余熱與廢水進行熱交換，廢水迅速蒸發(fā)結(jié)晶，進而被電除塵器一并捕集。該技術(shù)對系統(tǒng)本身影響較小，但存在下游設(shè)備易結(jié)垢、維護費用高等問題。濃縮減量技術(shù)是通過濃縮法將廢水減量，使后續(xù)處理成本降低。主要分為膜濃縮與熱濃縮。該技術(shù)無需引入大量蒸汽能源，成本較低，同時實現(xiàn)電廠廢熱再利用。因此，對現(xiàn)場實際工程而言，要保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和安全性，需對脫硫廢水處理技術(shù)進行綜合評價，選擇綜合性能較好的技術(shù)。

綜合評價模型是近年發(fā)展起來的。模型以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成原理，將一些邊界不明、不易定量的因素定量化進而進行綜合評價。基于模糊層次法的綜合評價是利用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)中的最大隸屬度原則，根據(jù)不同指標對評價對象的影響程度來分配權(quán)重，并對影響評價對象的各指標因素統(tǒng)一量化，從而對評價對象給出合理的綜合評價。熵值法是一種客觀的賦權(quán)方法，在權(quán)重確定過程中避免了主觀因素的干擾，能夠如實地反映各指標的相對重要程度，從而為多指標綜合評價提供依據(jù)。如果某個指標的熵值越小，說明能提供的有效信息越多，在綜合評價中的作用越大，其權(quán)重應(yīng)該越大；如果某個指標的熵值越大，說明該指標能提供的有效信息越少，在綜合評價中起的作用越小，其權(quán)重也應(yīng)越小。根據(jù)目前國內(nèi)燃煤電廠常見的脫硫廢水處理工藝，確定4類技術(shù)為評價對象并給出綜合評價的優(yōu)劣排序：A1為沉降池+灰場噴灑；A2為三聯(lián)箱技術(shù)；A3為三聯(lián)箱技術(shù)+膜濃縮+蒸發(fā)結(jié)晶；A4為三聯(lián)箱技術(shù)+膜濃縮+主煙道余熱蒸發(fā)干燥。

1 基于熵值法的模糊綜合評價

1.1 評價體系的建立

通過Delphi專家咨詢法征詢熟悉評價對象的13位環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的專家意見，經(jīng)3輪歸納、反饋，形成意見趨于一致的脫硫廢水處理工藝綜合評價體系，如圖1所示。該評價體系可劃分為3層次，以脫硫廢水處理工藝綜合性能為評價目標，共涉及重金屬脫除率、TDS脫除率、COD脫除率、初始投資、單位廢水處理成本、水回用率和占地面積共7個評價指標，方案層共有4種預(yù)選配煤方案。

圖1 脫硫廢水處理工藝綜合評價體系

1.2 相關(guān)性分析

評價體系中的指標應(yīng)遵循獨立性原則，即同層次上的指標不應(yīng)具有包含關(guān)系。因此，對評價因素進行篩選，剔除不需要的指標。采用極大不相關(guān)法進行評價指標篩選，具體流程如下。設(shè)有n個指標X1，X2，…，Xp的m組數(shù)據(jù)組成樣本矩陣X，即

(1)

由X得出變量xi的均值、方差及xi、xj之間的協(xié)方差分別見式(2)～(4)：

(2)

(3)

(i≠j,i,j=1,2,…,p)。

(4)

指標X1，X2，…，Xp的協(xié)方差矩陣Sp×p為

(5)

將n個指標X1，X2，…，Xp分成兩部分，X1，X2，…，Xp1和Xp1+1，…，Xp，分別記為X(1)和X(2)，即

(6)

則

(7)

式中：S11，S22分別表示X(1)和X(2)的協(xié)方陣。在給定X(1)及正態(tài)分布前提下，X(2)對X(1)的條件協(xié)方陣為

(8)

具體做法為：依次按式得到p個值ti(i=1，2，…，p)，選定臨界值C，若滿足ti

1.3 模糊綜合評價

1.3.1 熵值法權(quán)重賦值

權(quán)重反映不同指標在評價體系中價值地位的大小，不同權(quán)重組合會導(dǎo)致不同的評價結(jié)果。通過熵值法對指標權(quán)重進行賦值。熵是信息論中用來衡量不確定性大小的指標，信息量越大，不確定性越小，熵也越小。通常情況下，將評價集記為{Mi}(i=1，2，…，m)，用于評價的指標集記為{Xj}(j=1，2，…，n)，用xij表示第i個方案第j個指標的原始值。計算過程如下：

1)將xij做標準化處理，同時計算第j個指標在第i個方案中所占的比重bij，

(9)

2)計算第j個指標的熵值ej,

(10)

3)計算第j個指標的差異系數(shù)kj,

kj=1-mj，(j=1,2,…,n)；

(11)

4) 計算第j個指標的權(quán)重wj,

(12)

1.3.2 模糊綜合評價

首先確定評價等級論域V={V1,V2,…,Vp}，每個等級可對應(yīng)一個模糊子集。通常情況下，評價等級數(shù)p取[3，7]中的整數(shù)。進行單因素評價，對被評價事物從每個因素Xi上進行量化，確定各等級子集的隸屬度(R|Xi)的模糊關(guān)系矩陣

(13)

利用已知的模糊權(quán)向量，通過合適的合成算子將W與被評價事物的模糊關(guān)系矩陣合成得到評價結(jié)果向量B。

=(f1,f2,…,fn)⊙B。

(14)

式中，⊙—模糊復(fù)合運算，最后利用最大隸屬原理對模糊綜合評價結(jié)果進行排序分析。

2 應(yīng)用案例

根據(jù)目前國內(nèi)燃煤電廠常見的脫硫廢水處理工藝，確定4類技術(shù)為評價對象：A1為沉降池+灰場噴灑；A2為三聯(lián)箱技術(shù)；A3為三聯(lián)箱技術(shù)+膜濃縮+蒸發(fā)結(jié)晶；A4為三聯(lián)箱技術(shù)+膜濃縮+主煙道余熱蒸發(fā)干燥。通過大量文獻與現(xiàn)場實際調(diào)研得各評價指標見表1[13-16]。在7個評價指標中，重金屬脫除率、TDS脫除率、COD脫除率及水回用率為效益型指標，該類指標值越高，對評價結(jié)果的影響越好；初始投資、單位水處理成本及占地面積屬于成本型指標，其值越低對評價結(jié)果越好。廢水中：Cd2+、Hg2+等重金屬離子的存在不利于生態(tài)環(huán)境的發(fā)展；TDS表示溶解于水中雜質(zhì)的含量，反映水質(zhì)污染程度；COD反映水中受還原性物質(zhì)污染的程度。投資及占地面積則是電廠管理者所關(guān)注的焦點問題。

表1 4種脫硫廢水處理技術(shù)方案的評價指標

在模糊綜合評價中，m=4，n=7，則由表2可得初始評價數(shù)據(jù)矩陣

對初始矩陣按式(15)標準化函數(shù)進行無量綱標準化處理，得評價矩陣X′。

(15)

按式(9)～(12)計算各指標熵值ej。

k=lnm-1=ln4-1=0.386 3,
ej=(0.504 3，0.467 2，0.519 4，0.255 1，
0.292 8，0.486 2，0.275 0)。

則差異系數(shù)

gj=(0.495 7，0.532 8，0.480 6，0.744 9，
0.707 2，0.513 8，0.725 0)，

各指標權(quán)重

wj=(0.118 0，0.126 9，0.114 4，0.177 4，
0.168 4，0.122 3，0.172 6)。

對評價矩陣進行模糊復(fù)合運算，將模糊評價矩陣Y與對應(yīng)的權(quán)重向量wj進行復(fù)合運算。其中，B1、B2、B3為合成的3種算法的結(jié)果，∨表示取小，∧表示取大，計算結(jié)果如下：

B1=(∨(w(k)∧y(k))；

(16)

B2=(∧(w(k)∨y(k))；

(17)

B3=∑(w(k)y(k))。

(18)

為使評判結(jié)果更加準確，利用加權(quán)平均算法對計算結(jié)果進行綜合，權(quán)重分配(0．3,0．3,0．4)。兩種路線的環(huán)境性評價結(jié)果為

B=[0.294 9 0.374 7 0.280 3 0.538 3]。

4種脫硫廢水處理方案的模糊值如圖2所示。

圖2 4種脫硫廢水處理方案的模糊值

由圖2看出：選取的4種濕法煙氣脫硫廢水處理技術(shù)的優(yōu)劣排序為A4>A2>A1>A3，即三聯(lián)箱技術(shù)+膜濃縮+主煙道余熱蒸發(fā)干燥路線優(yōu)于三聯(lián)箱技術(shù)，優(yōu)于沉降池+灰場噴灑，而三聯(lián)箱技術(shù)+膜濃縮+蒸發(fā)結(jié)晶的路線相對最差；評價結(jié)果認為，A4脫硫廢水處理方案的單位水處理成本和占地面積雖然較高，但擁有較高的重金屬、TDS及COD脫除率，環(huán)保性能高，同時具有良好的水回用率。因此，綜合優(yōu)勢較為明顯。

3 結(jié)論

對4種常用脫硫廢水處理工藝進行綜合評價，以脫硫廢水處理工藝的綜合性能為評價目標，共涉及重金屬脫除率、TDS脫除率、COD脫除率、初始投資、單位廢水處理成本、水回用率和占地面積共7個指標，利用熵值法確定各指標權(quán)重。評價結(jié)果表明：三聯(lián)箱技術(shù)+膜濃縮+主煙道余熱蒸發(fā)干燥技術(shù)有較高的重金屬、TDS及COD脫除率，環(huán)保性能高；同時具有良好的水回用率及適中的運行成本，具有較為明顯的綜合優(yōu)勢。