基于熵權和層次分析法的VOCs處理技術綜合評價

張亞青,王 相,孟凡榮,張文睿,焦甜甜,張華偉,梁 鵬

基于熵權和層次分析法的VOCs處理技術綜合評價

張亞青1*,王 相2,孟凡榮3,張文睿2,焦甜甜1,張華偉1,梁 鵬1

(1.山東科技大學化學與生物工程學院,山東 青島 266590；2.山東科技大學安全與環境工程學院,山東 青島 266590；3.北京郵電大學理學院,北京 100010)

針對化工行業所使用的VOCs控制技術,綜合考慮了環境、經濟、管理以及技術4個一級因素以及13個二級因素對化工企業中常用的VOCs控制技術進行綜合評價,建立基于熵權法與層次分析法相結合的模糊綜合評價模型,對9種VOCs末端治理技術進行量化分析評價.闡述了備選VOCs的排放控制技術篩選方法、指標體系的構建以及評價方法,最后以山東省青島市化工企業為例,給出了模型的求解過程和評價結果.結果顯示,催化燃燒技術在環境和經濟方面優勢明顯,熱力焚燒技術在經濟方面優勢顯著,吸附技術在技術方面優勢突出.綜合考慮環境、經濟、管理和技術四個方面,VOCs排放控制技術綜合評價結果為:催化燃燒>熱力焚燒>光催化≈吸附濃縮-燃燒>等離子體>膜分離>吸附>冷凝>生物降解>吸收.

VOCs控制技術；熵權法；層次分析法；模糊綜合評價

VOCs污染防控是我國大氣污染控制的一項重點工作[1-2].化工行業的VOCs排放具有強度大、濃度高、持續時間長和污染物種類多等特點[3],是我國大氣污染的重要來源.由于評價VOCs排放控制技術考慮因素的復雜性,目前針對多種不同技術評價的指標體系尚未有統一標準.根據VOCs排放控制技術的不同特點與適用范圍,如何根據具體情況建立合適的評價指標體系、合理地評價并選擇最佳排放控制技術是當今環境科學亟待研究的問題.

國外從20世紀80年代初已開始對大氣污染物控制技術進行技術經濟分析,歐盟和美國環保署指出對最佳可行性技術評價應從技術、經濟、環境三個方面進行入手[4].報道較多的是電力研究所(EPRI)、國際能源署(IEA)[5-6]以及美國能源部清潔煤計劃的研究工作.較為成熟的評價指標體系有美國EPRI評價體系、EIA評價體系等.然而,由于各國的國情不同,這些體系并不完全適用于我國[7].

國內學者基于層次分析法(AHP)圍繞化工行業[8-10]、包裝印刷行業[11]和石化及油品儲運行業[12-13]等構建了VOCs控制技術評估體系,通過對不同準則的評價分別獲得了適用于各行業的最優控制技術.王燦[14]闡述了VOCs控制技術的評價原則、步驟和影響因素,從技術、經濟、社會等方面初步構建了VOCs控制技術的評價指標體系.汪佳[15]針對VOCs治理技術,結合層次分析法、熵權法(EVM)與灰色關聯度法集成構建評價模型,得出了冷凝+吸附工藝為最優VOCs回收技術,對VOCs治理技術的分析具有指導性.然而,目前國內對于VOCs開展的技術評估研究評價體系仍尚未形成系統的、科學的、全面的和得到權威部門認可的VOCs排放控制技術標準評價方法[7].

AHP和EVM被廣泛應用于各領域的評價和決策[16-18].但是國外學者使用AHP和EVM針對VOCs排放控制技術的綜合評價研究較少.為評價深圳市環境保護績效的行政實踐,Liu等[19]構建了區域政府環境保護績效評價指標體系,包括生態環境保護、資源節約、生態空間優化、生態制度實施和生態文明建設等部分.圍繞珠江三角洲地區的大氣污染治理,Streets等[20]以制造業為例進行了成本效益分析,發現大氣污染治理的投入占產出的比例為0.3～ 3%.Li等[21]應用熵權法和層次分析法相結合的多層次模糊綜合評價法建立了一個客觀有效的大氣污染控制環境績效評價模型.該評估模型基于中國的嚴重空氣污染區域,認為大氣污染控制的環境績效與產業結構密切相關.

層次分析法是一種主觀賦權法,根據專家的知識和經驗進行賦權, 此方法確定的指標權重難免缺乏客觀的科學依據,無法克服主觀因素的影響[22].熵權法實質上是一種客觀賦權法,充分挖掘了原始數據的內在規律和信息量[23],由其得出的權重獨立于決策者的主觀偏好以及經驗,使得評價過程能夠有較強的數學理論依據支撐,評價結果更具有客觀性[24].但是,熵權法不能反映專家的知識和經驗, 所得權重與實際重要程度可能出現不相符,且該方法相對主觀賦權法而言形成較晚且很不完善.模糊綜合評價法是在層次分析法的基礎上結合模糊數學的一種綜合分析方法,對解決復雜的評價因素十分適用.目前,基于熵權法和層次分析法的模糊綜合評價在VOCs控制技術評估方面應用較少.

化工企業VOCs處理技術類型多樣[25],其評價受多種因素制約且難以量化.將層次分析法和熵權法結合起來的模糊綜合評價將主客觀賦權結合,適用于非確定性VOCs處理技術的評價. VOCs處理技術主要分為源頭控制、過程控制、末端治理三大類,其中末端治理技術在VOCs排放控制采取的措施中占比約60%～70%[10].常用末端治理技術主要分為單一治理和組合治理技術兩類.單一治理技術又包括回收技術與銷毀技術,組合治理技術主要為吸附濃縮-燃燒、冷凝-催化燃燒、等離子-光催化等單一技術的組合應用術等[26-30].

基于此,本文主要研究化工企業在VOCs排放控制中末端處理技術的選擇,通過對化工企業采用的VOCs末端治理技術進行分析.采用層次分析法與熵權法為模糊綜合評價法提供綜合權重,構建包括主觀權重、客觀權重和綜合權重的系統權重體系,對多種類型的VOCs末端治理技術進行定性與定量結合的分析與綜合評估.

1 研究方法

1.1 VOCs排放控制技術綜合評價指標體系構建

構建綜合評價指標體系首先要確定分析指標.VOCs排放控制技術綜合評價指標的選擇需要參考政府等有關部門發布的與VOCs有關的法律法規、管控政策及指導性文件,考察影響VOCs排放控制技術投入使用的關鍵因素.指標體系的構建需要滿足系統性、科學性、可操作性和實用性的原則.一方面要求指標體系能夠通過定性或定量的方法,準確充分地反映評價對象的情況,另一方面也要考慮指標量化的難易程度,要求在盡可能保證評價結果客觀、全面和公正的情況下,評分方法和標準明確易操作[31-33].基于以上原則,結合文獻調研,并綜合考慮目前化工企業VOCs排放特征和治理情況及研究現狀,從技術、管理、經濟、環境4個方面選取評價指標見表1.

1.2 指標權重的確定

指標賦權是VOCs排放控制技術評價中的重要環節.權重確定的合理性可直接影響評價結果的準確性與科學性[34].本文使用組合賦權法,將EVM和AHP結合起來使用,取其權重的均值作為指標最終的綜合權重,使得在求解指標權重的過程中兩種方法能夠優劣互補.由于EVM需要有一定量的樣本數據才能正常使用,且熵值與指標數值本身的大小關系非常密切.因此EVM只適用于指標層的構權,對于準則層的構權只采用AHP.

表1 VOCs排放控制技術指標體系

1.2.1 層次分析法 AHP是參照心理學研究規律,根據分析對象的數據性質,將決策過程層次化、系統化呈現,建立體系和結構清晰的指標評價體系的方法[8].在AHP的應用過程中,問題將被劃分為目標層、準則層和方案層.同一層的指標以上層指標為準則進行兩兩比較,構造成對比較矩陣,并對比較結果進行一致性檢驗. 結合文獻和實地調研,咨詢相關專家,通過專家學者打分的形式,根據專家提供的內容信息判斷各指標因素的相對重要性.按照表2中的1～9相對尺度進行賦值,構建具有實際應用價值的針對VOCs排放控制技術的評判矩陣,計算特征根和特征向量:

設一個指標評價體系有個評價指標,個被評價對象(或方案),獲得的成對比較矩陣可表示為:

式中:a表示指標e比e的重要(不重要)程度.

表2 1～9尺度

RI為隨機一致性指標(表3),一致性比率為CR,利用CR檢驗成對比較矩陣的一致性,當CR<0.1時,表明的不一致程度在容許范圍內.

當成對比較矩陣通過一致性檢驗后,對的最大特征值所對應的特征向量=(1,2……U)T進行標準化和歸一化處理,所得結果即為所求指標權向量=(1,2……W).

表3 隨機一致性指標RI數值

式中:為大于零的恒量.

對某項指標x,指標值x的差距越大,則該指標在綜合評價中所起的作用越大;如果某項指標的指標值全部相等,則表明該指標在綜合評價中不起作用.計算綜合指標時,首先需要對指標數據進行歸一化處理,將異質指標同質化.由于正向指標和負向指標數值代表的含義不同,因此,對于高低指標本文進行數據標準化處理具體方法如下:

計算第項指標下第個指標占該指標的比重:

式中:=1, 2…,;=1,2,…,.

采用自然對數,此時第個評價指標的熵可定義為:

小學道德與法治課堂教學進行教法升級符合新課改倡導的基本精神。小學身心成長有自身規律，教師要巧妙借助教材中的插圖，點燃學生學習熱情；善于運用生活中的故事，拓展學生思維認知；組織趣味游戲，內化學生道德情感；探析典型案例，升級學生法制意識。通過這些方式，課堂教學實現了跨越式發展，學生良好品德自然生成。

計算信息熵冗余度:d=1-e

最終計算得到各項指標的權值:

根據以上熵函數的定義以及指標權重的計算過程可知:(1)當VOCs排放控制技術評價指標的評價等級分值差異較大時,熵權較大,說明該指標為決策者提供了有用信息[15].(2)如果所有評價指標的評價等級得分情況相同,熵值達到最大值1,此時熵權為零,說明該指標未能向決策者提供有用信息,該指標可剔除.(3)指標的熵越大,得到的熵權就越小,說明該指標越不重要.

1.3 模糊綜合評價模型

模糊綜合評價法隸屬于模糊數學范疇,能夠基于模糊數學的隸屬度原理將定性問題轉化為定量問題,即利用模糊數學解決對復雜系統做出總體評價的問題[11].其步驟如下:

(1)確定因素集、評語集、建立模糊矩陣

因素集=｛1,2……U｝

式中:為所要研究事物的模糊集合,1……U為的模糊子集.

評語集=｛1,2……V｝

式中:為對應于的評價集合,1……V對應于1……U各子集的評判,其可能是高或低、大或小等.

設是個因素集構成的集合,各因素集又有個描述對象特征的變量,由這些權重間的不同可以得出其隸屬度(｜x)間的差異,由此建立模糊矩陣如下式(11)所示.其中,第行第列元素,表示因素集對評語集等級的模糊數學隸屬度.

模糊評價中元素的權重向量=(1,2……W)表示對應于(｜x)的權重值集合,其表征各元素間的相對重要程度[13].本文利用EVM與AHP結合的組合賦權法確定權重系數.

(3)計算模糊綜合評價結果向量

構建模糊綜合評價結果向量=W如式(12)所示.針對模糊評價結果,使用合適的方法進行分析;常用的方法是最大隸屬度的分析原則,但有時誤差較大;為補足其缺點,可使用平均加權隸屬等級的方法加以優化.

2 評價案例應用

根據青島市大氣污染源排放清單,不同區(市)工業企業VOCs排放量由高到低依次為黃島區、平度市、萊西市、城陽區、即墨區、膠州市、李滄區、嶗山區、市北區、高新區、市南區.排在前3位的重點排放行業依次為橡膠和塑料制品業、化學原料和化學制品制造業、原油加工及石油制品制造業[35].青島市已有49%的工業企業安裝了VOCs處理工藝及設備.在已安裝VOCs處理工藝及設備的企業中,治理技術以吸附(26%)和吸收(22%)技術為主[36].本研究以山東省青島市化工企業為例,通過開展青島市工業源VOCs排放情況及控制技術實地調研獲得初始數據,建立層次分析法與熵權法相結合的模糊綜合評價模型,對典型工業使用的VOCs控制技術進行定性和定量評估,篩選出最適合工業企業應用的VOCs排放控制技術.

選取化工企業常用的VOCs末端處理技術:吸附、吸收、膜分離、冷凝、熱力焚燒、催化燃燒、吸附濃縮-燃燒、等離子體、生物降解、光催化9種VOCs控制技術,從技術(A)、管理(B)、經濟(C)、環境(D)4個方面進行分析評價.利用Yaahp軟件建立如圖1所示指標評價體系.為了使得評估結果更加科學合理,本文對指標因子層進行了數值統計.對于可定量的指標,采取如凈化率、穩定達標率、投入成本、運行成本,利用實際數據進行評價;對于不能進行量化處理的指標,采用定性分析的方法,利用文字敘述表示其相對的等級評價,如表4所示.并利用模糊分析方法對9種VOCs排放控制技術做出評估,并將指標因子層各數據進行標準化處理,得到各技術在相應指標下的模糊評價矩陣結果見表5.

圖1 VOCs排放控制技術綜合評價指標體系

表4 VOCs排放控制技術模糊綜合評價指標值

表5 VOCs排放控制技術二級指標評價值

2.1 層次分析法和熵權法組合求解權重

表6 VOCs排放控制技術評價體系AHP權重數值

綜合已有文獻、專家意見以及調研結果,對1種VOCs排放控制技術針對評價體系中的指標進行兩兩優勢對比,并依據表2中的1～9尺度表進行賦值.以一級指標準則層為例,利用Yaahp軟件在輸入兩兩對比矩陣后得到準則層指標權重,并得到最大的特征值max=4.007,得出CR=0.002<0.1,即判斷通過一致性檢驗.用同樣的方法對指標體系中所有的層次進行計算并檢驗一致性,得到表6所示的各個指標的權重值.由表6計算結果顯示,根據層次分析法得到一級指標技術、管理、經濟、環境指標的權重分別是0.201、0.063、0.293和0.443.在二級指標中環境效益、穩定達標率、運行成本權重排名前3為VOCs排放控制技術的重要篩選指標,其權重分別為0.243、0.166和0.116.

表7 VOCs排放控制技術評價體系EVM權重數值

表8 組合賦權法權重數值

熵權法計算各項指標的權重值,得到最終計算的VOCs排放控制技術評價影響因素的權重數值如下表7所示.利用熵值法和層次分析法的組合賦權,計算10種技術的指標層權重,結果列于表8中.

2.2 綜合技術評價結果

由表5中,各技術的二級指標評價值形成相應的具體模糊評價矩陣如下:

技術:

管理:

經濟:

環境:

分別對二級指標中的各指標進行評價,得出應用各VOCs控制技術在技術、管理、經濟與環境方面的優劣程度,為技術篩選提供參考.

2.2.1 技術層指標評價B1=11=(0.145 0.097 0.092 0.053 0.165 0.142 0.117 0.068 0.049 0.069).

評價結果為:熱力焚燒>吸附>催化燃燒>吸附濃縮-燃燒>吸收>膜分離>光催化>等離子體>冷凝>生物降解.

在技術方面,熱力焚燒和吸附技術的優勢明顯.該結果出現的原因是吸附技術和熱力焚燒技術在VOCs排放處理中應用時間較久,技術相對成熟,且凈化效果較好,優勢明顯.催化燃燒與吸附濃縮-燃燒技術較為成熟,但由于工藝復雜度較高,排名僅次于熱力焚燒和吸附.冷凝和生物降解技術雖然工藝復雜度低,但適用性和凈化效果較差.

2.2.2 管理層指標評價B2=22=(0.061 0.043 0.105 0.094 0.073 0.074 0.038 0.184 0.082 0.267).

管理評價結果為:光催化>等離子體>膜分離>冷凝>生物降解>催化燃燒>熱力焚燒>吸附>吸收>吸附濃縮-燃燒

在管理方面,光催化和等離子體技術在人工需求和占地面積方面優勢明顯且相對易檢修與維護,因此排名靠前.吸附濃縮-燃燒技術由于技術復雜,檢修與維修相對困難,且對人工與場地需求較大排名較后.

2.2.3 經濟層指標評價B3=33=(0.095 0.048 0.076 0.023 0.126 0.124 0.089 0.071 0.099 0.086).

經濟評價結果為: 熱力焚燒>催化燃燒>生物降級>吸附>吸附濃縮-燃燒>光催化>膜分離>等離子體>吸收>冷凝.

在經濟方面,運行成本所占比例較高.熱力焚燒和催化燃燒由于運行成本相對較低,且能夠帶來較好的經濟收入,優勢明顯.吸收與冷凝在投資成本和運行成本兩方面都需要有較高的投入,帶來的經濟效益也相對較小,因此略顯劣勢.

2.2.4 環境層指標評價B4=44=(0.071 0.041 0.105 0.106 0.113 0.115 0.179 0.142 0.025 0.111)

環境評價結果為: 吸附濃縮-燃燒>等離子體>催化燃燒>熱力焚燒>光催化>冷凝>膜分離>吸附>吸收>生物降解.

在環境方面,各子指標的重要級別排序:環境效益>穩定達標率>二次污染.組合技術吸附濃縮-燃燒,在環境三種指標性能方面有顯著優勢.等離子體技術穩定達標率較好,但在VOCs處理過程中會產生對環境有害的副產物;生物降解技術穩定達標率較差且可能出現異味大的問題,排名較差.

2.2.5 綜合評價A=11=(0.094 0.057 0.094 0.069 0.119 0.123 0.117 0.112 0.059 0.117)

綜合考慮上述環境、經濟、管理和技術四個方面,VOCs排放控制技術綜合評價結果(如圖2所示)為: 催化燃燒>熱力焚燒>光催化≈吸附濃縮-燃燒>等離子體>膜分離>吸附>冷凝>生物降解>吸收.

從圖3中可以看出,催化燃燒技術在環境和經濟方面優勢明顯,熱力焚燒技術與經濟方面優勢顯著,吸附技術在技術方面優勢突出.組合技術吸附濃縮-催化燃燒綜合效益較好;等離子體技術在環境層面效果較好,光催化技術在管理層面效果較好,但這兩種技術都屬于新興技術,技術成熟度和適用性方面略顯劣勢.冷凝技術適用性較差,吸收技術雖然技術復雜度低但需要選用合適吸收劑,易產生二次污染.生物降解技術對環境影響較差,降解池異味較大,綜合評價效果不佳.根據綜合評價結果,催化燃燒、熱力燃燒和吸附濃縮-燃燒及光催化這幾種技術排名靠前,是VOCs排放處理中值得推薦的技術.

圖2 VOCs排放控制技術綜合評價結果

圖3 VOCs排放控制技術指標評估量化分布

3 結論

3.1 利用EVM與AHP結合的組合賦權模型,能較好地平衡評價過程中主觀因素的影響,獲得更加合理科學的VOCs排放控制技術選擇方案排序.

3.2 以山東省青島市化工企業為例,驗證了模型的可行性.綜合考慮環境、經濟、管理和技術4個方面,VOCs排放控制技術綜合評價結果為催化燃燒>熱力焚燒>光催化≈吸附濃縮-燃燒>等離子體>膜分離>吸附>冷凝>生物降解>吸收.根據綜合評價結果,催化燃燒、熱力焚燒和吸附濃縮-燃燒及光催化這幾種技術排名靠前,是VOCs排放處理中值得推薦的技術.其中,催化燃燒技術在環境和經濟方面優勢明顯,熱力焚燒在技術與經濟方面優勢顯著,吸附技術在技術方面優勢突出,光催化技術在管理層面效果較好.另外,本文的模型具有拓展性與可操作性,可根據實際需求對指標體系進行調整.

3.3 本研究為化工企業VOCs排放控制技術的評價、選擇和推廣使用提供了有效科學的方法.在實際應用中對VOCs防治技術的選擇還可考慮源頭控制、過程控制如泄露監測與修復(LDAR)、改進收集轉置等,評價結果可作為結合其他VOCs排放控制技術、選擇最適合的VOCs排放控制技術的參考.

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Comprehensive evaluation of VOCs processing technology based on entropy weight method and analytic hierarchy process.

ZHANG Ya-qing1*, WANG Xiang2, MENG Fan-rong3, ZHANG Wen-rui2, JIAO Tian-tian1, ZHANG Hua-wei1, LIANG Peng1

(1.College of Chemical and Biological Engineering, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China；2.College of Safety and Environmental Engineering, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590, China；3.College of Science, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100010, China)., 2021,41(6)：2946～2955

Aiming at the VOCs control technology used in chemical industry, the 4primary factors of environment, economy, management, and technology and 13 secondary factors were comprehensively considered to evaluate VOCs control technologies commonly used in chemical enterprises. A fuzzy comprehensive evaluation model based on entropy weight method and analytic hierarchy process was established for quantitatively analyze, and 9kinds of VOCs elimination technologies were evaluated. The selection method of VOCs control technologies, and the construction and evaluation method of index system were described. Finally, taking the chemical enterprises in Qingdao, Shandong Province as an example, the resolution process and evaluation results of the model were given. The results showed that catalytic combustion technology had significant environmental and economic advantages, while thermal incineration technology performed better in economic aspects. Considering the 4aspects of environment, economy, management and technology, the comprehensive evaluation results of VOCs emission control technology were as follows: catalytic combustion > thermal incineration > photocatalysis ≈ adsorption condense combustion > plasma > membrane separation > adsorption > condensation > biodegradation > absorption.

VOCs control technology；entropy method；analytic hierarchy process；fuzzy comprehensive evaluation

X511

A

1000-6923(2021)06-2946-10

張亞青(1989-),女,山東單縣人,講師,博士,主要從事煤炭的清潔高效轉化和VOCs凈化材料及工藝開發.發表論文30余篇.

2020-11-11

國家自然科學基金資助項目(21776164);山東省軟科學一般項目(2019RKB01290);山東省自然科學基金項目(ZR2020QB186)

* 責任作者, 講師, nengyuan_zyq@126.com