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铁矿烧结烟气净化技术综合评价模型研究 ① 陈许玲1， 赵新泽1， 范晓慧1， 甘 敏1， 黄晓贤1， 李宗平1，2 （1.中南大学 资源加工与生物工程学院，湖南 长沙 410083； 2.中冶长天国际工程有限责任公司，湖南 长沙 410007） 摘 要 根据烟气净化技术的特点，建立了包含经济成本、环境影响、技术性能及适用范围 4 项一级指标和 17 项二级指标的评价指 标体系；采用生命周期法对烟气净化技术产生的环境影响进行了定量评价，并运用层次分析法（AHP）确定各项指标的权重，有机融 合定量分析和定性分析，建立了铁矿烧结烟气净化技术综合评价模型；最后，对现行 8 种主要烟气净化技术进行综合评比，结果表 明多污染物协同净化技术综合评分整体排名靠前，半干法脱硫工艺排名居中，湿法脱硫工艺整体排名靠后。 评价结果能够反映客 观实际，可作为相关企业烟气净化技术评选的实用方法。 关键词 烧结烟气； 烟气净化技术； 评价模型； 生命周期法； 层次分析法 中图分类号 TF325.1文献标识码 Adoi10.3969／ j.issn.0253-6099.2018.06.019 文章编号 0253-6099（2018）06-0083-05 A Comprehensive uation Model for Sintering Flue Gas Purification Technologies CHEN Xu-ling1， ZHAO Xin-ze1， FAN Xiao-hui1， GAN Min1， HUANG Xiao-xian1， LI Zong-ping1，2 （1.School of Minerals Processing and Bioengineering， Central South University， Changsha 410083， Hunan， China； 2.Zhongye Changtian International Engineering Co Ltd， Changsha 410007， Hunan， China） Abstract According to characteristics of flue gas purification technologies， a comprehensive uation model was established， including 4 first-grade indicators （economic cost， environmental impact， technical perance and scope of application）， and 17 second-grade indicators. Then， the environmental impact brought by flue gas purification technologics was quantitatively uated by using life cycle assessment， and the weight of each indicator was determined by using analytic hierarchy process. A comprehensive uation model for iron ore sintering flue gas purification technologies was established based on the combination of quantitative and qualitative analysis. Finally， the current 8 purification technologies were comprehensively uated. Results showed that the co-purification technics for multi-pollutant ranked high in terms of comprehensive uation grade， while the desulphurization technics by hydrometallurgical process ranked low and semi-dry desulfurization process ranked in the middle. Due to the uation result reflecting the objective reality， it is concluded that such uation model can be taken as a practical to assess the corresponding flue gas purification technologies of some enterprises. Key words sintering flue gas； flue gas purification technology； uation model； life cycle assessment； analytic hierarchy process 近年来，国内外烧结工作者根据烧结烟气特点开 发了大量烟气净化技术[1-2]，但由于技术种类多、工艺 原理差异大，各项技术在污染物治理、设备维护以及经 济效益等方面的表现不尽相同[3]。 现有的技术评价 大多数是传统的专家评述，缺少直观的定量对比[4]， 且评价指标体系不够全面[5-7]，评价方法中缺少对指 标权重的分配[8]，不能体现不同指标的侧重程度。 这 些问题导致企业在面对众多净化技术时，缺乏统一的 评选标准，难以做出科学合理的技术决策。 基于此，为 了避免评价的局限性，同时提高评价结果的可比性，本 文以生命周期评价理论为基础[9-11]，首先量化净化技 术的环境影响，然后重新构建适用于烟气净化技术的 评价指标体系，并针对指标体系特点，建立基于层次分 析的综合评价模型，最后选取 8 种主流的烧结烟气净 化技术作为实例，使用模型进行对比分析，验证了模型 的有效性。 ①收稿日期 2018-05-28 基金项目 国家自然科学基金（51474237）；国家自然科学基金联合基金（U1660206） 作者简介 陈许玲（1979-），女，安徽宣城人，副教授，硕士研究生导师，主要从事烧结球团数学模型与人工智能、炼铁原料制备理论与工艺研究。 第 38 卷第 6 期 2018 年 12 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.38 №6 December 2018 万方数据 1 综合评价指标体系的构建 评价指标体系是综合评价的基础和依据[12-13]，为 避免评价中因指标的忽略导致决策的偏差，本文以净 化技术作为研究对象，明确技术的生命周期研究范围， 通过对技术整个生命周期的分析，确定相对全面的指 标体系。 从技术的选择到投入运行，烟气净化技术完整的 生命周期应该包括原材料开采、设备材料加工、净化 系统建设、系统运行以及最终淘汰处置 5 个子过程，但 因为评价对象为正在运行的烟气净化系统，最终拆除 处置阶段不纳入评价范围内。 评价净化技术应该主要 从经济成本、环境影响、适用范围及技术性能 4 个方面 来考虑，其中净化技术对资源、能源的消耗，通过经济 成本来衡量；整个生命周期中产生的污染物，通过环境 影响程度来衡量；适用范围是考察技术对烧结烟气的 适应能力；技术性能是系统建设水平及净化能力的优 劣程度。 技术生命周期研究范围及指标类型如图 1 所示。 资 源 能 源 原材料 开采 净化技术生命周期 研究范围 设备材料 加工 净化系统 建设 净化系统 运行 净化后外排烟气 净化系统拆除处置 烧结烟气 适用范围经济成本环境影响技术性能 废气、废水、固废 图 1 烟气净化技术生命周期研究范围 1.1 经济成本 经济成本是技术对各种资源、能源物资消耗程度 的衡量，不同技术的物资消耗种类和数量各不相同，通 过折算成统一的经济价值指标进行对比。 主要包括技 术总投资、后期的运行成本以及占地面积。 技术总投 资作为项目建设的一次性投资，净化技术总投资与烧 结机的有效面积成正比，将单位烧结机面积投资作为 经济成本指标的一项子指标；运行费用主要包含净化 剂消耗费用、能耗费用、其他消耗品费用、设备维修费 用、设备折旧以及副产物扣除等，以汇总的运行费用除 以烧结矿年产量所得的单位烧结矿净化成本（元／ t）作 为另一个子指标；同时考虑到目前耕地越来越少，净化 技术的用地也是对土地资源的占用消耗，所以引入另 外一个子指标 技术占地面积（m2）。 1.2 环境影响 烧结烟气净化技术能大幅降低烧结工序向环境排 放的污染物，减轻环境压力，但同时也会产生新的环境 污染，包括从建设到运行过程中产生的废水、废气以及 净化系统副产物的处理处置。 如果对这些污染物的排 放数量直接进行对比评价，一方面会增加评价指标数 目，使评价过程复杂化，另一方面，这些环境污染物的 数值对比并不能体现技术对环境造成的影响，所以采 用生命周期评价法（LCA）完成环境影响的量化[14-15]。 为确保对比评价是建立在一个共同的标准上，定 义净化技术正常运行一年为功能单位。 获得净化技术 生命周期中各种污染物（环境影响因子）的产生情况 并制成数据清单，依据清单分析结果，按照 ISO14042 中的环境影响分析的基本步骤分类、特征化和加权评 估[16]。 评价各种环境因子产生的环境影响，将清单数 据转化为环境影响参数结果。 现参照中科院生态环境 研究中心对环境影响类型的划分[17]，根据烟气净化技 术建设运行中产生的主要污染物，确定环境酸化、温室 效应、水体富营养化、光化学氧化等 4 类影响类型。 其 中主要的环境影响因子及影响分类情况见图 2。 NOx 环境酸化影响潜值AP 温室效应影响潜值GWP 水体富营养化影响潜值EP 光化学氧化影响潜值PO 技 术 生 命 周 期 内 污 染 物 清 单 副产物硝酸盐 副产物硫酸盐 环境影响固子环境影响指标 副产物按盐 CH4 HF NH3 HCl COx SOx 图 2 环境影响因子及分类 当某种环境影响因子对多种环境影响类型产生贡 献时，将污染物的排放量平均划归到每一种环境影响 类型中，采用“平均分配原则” [17]。 然后将相同影响类 型下的不同物质对该类影响的影响值进行汇总，以期 得到每种类型的影响潜值。 EPi＝∑（Qij PFij）（1） 式中 EPi为第 i 种环境影响潜值，i＝AP（单位kgSO2）、 GWP（ 单位 kgCO2）、 EP （ 单 位 kgNO3-）、 PO （ 单 位 kgC2H4）；Qij为第 i 种环境影响的第 j 种环境影响因子的 排放量，kg；PFij为第 j 种环境影响因子对应第 i 类环 境影响的当量系数。 将各类环境影响潜值进行标准化，为环境影响的 相对大小提供一个用于比较的标准。 数据的标准值采 48矿 冶 工 程第 38 卷 万方数据 用某一年的人均环境影响潜值大小 NRi [18]，其中 NR AP ＝36 kgSO2／ （人年）、NRGWP＝ 8 700 kgCO2／ （人年）、 NREP＝62 kgNO3-／ （人年）、NRPO＝0.65 kgC2H4／ （人年）。 根据各类环境影响基准值，对环境影响潜值进行标准 化处理。 NEPi＝ EPi NRi （2） 式中 NEPi即为标准化后的环境酸化影响潜值、温室 效应影响潜值、水体富营养化影响潜值以及光化学氧 化影响潜值，4 项子指标单位均为标准人当量，属无量 纲数据，用于技术环境影响程度的衡量。 1.3 适用范围 不同的烟气净化技术，由于工艺原理的差异，其适 用范围各不相同。 主要体现在净化技术对烧结烟气 温度的要求，入口烟气含尘量的要求以及入口烟气污 染物的浓度上限（SO2、NOx），所以将以上 4 项子指标 作为技术适用范围的衡量标准。 1.4 技术性能 从技术性能角度反映技术的优劣，包括技术对污 染物的脱除能力、技术成熟度以及系统复杂程度等。 随着环保要求的日益严格，能实现脱硫、脱硝、脱二噁 英等多污染物的一体化系统治理技术更加受到重视， 所以污染物脱除能力的衡量指标包括 SO2、NOx、氟化 物及二噁英等主要污染物的脱除效率；同时，技术成熟 度包括技术先进性方面的内容，系统复杂程度是对系 统工艺原理复杂程度的衡量。 综上所述，根据指标的分类原则，烟气净化技术评价 指标体系由4 个一级指标和 17 个二级指标构成，为定量 和定性相结合的综合评价指标体系。 指标体系见表1。 表 1 净化技术综合评价指标体系 一级指标二级指标指标单位 环境影响 环境酸化影响潜值 温室效应影响潜值 水体富营养化影响潜值 光化学氧化影响潜值 无量纲数据 单位烧结机面积投资万元／ m2 经济成本单位烧结矿净化成本元／ t 占地面积m2 入口烟气温度要求℃ 适用范围 入口烟气含尘要求mg／ m3 入口 SO2浓度限值 mg／ m3 入口 NOx浓度限值 mg／ m3 SO2脱除效率％ NOx脱除效率％ 技术性能 氟化物脱除效率％ 二噁英脱除效率％ 技术成熟度定性指标 系统复杂程度定性指标 2 基于层次分析的综合评价模型 2.1 评价矩阵的确定 由于净化技术的评价是涉及环境、经济、技术性能 等多因素的复杂问题，指标体系中既包含定量指标，也 包含难以量化的定性指标，如何根据各项技术的实际 情况，有效处理这些指标参数，计算获得直观的评价结 果，将是本评价模型的核心。 2.1.1 定量指标参数处理方法 将定量指标分为两种类型效益型指标和成本型 指标。 效益型指标为指标参数越大，其性能越好。 指 标体系中的入口烟气 SO2、NOx浓度限值以及各污染 物脱除效率等指标均属于效益型指标。 设第 j 项技术 的第 i 项指标参数为 xij，统计获取评价对象集中对应 指标的最大值 xmax和最小值 xmin，采用式（3）进行标准 化，求得相对大小系数 rij rij＝ xij - x i，min xi，max - x i，min （3） 成本型指标为指标参数越小，其性能越好。 指标 体系中的 4 类环境影响潜值以及经济成本等指标属于 成本型指标。 采用式（4）进行标准化，求得相对大小 系数 rij rij＝ xi，max - x ij xi，max - x i，min （4） 2.1.2 定性指标参数处理方法 对于定性指标的量化，由专家评议确定，确定的评 价集为V＝｛优，良，中，差，劣｝及对应评分大小，见表 2。 表 2 定性指标评判集划分 V优良中差劣 x4～53～42～31～20～1 行业专家根据技术现场运行情况进行打分，采用 式（5）计算求得相对大小系数 rij rij＝ xij 5 （5） 由评价对象集中 m 项净化技术对应的 n 项指标 的相对系数 rij组成评价矩阵 Rmn。 Rmn＝ r1，1r1，2r1，j r2，1r2，2r2，j ︙ ri，1ri，2ri，j mn （6） 2.2 指标权重的分配 层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是一 种定性与定量相结合的方法，能够将专家评估思维过 程系统化、数学化，通过专家评判、数据检验最终确定 58第 6 期陈许玲等 铁矿烧结烟气净化技术综合评价模型研究 万方数据 权重分配。 具体操作如下 1） 根据评价指标体系内容，邀请行业专家及企业 管理者结合具体建设需求，对指标的重要程度进行判 断和讨论，采用两两对比确定诸多指标的相对重要程 度，利用 1～9 间的整数及其倒数作为标度来构建两两 指标的对比矩阵 Ann，其中 aij为指标 i 相对于指标 j 的 重要程度。 Ann＝ （aij）nn＝ a1，1 1 a2，1 1 ai，1 a2，1a2，2 1 ai，2 ︙ ai，1ai，2ai，j nn （7） 2） 计算权重。 对 Ann进行计算，求出最大特征值 及其对应的特征向量，特征向量归一化处理后即为权 重向量 wi。 wi＝ n ∏ n i ＝ 1 aij ∑ n i ＝ 1 n ∏ n i ＝ 1 aij （8） 3） 一致性检验。 由于客观事物评价的复杂性和 认识的多样性，为避免对比中的逻辑错误，需要对矩阵 的一致性进行检验，根据 T L Saaty 定义计算一致性比 率[19] CR ＝ CI RI ＝ λ - n n - 1 RI （9） 式中 CI 为一致性指标；λ 为 A 的最大特征值；n 为指 标个数；RI 为随机一致性指标。 当一致性比率满足 CR ＜0.10，则认为 A 的一致性程度在容许范围之内，有满意 的一致性，通过一致性检验，否则重新构造对比矩阵 A。 最终确定权值分配方案为A ＝（w1，w2，，wn），且各 因素权重满足∑wi＝1。 需要特殊说明的是，环境影响 指标中 4 项影响潜值的指标分配采用 LCA 中的目标 距离法的思想进行权值分配[15]，其余指标权重均采用 AHP 来确定。 2.3 多级综合评价 由评价矩阵 R 和权重系数向量 A＝（w1，w2，，wn）， 合并计算得到综合评价结果 B ＝ ART＝ （b1，b2，，bm）（10） 式中 B 为综合评价指数结果向量，其中与 bi最大 者对应的净化技术为最优技术。 评价指标体系分为两 级，可进行多层次分析评价。 评价原理为每项一级指 标中包含众多二级细分子指标，在对每项二级指标进 行初级的综合评价后，获得一级指标评价结果，在此基 础上，再对各一级指标进行加权计算，获得最终的综合 评价结果。 3 应用实例 本文的主要目的是提供一种烟气净化技术综合评 价模型，为行业工作者在进行技术对比选择时提供一 种方法和手段。 为验证模型的实用性，通过实际调研 和文献查找，选取 8 种烟气净化技术进行对比评价。 主要包括湿法脱硫技术 2 种石灰石／ 石膏法、氨法；半 干法脱硫技术 3 种循环流化床法、旋转喷雾法、 MEROS；多污染物协同净化技术 3 种双级活性炭吸 附法、循环流化床（LJS）＋选择性催化还原（SCR）组合 式净化技术、臭氧氧化＋石灰石法。 采用层次分析法， 通过专家对指标重要性的对比，计算获得 17 项指标的 权重分配见表 3。 表 3 评价指标权重分配方案 一级指标相对权重二级指标相对权重 环境影响0.106 环境酸化影响潜值0.261 温室效应影响潜值0.296 水体富营养化影响潜值0.261 光化学氧化影响潜值0.182 经济成本0.229 单位烧结机面积投资0.493 单位烧结矿净化成本0.311 占地面积0.196 适用范围0.363 入口烟气温度要求0.363 入口烟气含尘要求0.106 入口 SO2浓度限值0.302 入口 NOx浓度限值0.229 技术性能0.302 SO2脱除效率0.290 NOx脱除效率0.242 氟化物脱除效率0.183 二噁英脱除效率0.085 技术成熟度0.106 系统复杂程度0.094 8 种净化技术的定量指标参数通过实地调研和相 关文献获得，定性指标参考专家评分结果进行量化，综 合评价结果见表 4。 表 4 烟气净化技术综合评价结果 净化 技术 一级评价综合评价 环境 影响 经济 成本 适用 范围 技术 性能 总 评价 综合 排序 LJS＋SCR0.1040.6060.9240.5450.6501 双级活性炭吸附法0.1890.2520.9110.6620.6082 臭氧氧化＋石灰石法0.1370.8140.7420.4490.6063 旋转喷雾法0.2100.9760.6800.3360.5944 循环流化床法0.2150.9200.6500.3810.5855 MEROS0.2040.5840.6500.2610.4706 石灰石／ 石膏法0.2570.4720.6500.3220.4697 氨法0.2170.3470.6500.3220.4368 68矿 冶 工 程第 38 卷 万方数据 由表 4 可知，LJS＋SCR 总评价最高，双级活性炭吸 附法次之，其后依次为臭氧氧化＋石灰石法、旋转喷雾 法、循环流化床法、MEROS、石灰石／ 石膏法、氨法。 由评价结果可以看出LJS＋SCR 法作为一种组合 式净化工艺，对烧结烟气的适用性最强，在多污染物的 脱除方面与活性炭法相当，且在投资和成本方面，比双 级活性炭吸附法有优势；但该技术在 8 种净化技术中 对环境的负面影响最严重。 双级活性炭吸附法在技术 性能方面具有明显的优势，并且对烧结烟气的适应性 较强，但在经济成本方面表现最差。 因此未来双级活 性炭吸附法的发展将主要集中在两方面一是核心技 术设备国产化，大幅度降低技术投资；二是关键参数的 精确控制，降低运行成本。 臭氧氧化＋石灰石法同样 作为脱硫脱硝一体化净化技术，总评分位列第 3 位。 在 5 种脱硫工艺中，旋转喷雾法、循环流化床法、 MEROS 作为半干法脱硫工艺，技术本身对环境产生的 影响小，并且在经济成本方面的评分高，有明显的投资 优势，但在多污染处理方面的能力比较欠缺，已经不能 满足国家的环保要求，所以技术性能方面相对于前 3 种协同净化技术处于劣势。 石灰石／ 石膏法、氨法等湿 法脱硫工艺的环境影响、适用范围及技术性能与半干 法工艺相差不大，但在经济成本方面投资较大，所以综 合排名靠后。 考虑到目前在国内市场仍有较高的占有 率，未来的改造升级应结合不同钢铁企业的实际情况， 在原有脱硫设备的基础上增加脱硝设备。 4 结 论 1） 从净化技术的生命周期出发，建立了包含经济 成本、环境影响、技术性能及适用范围 4 项一级指标和 17 项二级指标的评价指标体系，实现了烧结烟气净化 技术全面评价。 2） 采用生命周期法量化环境影响，并将定性分析 和定量分析有机融合，建立了基于层次分析的综合评 价模型，为烧结工作者对比和评选烟气净化技术提供 一种新的方法。 3） 以 8 种烟气净化技术为例，应用模型进行综合 对比评价，结果表明多污染物协同净化技术综合评分 整体排名靠前，半干法脱硫工艺排名居中，湿法脱硫工 艺整体排名靠后。 评价结果反映客观实际，可为相关 企业烟气净化技术选择提供科学依据。 参考文献 [1] 王海风，裴元东，张春霞，等. 中国钢铁工业烧结／ 球团工序绿色发 展工程科技战略及对策[J]. 钢铁， 2016（1）1-7. 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