李旭华，周长波*，李君超，沈忱

电解铝清洁生产审核中/高费方案可行性评价研究

李旭华1，周长波1*，李君超2，沈忱1

1.中国环境科学研究院清洁生产中心，北京100012 2.中国环境科学研究院工程设计中心，北京100012

针对电解铝企业“能耗高、污染重”的特点，以“节能、减耗、减污、增效”为主旨，结合层次分析-模糊判断（AHPFuzzy）综合评价法，构建了电解铝企业清洁生产方案评价指标体系和综合评价模型，探索AHP-Fuzzy模型在电解铝企业清洁生产审核中/高费方案可行性分析中应用的可行性。结果表明，AHP-Fuzzy综合评价法可以成功地应用于电解铝企业清洁生产中/高费方案的筛选，筛选出的方案实施后取得了良好的环境效益、经济效益和社会效益。

电解铝企业；清洁生产方案；层次分析-模糊分析（AHP-Fuzzy）；可行性评估

李旭华，周长波，李君超，等.电解铝清洁生产审核中/高费方案可行性评价研究［J］.环境工程技术学报，2015，5（6）：519-524.

LIX H，ZHOU C B，LIJC，et al.Study on scheme feasibility assessment of cleaner production audit in aluminum electrolytic industry［J］.Journal of Environmental Engineering Technology，2015，5（6）：519-524.

受有色金属行业迅猛发展的影响，近年来我国电解铝企业呈“井喷状”发展，产量不断攀升，2013年产量达到2 474万t［1-2］，中国成为全球最大电解铝生产国。众所周知，电解铝是典型的能源密集型产业［3］，电力成本占其总成本的45%以上，随着国内电价提升，加之行业过度扩张、无序发展等带来的产能过剩问题，近几年铝冶炼企业亏损严重。因此，推行清洁生产，实现“节能、降耗、减污、增效”，成为电解铝行业可持续发展的必然选择。

清洁生产审核是电解铝企业推行清洁生产工作的重要抓手和有力武器，方案的可行性分析是清洁生产审核工作的第五阶段，目的是对初步筛选出的中/高费方案进行分析和评价，以确定最佳的、可实施的方案。该阶段是企业清洁生产审核工作的关键环节，决定并影响着后续阶段方案实施对企业改进后的清洁生产水平和可持续发展的态势，企业决策者必须从中选择出最优的方案，其涉及到一个评价排序问题［4-5］。而目前对清洁生产方案的评价和选取方法主要是针对技术、环境、经济三方面的简单分析和比较［4-6］，在技术可行的基础上并不能有效解决经济效益和环境效益相悖的2种方案的优劣，亟需采用多层次、多目标的综合评价方法对方案的整体加以评价决策。

笔者以某电解铝企业清洁生产审核产生的中/高费方案为载体，通过案例分析探索层次分析-模糊判断（AHP-Fuzzy）综合评价模型［7-9］在清洁生产中/高费方案筛选中的适用性研究，寻找清洁生产审核过程中对中/高费方案的选择更具有科学性和客观性的评价方法，以利于领导者和决策层科学选取率先实施的清洁生产方案。

1　评价方案

1.1评价方法

层次分析方法（AHP）是美国运筹学家T.L. Saaty于20世纪70年代提出的。该方法以1～9标度构造判断矩阵，不符合人为主观判断不精确性和模糊性的特性，1983年P.J.M.Van Laarhoven等［10］提出利用三角模糊数表示模糊成对比较矩阵，实现把AHP拓展为模糊AHP，即AHP-Fuzzy。1985年J.J.Buckley又将其进一步优化完善，将一致性的概念转化到模糊矩阵中［11］。AHP-Fuzzy综合评价法使定性与定量相结合，以确定多指标、多因素、多数据的决策，利用较少的定量信息把决策者的决策思维过程数学化，实现了不同角度优化一个复杂系统，并对其进行决策分析、预测及评价的目的。AHPFuzzy综合评价流程见图1。

图1　AHP-Fuzzy综合评价流程Fig.1　Flow chart of AHP-Fuzzy comprehensive assessment

1.2待评价方案

在宁夏回族自治区某电解铝企业全厂范围内开展企业清洁生产审核工作。审核工作于2013年3月正式启动，历时9个月，通过清洁生产审核，共提出了清洁生产中/高费方案4项，具体方案为：空压机系统节能技术改造、净化风机变频节能技术改造、电解槽罩板底部加装绝缘砖改造和电解槽集气罩板更换（表1）。

表1　清洁生产中/高费方案汇总Table 1　The summary table of cleaner production scheme

利用AHP-Fuzzy综合评价法对上述4项清洁生产中/高费方案可行性优劣进行排序，为企业决策者方案筛选实施提供依据。

2　评价与结果

2.1评价指标体系构建

清洁生产方案优选是一项系统工程，指标体系构建的合理与否直接关系着评价结果的优劣［12］。笔者构建的递阶层次结构包括总目标层、准则层、评价指标层和方案层4个层次［13］。在参考了相关清洁生产评价指标并结合清洁生产审核方法学要求的基础上［4，14-16］，选取技术可行性、环境可行性、经济可行性3个一级指标作为评价准则层，从上述3个指标出发结合电解铝企业实际情况综合考虑以13个二级指标作为评价指标层，其中技术可行性指标主要从技术成熟性、技术先进性、技术适用性、与国家相关技术政策相符性、现有公用工程配套程度等方面评价；环境可行性指标主要从三废削减量、吨产品电耗减少量、吨产品水耗减少量、吨产品原辅材料减少量等方面评价；经济可行性指标主要从单位污染处理费用、废物资源化利用效益、排污费减少额、总投资费用等方面评价；审核中不同中/高费方案作为方案层。根据上述设计构建了4级结构的评价指标体系（表2）。

表2　电解铝清洁生产方案评价指标体系Table 2　The step up hierarchy chart of cleaner production schemes

2.2构建判断矩阵

依据AHP法原理和程序，对同层次各指标两两重要性比较，比较结果根据T.L.Satty［17］提出的1～9比率标度表列出，标度结果组成各层次n×n阶判断矩阵（R=（rij）），得到4组判断矩阵（RA、RB1、RB2、RB3）。

2.3一致性检验

判断矩阵元素是依据经验判断确定标度值来定的，具有片面性。为了防止这种片面性导致的错误，需要对层次排序进行一致性检验。

2.3.1层次单排序和一致性检验

层次单排序是根据判断矩阵计算某一层上各指标对其上层指标相对重要性的权重，即计算判断矩阵的最大特征值和特征向量问题。文中采用和积法（ANC）［18］计算各指标的权重归一化处理后再进行一致性检验。

2.3.1.1归一化

将判断矩阵RA的每一列元素通过作归一化处理得到：

2.3.1.2求特征向量

将每一列经归一化处理后的判断矩阵按行相加，所得值除以该列所有值的和即得所求的特征向量W=（w1，w2，…，wn）T。得出矩阵RA的特征向量为：

同理，可得矩阵RB1、RB2、RB3的特征向量。

WB1=（0.263 6，0.477 2，0.053 2，0.098 8，0.107 2）T

WB2=（0.088 5，0.426 6，0.342 7，0.142 2）T

WB3=（0.153 0，0.239 5，0.521 5，0.086 0）T

2.3.1.3求最大特征根

同理，可得矩阵RB1、RB2、RB3的最大特征根分别为5.091 0、4.154 9和4.059 1。

2.3.1.4一致性检验

AHP法规定，当随机一致性比率（CR）小于0.10，判断矩阵通过一致性检验，否则，就需要重新做出判断。CR的计算公式为：

式中：CI为一致性指标；RI为随机一致性指标，可根据表3查得。

表3　RI取值Table 3　The value of RI

计算所得权重值和一致性检验结果见表4。

表4　一致性检验结果Table 4　The result of consistency check up

由表4可知，4个判断矩阵均通过一致性检验，表明构造的判断矩阵不需要调整。

2.3.2层次总排序及一致性检验

根据2.3.1.2节特征向量及一致性检验结果（表4）进行指标层权重分配（表5）。根据指标层所有因素重要性的权重得到层次总排序。

表5　指标层权重分配Table 5　Weight distribution of indexs

根据式（1）和（2）及表3进行层次总排序随机一致性比率（CRc）计算可得，CIc为0.040 3，RIc为0.923 1；根据式（1）计算可得，CRc为0.043 7＜0.10。

因此，总排序权重值通过一致性检验，完全可以用于进行电解铝企业清洁生产技术方案的综合评价。

2.4清洁生产方案隶属度确定

对上述4项清洁生产中/高费方案的隶属度采用专家咨询打分的方式来确定。专家组由权威性机构的专家及企业相关人员等组成，共10人。咨询专家对咨询表中每个备选清洁生产方案进行唯一对应结果的选择，然后统计人员选择结果概率，以此作为该要素的隶属度。确定评价标语集“很好、较好、一般、较差、很差”。各方案的隶属度见表6。

表6　方案隶属度统计表Table 6　The statistics of schemes subjection

2.5模糊综合评价结果

从表7的综合评价结果可以看出，4个方案优劣排序为F03＞F04＞F02＞F01，该结果与沈忱等［1］的研究结果一致。考虑到企业方案实施中受资金筹措、人员配置、设备选型等因素制约，建议根据优劣排序分步实施4个方案，先实施F03号方案，再利用方案实施后的收益作为F04号方案的启动资金，以此类推使方案滚动实施。

表7　方案模糊综合评价结果Table 7　The result of schemes fuzzy comprehensive assessment

3　清洁生产方案实施绩效分析

根据审核小组建议方案，该企业于2013年11月首先完成对电解车间直型集气罩板的改造，F04方案已列入2015年技改计划。通过调研、实测和计算等方法，依据企业财务数据、计量数据和成本核算数据，审核小组对方案实施效果进行了跟踪、统计。方案实施前，企业电解槽直型集气罩板密闭性差，侧门存在漏洞/缝，烟气无组织排放情况严重，使原料氟化盐和氧化铝回收率较低。企业投资1 128万元完成直型集气罩板改造为弯型集气罩板后，大大提升电解集气效率，降低车间内电解烟气的无组织排放和氧化铝单耗，为企业创造经济效益349万元/a，预计约3.2 a企业可收回成本（图2）。

图2　集气罩板更换前后对比Fig.2　The comparison chart of gas cover replacement

4　结语

层次分析-模糊判断（AHP-Fuzzy）综合评价法适用于电解铝企业清洁生产中/高费方案可行性分析研究；该体系可以有效地对各方案的经济、技术和环境指标进行评价，能够较为准确地反映各指标的清洁生产水平，帮助企业筛选出电解槽集气罩板更换（F03）方案为优先实施的清洁生产方案。方案实施后，一方面基本消除了企业电解车间烟气的无组织排放，提升了集气效率，有效改善了车间环境质量和工人操作环境，环境效益显著；另一方面，由于降低了氧化铝单耗，为企业带来349万元/a的经济效益。可见，综合评估结果与方案运行结果吻合，符合《清洁生产审核手册》中清洁生产方案实施方案的要求，即方案在技术上先进适用、在经济上合理有利，又能预防污染，从而保护环境。

［1］沈忱，周长波，李旭华，等.电解铝行业清洁生产案例分析及推行建议［J］.环境工程技术学报，2014，4（3）：237-242.

［2］刘大钧，汪家权.我国电解铝行业现状分析及环保优化发展的对策建议［J］.轻金属，2014（9）：9-13.

［3］肖序，万红艳.技术进步对中国电解铝能源消费回弹效应的影响：基于二级镶嵌式 CES函数的实证研究［J］.中国人口·资源与环境，2012，22（10）：144-150.

［4］环境保护部清洁生产中心.清洁生产审核手册［M］.北京：中国环境出版社，2015：42-46.

［5］刘启承.灰色关联度分析法在清洁生产方案研制过程中的应用［D］.重庆：重庆大学，2007：45-49.

［6］张晓旭，张芸，李金花，等.基于DEA的水泥脱硝清洁生产方案可行性评价［J］.环境科学与技术，2015，38（1）：164-169.

［7］BÜYÜKÖZKAN G，CIFCIG，GÜLERYÜZ S.Strategic analysis of healthcare service quality using fuzzy AHP methodology［J］. Expert Systems with Applications，2011，38（8）：9407-9424.

［8］赵莹，金慧，陈庆红，等.AHP-Fuzzy综合评价法在食用植物油工业清洁生产评价中的应用［J］.长春师范学院学报：自然科学版，2013，32（6）：87-91.

［9］朱美，黄占斌.AHP-Fuzzy综合评价法在燃料乙醇行业清洁生产评价中的应用［J］.城市环境与城市生态，2014，27（4）：43-46.

［10］Van LAARHOVEN P JM，PEDRYCZW.A fuzzy extension of Saaty's priority theory［J］.Fuzzy Setsand Systems，1983，11（1/ 2/3）：199-227.

［11］BUCKLEY J J.Fuzzy hierarchical analysis［J］.Fuzzy Sets and Systems，1985，17（3）：233-247.

［12］ ALWAER H，CLEMENTS-CROOME D J.Key performance indicators（KPIs）and priority setting in using multi-attribute approach for assessing sustainable intelligent buildings［J］. Building and Environment，2010，45：799-807.

［13］黄羽，刘大银，董俊，等.AHP-Fuzzy综合评价法优选清洁生产方案：以湖北某氮肥厂方案优选为例［J］.武汉工程大学学报，2008，30（2）：58-61.

［14］ TSENGM L，LIN Y H，CHIU A S F.Fuzzy AHP-based study of cleaner production implementation in Taiwan PWB manufacturer［J］.Journal of Cleaner Production，2009，17：1249-1256.

［15］张雁飞，崔兆杰，王晓菲，等.炼油工业清洁生产评价指标体系的建立及应用［J］.山东大学学报：工学版，2013，43（4）：99-104.

［16］李佳，张一敏，刘涛.石煤提钒行业清洁生产评价方法研究［J］.环境科学与技术，2013，36（8）：200-205.

［17］SAATY T L.The analytieal hierarehy process［M］.New York：Me Graw Hill，1980：1-85.

［18］王连芬，许树柏.层次分析法引论［M］.北京：中国人民大学出版社，1990：89-90.○

Study on Scheme Feasibility Assessment of Cleaner Production Audit in A lum inum Electrolytic Industry

LIXu-hua1，ZHOU Chang-bo1，LI Jun-chao2，SHEN Chen1
1.China National Cleaner Production Center，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China 2.Center for Environmental Engineering Design，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China

According to the characteristics of"high energy consumption，heavy pollution"of aluminum electrolytic industry，with"energy saving，consumption reducing，pollution decreasing and benefit increasing"as the dominant purpose，the evaluation index system for cleaner production scheme in aluminum electrolytic industry was constructed by combing with AHP-Fuzzy comprehensive evaluation method，and the feasibility of the comprehensive evaluation model to be used in the evaluation of cleaner production scheme in this industry was explored.It shows that AHP-FUZZY comprehensive evaluation method can be successfully applied in screening cleaner production high-andmiddle-cost schemes in aluminum electrolytic industry，and the good economic，social and environmental benefits could be realized by implementation of the schemes screened out.

aluminum electrolytic industry；cleaner production schemes；AHP-Fuzzy；feasibility evaluation

X38

1674-991X（2015）06-0519-06doi：10.3969/j.issn.1674-991X.2015.06.081

2015-06-05

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2013ZX07503-001）

李旭华（1980—），女，副研究员，博士，主要从事清洁生产审核及方法学研究，lixh@craes.org.cn

周长波（1973—），男，研究员，博士后，主要从事清洁生产研究，zhoubc@craes.org.cn