低溫精餾空分產(chǎn)品能耗分攤的確定與計算

第38卷第12期鋼鐵Vol 38, No 122003年12月IRON AND STEELDecember 2003低溫精餾空分產(chǎn)品能耗分攤的確定與計算張延平王立高遠(北京科技大學(xué))(上海寶鋼集團公司)要建立了一種氧—氮—氬三元物系的物性計算模型和空分精餾系統計算模型.并應用所建立的物與空分精餾系統計算模型,分別計算了生產(chǎn)氧或氮單高純產(chǎn)品、生產(chǎn)氧、氮雙高純產(chǎn)品和生產(chǎn)氧、氮、氬三高純產(chǎn)品空分裝置的能耗。在此基礎上,提出了一種新的考慮主導產(chǎn)品地位的空分產(chǎn)品能耗分攤比例計算方法,解決了國內外長(cháng)期以來(lái)由于氧、氮、氬互為副產(chǎn)品而帶來(lái)的單個(gè)產(chǎn)品能耗無(wú)法確定的問(wèn)題。此方法消除了以往計算產(chǎn)品能耗時(shí)人為規定能耗分攤比例的缺點(diǎn),為空分產(chǎn)品的能耗和成本確定與分析提供了客觀(guān)旳依據關(guān)鍵詞空氣分離能耗分攤CALCULATION OF PRODUCT ENERGYCONSUMPTION OF AIR SEPARATION UNITZHANG Yanping WANG Li(University of Science and Technology BeijingGAO Yuan(Shanghai Baosteel Group Co.ABSTRACT A model for calculation thermo-physical properties of ternary oxygennitrogen-argon system and a model for air separation unit (AsU) operation wereUsing the models, the energy consumption of producing one product (high purity oxygen ornitrogen), two products(high purity oxygen and nitrogen) and three products(high purityoxygen, nitrogen and argon) can be calculated. A new proportional method to calculate theenergy consumption of each product of ASUs is proposed. Using this method, the energyconsumption and cost of each production can be determined more objectively.KEY WORDS air separation, energy consumption apportioning氧氣等工業(yè)氣體廣泛應用于各行業(yè),尤其冶金分)裝置通過(guò)將空氣壓縮、液化、分離獲得氧、氮、氬企業(yè)對氧氣、氮氣、氬氣的依賴(lài)程度不斷增加門(mén)。我等氣體產(chǎn)品,從能量角度對空分的熱力學(xué)分析往往國最大的鋼鐵企業(yè)寶鋼(集團)公司空分耗電量占企是整體描述的。因此長(cháng)期以來(lái)空分產(chǎn)品(主要為業(yè)總電量的約1/7,長(cháng)期以來(lái)寶鋼一直致力于降低氧、氬、氮)的成本核算一直缺少客觀(guān)、準確的計算依空分產(chǎn)品的能耗水平,三期投產(chǎn)的6號空分比一期據,產(chǎn)品能耗分攤比例一般都是根據經(jīng)驗估箅的。確的1號、2號空分制氧單耗下降了9.3%,氧提取率定空分各產(chǎn)品能耗分攤的困難在于各種空分產(chǎn)品是提高了14.9%。開(kāi)發(fā)空分產(chǎn)品能耗計算和多種產(chǎn)品同時(shí)、連續生產(chǎn)的,一種產(chǎn)品的生產(chǎn)依賴(lài)于其他產(chǎn)品的能耗分攤方法.是空分產(chǎn)品價(jià)格制定和成本分析的同時(shí)分離,對現有空分設備來(lái)說(shuō),停止任一產(chǎn)品的的基礎,也使節能降耗更有目的性。目前通過(guò)空氣分供出,其他產(chǎn)品也將因純度惡化而達不到要求,可以離獲取氣體產(chǎn)品的方法有吸附法、膜滲透法等,但低說(shuō)空分產(chǎn)品是互為副產(chǎn)品的,因此無(wú)法在空分裝置溫精餾法仍占主導地位?？諝夥蛛x(以下簡(jiǎn)稱(chēng)空上直接測岀不同產(chǎn)品的能耗值或計算岀總能耗在各54鋼鐵第38卷產(chǎn)品間的分攤比例。本文在所開(kāi)發(fā)的氧一氬一氮物等其他熱力學(xué)參數的推導式。性計算模型和精餾計算模型的基礎上,提岀了一種1.2精餾計算客觀(guān)、合理劃分空分總能耗在各產(chǎn)品間分攤比例的以理論塔板(或平衡級)為基礎旳嚴格精餾計算計算方法包含以下基本方程組的聯(lián)合求解1空分系統流程計算(1)相平衡方程組(E方程)空分流程計算有三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節:(1)氧一氬氮及其混合物的物性計算;(2)精餾計算;(3)整個(gè)(2)物料平衡方程組(M方程)空分流程的模擬計算。其中重要的是正確建立精餾V+1y,+1+L-1x,-1+FZ,計算模型V;+W)(L,;+U,)1.I三元物性計算(3)能量平衡方程組(H方程)以 Harmens狀態(tài)方程為基礎-+L1-H-1+FRTp=v-b-V2+30V-2b2(W,+V)H-(L1+U)H1-Q,=0(4)摩爾分數加和方程組(S方程)式中p——壓力,Pa;T溫度,K1及V—摩爾體積,cm3/mol;其中V、L分別表示塔內上升氣量和下流液R—氣體常數;量;F、Z,表示輸出產(chǎn)品流量與組成;W、U,分別表參數對于純物質(zhì)示汽相及液相進(jìn)出量;H、H、Q表示各級汽液相焓值與冷損值a=nRT2/p描述精餾過(guò)程的MESH方程組是非線(xiàn)性的,求b=n2,RT/p出精確解尚有困難,采用逐次迭代法求解。將相平衡式中方程(E方程)和物料平衡方程(M方程)進(jìn)行交換,3,=K-Lr+ Mr-Nr并由塔頂至各板間截面作總的物料衡算,ME方程21=0.070721改寫(xiě)成矩陣形式A X =D對混合物,采用以下混合規則對于指定的精餾塔,精餾過(guò)程求解步驟如下(1)假定x、T、V,初值(2)計算物料平衡矩陣系數,用高斯消元法求解ME方程,從而得到各層理論塔板上的液相組在混合規則中引入表征不同組分分子間作用的成;元相互作用系數,使物性計算的結果更精確。由于(3)用S方程檢驗平衡級溫度,若不正確,利用該系數是與溫度有關(guān)的參數,視為溫度的線(xiàn)性函數。泡點(diǎn)計算求解新的平衡溫度由 Harmens狀態(tài)方程經(jīng)過(guò)系數轉換和整理,導出關(guān)于壓縮因子的三次方程(4)用H方程校驗并計算氣相流冬收斂準(5)重復以上(2)~(4)步驟,直至滿(mǎn)足Z+az2+BZ+y=在臨界點(diǎn)以上,上式只有一個(gè)實(shí)根,在臨界點(diǎn)以對于不同的精餾塔,各塔的流程組織、進(jìn)岀物下,有三個(gè)實(shí)根,其中最大的和最小的實(shí)根分別為汽料、熱量分配都不相同,相應的求解各塔精餾過(guò)程的相和液相的壓縮因子,中間的根無(wú)物理意義進(jìn)而由數學(xué)模型也不盡相同。根據各塔不同情況,參照模型熱力學(xué)理論的逸度定義,計算出各組分的逸度系數塔建模理論和方法,可以分別建立并求解各塔的Ing= In- R7b(1-Z)+MESH方程組1.3流程計算根據物性計算模型,以精餾模型為基礎,結合空第12期張延平等:低溫精餾空分產(chǎn)品能耗分攤的確定與計算流程是困難的,甚至說(shuō)是不可能的。但是,不論簡(jiǎn)單(5)當空分裝置以氧、氮同時(shí)作為主導產(chǎn)品時(shí)的還是復雜的流程,都可以按功能劃分為壓縮、制將以上兩種計算結果中的氧、氮能耗平均,最終得岀冷、精餾、換熱等若干單元。開(kāi)發(fā)岀毎個(gè)單元的熱力對象空分產(chǎn)品能耗值和能耗比例。計算模型,依據流程特點(diǎn)編制計算程序,就可以完成2.2空分產(chǎn)品旳實(shí)際能耗與成本分析任何流程的模擬計算由2.1中計算得出空氣分離能耗中氧、氮、氬的2空分產(chǎn)品分離能耗組成及計算能耗分攤比例,對于確定的空分設備,非變工況運行目前單獨生產(chǎn)一種氣體產(chǎn)品的空分設備(單高時(shí)這一能耗比例是相對穩定的。當產(chǎn)品以不同形式塔)已淘汰,空分裝置的主要產(chǎn)岀物是氧、氬、氮三種(如壓縮、液化等)送岀時(shí),整體能耗改變,氧、氮、氬氣態(tài)或液態(tài)產(chǎn)品(稀有氣體全提取的空分產(chǎn)量很低,產(chǎn)品能耗比例也在改變。因此在分離能耗計算中只計氧、氬、氮產(chǎn)品)。通過(guò)精在產(chǎn)品分離能耗一定的基礎上,考慮各種產(chǎn)品餾模型可以模擬計算單高塔、雙高塔和全提取塔(三送岀形式的能量消耗和相互關(guān)系,能夠計算岀最終種產(chǎn)品)的塔板數、壓縮機能耗等相關(guān)參數,是空分產(chǎn)品能耗的分配比例產(chǎn)品能耗分析和分攤比例計算的基礎。產(chǎn)品成本是產(chǎn)品勞動(dòng)消耗的貨幣表現,它有多2.1產(chǎn)品能耗的計算方法種劃分方法和包含內容,本文只討論產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程(1)以單獨生產(chǎn)氧產(chǎn)品的空分裝置(單氧塔)為中的直接消耗,即生產(chǎn)成本?？辗之a(chǎn)品的生產(chǎn)成本包研究對象,通過(guò)精餾模型計算出運行參數,進(jìn)而計算括水、電、蒸汽、藥劑的消耗和空分設備的折舊等,這岀空壓機能耗,將所發(fā)生能耗作為氧產(chǎn)品的能耗;些消耗都可以按照氧、氮、氬能耗的分攤比例進(jìn)行計(2)以生產(chǎn)氧、氮產(chǎn)品的空分裝置(雙高塔)為算。實(shí)際上其他成本也可以如此分攤,因此準確計算計算對象,同樣方法計算岀空壓機能耗,從雙高塔能空分產(chǎn)品的能耗比例,對于制定產(chǎn)品價(jià)格、實(shí)施節能耗中減去氧產(chǎn)品能耗,作為氮產(chǎn)品的能耗;降耗、分析上下游產(chǎn)品相關(guān)的成本構成有重要的意(3)以生產(chǎn)氧、氮、氬產(chǎn)品的空分裝置為基礎計義算,在總能耗中除去(2)項的能耗,即為氬的產(chǎn)品能3應用舉例耗以某鋼鐵公司制氧機為例,應用本文的計算方(4)以上計算是以氧為主導產(chǎn)品,而氮、氬為輔法進(jìn)行產(chǎn)品能耗與分攤核算(計算結果見(jiàn)表1)。計助產(chǎn)品,當以氮為主導產(chǎn)品時(shí),計算方法類(lèi)似:首先算結果表明,以低溫精餾法生產(chǎn)氣體產(chǎn)品的空分設以單獨生產(chǎn)氮產(chǎn)品的空分裝置(單氮塔)為計算對備,氧產(chǎn)品的能耗占主要部分;氮產(chǎn)品的能耗占總能象,將所發(fā)生能耗作為氮產(chǎn)品的能耗;然后分別計算耗三分之一以上;氬產(chǎn)品的能耗比例雖很小,但由于氧、氬產(chǎn)品能耗;產(chǎn)量少,因此單耗較高。表1空分產(chǎn)品能耗與分攤比例Table 1 Energy comsumption and apportioning among the products項目單高塔(氧氣)單高塔(氮氣)雙高塔(不提氬)雙高塔(提氬工空氣量/m3·m-3(O2)5.0365空壓機出口壓力/105Pa3.空壓機能耗/kJ·kmo20345.969414.9631959.032467.62以氧為主導產(chǎn)品62.67%:35.77%:1.57%氧、氮、氬分離能耗比例以氮為主導產(chǎn)品56.58%:41.86%:1.57%平均(氧氮均為主導時(shí))62%:38,81單位產(chǎn)量(氧氮均為主導)注:“空壓機能耗”由式(1)計算得出;“氧、氮、氬分離能耗比例”項中的“綜合平均”是將“以氧為主導產(chǎn)品”和“以氮為主導產(chǎn)品”的能耗比例平均得出,而“單位產(chǎn)量”表示單位產(chǎn)量產(chǎn)品的能耗即單耗4結論(2)在低溫精餾法空分生產(chǎn)中,無(wú)論氧作為主(1)提出了一種全新的空分產(chǎn)品能耗計算和分導產(chǎn)品還是氮作為主導產(chǎn)品,或者二者均為主導產(chǎn)攤的方法,能夠合理地確定空分氧、氬、氮產(chǎn)品能耗品,氧產(chǎn)品的能耗在總能耗中占主要部分;氮產(chǎn)品的分配比例,可作為工業(yè)氣體生產(chǎn)企業(yè)能耗分析與成能耗占總能耗三分之一以上;氬產(chǎn)品的能耗比例雖第12期卜慶才等:鋼鐵工業(yè)水的資源效率研究71藝用水量將下降到140m3/t。在水資源效率不變的5結論情況下,噸鋼新水消耗量將下降到14m3/t,對應于(1)水的資源效率是評價(jià)水資源利用狀況的重圖中A區的a點(diǎn)。要指標,它和水的循環(huán)率一起,從兩個(gè)不同側面反映當然,根據設備和資金等實(shí)際條件,企業(yè)也可能了鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程對一次水資源的依賴(lài)程度。選擇先淘汰落后用水設備、后改造循環(huán)水系統的方2)加強用水管理,杜絕跑、冒、滴、漏,減少循案(對應圖4中c→-da),或者同時(shí)開(kāi)展兩項工作環(huán)水損失,減少污水排放量,可降低鋼鐵企業(yè)新水消(對應ε→a)。這幾種作法都可以達到同樣的節水效耗。3)降低工藝用水量和提高水的資源效率是鋼由這個(gè)例子可以看到,對于某些企業(yè),提高水的鐵工業(yè)兩個(gè)最基本的節水方向循環(huán)率和降低噸鋼工藝用水量?jì)身椆澦ぷ魍戎?4)提高水的循環(huán)率是提高鋼鐵工業(yè)水的資源要,缺一不可效率最有效的途徑之參考文獻1錢(qián)正英,張光斗.中國可持續發(fā)展水資源戰略研究綜合報告及各專(zhuān)題報告.北京:中國水利水電出版社,2001.42中國鋼鐵工業(yè)年鑒編委會(huì )中國鋼鐵工業(yè)年鑒2001.北京:冶金工業(yè)出版社,2001.106.3鄧南圣,吳峰.工業(yè)生態(tài)學(xué)—理論與應用(生態(tài)·環(huán)境與工程叢書(shū)).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.2944程小矛.節約用水是冶金工業(yè)“十五”發(fā)展的重要工作,中國冶金,2001,(6):13~17(上接第55頁(yè))參考文獻1 DroevichR F. Cryogenic Unit for Air Separation With Oxygen Enrichment for Blast Furnace System. Fuel andEnergy Abstracts, 1997.38(2): 110.2 Arcind R, Farooq S, Ruthven D M. Analysis of a Piston PSA Process for Air Separation. Chemicalring Science,2002,57(3):419~4333 Gaffney. Thomas R. Porous Solids for Air Separation. Curent Opinion in Solid State 8. Materials Science1996,1(1):69~75.4 Comelissen R L, Hirs GG. Exergy Analysis of Cryogenic Air Separation. Energy Conversion andManagement,1998,39(16~18):1821~1826.5 Harmens A. Cubic Equation of State for the Prediction of n//2-ar-o//2 Phase Equilibrium. Cryogenics,197717(9):519~5226張占柱,傅舉孚.空分裝置精餾系統的計算機設計.深冷技術(shù),1983,(4):1~18.7張延平.空分精餾計算計算機模擬:[碩士學(xué)位論文].北京:北京科技大學(xué),1999