鋼廠(chǎng)空分產(chǎn)品能耗結構

第30卷第11期北京科技大學(xué)學(xué)報vo.30No.112008年11月Journal of University of Science and Technology BeijingNov,2008鋼廠(chǎng)空分產(chǎn)品能耗結構董春陽(yáng)1)王立1)張延平2)1)北京科技大學(xué)機械工程學(xué)院,北京1000832)首鋼技術(shù)研究院,北京100043摘要針對鋼廠(chǎng)的空分現狀及存在的問(wèn)題,從空分精餾原理出發(fā),以空分流程以及空分產(chǎn)品的能耗作為切入點(diǎn),提出合理計算氧、氮和氬產(chǎn)品成本的方法,并將該方法應用于各種空分產(chǎn)品的能耗以及能耗分攤比例的計算.該方法解決了由于氧、氮和氬互為副產(chǎn)品而帶來(lái)的單個(gè)產(chǎn)品能耗無(wú)法確定的問(wèn)題,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)關(guān)鍵詞鋼廠(chǎng);空氣分離;能耗;能耗結構分類(lèi)號TQ116.11Energy consumption structure of air-separation products in steel plaDONG Chunyang", WANG Li", ZHANG Yanping21)School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China2)Shougang Research Institute of Technology, Beijing 100043, ChinaABSTRACT Aiming at the present situation of air separation units in a steel plant, a rational method of calculating the costs of oxy-gen, nitrogen and argon was proposed by considering the air separation process and the energy consumption of air-separation products,and was used to calculate the energy consumption and the apportioning proportion of air-separation products. The presented methodcan not only solve the problem that the energy consumption of single product cannot be accurately calculated because oxygen, nitrogenand argon are by-products one another, but also eliminate the disadvantage that the apportioning proportion is arbitrarily controlleKEY WORDS steel plant; air separation; energy consumption; energy consumption structure在鋼鐵企業(yè)中,低溫精餾空氣分離法是一個(gè)高產(chǎn)不同控制方式的空分設備的能耗有很大差別,多能耗的生產(chǎn)過(guò)程,我國大型現代化鋼鐵企業(yè)的空分臺機組運行有最優(yōu)化(產(chǎn)量最高能耗最低)的問(wèn)題設備生產(chǎn)電耗約占整個(gè)企業(yè)電耗的1/71,尤其冶因此,準確確定氧氬和氮產(chǎn)品能耗分攤比例,對于金企業(yè)對氧氣、氮氣和氬氣的依賴(lài)程度不斷增有效降低能耗與提高經(jīng)濟效益,起著(zhù)非常重要的作加2.如何降低單位制氧能耗一直是鋼鐵企業(yè)關(guān)注用S]的主要問(wèn)題本文以寶鋼制氧廠(chǎng)的空分設備為例,提出合理能耗與空分設備的大小流程和液體的提取量計算氧、氮和氬產(chǎn)品成本的方法以及降低產(chǎn)品成本等均有關(guān),目前國內外空分設備能耗的統計與計算的措施,并且定量比較了各種制氧工序的能耗,以此方法不統一3,長(cháng)期以來(lái)空分裝置產(chǎn)品的能耗計算作為選擇制氧工藝的科學(xué)依據一直缺少準確的計算依據,氧、氬和氮能耗分攤比例一般都是根據經(jīng)驗估計.對于確定的空分設備,非1寶鋼能源部氧氣分廠(chǎng)空分現狀與存在的變工況運行時(shí)能耗分攤比例相對穩定4,不同類(lèi)型問(wèn)題(或流程)空分裝置的產(chǎn)品能耗比例按照相同的比例寶鋼(集團)公司在20世紀80~90年代進(jìn)行的分攤,不同狀態(tài)產(chǎn)品也按照統一能耗計算方法計算三期工程建設中先后從國外引進(jìn)了六臺大這實(shí)際上是不合理的.不同流程形式、不同廠(chǎng)家生型空分設備.寶鋼制氧系統現有六臺制氧機組,主收稿日期:2007-10-19修回日期:200805-28作者簡(jiǎn)介1977-),男,助理研究員,碩士,Emal: tenshi@ustb, edu. en北京料技大學(xué)學(xué)報第30要生產(chǎn)氣體氧、氮和氬,同時(shí)機組生產(chǎn)液體氧、氮和值;4*~6#制氧機產(chǎn)品產(chǎn)量可調,產(chǎn)品負荷可調范氬產(chǎn)品,其中,1#~3#制氧機的產(chǎn)品產(chǎn)量為恒定圍70%-105%6.主要技術(shù)參數見(jiàn)表1表1寶鋼空分設備技術(shù)參數表Table 1 Technical parameters of air separation units of Baoste氧氣產(chǎn)量/(m3h-1)26000260003000060000氮氣產(chǎn)量/(m3h-1)2600030000300008400064000液氧產(chǎn)量/(m3h1)6002000液氮產(chǎn)量/(m3h1)液氬產(chǎn)量/(m3h1)25氧純度/%>99.6>99,6>99.6>99,6氮純度/10-6<10氬純度/1O2+N2<10O2+N2<10O2+N2<-10O2<2,N2<5O2<2,N2<5O2<1,N2<1加工空氣量/(m3hb)50740145680氧提取率/%82,6氫提取率/%制氧電耗/(kWhm-3)0.4610.358壓氧電耗/(kWhm-3)0.1830.1830.175總電耗/(kWhm30.6440.5940.5330.584引進(jìn)廠(chǎng)商日本神鋼日本神鋼日本神鋼美國APCI美國APCI德國林德簽約/投產(chǎn)年份1980/19841985/198798/19911994/19971996/1999通過(guò)寶鋼1#~6#空分設備的流程變化,反映a=∑∑xP;b=∑x1(2)了近年來(lái)大型空分的發(fā)展軌跡.大型空分實(shí)現了全低壓流程后,流程上的改進(jìn)余地不大,主要集中在工其中混合物的臨界性質(zhì)由下列各式求解藝變化,中心是節能與安全.寶鋼從1#~6“空分機T=(TaT)2(1-K),z=(za+2)/2組,每前進(jìn)一步都伴隨著(zhù)能耗的下降,雖然寶鋼氧氣V=[(vci)(vci)3]/8, Pc=RTei zei/vei廠(chǎng)空分設備在國內屬于領(lǐng)先水平,但也面臨著(zhù)一些(3)問(wèn)題.比如缺乏空分氣體產(chǎn)品產(chǎn)供能力的實(shí)時(shí)調式中,T為臨界溫度,Z。為臨界壓縮因子,V為臨度,造成氧放散率高;多國、多層次設備聯(lián)網(wǎng)運行匹界摩爾體積,P為臨界壓力K二元相互作用系配壓力等級能耗差異及消耗的問(wèn)題;各種產(chǎn)品能數,i為氧氮氬組分,K視為溫度的線(xiàn)性函數:耗比例和液體產(chǎn)品外銷(xiāo)的成本確定缺乏依據.降低Ki=ao+aIt(4)寶鋼空分產(chǎn)品能耗,確定產(chǎn)品成本,需要有一套精確對不同的二元體系,a0和a1的值見(jiàn)表2地計算空分精餾及流程的方法,進(jìn)而對空分工藝與表2二元體系參數值產(chǎn)品產(chǎn)供的特點(diǎn)進(jìn)行統籌分析,有針對性地提出節Table 2 Parameters of duality systems能降耗的措施參數N2-ArN2-O2Ar-O2空分流程能耗計算a0-0.66553×10-2-0.23644Xa10.19476×1040.15427×10-30.87687×10-42,1空氣三元物系的熱力模型O2-Ar-N2三元體系狀態(tài)方程為782.2空分精餾系統計算9結合模型塔和理想平衡級關(guān)系可列出以下基本+3bV-2b2(1)方程組式中,P為壓力,T為溫度,V為摩爾體積,R為氣(1)相平衡方程組(E方程):體常數,a、b為參數.對于混合物,采用以下混合k(5)規則(2)物料平衡方程組(M方程)第11期董春陽(yáng)等:鋼廠(chǎng)空分產(chǎn)品能耗結構1309V;+1y,+1+L-1x1,;-1+FZ1,;A i,j=D,(9)(V+W)y.;-(L+U)x,=0(6)其中A代表v、L八、W和U,x,代表x,和y,(3)能量平衡方程組(H方程):D代表F和ZV;+1H+1+L3空分產(chǎn)品能耗計算(W+v)-(L+U)H-Q=0(7)31空分中氧-氬-氮產(chǎn)品分離能耗(4)摩爾分數加和方程組(S方程):首先根據塔頂污氮出口壓力、溫度和組分,自上(8)而下逐板計算每塊塔板的有關(guān)參數,逐級運用氧氬一氮三元物系的露點(diǎn)、泡點(diǎn)計算程序,直至塔底氧式中,x,表示上升氣體中的氧含量,y表示下流氣純度滿(mǎn)足設計要求.之后,根據實(shí)際空分裝置的液體中的氮含量,v、L分別表示塔內上升氣量和塔阻力確定每一理論塔板數的阻力,以確定空壓機下流液量,F、2表示輸出產(chǎn)品流量與組成,W八、U的出口壓力,空壓機能耗即是氧氣的產(chǎn)品能耗(計分別表示氧相及液相進(jìn)出量,壓瑪和Q表示各算中不考慮輔助能耗).雙高塔的精餾計算不但要級氣、液相焓值與冷損值.下腳標i(i=1,2,3,進(jìn)行上、下塔的逐板計算,而且要結合精餾的校核計c)表示精餾組分;j(=1,2,3,…,N)表示理論平衡算.與單高塔相比空壓機出口壓力提高,相同氧產(chǎn)級數對于第一級冷凝器L-1=0,第N級再沸器量雙高塔總能耗減去單高塔氧產(chǎn)品能耗即為氮產(chǎn)品V+1=0.以上方程組簡(jiǎn)稱(chēng)MESH方程組,由于能耗,提氬雙高塔總能耗減去不提氬雙高塔總能耗MESH方程組是非線(xiàn)性的,求出精確解尚有困難,即為氬產(chǎn)品能耗.以寶鋼5#空分正常工況的運行通常采用逐次逼近法求解.將相平衡方程(E方程)參數為標準:加工空氣量297200m3h-1,氧氣產(chǎn)量和物料平衡方程(M方程)進(jìn)行變換并由塔頂至各6000m3,h-1,氮氣產(chǎn)量80000m3,h-1,氬產(chǎn)量板間截面作為的物料衡算ME方程改寫(xiě)成如下矩2150m3h-1.計算空分產(chǎn)品的分離能耗,結果如陣形式:表3所示變3寶鋼5空分的產(chǎn)品分離能耗Table 3 Products energy consumption of 5 air separation unit in baosteel參數單高塔(氧氣)單高塔(氮氣)雙高塔(不提氬)雙髙塔(提氬理論塔板數上塔52,下塔33上塔46,下塔33加工空氣量/O23,05.03654.9530空壓機出口壓力/MPa0.340.400.65空壓機能耗/(kJ·kmo-)20345.969414.9931959.0632467.62以氧為主導產(chǎn)品62.67%:35.77%:1.57%以氮為主導產(chǎn)品56.58%:41.86%:1.57%氧氮、氬分離能耗比例綜合平均59.62%:38.81%:1.57%單位產(chǎn)量1:0.488:0.736空分分離能耗的計算是后續計算的基礎,據此消耗分析計算不同形態(tài)產(chǎn)品的能耗組成,使空分生產(chǎn)銷(xiāo)(2)寶普液化裝置的液體產(chǎn)品能耗.寶普液化售有明確的成本依據,找出節能降耗的方向裝置的液體產(chǎn)品能耗由氣體液化循環(huán)功和空分的分32液態(tài)產(chǎn)品能耗離能耗決定.由于存在不可逆過(guò)程,液化循環(huán)功的(1)空分液體產(chǎn)品的能耗.1#~4#空分液體產(chǎn)計算采用下式10品能耗的計算方法:以氧為主導產(chǎn)品的單高塔(認為沒(méi)有液氧產(chǎn)品)的能耗作為氧氣能耗;如果生產(chǎn)液RTi( P2-v,h,7e氧,根據冷量平衡,膨脹量將增加,相應的加工空氣式中,p1、p2為壓縮機進(jìn)出口壓力,nr、7和n分量也增加,由此造成的能耗增量歸于液氧的能耗.別為壓縮機效率、膨脹機機械效率和膨脹機等熵效液氮的能耗計算相同.在液氬的計算中加上氬凈化率,h,為膨脹機的等熵焓降,V。為進(jìn)入膨脹機的過(guò)程中的能耗,如冷卻水、水泵、冷凍機和氫氣的氣量北京科技大學(xué)學(xué)報第30卷(3)氣-液一氣氧氣供應方式能耗影響.為緩沖(2)離心機壓縮能耗.離心式壓縮機功率計算氧氣供應的峰值波動(dòng)和安全供氧,寶鋼配備了多臺公式為液體儲罐和氣化設備,已備短時(shí)間氧氣需求加大的供應.這種方式的能耗水平較正常方式高,原因在m71-/22于氣液氣供應能耗包括氧氣分離電耗氧氣液化式中,Z為離心式壓縮機的氣體壓縮性系數Rn為功耗、液體產(chǎn)品儲存蒸發(fā)損失(包括安全排液)以及通用氣體常數.上式中,對于氧氣k取1.4,對于氮液體氣化能耗氣k取1.39.3.3壓縮產(chǎn)品能耗計算(3)回流量與放散量的影響.計算中根據產(chǎn)品(1)活塞式壓縮機.活塞式壓縮機壓縮功采用送出量與排量之差具體分析,節流能耗計入壓縮能以下公式耗中,低壓放散的成本計入低壓產(chǎn)品能耗中,高壓放散的成本不但計入壓縮能耗,而且影響總成本(10)節流能耗=節流量×平均壓縮能耗;式中,pp4分別為吸氣、排氣壓力;Z3Zd分別為放散能耗=放散量×平均壓縮能耗吸氣、排氣狀態(tài)下的氣體壓縮性系數;V是氣缸工3.4空分產(chǎn)品能耗分攤比例的確定作容積,雙作用時(shí)應為兩側氣缸工作容積之和;k是綜合考慮氧、氮和氬不同產(chǎn)品供出形態(tài)時(shí)各自絕熱指數;為壓縮機效率的能耗比例為59.62W,+v vwo氧,w+ nwW令分母等于A(yíng),則低壓氧、高壓氧和液氧的能耗比例可分別表示為:59.62W Vo ho38.1W4+wWWW;+Wmn+ Wint令分母等于B,則低壓氮、中壓氮、高壓氮、液氮的能耗比例可分別表示為38.81W, VN w Nwhn VNhB1.57W+W氬,Wa+vow. Vewno* vo b*V w om+yh wh+View+ Vnv令分母等于C,則低壓液氬高壓氣氬的能耗比例可送出量,Vh為高壓氮送出量,Vn為液氮送出量,分別表示為Wm、Whn和W如分別表示相應中、高壓的壓縮能耗1.57w VrarWrar VAr-v-Whar及液氮的液化能耗,Vm為回收冷量的液氬量,Vhmr為高壓氬送出量,Vw為液氬外銷(xiāo)量,式中,Wt為空分總分離能耗,VN為氮產(chǎn)品總量別表示內加壓和高壓氬的壓縮與氣化能耗Vo為氧產(chǎn)品總量,VAR為氬產(chǎn)品總量,Vh為高壓根據上面的公式,按寶鋼各空分裝置的標準工況對寶鋼空分產(chǎn)品進(jìn)行能耗計算和分攤計算,得出氧送出量,Vk為液氧送出量,W如、Wb分別表示高壓氧的壓縮能耗及液氧的液化能耗,Vm為中壓氮空分產(chǎn)品標準能耗比例見(jiàn)表4第11期董春陽(yáng)等:銅鋼廠(chǎng)空分產(chǎn)品能耗結構1311喪4空分產(chǎn)品標準能耗比例Table 4 Standard energy consumption proportions of air separation products低壓氧高壓氧液氧合計低壓氮中壓氮高壓氮液氮合計低壓液氬高壓氣氬合計15.1957,5623.3612.412.7041.211.08空分變工況運行,氧、氬和氮產(chǎn)量都會(huì )發(fā)生變r(jià)ichment for blast furnace system. Fuel Energy Abstr, 1997. 38化,產(chǎn)品能耗比例也將不同.這要結合具體空分設2):10備,根據具體變工況參數進(jìn)行流程計算.另外,由于[3] Xiao J L. Relationship between steel production and oxygen andrresponding requirements for oxygen plants. Cryogenic Tech供應氣體壓力隨時(shí)波動(dòng),當然能耗也隨之變化.為no,2004(1):1了計算方便,一般取平均壓力.在產(chǎn)品成本核算中(肖家立鋼鐵生產(chǎn)與氧氣的關(guān)系及對制氧機的要求深冷技為了進(jìn)一步節能降耗和精確分析能耗支出,應考慮術(shù),2004(1):1)壓力波動(dòng)對能耗的影響[4] Zhang Y P, Wang L, Gao Y. Calculation of product energy con-sumption of air separation unit, Iron Steel, 2003, 38(12):53結論(張延平,王立,高遠低溫精餾空分產(chǎn)品能耗分攤的確定與計算鋼鐵,2003,38(12):53)(1)本文針對寶鋼制氧廠(chǎng)的空分現狀及存在的5]Lm, Zhang Y P, FAN H G,sl. Research and developmen問(wèn)題,提出了合理計算氧、氮和氬產(chǎn)品成本的方法及of the economical- run software system for air separation units降低產(chǎn)品成本的措施.將該方法應用于各種空分產(chǎn)Cryogenic Technol, 2006(4):30品能耗以及能耗分攤比例的計算,為空分系統的優(yōu)(劉津張延平,范華剛,等.空分設備經(jīng)濟運行軟件系統的研究與開(kāi)發(fā).深冷技術(shù),2006(4):30)化奠定了基礎.[6] Tuo X M. A discussion on adoption of optimization system at(2)建立了氧-氮-氬三元物系的物性計算模型Baosteel oxygen plant. Baosteel Technol, 2003(2)和空分精餾系統計算模型.應用所建立的物性與空(拓西梅.寶鋼制采用優(yōu)化系統的探討.寶鋼技術(shù).203(2)分精餾系統計算模型,對寶鋼5“空分的產(chǎn)品分離能耗進(jìn)行了計算[7] Harmens A. Cubic equation of state for the prediction of N2-Ar-(3)提出了空分產(chǎn)品能耗分攤比例計算方法,o phase equilibrium, Cryogenics, 1977, 17(9):519解決了由于氧、氮、氬互為副產(chǎn)品而帶來(lái)的單個(gè)產(chǎn)品[8] Zhang ZZ, Fu J F, Computer design for rectification system ofair separation units, Cryogenic Technol, 1983(4):1能耗無(wú)法確定的問(wèn)題,消除了以往計算產(chǎn)品能耗時(shí)(張占柱,傅舉孚,空分裝置精餾系統的計算機設計.深冷技人為規定能耗分攤比例的缺點(diǎn),為空分產(chǎn)品的能耗術(shù),1983(4):1)和成本確定與分析提供了客觀(guān)的依據[9] Zhang Y P. Computer Simulation on Rectification System ofAir Separation Unit [Dissertation]. Beijing: University of Sci-ence and Technology Beijing, 1999[1] Tong L G, Wang L, Zhang Y P. The oxygen utilization decision(張延平.空分精餾系統的計算機模擬計算[學(xué)位論文].北京:北京科技大學(xué),199)support system and operation simulation for air separation unitsIron Steel,2003,38(3):53[10] Sun Q H. A Discussion on the energy consumption of liquefac-(童莉葛王立張廷平,等,氧氣合理利用決策支持系統和空ion system of air separation units. Gas Sep, 2004(3):4(孫全海.空分液化設備能耗比較方法探討.氣體分離,2004分裝置操作仿真系統.鋼鐵,2003,38(3):53)(3):4)[2]Droevich R F. Cryogenic unit for air separation with oxygen en-