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?jǐn)偟拇_定與計(jì)算張延平王立高遠(yuǎn)(北京科技大學(xué))(上海寶鋼集團(tuán)公司)要建立了一種氧—氮—?dú)迦锵档奈镄杂?jì)算模型和空分精餾系統(tǒng)計(jì)算模型.并應(yīng)用所建立的物與空分精餾系統(tǒng)計(jì)算模型,分別計(jì)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(chǔ)上,提出了一種新的考慮主導(dǎo)產(chǎn)品地位的空分產(chǎn)品能耗分?jǐn)偙壤?jì)算方法,解決了國內(nèi)外長期以來由于氧、氮、氬互為副產(chǎn)品而帶來的單個(gè)產(chǎn)品能耗無法確定的問題。此方法消除了以往計(jì)算產(chǎn)品能耗時(shí)人為規(guī)定能耗分?jǐn)偙壤娜秉c(diǎn),為空分產(chǎn)品的能耗和成本確定與分析提供了客觀旳依據(jù)關(guān)鍵詞空氣分離能耗分?jǐn)侰ALCULATION 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(yīng)用于各行業(yè),尤其冶金分)裝置通過將空氣壓縮、液化、分離獲得氧、氮、氬企業(yè)對(duì)氧氣、氮?dú)?、氬氣的依賴程度不斷增加門。我等氣體產(chǎn)品,從能量角度對(duì)空分的熱力學(xué)分析往往國最大的鋼鐵企業(yè)寶鋼(集團(tuán))公司空分耗電量占企是整體描述的。因此長期以來空分產(chǎn)品(主要為業(yè)總電量的約1/7,長期以來寶鋼一直致力于降低氧、氬、氮)的成本核算一直缺少客觀、準(zhǔn)確的計(jì)算依空分產(chǎn)品的能耗水平,三期投產(chǎn)的6號(hào)空分比一期據(jù),產(chǎn)品能耗分?jǐn)偙壤话愣际歉鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)估箅的。確的1號(hào)、2號(hào)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?jǐn)偟睦щy在于各種空分產(chǎn)品是提高了14.9%。開發(fā)空分產(chǎn)品能耗計(jì)算和多種產(chǎn)品同時(shí)、連續(xù)生產(chǎn)的,一種產(chǎn)品的生產(chǎn)依賴于其他產(chǎn)品的能耗分?jǐn)偡椒?是空分產(chǎn)品價(jià)格制定和成本分析的同時(shí)分離,對(duì)現(xiàn)有空分設(shè)備來說,停止任一產(chǎn)品的的基礎(chǔ),也使節(jié)能降耗更有目的性。目前通過空氣分供出,其他產(chǎn)品也將因純度惡化而達(dá)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,但低說空分產(chǎn)品是互為副產(chǎn)品的,因此無法在空分裝置溫精餾法仍占主導(dǎo)地位?？諝夥蛛x(以下簡稱空上直接測(cè)岀不同產(chǎn)品的能耗值或計(jì)算岀總能耗在各54鋼鐵第38卷產(chǎn)品間的分?jǐn)偙壤１疚脑谒_發(fā)的氧一氬一氮物等其他熱力學(xué)參數(shù)的推導(dǎo)式。性計(jì)算模型和精餾計(jì)算模型的基礎(chǔ)上,提岀了一種1.2精餾計(jì)算客觀、合理劃分空分總能耗在各產(chǎn)品間分?jǐn)偙壤囊岳碚撍?或平衡級(jí))為基礎(chǔ)旳嚴(yán)格精餾計(jì)算計(jì)算方法包含以下基本方程組的聯(lián)合求解1空分系統(tǒng)流程計(jì)算(1)相平衡方程組(E方程)空分流程計(jì)算有三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié):(1)氧一氬氮及其混合物的物性計(jì)算;(2)精餾計(jì)算;(3)整個(gè)(2)物料平衡方程組(M方程)空分流程的模擬計(jì)算。其中重要的是正確建立精餾V+1y,+1+L-1x,-1+FZ,計(jì)算模型V;+W)(L,;+U,)1.I三元物性計(jì)算(3)能量平衡方程組(H方程)以 Harmens狀態(tài)方程為基礎(chǔ)-+L1-H-1+FRTp=v-b-V2+30V-2b2(W,+V)H-(L1+U)H1-Q,=0(4)摩爾分?jǐn)?shù)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(nèi)上升氣量和下流液R—?dú)怏w常數(shù);量;F、Z,表示輸出產(chǎn)品流量與組成;W、U,分別表參數(shù)對(duì)于純物質(zhì)示汽相及液相進(jìn)出量;H、H、Q表示各級(jí)汽液相焓值與冷損值a=nRT2/p描述精餾過程的MESH方程組是非線性的,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改寫成矩陣形式A X =D對(duì)混合物,采用以下混合規(guī)則對(duì)于指定的精餾塔,精餾過程求解步驟如下(1)假定x、T、V,初值(2)計(jì)算物料平衡矩陣系數(shù),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(guī)則中引入表征不同組分分子間作用的成;元相互作用系數(shù),使物性計(jì)算的結(jié)果更精確。由于(3)用S方程檢驗(yàn)平衡級(jí)溫度,若不正確,利用該系數(shù)是與溫度有關(guān)的參數(shù),視為溫度的線性函數(shù)。泡點(diǎn)計(jì)算求解新的平衡溫度由 Harmens狀態(tài)方程經(jīng)過系數(shù)轉(zhuǎn)換和整理,導(dǎo)出關(guān)于壓縮因子的三次方程(4)用H方程校驗(yàn)并計(jì)算氣相流冬收斂準(zhǔn)(5)重復(fù)以上(2)~(4)步驟,直至滿足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(duì)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(yīng)的求解各塔精餾過程的相和液相的壓縮因子,中間的根無物理意義進(jìn)而由數(shù)學(xué)模型也不盡相同。根據(jù)各塔不同情況,參照模型熱力學(xué)理論的逸度定義,計(jì)算出各組分的逸度系數(shù)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(jì)算根據(jù)物性計(jì)算模型,以精餾模型為基礎(chǔ),結(jié)合空第12期張延平等:低溫精餾空分產(chǎn)品能耗分?jǐn)偟拇_定與計(jì)算流程是困難的,甚至說是不可能的。但是,不論簡單(5)當(dāng)空分裝置以氧、氮同時(shí)作為主導(dǎo)產(chǎn)品時(shí)的還是復(fù)雜的流程,都可以按功能劃分為壓縮、制將以上兩種計(jì)算結(jié)果中的氧、氮能耗平均,最終得岀冷、精餾、換熱等若干單元。開發(fā)岀毎個(gè)單元的熱力對(duì)象空分產(chǎn)品能耗值和能耗比例。計(jì)算模型,依據(jù)流程特點(diǎn)編制計(jì)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(jì)算由2.1中計(jì)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(jì)算能耗分?jǐn)偙壤?對(duì)于確定的空分設(shè)備,非變工況運(yùn)行目前單獨(dú)生產(chǎn)一種氣體產(chǎn)品的空分設(shè)備(單高時(shí)這一能耗比例是相對(duì)穩(wěn)定的。當(dāng)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(jì)算中只計(jì)氧、氬、氮產(chǎn)品)。通過精在產(chǎn)品分離能耗一定的基礎(chǔ)上,考慮各種產(chǎn)品餾模型可以模擬計(jì)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(jì)算岀最終種產(chǎn)品)的塔板數(shù)、壓縮機(jī)能耗等相關(guān)參數(shù),是空分產(chǎn)品能耗的分配比例產(chǎn)品能耗分析和分?jǐn)偙壤?jì)算的基礎(chǔ)。產(chǎn)品成本是產(chǎn)品勞動(dòng)消耗的貨幣表現(xiàn),它有多2.1產(chǎn)品能耗的計(jì)算方法種劃分方法和包含內(nèi)容,本文只討論產(chǎn)品生產(chǎn)過程(1)以單獨(dú)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(duì)象,通過精餾模型計(jì)算出運(yùn)行參數(shù),進(jìn)而計(jì)算括水、電、蒸汽、藥劑的消耗和空分設(shè)備的折舊等,這岀空壓機(jī)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?jǐn)偙壤M(jìn)行計(jì)(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?jǐn)?因此準(zhǔn)確計(jì)算計(jì)算對(duì)象,同樣方法計(jì)算岀空壓機(jī)能耗,從雙高塔能空分產(chǎn)品的能耗比例,對(duì)于制定產(chǎn)品價(jià)格、實(shí)施節(jié)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(gòu)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(chǔ)計(jì)義算,在總能耗中除去(2)項(xiàng)的能耗,即為氬的產(chǎn)品能3應(yīng)用舉例耗以某鋼鐵公司制氧機(jī)為例,應(yīng)用本文的計(jì)算方(4)以上計(jì)算是以氧為主導(dǎo)產(chǎn)品,而氮、氬為輔法進(jìn)行產(chǎn)品能耗與分?jǐn)偤怂?計(jì)算結(jié)果見表1)。計(jì)助產(chǎn)品,當(dāng)以氮為主導(dǎo)產(chǎn)品時(shí),計(jì)算方法類似:首先算結(jié)果表明,以低溫精餾法生產(chǎn)氣體產(chǎn)品的空分設(shè)以單獨(dú)生產(chǎn)氮產(chǎn)品的空分裝置(單氮塔)為計(jì)算對(duì)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(jì)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?jǐn)偙壤齌able 1 Energy comsumption and apportioning among the products項(xiàng)目單高塔(氧氣)單高塔(氮?dú)?雙高塔(不提氬)雙高塔(提氬工空氣量/m3·m-3(O2)5.0365空壓機(jī)出口壓力/105Pa3.空壓機(jī)能耗/kJ·kmo20345.969414.9631959.032467.62以氧為主導(dǎo)產(chǎn)品62.67%:35.77%:1.57%氧、氮、氬分離能耗比例以氮為主導(dǎo)產(chǎn)品56.58%:41.86%:1.57%平均(氧氮均為主導(dǎo)時(shí))62%:38,81單位產(chǎn)量(氧氮均為主導(dǎo))注:“空壓機(jī)能耗”由式(1)計(jì)算得出;“氧、氮、氬分離能耗比例”項(xiàng)中的“綜合平均”是將“以氧為主導(dǎo)產(chǎn)品”和“以氮為主導(dǎo)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(jié)論(2)在低溫精餾法空分生產(chǎn)中,無論氧作為主(1)提出了一種全新的空分產(chǎn)品能耗計(jì)算和分導(dǎo)產(chǎn)品還是氮作為主導(dǎo)產(chǎn)品,或者二者均為主導(dǎo)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(jié)論情況下,噸鋼新水消耗量將下降到14m3/t,對(duì)應(yīng)于(1)水的資源效率是評(píng)價(jià)水資源利用狀況的重圖中A區(qū)的a點(diǎn)。要指標(biāo),它和水的循環(huán)率一起,從兩個(gè)不同側(cè)面反映當(dāng)然,根據(jù)設(shè)備和資金等實(shí)際條件,企業(yè)也可能了鋼鐵生產(chǎn)過程對(duì)一次水資源的依賴程度。選擇先淘汰落后用水設(shè)備、后改造循環(huán)水系統(tǒng)的方2)加強(qiáng)用水管理,杜絕跑、冒、滴、漏,減少循案(對(duì)應(yīng)圖4中c→-da),或者同時(shí)開展兩項(xiàng)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(duì)應(yīng)ε→a)。這幾種作法都可以達(dá)到同樣的節(jié)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(duì)于某些企業(yè),提高水的鐵工業(yè)兩個(gè)最基本的節(jié)水方向循環(huán)率和降低噸鋼工藝用水量兩項(xiàng)節(jié)水工作同等重(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(xiàn)1錢正英,張光斗.中國可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究綜合報(bào)告及各專題報(bào)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(yīng)用(生態(tài)·環(huán)境與工程叢書).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.2944程小矛.節(jié)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)參考文獻(xiàn)1 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