第30卷第11期北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)vo.30No.112008年11月Journal of University of Science and Technology BeijingNov,2008鋼廠空分產(chǎn)品能耗結(jié)構(gòu)董春陽(yáng)1)王立1)張延平2)1)北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,北京1000832)首鋼技術(shù)研究院,北京100043摘要針對(duì)鋼廠的空分現(xiàn)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(jì)算氧、氮和氬產(chǎn)品成本的方法,并將該方法應(yīng)用于各種空分產(chǎn)品的能耗以及能耗分?jǐn)偙壤挠?jì)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(jì)算產(chǎn)品能耗時(shí)人為規(guī)定能耗分?jǐn)偙壤娜秉c(diǎn)關(guān)鍵詞鋼廠;空氣分離;能耗;能耗結(jié)構(gòu)分類(lèi)號(hào)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(shè)備的能耗有很大差別,多能耗的生產(chǎn)過(guò)程,我國(guó)大型現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)的空分臺(tái)機(jī)組運(yùn)行有最優(yōu)化(產(chǎn)量最高能耗最低)的問(wèn)題設(shè)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(zhǔn)確確定氧氬和氮產(chǎn)品能耗分?jǐn)偙壤?對(duì)于金企業(yè)對(duì)氧氣、氮?dú)夂蜌鍤獾囊蕾?lài)程度不斷增有效降低能耗與提高經(jīng)濟(jì)效益,起著非常重要的作加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的空分設(shè)備為例,提出合理能耗與空分設(shè)備的大小流程和液體的提取量計(jì)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(guó)內(nèi)外空分設(shè)備能耗的統(tǒng)計(jì)與計(jì)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(tǒng)一3,長(zhǎng)期以來(lái)空分裝置產(chǎn)品的能耗計(jì)算作為選擇制氧工藝的科學(xué)依據(jù)一直缺少準(zhǔn)確的計(jì)算依據(jù),氧、氬和氮能耗分?jǐn)偙壤话愣际歉鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì).對(duì)于確定的空分設(shè)備,非1寶鋼能源部氧氣分廠空分現(xiàn)狀與存在的變工況運(yùn)行時(shí)能耗分?jǐn)偙壤鄬?duì)穩(wěn)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(tuán))公司在20世紀(jì)80~90年代進(jìn)行的分?jǐn)?不同狀態(tài)產(chǎn)品也按照統(tǒng)一能耗計(jì)算方法計(jì)算三期工程建設(shè)中先后從國(guó)外引進(jìn)了六臺(tái)大這實(shí)際上是不合理的.不同流程形式、不同廠家生型空分設(shè)備.寶鋼制氧系統(tǒng)現(xiàn)有六臺(tái)制氧機(jī)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(bào)第30要生產(chǎn)氣體氧、氮和氬,同時(shí)機(jī)組生產(chǎn)液體氧、氮和值;4*~6#制氧機(jī)產(chǎn)品產(chǎn)量可調(diào),產(chǎn)品負(fù)荷可調(diào)范氬產(chǎn)品,其中,1#~3#制氧機(jī)的產(chǎn)品產(chǎn)量為恒定圍70%-105%6.主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1表1寶鋼空分設(shè)備技術(shù)參數(shù)表Table 1 Technical parameters of air separation units of Baoste氧氣產(chǎn)量/(m3h-1)26000260003000060000氮?dú)猱a(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)廠商日本神鋼日本神鋼日本神鋼美國(guó)APCI美國(guó)APCI德國(guó)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(shè)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(xiàn)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(jié)能與安全.寶鋼從1#~6“空分機(jī)T=(TaT)2(1-K),z=(za+2)/2組,每前進(jìn)一步都伴隨著能耗的下降,雖然寶鋼氧氣V=[(vci)(vci)3]/8, Pc=RTei zei/vei廠空分設(shè)備在國(guó)內(nèi)屬于領(lǐng)先水平,但也面臨著一些(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(diào)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(guó)、多層次設(shè)備聯(lián)網(wǎng)運(yùn)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(jí)能耗差異及消耗的問(wèn)題;各種產(chǎn)品能數(shù),i為氧氮?dú)褰M分,K視為溫度的線性函數(shù):耗比例和液體產(chǎn)品外銷(xiāo)的成本確定缺乏依據(jù).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(duì)不同的二元體系,a0和a1的值見(jiàn)表2地計(jì)算空分精餾及流程的方法,進(jìn)而對(duì)空分工藝與表2二元體系參數(shù)值產(chǎn)品產(chǎn)供的特點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)籌分析,有針對(duì)性地提出節(jié)Table 2 Parameters of duality systems能降耗的措施參數(shù)N2-ArN2-O2Ar-O2空分流程能耗計(jì)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(tǒng)計(jì)算9結(jié)合模型塔和理想平衡級(jí)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(shù),a、b為參數(shù).對(duì)于混合物,采用以下混合k(5)規(guī)則(2)物料平衡方程組(M方程)第11期董春陽(yáng)等:鋼廠空分產(chǎn)品能耗結(jié)構(gòu)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(jì)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?jǐn)?shù)加和方程組(S方程):首先根據(jù)塔頂污氮出口壓力、溫度和組分,自上(8)而下逐板計(jì)算每塊塔板的有關(guān)參數(shù),逐級(jí)運(yùn)用氧氬一氮三元物系的露點(diǎn)、泡點(diǎn)計(jì)算程序,直至塔底氧式中,x,表示上升氣體中的氧含量,y表示下流氣純度滿足設(shè)計(jì)要求.之后,根據(jù)實(shí)際空分裝置的液體中的氮含量,v、L分別表示塔內(nèi)上升氣量和塔阻力確定每一理論塔板數(shù)的阻力,以確定空壓機(jī)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(jī)能耗即是氧氣的產(chǎn)品能耗(計(jì)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(jì)算不但要級(jí)氣、液相焓值與冷損值.下腳標(biāo)i(i=1,2,3,進(jìn)行上、下塔的逐板計(jì)算,而且要結(jié)合精餾的校核計(jì)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(jī)出口壓力提高,相同氧產(chǎn)級(jí)數(shù)對(duì)于第一級(jí)冷凝器L-1=0,第N級(jí)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(yùn)行通常采用逐次逼近法求解.將相平衡方程(E方程)參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn):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?dú)猱a(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(jì)算空分產(chǎn)品的分離能耗,結(jié)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(shù)單高塔(氧氣)單高塔(氮?dú)?雙高塔(不提氬)雙髙塔(提氬理論塔板數(shù)上塔52,下塔33上塔46,下塔33加工空氣量/O23,05.03654.9530空壓機(jī)出口壓力/MPa0.340.400.65空壓機(jī)能耗/(kJ·kmo-)20345.969414.9931959.0632467.62以氧為主導(dǎo)產(chǎn)品62.67%:35.77%:1.57%以氮為主導(dǎo)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(jì)算是后續(xù)計(jì)算的基礎(chǔ),據(jù)此消耗分析計(jì)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(jù),找出節(jié)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(jì)算采用下式10品能耗的計(jì)算方法:以氧為主導(dǎo)產(chǎn)品的單高塔(認(rèn)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(jù)冷量平衡,膨脹量將增加,相應(yīng)的加工空氣式中,p1、p2為壓縮機(jī)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(jī)效率、膨脹機(jī)機(jī)械效率和膨脹機(jī)等熵效液氮的能耗計(jì)算相同.在液氬的計(jì)算中加上氬凈化率,h,為膨脹機(jī)的等熵焓降,V。為進(jìn)入膨脹機(jī)的過(guò)程中的能耗,如冷卻水、水泵、冷凍機(jī)和氫氣的氣量北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)第30卷(3)氣-液一氣氧氣供應(yīng)方式能耗影響.為緩沖(2)離心機(jī)壓縮能耗.離心式壓縮機(jī)功率計(jì)算氧氣供應(yīng)的峰值波動(dòng)和安全供氧,寶鋼配備了多臺(tái)公式為液體儲(chǔ)罐和氣化設(shè)備,已備短時(shí)間氧氣需求加大的供應(yīng).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(yīng)能耗包括氧氣分離電耗氧氣液化式中,Z為離心式壓縮機(jī)的氣體壓縮性系數(shù)Rn為功耗、液體產(chǎn)品儲(chǔ)存蒸發(fā)損失(包括安全排液)以及通用氣體常數(shù).上式中,對(duì)于氧氣k取1.4,對(duì)于氮液體氣化能耗氣k取1.39.3.3壓縮產(chǎn)品能耗計(jì)算(3)回流量與放散量的影響.計(jì)算中根據(jù)產(chǎn)品(1)活塞式壓縮機(jī).活塞式壓縮機(jī)壓縮功采用送出量與排量之差具體分析,節(jié)流能耗計(jì)入壓縮能以下公式耗中,低壓放散的成本計(jì)入低壓產(chǎn)品能耗中,高壓放散的成本不但計(jì)入壓縮能耗,而且影響總成本(10)節(jié)流能耗=節(jié)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(shù);V是氣缸工3.4空分產(chǎn)品能耗分?jǐn)偙壤拇_定作容積,雙作用時(shí)應(yīng)為兩側(cè)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(shù);為壓縮機(jī)效率的能耗比例為59.62W,+v vwo氧,w+ nwW令分母等于A,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(yīng)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(nèi)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(jù)上面的公式,按寶鋼各空分裝置的標(biāo)準(zhǔn)工況對(duì)寶鋼空分產(chǎn)品進(jìn)行能耗計(jì)算和分?jǐn)傆?jì)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(biāo)準(zhǔn)能耗比例見(jiàn)表4第11期董春陽(yáng)等:銅鋼廠空分產(chǎn)品能耗結(jié)構(gòu)1311喪4空分產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)能耗比例Table 4 Standard energy consumption proportions of air separation products低壓氧高壓氧液氧合計(jì)低壓氮中壓氮高壓氮液氮合計(jì)低壓液氬高壓氣氬合計(jì)15.1957,5623.3612.412.7041.211.08空分變工況運(yùn)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(jié)合具體空分設(shè)2):10備,根據(jù)具體變工況參數(shù)進(jìn)行流程計(jì)算.另外,由于[3] Xiao J L. Relationship between steel production and oxygen andrresponding requirements for oxygen plants. Cryogenic Tech供應(yīng)氣體壓力隨時(shí)波動(dòng),當(dāng)然能耗也隨之變化.為no,2004(1):1了計(jì)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(duì)制氧機(jī)的要求深冷技為了進(jìn)一步節(jié)能降耗和精確分析能耗支出,應(yīng)考慮術(shù),2004(1):1)壓力波動(dòng)對(duì)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(jié)論(張延平,王立,高遠(yuǎn)低溫精餾空分產(chǎn)品能耗分?jǐn)偟拇_定與計(jì)算鋼鐵,2003,38(12):53)(1)本文針對(duì)寶鋼制氧廠的空分現(xiàn)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(jì)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(yīng)用于各種空分產(chǎn)Cryogenic Technol, 2006(4):30品能耗以及能耗分?jǐn)偙壤挠?jì)算,為空分系統(tǒng)的優(yōu)(劉津張延平,范華剛,等.空分設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行軟件系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā).深冷技術(shù),2006(4):30)化奠定了基礎(chǔ).[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(jì)算模型Baosteel oxygen plant. Baosteel Technol, 2003(2)和空分精餾系統(tǒng)計(jì)算模型.應(yīng)用所建立的物性與空(拓西梅.寶鋼制采用優(yōu)化系統(tǒng)的探討.寶鋼技術(shù).203(2)分精餾系統(tǒng)計(jì)算模型,對(duì)寶鋼5“空分的產(chǎn)品分離能耗進(jìn)行了計(jì)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?jǐn)偙壤?jì)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(jì)算產(chǎn)品能耗時(shí)(張占柱,傅舉孚,空分裝置精餾系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì).深冷技人為規(guī)定能耗分?jǐn)偙壤娜秉c(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的依據(jù)[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(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)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(tǒng)和空ion system of air separation units. Gas Sep, 2004(3):4(孫全海.空分液化設(shè)備能耗比較方法探討.氣體分離,2004分裝置操作仿真系統(tǒng).鋼鐵,2003,38(3):53)(3):4)[2]Droevich R F. Cryogenic unit for air separation with oxygen en-