低温精馏空分产品能耗分摊的确定与计算

第38卷第12期钢铁Vol 38, No 122003年12月IRON AND STEELDecember 2003低温精馏空分产品能耗分摊的确定与计算张延平王立高远(北京科技大学)(上海宝钢集团公司)要建立了一种氧—氮—氩三元物系的物性计算模型和空分精馏系统计算模型.并应用所建立的物与空分精馏系统计算模型,分别计算了生产氧或氮单高纯产品、生产氧、氮双高纯产品和生产氧、氮、氩三高纯产品空分裝置的能耗。在此基础上,提出了一种新的考虑主导产品地位的空分产品能耗分摊比例计算方法,解决了国内外长期以来由于氧、氮、氩互为副产品而带来的单个产品能耗无法确定的问题。此方法消除了以往计算产品能耗时人为规定能耗分摊比例的缺点,为空分产品的能耗和成本确定与分析提供了客观旳依据关键词空气分离能耗分摊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氧气等工业气体广泛应用于各行业,尤其冶金分)裝置通过将空气压缩、液化、分离获得氧、氮、氩企业对氧气、氮气、氩气的依赖程度不断增加门。我等气体产品,从能量角度对空分的热力学分析往往国最大的钢铁企业宝钢(集团)公司空分耗电量占企是整体描述的。因此长期以来空分产品(主要为业总电量的约1/7,长期以来宝钢一直致力于降低氧、氩、氮)的成本核算一直缺少客观、准确的计算依空分产品的能耗水平,三期投产的6号空分比一期据,产品能耗分摊比例一般都是根据经验估箅的。确的1号、2号空分制氧单耗下降了9.3%,氧提取率定空分各产品能耗分摊的困难在于各种空分产品是提高了14.9%。开发空分产品能耗计算和多种产品同时、连续生产的,一种产品的生产依赖于其他产品的能耗分摊方法.是空分产品价格制定和成本分析的同时分离,对现有空分设备来说,停止任一产品的的基础,也使节能降耗更有目的性。目前通过空气分供出,其他产品也将因纯度恶化而达不到要求,可以离获取气体产品的方法有吸附法、膜渗透法等,但低说空分产品是互为副产品的,因此无法在空分装置温精馏法仍占主导地位。空气分离(以下简称空上直接测岀不同产品的能耗值或计算岀总能耗在各54钢铁第38卷产品间的分摊比例。本文在所开发的氧一氩一氮物等其他热力学参数的推导式。性计算模型和精馏计算模型的基础上,提岀了一种1.2精馏计算客观、合理划分空分总能耗在各产品间分摊比例的以理论塔板(或平衡级)为基础旳严格精馏计算计算方法包含以下基本方程组的联合求解1空分系统流程计算(1)相平衡方程组(E方程)空分流程计算有三个关键环节:(1)氧一氩氮及其混合物的物性计算;(2)精馏计算;(3)整个(2)物料平衡方程组(M方程)空分流程的模拟计算。其中重要的是正确建立精馏V+1y,+1+L-1x,-1+FZ,计算模型V;+W)(L,;+U,)1.I三元物性计算(3)能量平衡方程组(H方程)以 Harmens状态方程为基础-+L1-H-1+FRTp=v-b-V2+30V-2b2(W,+V)H-(L1+U)H1-Q,=0(4)摩尔分数加和方程组(S方程)式中p——压力,Pa;T温度,K1及V—摩尔体积,cm3/mol;其中V、L分别表示塔内上升气量和下流液R—气体常数;量;F、Z,表示输出产品流量与组成;W、U,分别表参数对于纯物质示汽相及液相进出量;H、H、Q表示各级汽液相焓值与冷损值a=nRT2/p描述精馏过程的MESH方程组是非线性的,求b=n2,RT/p出精确解尚有困难,采用逐次迭代法求解。将相平衡式中方程(E方程)和物料平衡方程(M方程)进行交换,3,=K-Lr+ Mr-Nr并由塔顶至各板间截面作总的物料衡算,ME方程21=0.070721改写成矩阵形式A X =D对混合物,采用以下混合规则对于指定的精馏塔,精馏过程求解步骤如下(1)假定x、T、V,初值(2)计算物料平衡矩阵系数,用高斯消元法求解ME方程,从而得到各层理论塔板上的液相组在混合规则中引入表征不同组分分子间作用的成;元相互作用系数,使物性计算的结果更精确。由于(3)用S方程检验平衡级温度,若不正确,利用该系数是与温度有关的参数,视为温度的线性函数。泡点计算求解新的平衡温度由 Harmens状态方程经过系数转换和整理,导出关于压缩因子的三次方程(4)用H方程校验并计算气相流冬收敛准(5)重复以上(2)~(4)步骤,直至满足Z+az2+BZ+y=在临界点以上,上式只有一个实根,在临界点以对于不同的精馏塔,各塔的流程组织、进岀物下,有三个实根,其中最大的和最小的实根分别为汽料、热量分配都不相同,相应的求解各塔精馏过程的相和液相的压缩因子,中间的根无物理意义进而由数学模型也不尽相同。根据各塔不同情况,参照模型热力学理论的逸度定义,计算出各组分的逸度系数塔建模理论和方法,可以分别建立并求解各塔的Ing= In- R7b(1-Z)+MESH方程组1.3流程计算根据物性计算模型,以精馏模型为基础,结合空第12期张延平等:低温精馏空分产品能耗分摊的确定与计算流程是困难的,甚至说是不可能的。但是,不论简单(5)当空分装置以氧、氮同时作为主导产品时的还是复杂的流程,都可以按功能划分为压缩、制将以上两种计算结果中的氧、氮能耗平均,最终得岀冷、精馏、换热等若干单元。开发岀毎个单元的热力对象空分产品能耗值和能耗比例。计算模型,依据流程特点编制计算程序,就可以完成2.2空分产品旳实际能耗与成本分析任何流程的模拟计算由2.1中计算得出空气分离能耗中氧、氮、氩的2空分产品分离能耗组成及计算能耗分摊比例,对于确定的空分设备,非变工况运行目前单独生产一种气体产品的空分设备(单高时这一能耗比例是相对稳定的。当产品以不同形式塔)已淘汰,空分装置的主要产岀物是氧、氩、氮三种(如压缩、液化等)送岀时,整体能耗改变,氧、氮、氩气态或液态产品(稀有气体全提取的空分产量很低,产品能耗比例也在改变。因此在分离能耗计算中只计氧、氩、氮产品)。通过精在产品分离能耗一定的基础上,考虑各种产品馏模型可以模拟计算单高塔、双高塔和全提取塔(三送岀形式的能量消耗和相互关系,能够计算岀最终种产品)的塔板数、压缩机能耗等相关参数,是空分产品能耗的分配比例产品能耗分析和分摊比例计算的基础。产品成本是产品劳动消耗的货币表现,它有多2.1产品能耗的计算方法种划分方法和包含内容,本文只讨论产品生产过程(1)以单独生产氧产品的空分装置(单氧塔)为中的直接消耗,即生产成本。空分产品的生产成本包研究对象,通过精馏模型计算出运行参数,进而计算括水、电、蒸汽、药剂的消耗和空分设备的折旧等,这岀空压机能耗,将所发生能耗作为氧产品的能耗;些消耗都可以按照氧、氮、氩能耗的分摊比例进行计(2)以生产氧、氮产品的空分装置(双高塔)为算。实际上其他成本也可以如此分摊,因此准确计算计算对象,同样方法计算岀空压机能耗,从双高塔能空分产品的能耗比例,对于制定产品价格、实施节能耗中减去氧产品能耗,作为氮产品的能耗;降耗、分析上下游产品相关的成本构成有重要的意(3)以生产氧、氮、氩产品的空分装置为基础计义算,在总能耗中除去(2)项的能耗,即为氩的产品能3应用举例耗以某钢铁公司制氧机为例,应用本文的计算方(4)以上计算是以氧为主导产品,而氮、氩为辅法进行产品能耗与分摊核算(计算结果见表1)。计助产品,当以氮为主导产品时,计算方法类似:首先算结果表明,以低温精馏法生产气体产品的空分设以单独生产氮产品的空分装置(单氮塔)为计算对备,氧产品的能耗占主要部分;氮产品的能耗占总能象,将所发生能耗作为氮产品的能耗;然后分别计算耗三分之一以上;氩产品的能耗比例虽很小,但由于氧、氩产品能耗;产量少,因此单耗较高。表1空分产品能耗与分摊比例Table 1 Energy comsumption and apportioning among the products项目单高塔(氧气)单高塔(氮气)双高塔(不提氩)双高塔(提氩工空气量/m3·m-3(O2)5.0365空压机出口压力/105Pa3.空压机能耗/kJ·kmo20345.969414.9631959.032467.62以氧为主导产品62.67%:35.77%:1.57%氧、氮、氩分离能耗比例以氮为主导产品56.58%:41.86%:1.57%平均(氧氮均为主导时)62%:38,81单位产量(氧氮均为主导)注:“空压机能耗”由式(1)计算得出;“氧、氮、氩分离能耗比例”项中的“综合平均”是将“以氧为主导产品”和“以氮为主导产品”的能耗比例平均得出,而“单位产量”表示单位产量产品的能耗即单耗4结论(2)在低温精馏法空分生产中,无论氧作为主(1)提出了一种全新的空分产品能耗计算和分导产品还是氮作为主导产品,或者二者均为主导产摊的方法,能够合理地确定空分氧、氩、氮产品能耗品,氧产品的能耗在总能耗中占主要部分;氮产品的分配比例,可作为工业气体生产企业能耗分析与成能耗占总能耗三分之一以上;氩产品的能耗比例虽第12期卜庆才等:钢铁工业水的资源效率研究71艺用水量将下降到140m3/t。在水资源效率不变的5结论情况下,吨钢新水消耗量将下降到14m3/t,对应于(1)水的资源效率是评价水资源利用状况的重图中A区的a点。要指标,它和水的循环率一起,从两个不同侧面反映当然,根据设备和资金等实际条件,企业也可能了钢铁生产过程对一次水资源的依赖程度。选择先淘汰落后用水设备、后改造循环水系统的方2)加强用水管理,杜绝跑、冒、滴、漏,减少循案(对应图4中c→-da),或者同时开展两项工作环水损失,减少污水排放量,可降低钢铁企业新水消(对应ε→a)。这几种作法都可以达到同样的节水效耗。3)降低工艺用水量和提高水的资源效率是钢由这个例子可以看到,对于某些企业,提高水的铁工业两个最基本的节水方向循环率和降低吨钢工艺用水量两项节水工作同等重(4)提高水的循环率是提高钢铁工业水的资源要,缺一不可效率最有效的途径之参考文献1钱正英,张光斗.中国可持续发展水资源战略研究综合报告及各专题报告.北京:中国水利水电出版社,2001.42中国钢铁工业年鉴编委会中国钢铁工业年鉴2001.北京:冶金工业出版社,2001.106.3邓南圣,吴峰.工业生态学—理论与应用(生态·环境与工程丛书).北京:化学工业出版社,2002.2944程小矛.节约用水是冶金工业“十五”发展的重要工作,中国冶金,2001,(6):13~17(上接第55页)参考文献1 DroevichR F. 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