钢厂空分产品能耗结构

第30卷第11期北京科技大学学报vo.30No.112008年11月Journal of University of Science and Technology BeijingNov,2008钢厂空分产品能耗结构董春阳1)王立1)张延平2)1)北京科技大学机械工程学院,北京1000832)首钢技术研究院,北京100043摘要针对钢厂的空分现状及存在的问题,从空分精馏原理出发,以空分流程以及空分产品的能耗作为切入点,提出合理计算氧、氮和氬产品成本的方法,并将该方法应用于各种空分产品的能耗以及能耗分摊比例的计算.该方法解决了由于氧、氮和氬互为副产品而带来的单个产品能耗无法确定的问题,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关键词钢厂;空气分离;能耗;能耗结构分类号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在钢铁企业中,低温精馏空气分离法是一个高产不同控制方式的空分设备的能耗有很大差别,多能耗的生产过程,我国大型现代化钢铁企业的空分台机组运行有最优化(产量最高能耗最低)的问题设备生产电耗约占整个企业电耗的1/71,尤其冶因此,准确确定氧氬和氮产品能耗分摊比例,对于金企业对氧气、氮气和氩气的依赖程度不断增有效降低能耗与提高经济效益,起着非常重要的作加2.如何降低单位制氧能耗一直是钢铁企业关注用S]的主要问题本文以宝钢制氧厂的空分设备为例,提出合理能耗与空分设备的大小流程和液体的提取量计算氧、氮和氩产品成本的方法以及降低产品成本等均有关,目前国内外空分设备能耗的统计与计算的措施,并且定量比较了各种制氧工序的能耗,以此方法不统一3,长期以来空分装置产品的能耗计算作为选择制氧工艺的科学依据一直缺少准确的计算依据,氧、氩和氮能耗分摊比例一般都是根据经验估计.对于确定的空分设备,非1宝钢能源部氧气分厂空分现状与存在的变工况运行时能耗分摊比例相对稳定4,不同类型问题(或流程)空分装置的产品能耗比例按照相同的比例宝钢(集团)公司在20世纪80~90年代进行的分摊,不同状态产品也按照统一能耗计算方法计算三期工程建设中先后从国外引进了六台大这实际上是不合理的.不同流程形式、不同厂家生型空分设备.宝钢制氧系统现有六台制氧机组,主收稿日期:2007-10-19修回日期:200805-28作者简介1977-),男,助理研究员,硕士,Emal: tenshi@ustb, edu. en北京料技大学学报第30要生产气体氧、氮和氩,同时机组生产液体氧、氮和值;4*~6#制氧机产品产量可调,产品负荷可调范氩产品,其中,1#~3#制氧机的产品产量为恒定围70%-105%6.主要技术参数见表1表1宝钢空分设备技术参数表Table 1 Technical parameters of air separation units of Baoste氧气产量/(m3h-1)26000260003000060000氮气产量/(m3h-1)2600030000300008400064000液氧产量/(m3h1)6002000液氮产量/(m3h1)液氩产量/(m3h1)25氧纯度/%>99.6>99,6>99.6>99,6氮纯度/10-6<10氬纯度/1O2+N2<10O2+N2<10O2+N2<-10O2<2,N2<5O2<2,N2<5O2<1,N2<1加工空气量/(m3hb)50740145680氧提取率/%82,6氢提取率/%制氧电耗/(kWhm-3)0.4610.358压氧电耗/(kWhm-3)0.1830.1830.175总电耗/(kWhm30.6440.5940.5330.584引进厂商日本神钢日本神钢日本神钢美国APCI美国APCI德国林德签约/投产年份1980/19841985/198798/19911994/19971996/1999通过宝钢1#~6#空分设备的流程变化,反映a=∑∑xP;b=∑x1(2)了近年来大型空分的发展轨迹.大型空分实现了全低压流程后,流程上的改进余地不大,主要集中在工其中混合物的临界性质由下列各式求解艺变化,中心是节能与安全.宝钢从1#~6“空分机T=(TaT)2(1-K),z=(za+2)/2组,每前进一步都伴随着能耗的下降,虽然宝钢氧气V=[(vci)(vci)3]/8, Pc=RTei zei/vei厂空分设备在国内属于领先水平,但也面临着一些(3)问题.比如缺乏空分气体产品产供能力的实时调式中,T为临界温度,Z。为临界压缩因子,V为临度,造成氧放散率高;多国、多层次设备联网运行匹界摩尔体积,P为临界压力K二元相互作用系配压力等级能耗差异及消耗的问题;各种产品能数,i为氧氮氩组分,K视为温度的线性函数:耗比例和液体产品外销的成本确定缺乏依据.降低Ki=ao+aIt(4)宝钢空分产品能耗,确定产品成本,需要有一套精确对不同的二元体系,a0和a1的值见表2地计算空分精馏及流程的方法,进而对空分工艺与表2二元体系参数值产品产供的特点进行统筹分析,有针对性地提出节Table 2 Parameters of duality systems能降耗的措施参数N2-ArN2-O2Ar-O2空分流程能耗计算a0-0.66553×10-2-0.23644Xa10.19476×1040.15427×10-30.87687×10-42,1空气三元物系的热力模型O2-Ar-N2三元体系状态方程为782.2空分精馏系统计算9结合模型塔和理想平衡级关系可列出以下基本+3bV-2b2(1)方程组式中,P为压力,T为温度,V为摩尔体积,R为气(1)相平衡方程组(E方程):体常数,a、b为参数.对于混合物,采用以下混合k(5)规则(2)物料平衡方程组(M方程)第11期董春阳等:钢厂空分产品能耗结构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)能量平衡方程组(H方程):D代表F和ZV;+1H+1+L3空分产品能耗计算(W+v)-(L+U)H-Q=0(7)31空分中氧-氩-氮产品分离能耗(4)摩尔分数加和方程组(S方程):首先根据塔顶污氮出口压力、温度和组分,自上(8)而下逐板计算每块塔板的有关参数,逐级运用氧氩一氮三元物系的露点、泡点计算程序,直至塔底氧式中,x,表示上升气体中的氧含量,y表示下流气纯度满足设计要求.之后,根据实际空分装置的液体中的氮含量,v、L分别表示塔内上升气量和塔阻力确定每一理论塔板数的阻力,以确定空压机下流液量,F、2表示输出产品流量与组成,W八、U的出口压力,空压机能耗即是氧气的产品能耗(计分别表示氧相及液相进出量,压玛和Q表示各算中不考虑辅助能耗).双高塔的精馏计算不但要级气、液相焓值与冷损值.下脚标i(i=1,2,3,进行上、下塔的逐板计算,而且要结合精馏的校核计c)表示精馏组分;j(=1,2,3,…,N)表示理论平衡算.与单高塔相比空压机出口压力提高,相同氧产级数对于第一级冷凝器L-1=0,第N级再沸器量双高塔总能耗减去单高塔氧产品能耗即为氮产品V+1=0.以上方程组简称MESH方程组,由于能耗,提氩双高塔总能耗减去不提氩双高塔总能耗MESH方程组是非线性的,求出精确解尚有困难,即为氩产品能耗.以宝钢5#空分正常工况的运行通常采用逐次逼近法求解.将相平衡方程(E方程)参数为标准:加工空气量297200m3h-1,氧气产量和物料平衡方程(M方程)进行变换并由塔顶至各6000m3,h-1,氮气产量80000m3,h-1,氩产量板间截面作为的物料衡算ME方程改写成如下矩2150m3h-1.计算空分产品的分离能耗,结果如阵形式:表3所示变3宝钢5空分的产品分离能耗Table 3 Products energy consumption of 5 air separation unit in baosteel参数单高塔(氧气)单高塔(氮气)双高塔(不提氩)双髙塔(提氬理论塔板数上塔52,下塔33上塔46,下塔33加工空气量/O23,05.03654.9530空压机出口压力/MPa0.340.400.65空压机能耗/(kJ·kmo-)20345.969414.9931959.0632467.62以氧为主导产品62.67%:35.77%:1.57%以氮为主导产品56.58%:41.86%:1.57%氧氮、氩分离能耗比例综合平均59.62%:38.81%:1.57%单位产量1:0.488:0.736空分分离能耗的计算是后续计算的基础,据此消耗分析计算不同形态产品的能耗组成,使空分生产销(2)宝普液化装置的液体产品能耗.宝普液化售有明确的成本依据,找出节能降耗的方向装置的液体产品能耗由气体液化循环功和空分的分32液态产品能耗离能耗决定.由于存在不可逆过程,液化循环功的(1)空分液体产品的能耗.1#~4#空分液体产计算采用下式10品能耗的计算方法:以氧为主导产品的单高塔(认为没有液氧产品)的能耗作为氧气能耗;如果生产液RTi( P2-v,h,7e氧,根据冷量平衡,膨胀量将增加,相应的加工空气式中,p1、p2为压缩机进出口压力,nr、7和n分量也增加,由此造成的能耗增量归于液氧的能耗.别为压缩机效率、膨胀机机械效率和膨胀机等熵效液氮的能耗计算相同.在液氬的计算中加上氩净化率,h,为膨胀机的等熵焓降,V。为进入膨胀机的过程中的能耗,如冷却水、水泵、冷冻机和氢气的气量北京科技大学学报第30卷(3)气-液一气氧气供应方式能耗影响.为缓冲(2)离心机压缩能耗.离心式压缩机功率计算氧气供应的峰值波动和安全供氧,宝钢配备了多台公式为液体储罐和气化设备,已备短时间氧气需求加大的供应.这种方式的能耗水平较正常方式高,原因在m71-/22于气液气供应能耗包括氧气分离电耗氧气液化式中,Z为离心式压缩机的气体压缩性系数Rn为功耗、液体产品储存蒸发损失(包括安全排液)以及通用气体常数.上式中,对于氧气k取1.4,对于氮液体气化能耗气k取1.39.3.3压缩产品能耗计算(3)回流量与放散量的影响.计算中根据产品(1)活塞式压缩机.活塞式压缩机压缩功采用送出量与排量之差具体分析,节流能耗计入压缩能以下公式耗中,低压放散的成本计入低压产品能耗中,高压放散的成本不但计入压缩能耗,而且影响总成本(10)节流能耗=节流量×平均压缩能耗;式中,pp4分别为吸气、排气压力;Z3Zd分别为放散能耗=放散量×平均压缩能耗吸气、排气状态下的气体压缩性系数;V是气缸工3.4空分产品能耗分摊比例的确定作容积,双作用时应为两侧气缸工作容积之和;k是综合考虑氧、氮和氩不同产品供出形态时各自绝热指数;为压缩机效率的能耗比例为59.62W,+v vwo氧,w+ nwW令分母等于A,则低压氧、高压氧和液氧的能耗比例可分别表示为:59.62W Vo ho38.1W4+wWWW;+Wmn+ Wint令分母等于B,则低压氮、中压氮、高压氮、液氮的能耗比例可分别表示为38.81W, VN w Nwhn VNhB1.57W+W氩,Wa+vow. Vewno* vo b*V w om+yh wh+View+ Vnv令分母等于C,则低压液氩高压气氩的能耗比例可送出量,Vh为高压氮送出量,Vn为液氮送出量,分别表示为Wm、Whn和W如分别表示相应中、高压的压缩能耗1.57w VrarWrar VAr-v-Whar及液氮的液化能耗,Vm为回收冷量的液氩量,Vhmr为高压氩送出量,Vw为液氩外销量,式中,Wt为空分总分离能耗,VN为氮产品总量别表示内加压和高压氩的压缩与气化能耗Vo为氧产品总量,VAR为氩产品总量,Vh为高压根据上面的公式,按宝钢各空分装置的标准工况对宝钢空分产品进行能耗计算和分摊计算,得出氧送出量,Vk为液氧送出量,W如、Wb分别表示高压氧的压缩能耗及液氧的液化能耗,Vm为中压氮空分产品标准能耗比例见表4第11期董春阳等:铜钢厂空分产品能耗结构1311丧4空分产品标准能耗比例Table 4 Standard energy consumption proportions of air separation products低压氧高压氧液氧合计低压氮中压氮高压氮液氮合计低压液氩高压气氬合计15.1957,5623.3612.412.7041.211.08空分变工况运行,氧、氩和氮产量都会发生变richment for blast furnace system. Fuel Energy Abstr, 1997. 38化,产品能耗比例也将不同.这要结合具体空分设2):10备,根据具体变工况参数进行流程计算.另外,由于[3] Xiao J L. Relationship between steel production and oxygen andrresponding requirements for oxygen plants. Cryogenic Tech供应气体压力随时波动,当然能耗也随之变化.为no,2004(1):1了计算方便,一般取平均压力.在产品成本核算中(肖家立钢铁生产与氧气的关系及对制氧机的要求深冷技为了进一步节能降耗和精确分析能耗支出,应考虑术,2004(1):1)压力波动对能耗的影响[4] Zhang Y P, Wang L, Gao Y. Calculation of product energy con-sumption of air separation unit, Iron Steel, 2003, 38(12):53结论(张延平,王立,高远低温精馏空分产品能耗分摊的确定与计算钢铁,2003,38(12):53)(1)本文针对宝钢制氧厂的空分现状及存在的5]Lm, Zhang Y P, FAN H G,sl. Research and developmen问题,提出了合理计算氧、氮和氩产品成本的方法及of the economical- run software system for air separation units降低产品成本的措施.将该方法应用于各种空分产Cryogenic Technol, 2006(4):30品能耗以及能耗分摊比例的计算,为空分系统的优(刘津张延平,范华刚,等.空分设备经济运行软件系统的研究与开发.深冷技术,2006(4):30)化奠定了基础.[6] Tuo X M. A discussion on adoption of optimization system at(2)建立了氧-氮-氩三元物系的物性计算模型Baosteel oxygen plant. Baosteel Technol, 2003(2)和空分精馏系统计算模型.应用所建立的物性与空(拓西梅.宝钢制采用优化系统的探讨.宝钢技术.203(2)分精馏系统计算模型,对宝钢5“空分的产品分离能耗进行了计算[7] Harmens A. Cubic equation of state for the prediction of N2-Ar-(3)提出了空分产品能耗分摊比例计算方法,o phase equilibrium, Cryogenics, 1977, 17(9):519解决了由于氧、氮、氩互为副产品而带来的单个产品[8] Zhang ZZ, Fu J F, Computer design for rectification system ofair separation units, Cryogenic Technol, 1983(4):1能耗无法确定的问题,消除了以往计算产品能耗时(张占柱,傅举孚,空分装置精馏系统的计算机设计.深冷技人为规定能耗分摊比例的缺点,为空分产品的能耗术,1983(4):1)和成本确定与分析提供了客观的依据[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(张延平.空分精馏系统的计算机模拟计算[学位论文].北京:北京科技大学,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-(童莉葛王立张廷平,等,氧气合理利用决策支持系统和空ion system of air separation units. Gas Sep, 2004(3):4(孙全海.空分液化设备能耗比较方法探讨.气体分离,2004分装置操作仿真系统.钢铁,2003,38(3):53)(3):4)[2]Droevich R F. Cryogenic unit for air separation with oxygen en-