D0I:10.13374/i.issnl001t03.2008.11.010 第30卷第11期 北京科技大学学报 Vol.30 No.11 2008年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.2008 钢厂空分产品能耗结构 董春阳王立)张延平) 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、氨和氩产品成本的方法，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 和氩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TQ116.11 Energy consumption structure of air-separation products in steel plants DONG Chunyang),WANG Li).ZHA NG Yanping2) 1)School of Mechanical Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083,China 2)Shougang Research Institute of Technology Beijing 100043.China ABSTRACT 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 method can not only solve the problem that the energy consumption of single product cannot be accurately calculated because oxygen.nitrogen and argon are by-products one another,but also eliminate the disadvantage that the apportioning proportion is arbitrarily controlled. KEY 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1/7叮，尤其治 因此，准确确定氧、氩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.如何降低单位制氧能耗一直是钢铁企业关注 用51. 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 1宝钢能源部氧气分厂空分现状与存在的 一般都是根据经验估计，对于确定的空分设备，非 变工况运行时能耗分摊比例相对稳定)，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， 一、二、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：2008-05-28 作者简介：董春阳(I977一)男，助理研究员，硕士，E-mail:renshi@ustb.ed,cm
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京100083 2） 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、氮和氩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 和氩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 T Q116∙11 Energy consumption structure of air-separation products in steel plants DONG Chunyang 1）W A NG Li 1）ZHA NG Y anping 2） 1） School of Mechanical EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Shougang Research Institute of TechnologyBeijing100043China ABSTRACT Aiming at the present situation of air separation units in a steel planta rational method of calculating the costs of oxygennitrogen 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．T he presented method can not only solve the problem that the energy consumption of single product cannot be accurately calculated because oxygennitrogen and argon are by-products one anotherbut also eliminate the disadvantage that the apportioning proportion is arbitrarily controlled． KEY WORDS steel plant；air separation；energy consumption；energy consumption structure 收稿日期：2007-10-19 修回日期：2008-05-28 作者简介：董春阳（1977—）男助理研究员硕士E-mail：renshi＠ustb．edu．cn 在钢铁企业中低温精馏空气分离法是一个高 能耗的生产过程我国大型现代化钢铁企业的空分 设备生产电耗约占整个企业电耗的1／7［1］尤其冶 金企业对氧气、氮气和氩气的依赖程度不断增 加［2］．如何降低单位制氧能耗一直是钢铁企业关注 的主要问题． 能耗与空分设备的大小、流程和液体的提取量 等均有关目前国内外空分设备能耗的统计与计算 方法不统一［3］长期以来空分装置产品的能耗计算 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 变工况运行时能耗分摊比例相对稳定［4］不同类型 （或流程）空分装置的产品能耗比例按照相同的比例 分摊不同状态产品也按照统一能耗计算方法计算 这实际上是不合理的．不同流程形式、不同厂家生 产、不同控制方式的空分设备的能耗有很大差别多 台机组运行有最优化（产量最高、能耗最低）的问题． 因此准确确定氧、氩和氮产品能耗分摊比例对于 有效降低能耗与提高经济效益起着非常重要的作 用［5］． 本文以宝钢制氧厂的空分设备为例提出合理 计算氧、氮和氩产品成本的方法以及降低产品成本 的措施并且定量比较了各种制氧工序的能耗以此 作为选择制氧工艺的科学依据． 1 宝钢能源部氧气分厂空分现状与存在的 问题 宝钢（集团）公司在20世纪80～90年代进行的 一、二、三期工程建设中先后从国外引进了六台大 型空分设备．宝钢制氧系统现有六台制氧机组主 第30卷 第11期 2008年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．11 Nov．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．11．010
,1308 北京科技大学学报 第30卷 要生产气体氧、氮和氩，同时机组生产液体氧、氮和 值；4*一6*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%[].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 Baosteel 参数 2* 3* 4# 59 6# 氧气产量/(m3h-) 26000 26000 30000 30000 72000 60000 氟气产量/(m3h-) 26000 26000 30000 30000 84000 64000 液氧产量/(m3h-1) 600 600 600 140 500 2000 液氮产量/(m3h) 100 100 100 1000 液氩产量/(m3h- 400 400 400 1120 2580 2380 氧纯度/% >99.6 >99.6 >99.6 99.6 >99.6 >99.6 氮纯度/10-6 <10 <10 <10 <5 <5 <1 氩纯度/10-6 02+N2<10 02十N2<10 02+N2<-10 02<2,N2<5 02<2,N25 02<1,N2<1 加工空气量/(m3h-) 150740 150740 177300 145680 350000 301000 氧提取率/% 83.7 83.7 82.6 99.0 98.4 98.6 氩提取率/% 28.4 28.4 24.2 82.5 79.0 84.8 制氧电耗/(kWhm3) 0.461 0.461 0.456 0.416 0.358 压氧电耗/(kWhm-3) 0.183 0.183 0.183 0.178 0.175 总电耗/(kWhm一3) 0.644 0.644 0.6390 0.594 0.533 0.584 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 1980/1984 1980/1984 1985/1987 1988/1991 1994/1997 1996/1999 通过宝钢1#~6#空分设备的流程变化，反映 a=∑∑xa:6=∑xb: (2) 了近年来大型空分的发展轨迹.大型空分实现了全 其中混合物的临界性质由下列各式求解： 低压流程后，流程上的改进余地不大，主要集中在工 艺变化，中心是节能与安全.宝钢从1#~6#空分机 Teg=(TeiTej)2(1-Kg).Zeg=(Zi+Zej)/2. 组，每前进一步都伴随着能耗的下降，虽然宝钢氧气 Ve时=[(V)V3(Vo)33/8,Pey=RTe时Ze/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、j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 Ky=a0十a1T (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-Ar N202 Ar02 -0.23644X×10-1-0.45778×10-2 2空分流程能耗计算 -0.66553×10-2 a 0.19476×10-4 0.15427×10-3 0.87687×10-4 2.1空气三元物系的热力模型 02一ArN2三元体系状态方程为] 2.2 空分精馏系统计算[] p=。v+36v-2B 结合模型塔和理想平衡级关系可列出以下基本 (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 yi.j=ki.jxi.j (5) 规则： (2)物料平衡方程组(M方程)：
要生产气体氧、氮和氩同时机组生产液体氧、氮和 氩产品．其中1＃ ～3＃ 制氧机的产品产量为恒定 值；4＃～6＃制氧机产品产量可调产品负荷可调范 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 Table1 Technical parameters of air separation units of Baosteel 参数 1＃ 2＃ 3＃ 4＃ 5＃ 6＃ 氧气产量／（m 3·h —1） 26000 26000 30000 30000 72000 60000 氮气产量／（m 3·h —1） 26000 26000 30000 30000 84000 64000 液氧产量／（m 3·h —1） 600 600 600 140 500 2000 液氮产量／（m 3·h —1） 100 100 100 — — 1000 液氩产量／（m 3·h —1） 400 400 400 1120 2580 2380 氧纯度／％ ＞99∙6 ＞99∙6 ＞99∙6 ＞99∙6 ＞99∙6 ＞99∙6 氮纯度／10—6 ＜10 ＜10 ＜10 ＜5 ＜5 ＜1 氩纯度／10—6 O2＋N2＜10 O2＋N2＜10 O2＋N2＜—10 O2＜2N2＜5 O2＜2N2＜5 O2＜1N2＜1 加工空气量／（m 3·h —1） 150740 150740 177300 145680 350000 301000 氧提取率／％ 83∙7 83∙7 82∙6 99∙0 98∙4 98∙6 氩提取率／％ 28∙4 28∙4 24∙2 82∙5 79∙0 84∙8 制氧电耗／（kWh·m —3） 0∙461 0∙461 0∙456 0∙416 0∙358 — 压氧电耗／（kWh·m —3） 0∙183 0∙183 0∙183 0∙178 0∙175 — 总电耗／（kWh·m —3） 0∙644 0∙644 0∙6390 0∙594 0∙533 0∙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 1980／1984 1980／1984 1985／1987 1988／1991 1994／1997 1996／1999 通过宝钢1＃ ～6＃ 空分设备的流程变化反映 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 艺变化中心是节能与安全．宝钢从1＃～6＃空分机 组每前进一步都伴随着能耗的下降虽然宝钢氧气 厂空分设备在国内属于领先水平但也面临着一些 问题．比如缺乏空分气体产品产供能力的实时调 度造成氧放散率高；多国、多层次设备联网运行匹 配、压力等级、能耗差异及消耗的问题；各种产品能 耗比例和液体产品外销的成本确定缺乏依据．降低 宝钢空分产品能耗确定产品成本需要有一套精确 地计算空分精馏及流程的方法进而对空分工艺与 产品产供的特点进行统筹分析有针对性地提出节 能降耗的措施． 2 空分流程能耗计算 2∙1 空气三元物系的热力模型 O2—Ar—N2 三元体系状态方程为［7—8］： P＝ RT V —b — a V 2＋3bV —2b 2 （1） 式中P 为压力T 为温度V 为摩尔体积R 为气 体常数a、b 为参数．对于混合物采用以下混合 规则： a＝ ∑i ∑ j xixjaij；b＝ ∑i xibi （2） 其中混合物的临界性质由下列各式求解： Tc ij＝（ Tc iTc j） 1／2（1— Kij）Zc ij＝（Zc i＋Zc j）／2 V c ij＝［（ Vc i） 1／3（ V c j） 1／3］ 3／8Pc ij＝ RTc ijZc ij／V c ij （3） 式中Tc 为临界温度Zc 为临界压缩因子V c 为临 界摩尔体积Pc 为临界压力Kij 二元相互作用系 数i、j 为氧氮氩组分．Kij视为温度的线性函数： Kij＝ a0＋ a1T （4） 对不同的二元体系a0 和 a1 的值见表2． 表2 二元体系参数值 Table2 Parameters of duality systems 参数 N2—Ar N2—O2 Ar—O2 a0 —0∙66553×10—2 —0∙23644×10—1 —0∙45778×10—2 a1 0∙19476×10—4 0∙15427×10—3 0∙87687×10—4 2∙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 方程组． （1） 相平衡方程组（E 方程）： yij＝kijxij （5） （2） 物料平衡方程组（M 方程）： ·1308· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第11期 董春阳等：钢厂空分产品能耗结构 .1309 Vj+1yijt1十L-1x-1十fZ一 AX.时=D1 (9) (V,+W)y-(L,十Ug)x=0 (6) 其中A代表Vj、Li、W;和U,X,代表x,和yj (3)能量平衡方程组(H方程)： D代表F和Z V+1H+1+L-1H-1+FH丐- 3空分产品能耗计算 (W;+V)H-(L+U)H-Q=0(7) 3.1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)： 首先根据塔顶污氨出口压力、温度和组分，自上 空=1，会a=1 (8) 而下逐板计算每块塔板的有关参数，逐级运用氧一 氩一氨三元物系的露点、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、Z表示输出产品流量与组成，W、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，、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(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一1=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=O.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297200m3h1,氧气产量 和物料平衡方程(M方程)进行变换，并由塔顶至各 60000m3h-1,氨气产量80000m3h-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 表3宝钢5空分的产品分离能耗 Table 3 Products energy consumption of5 air separation unit in Baosteel 参数 单高塔（氧气） 单高塔（氮气） 双高塔（不提氩） 双高塔（提氩） 理论塔板数 17 15 上塔52，下塔33 上塔46，下塔33 加工空气量/02 5.2 3.0 5.0365 4.9530 空压机出口压力/MPa 0.34 0.40 0.62 0.65 空压机能耗/(kml一 20345.96 9414.99 31959.06 32467.62 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 3.2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 -Vehann 没有液氧产品)的能耗作为氧气能耗：如果生产液 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，，、n和？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 液氨的能耗计算相同，在液氩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
V j＋1yij＋1＋ L j—1xij—1＋FjZij— （ V j＋ Wj） yij—（ L j＋ Uj） xij＝0 （6） （3） 能量平衡方程组（H 方程）： V j＋1H v j＋1＋ L j—1H 1 j—1＋FjH F j — （ Wj＋ V j） H v j—（ L j＋ Uj） H 1 j— Qj＝0 （7） （4） 摩尔分数加和方程组（S 方程）： ∑ c i＝1 xij＝1∑ c i＝1 yij＝1 （8） 式中xij 表示上升气体中的氧含量yij 表示下流 液体中的氮含量V j、L j 分别表示塔内上升气量和 下流液量Fj、Zj 表示输出产品流量与组成Wj、Uj 分别表示氧相及液相进出量H v j、H 1 j 和 Qj 表示各 级气、液相焓值与冷损值．下脚标 i（ i＝123… c）表示精馏组分；j（ j＝123…N）表示理论平衡 级数对于第一级冷凝器 L j—1＝0第 N 级再沸器 V j＋1＝0．以上方程组简称 MESH 方程组．由于 MESH 方程组是非线性的求出精确解尚有困难 通常采用逐次逼近法求解．将相平衡方程（E 方程） 和物料平衡方程（M 方程）进行变换并由塔顶至各 板间截面作为的物料衡算ME 方程改写成如下矩 阵形式： AjXij＝ Dj （9） 其中 Aj 代表 V j、L j、Wj 和 UjXij代表 xij和 yij Dj 代表 Fj 和 Zj． 3 空分产品能耗计算 3∙1 空分中氧－氩－氮产品分离能耗 首先根据塔顶污氮出口压力、温度和组分自上 而下逐板计算每块塔板的有关参数逐级运用氧— 氩—氮三元物系的露点、泡点计算程序直至塔底氧 气纯度满足设计要求．之后根据实际空分装置的 塔阻力确定每一理论塔板数的阻力以确定空压机 的出口压力．空压机能耗即是氧气的产品能耗（计 算中不考虑辅助能耗）．双高塔的精馏计算不但要 进行上、下塔的逐板计算而且要结合精馏的校核计 算．与单高塔相比空压机出口压力提高相同氧产 量双高塔总能耗减去单高塔氧产品能耗即为氮产品 能耗．提氩双高塔总能耗减去不提氩双高塔总能耗 即为氩产品能耗．以宝钢5＃空分正常工况的运行 参数为标准：加工空气量297200m 3·h —1氧气产量 60000m 3·h —1氮气产量80000m 3·h —1氩产量 2150m 3·h —1．计算空分产品的分离能耗结果如 表3所示． 表3 宝钢5＃空分的产品分离能耗 Table3 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） 双高塔（提氩） 理论塔板数 17 15 上塔52下塔33 上塔46下塔33 加工空气量／O2 5∙2 3∙0 5∙0365 4∙9530 空压机出口压力／MPa 0∙34 0∙40 0∙62 0∙65 空压机能耗／（kJ·kmol —1） 20345∙96 9414∙99 31959∙06 32467∙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％ 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 分析计算不同形态产品的能耗组成使空分生产销 售有明确的成本依据找出节能降耗的方向． 3∙2 液态产品能耗 （1） 空分液体产品的能耗．1＃～4＃空分液体产 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 氧根据冷量平衡膨胀量将增加相应的加工空气 量也增加由此造成的能耗增量归于液氧的能耗． 液氮的能耗计算相同．在液氩的计算中加上氩净化 过程中的能耗如冷却水、水泵、冷冻机和氢气的 消耗． （2） 宝普液化装置的液体产品能耗．宝普液化 装置的液体产品能耗由气体液化循环功和空分的分 离能耗决定．由于存在不可逆过程液化循环功的 计算采用下式［10］： w＝ RT ηT ln p2 p1 — V e hsηeηs． 式中p1、p2 为压缩机进出口压力ηT、ηe 和 ηs 分 别为压缩机效率、膨胀机机械效率和膨胀机等熵效 率hs 为膨胀机的等熵焓降V e 为进入膨胀机的 气量． 第11期 董春阳等： 钢厂空分产品能耗结构 ·1309·
,1310 北京科技大学学报 第30卷 (3)气液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 (11) 于气一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，Rm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，对于氨 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 (I)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 Z十Za 2. (10) 散的成本不但计入压缩能耗，而且影响总成本， 节流能耗=节流量×平均压缩能耗： 式中，p、P分别为吸气、排气压力；Z、Za分别为 放散能耗=放散量X平均压缩能耗， 吸气、排气状态下的气体压缩性系数：Vh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；门为压缩机效率， 的能耗比例为： 59.62W+W+W。 vo" 氧， 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" Vio W ho Vho W ho vo A A,A· 81W+we十片+ 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 B B’B'B 氩， 1.57W+y-y Vs.一Wr十YAR-VWar Vo V N V N 令分母等于C,则低压液氩、高压气氩的能耗比例可 送出量，Vhm为高压氮送出量，Vm为液氮送出量， 分别表示为 Wma、Whn和Win分别表示相应中、高压的压缩能耗 1.57W十VAR一V Vhar VV W VAR at Whe 及液氨的液化能耗，Var为回收冷量的液氩量，Vhar 为高压氩送出量，Vwar为液氩外销量，Whar、Wr分 C C 别表示内加压和高压氩的压缩与气化能耗， 式中，W:为空分总分离能耗，VN为氨产品总量， 根据上面的公式，按宝钢各空分装置的标准工 Vo为氧产品总量，VAR为氩产品总量，Vho为高压 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，Vb为液氧送出量，Wo、W。分别表示高 空分产品标准能耗比例见表4. 压氧的压缩能耗及液氧的液化能耗，Vmm为中压氨
（3） 气—液—气氧气供应方式能耗影响．为缓冲 氧气供应的峰值波动和安全供氧宝钢配备了多台 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 于气—液—气供应能耗包括氧气分离电耗、氧气液化 功耗、液体产品储存蒸发损失（包括安全排液）以及 液体气化能耗． 3∙3 压缩产品能耗计算 （1） 活塞式压缩机．活塞式压缩机压缩功采用 以下公式： w＝ 1 η ps V h k k—1 pd ps k—1 k —1 Zs＋Zd 2Zs （10） 式中ps、pd 分别为吸气、排气压力；Zs、Zd 分别为 吸气、排气状态下的气体压缩性系数；V h 是气缸工 作容积双作用时应为两侧气缸工作容积之和；k 是 绝热指数；η为压缩机效率． （2） 离心机压缩能耗．离心式压缩机功率计算 公式为： w＝ 1 η k k—1 ZRm T 1— p2 p1 k—1 k （11） 式中Z 为离心式压缩机的气体压缩性系数Rm 为 通用气体常数．上式中对于氧气 k 取1∙4对于氮 气 k 取1∙39． （3） 回流量与放散量的影响．计算中根据产品 送出量与排量之差具体分析节流能耗计入压缩能 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． 节流能耗＝节流量×平均压缩能耗； 放散能耗＝放散量×平均压缩能耗． 3∙4 空分产品能耗分摊比例的确定 综合考虑氧、氮和氩不同产品供出形态时各自 的能耗比例为： 氧 59∙62Wf＋ V ho V O Who＋ V lo V O Wlo Wf＋ V ho V O Who＋ V lo V O Wlo＋ V mn V N Wmn＋ V hn V N Whn＋ V ln V N Wln＋ V rar V AR— V war Wrar＋ V har V AR— V war Whar ． 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∙62Wf A V ho V O Who A V lo V O Wlo A ． 氮 38∙81Wf＋ V mn V N Wmn＋ V hn V N Whn＋ Vln V N Wln Wf＋ V mo V O Wmo＋ V ho V O Who＋ Vlo V O Wlo＋ V mn V N Wmn＋ V hn V N Whn＋ Vln V N Wln＋ V rar V AR—V war Wrar＋ V hav V AR—V war Whar ． 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∙81Wf B V mn V N Wmn B V hn V N Whn B V ln V N Wln B ． 氩 1∙57Wf＋ V rar V AR—V war Wrar＋ V har V AR—V war Whar Wf＋ V mo V O Wmo＋ V ho V O Who＋ Vlo V O Wlo＋ V mn V N Wmn＋ V hn V N Whm＋ Vln V N Wln＋ V rar V AR—V war Wrar＋ V har V AR—V war Whar ． 令分母等于 C则低压液氩、高压气氩的能耗比例可 分别表示为 1∙57Wf＋ V rar V AR— V war Wrar C V har V AR— V war Whar C ． 式中Wf 为空分总分离能耗V N 为氮产品总量 V O 为氧产品总量V AR为氩产品总量V ho为高压 氧送出量V lo为液氧送出量Who、Wlo分别表示高 压氧的压缩能耗及液氧的液化能耗V mn为中压氮 送出量V hn为高压氮送出量V ln为液氮送出量 Wmn、Whn和 Wln分别表示相应中、高压的压缩能耗 及液氮的液化能耗V rar为回收冷量的液氩量V har 为高压氩送出量V war为液氩外销量Whar、Wrar分 别表示内加压和高压氩的压缩与气化能耗． 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 空分产品标准能耗比例见表4． ·1310· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第11期 董春阳等：钢厂空分产品能耗结构 ,1311, 表4空分产品标准能耗比例 Table 4 Standard energy consumption proportions of air separation products % 氧 氨 氩 低压氧高压氧 液氧 合计 低压氮中压氮高压氮 液氨 合计 低压液氩高压气氩合计 36.74 15.19 5.63 57.56 23.36 12.41 2.74 2.70 41.21 0.15 1.08 1.23 空分变工况运行，氧、氩和氨产量都会发生变 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):110 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 and corresponding 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 nol,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 4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]Liu J.Zhang Y P,FAN H G.et al.Research and development 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 Cryogenie 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)建立了氧一氮氩三元物系的物性计算模型 Baosteel oxygen plant.Baosteel Technol,2003(2):49 和空分精馏系统计算模型，应用所建立的物性与空 (拓西梅.宝钢制氧采用优化系统的探讨.宝钢技术.2003(2) 分精馏系统计算模型，对宝钢5*空分的产品分离能 49) 耗进行了计算， [7]Harmens A.Cubic equation of state for the prediction of N2-Ar O2 phase equilibrium.Cryogenics.1977,17(9):519 (③)提出了空分产品能耗分摊比例计算方法， [8]Zhang ZZ.Fu J F.Computer design for rectification system of 解决了由于氧、氨、氩互为副产品而带来的单个产品 air 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 of Air Separation Unit [Dissertation]Beijing:University of Sei- 参考文献 ence and Technology Beijing.1999 (张延平，空分精馏系统的计算机模拟计算[学位论文]北 [1]Tong L G.Wang L.Zhang Y P.The oxygen utilization decision 京：北京科技大学，1999) support system and operation simulation for air separation units. 1 ron Steel,2003,38(3):53 [10]Sun Q H.A Discussion on the energy consumption of liquefac- (童莉葛，王立，张延平，等，氧气合理利用决策支持系统和空 tion system of air separation units.Gas Sep.2004(3):4 (孙全海.空分液化设备能牦比较方法探讨.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-
表4 空分产品标准能耗比例 Table4 Standard energy consumption proportions of air separation products ％ 氧 氮 氩 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 高压气氩 合计 36∙74 15∙19 5∙63 57∙56 23∙36 12∙41 2∙74 2∙70 41∙21 0∙15 1∙08 1∙23 空分变工况运行氧、氩和氮产量都会发生变 化产品能耗比例也将不同．这要结合具体空分设 备根据具体变工况参数进行流程计算．另外由于 供应气体压力随时波动当然能耗也随之变化．为 了计算方便一般取平均压力．在产品成本核算中 为了进一步节能降耗和精确分析能耗支出应考虑 压力波动对能耗的影响． 4 结论 （1） 本文针对宝钢制氧厂的空分现状及存在的 问题提出了合理计算氧、氮和氩产品成本的方法及 降低产品成本的措施．将该方法应用于各种空分产 品能耗以及能耗分摊比例的计算为空分系统的优 化奠定了基础． （2） 建立了氧—氮—氩三元物系的物性计算模型 和空分精馏系统计算模型．应用所建立的物性与空 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． （3） 提出了空分产品能耗分摊比例计算方法 解决了由于氧、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的依据． 参 考 文 献 ［1］ Tong L GWang LZhang Y P∙The oxygen utilization decision support system and operation simulation for air separation units． Iron Steel200338（3）：53 （童莉葛王立张延平等．氧气合理利用决策支持系统和空 分装置操作仿真系统．钢铁200338（3）：53） ［2］ Droevich R F．Cryogenic unit for air separation with oxygen enrichment for blast furnace system．Fuel Energy Abstr199738 （2）：110 ［3］ Xiao J L．Relationship between steel production and oxygen and corresponding requirements for oxygen plants．Cryogenic Technol2004（1）：1 （肖家立．钢铁生产与氧气的关系及对制氧机的要求．深冷技 术2004（1）：1） ［4］ Zhang Y PWang LGao Y．Calculation of product energy consumption of air separation unit．Iron Steel200338（12）：53 （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200338（12）：53） ［5］ Liu JZhang Y PFAN H Get al．Research and development of the economica-l run software system for air separation units． Cryogenic Technol2006（4）：30 （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） ［6］ Tuo X M．A discussion on adoption of optimization system at Baosteel oxygen plant．Baosteel Technol2003（2）：49 （拓西梅．宝钢制氧采用优化系统的探讨．宝钢技术．2003（2） ∶49） ［7］ Harmens A．Cubic equation of state for the prediction of N2-ArO2phase equilibrium．Cryogenics197717（9）：519 ［8］ Zhang Z ZFu J F．Computer design for rectification system of air separation units．Cryogenic Technol1983（4）：1 （张占柱傅举孚．空分装置精馏系统的计算机设计．深冷技 术1983（4）：1） ［9］ Zhang Y P．Computer Simulation on Rectification System of Air Separation Unit ［Dissertation ］．Beijing：University of Science and Technology Beijing1999 （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1999） ［10］ Sun Q H．A Discussion on the energy consumption of liquefaction system of air separation units．Gas Sep2004（3）：4 （孙全海．空分液化设备能耗比较方法探讨．气体分离2004 （3）：4） 第11期 董春阳等： 钢厂空分产品能耗结构 ·1311·