詹鐵蕾

(唐山市節(jié)能監(jiān)察支隊(duì))

工業(yè)氣體空分產(chǎn)品常被比喻為現(xiàn)代工業(yè)的血液，是指以空氣為原料生產(chǎn)制取的氧氣、氮?dú)?、氬氣、液氧、液氮、液氬等產(chǎn)品。隨著節(jié)能降碳任務(wù)日益嚴(yán)峻，全氧燃燒、富氧燃燒等助燃降碳技術(shù)在鋼鐵冶金、建材生產(chǎn)等行業(yè)迅速被推廣應(yīng)用，使得工業(yè)氧氣的需求大大增加，制氧工序已成為鋼鐵、建材、化工等行業(yè)不可忽視的重點(diǎn)用能工序。

工業(yè)制氧消耗的能源主要是電力。以鋼鐵冶煉企業(yè)為例，制氧工序電耗僅次于軋鋼和煉鐵工序，成為鋼鐵企業(yè)重要的耗電工序，占鋼鐵冶煉企業(yè)電耗的20%以上。隨著用氧需求的增加，制氧用電量將大幅增加，故此合理管控工業(yè)氣體空分產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)電耗勢(shì)在必行。

目前，國(guó)家和行業(yè)尚未出臺(tái)相關(guān)的能耗限額標(biāo)準(zhǔn)，核算產(chǎn)品能耗時(shí)沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)范的依據(jù)和方法，給行業(yè)用能管理、能效對(duì)標(biāo)等工作帶來(lái)困難，也給政府節(jié)能監(jiān)管帶來(lái)不便。

為了進(jìn)一步促進(jìn)工業(yè)氣體生產(chǎn)行業(yè)高能效、高質(zhì)量的健康發(fā)展，指導(dǎo)企業(yè)合理選用高能效空分設(shè)備，貫徹落實(shí)節(jié)約資源基本國(guó)策，優(yōu)化資源配置，加快落后產(chǎn)能淘汰，規(guī)范咨詢機(jī)構(gòu)開(kāi)展節(jié)能評(píng)估，為政府及管理機(jī)構(gòu)開(kāi)展節(jié)能監(jiān)察等工作提供技術(shù)依據(jù)，需制定相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1 制氧工藝及能耗理論計(jì)算

1.1 制氧工藝及特點(diǎn)

目前鋼鐵冶煉行業(yè)中，O2是應(yīng)用范圍最為廣泛的空分氣體產(chǎn)品，同時(shí)N2也是生產(chǎn)中必不可少的工藝用氣。常見(jiàn)的制氧工藝有深冷法、變壓吸附法和膜分離法。

深冷法是通過(guò)壓縮循環(huán)深度冷凍把空氣變成液態(tài)，利用液氧、液氮沸點(diǎn)的差異，再經(jīng)過(guò)精餾，從液態(tài)空氣中逐步分離生產(chǎn)出O2、N2和Ar等氣體，O2純度可達(dá)到99.6%以上。深冷法具有生產(chǎn)成本低，技術(shù)成熟，可大量生產(chǎn)高純度的O2、N2和Ar等產(chǎn)品，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等特點(diǎn)，目前應(yīng)用最為廣泛。

變壓吸附法是在不同的壓力下，利用專(zhuān)用分子篩選擇性吸附空氣中的N2、CO2和H2O等雜質(zhì)；在抽真空的條件下對(duì)分子篩進(jìn)行解吸，循環(huán)制得20 kPa左右純度80%～94%的O2。隨著對(duì)氧氣純度相對(duì)要求不高的富氧燃燒技術(shù)在各行業(yè)的推廣應(yīng)用，電耗低、運(yùn)行成本低的變壓吸附法也將迎來(lái)快速發(fā)展。

膜分離法是利用高分子聚合薄膜的滲透選擇性，將空氣中的氧、氮分離的方法，由于其容量和純度的局限性，未能大規(guī)模應(yīng)用。

1.2 能耗統(tǒng)計(jì)范圍

工業(yè)氣體空分產(chǎn)品能源消耗包括，從空分裝置吸入空氣開(kāi)始到符合要求的空分產(chǎn)品進(jìn)入管網(wǎng)、貯罐等在內(nèi)的生產(chǎn)系統(tǒng)、輔助生產(chǎn)系統(tǒng)和附屬生產(chǎn)系統(tǒng)所消耗的各種能源，不包括基建、技改等用能。能源消耗數(shù)據(jù)以計(jì)量器具計(jì)量值為準(zhǔn)。

1.3 單位當(dāng)量氧氣綜合電耗的定義及計(jì)算方法

工業(yè)氣體空分裝置消耗的原料主要為空氣，消耗的能源主要為電力，消耗的耗能工質(zhì)主要為水。也有一些企業(yè)利用周邊的蒸汽資源代替部分電力，作為空氣純化系統(tǒng)分子篩加熱用能或者汽輪機(jī)拖動(dòng)用能。

因設(shè)備工藝、產(chǎn)品方案、產(chǎn)品濃度、產(chǎn)品壓力、產(chǎn)品比例等不同，空分產(chǎn)品電耗水平差別很大，生產(chǎn)裝置能源消耗也不同。在計(jì)算產(chǎn)品能耗時(shí)，需要大量的專(zhuān)業(yè)的復(fù)雜換算，給行業(yè)對(duì)標(biāo)和用能考核帶來(lái)不便。為了使產(chǎn)品能耗計(jì)算和對(duì)比分析簡(jiǎn)便，并且具有可比性，參考行業(yè)規(guī)范、工藝設(shè)備參數(shù)等技術(shù)資料，將所有合格空分產(chǎn)品量折算成一種基準(zhǔn)產(chǎn)品量作為產(chǎn)品量核算，稱(chēng)為當(dāng)量氧氣量[1]。計(jì)算公式為：

(1)

式中：VE為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)同時(shí)生產(chǎn)多種空分產(chǎn)品時(shí)的當(dāng)量氧氣量，m3；αi為生產(chǎn)多種空分產(chǎn)品時(shí)，考慮其分離、液化和壓縮等過(guò)程效率后，各個(gè)產(chǎn)品與基準(zhǔn)產(chǎn)品的產(chǎn)量折算系數(shù)；Hi為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)生產(chǎn)的某種合格空分產(chǎn)品產(chǎn)量，m3；h為空分產(chǎn)品種類(lèi)。

變壓吸附法制氧因產(chǎn)品純度不同導(dǎo)致電力消耗不同，為了實(shí)現(xiàn)行業(yè)對(duì)比分析，將不同純度的氧氣折成100%純氧后，再進(jìn)行單位當(dāng)量氧氣綜合電耗核算。

空分產(chǎn)品合格產(chǎn)量不包括放空的O2、N2等產(chǎn)品的量，是指作為產(chǎn)品使用或者銷(xiāo)售的空分產(chǎn)品量。

為滿足指標(biāo)通用可比，將生產(chǎn)過(guò)程中消耗或回收的其他能源(蒸汽、熱力等)依據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則》(GB/T2589)折算成標(biāo)煤后，再根據(jù)電力等價(jià)值折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)折算成電力，綜合電耗計(jì)算公式為：

(2)

式中：N為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)空分產(chǎn)品綜合電耗；Nd為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)空分產(chǎn)品生產(chǎn)消耗的電量；Ei為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)空分產(chǎn)品生產(chǎn)消耗的第i種除電以外能源實(shí)物量；Ej為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)空分產(chǎn)品生產(chǎn)回收輸出的第j種除電以外能源實(shí)物量；ki為第i種能源的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)；kj第j種能源的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)；n為投入的能源種類(lèi)數(shù)；m為輸出的能源種類(lèi)數(shù)；0.305 5是2020年度全國(guó)600 MW以上電廠供電煤耗，為2020年度全國(guó)電力等價(jià)值折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)，kgce/kWh(為了使單耗指標(biāo)具有可比性，選取了固定的電力等價(jià)值折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)作為其他能源的折算系數(shù))。

以單位當(dāng)量氧氣綜合電耗指標(biāo)作為空分氣體單位產(chǎn)品能耗核算指標(biāo)，計(jì)算公式如(3)。

NO2基=N/VE

(3)

式中：NO2基為單位當(dāng)量氧氣綜合電耗，kWh/m3。

2 能耗指標(biāo)確定

2.1 指標(biāo)等級(jí)選取原則

以企業(yè)計(jì)量和統(tǒng)計(jì)資料為基礎(chǔ)，依據(jù)《單位產(chǎn)品能源消耗限額編制通則》(GB/T 12723-2013)將單位產(chǎn)品電耗分為三個(gè)等級(jí)。3級(jí)為限額值，是評(píng)價(jià)現(xiàn)有生產(chǎn)企業(yè)(工序)單位產(chǎn)品能耗是否滿足最低能耗要求的指標(biāo)，以淘汰比例不低于20%現(xiàn)有生產(chǎn)能力的取值原則確定。2級(jí)為準(zhǔn)入值，是評(píng)價(jià)新建及改擴(kuò)建企業(yè)(工序)是否能夠達(dá)到準(zhǔn)入能耗要求的指標(biāo)，基于技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和節(jié)能潛力，同時(shí)考慮節(jié)能技術(shù)發(fā)展的客觀因素，具有一定的技術(shù)前瞻性。結(jié)合省內(nèi)行業(yè)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展情況確定準(zhǔn)入值，按照能效前40%的比例選取。1級(jí)為先進(jìn)值，是達(dá)到國(guó)內(nèi)行業(yè)先進(jìn)水平的指標(biāo)，代表著行業(yè)最優(yōu)秀的指標(biāo)，按照前3%比例選取。

2.2 調(diào)研樣本情況

收集了鋼鐵、化工等行業(yè)空分產(chǎn)品生產(chǎn)工序以及獨(dú)立空分產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)151臺(tái)套空分制氧裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

深冷法空分制氧裝置147套，占比97.35%。設(shè)計(jì)能力4 500～10 000 m3/h的25套，占比16.56%；設(shè)計(jì)能力10 000～45 000 m3/h的116套，占比76.82%；設(shè)計(jì)能力45 000 m3/h以上的6套，占比3.97%。147套空分制氧裝置中，外壓縮工藝124套，占比84.35%；內(nèi)壓縮工藝23套，占比15.65%。

變壓吸附法空分制氧裝置4套，占比2.65%，設(shè)計(jì)能力3 000 m3/h的1套、3 500 m3/h的2套、15 000 m3/h的1套。

2.3 深冷法單位當(dāng)量氧氣綜合電耗

依據(jù)確定的統(tǒng)計(jì)范圍和計(jì)算公式，對(duì)147套深冷法空分制氧裝置能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行核算，得到各裝置單位當(dāng)量氧氣綜合電耗情況如圖1所示。

圖1 深冷法單位當(dāng)量氧氣綜合電耗

147套深冷法空分制氧裝置中，單位當(dāng)量氧氣綜合電耗最高值為0.905 kWh/m3，最低值為0.325 kWh/m3，平均值為0.533 kWh/m3。依據(jù)能耗限額等級(jí)取值原則，確定3級(jí)能耗限額等級(jí)指標(biāo)為≤0.60 kWh/m3，2級(jí)能耗限額等級(jí)指標(biāo)為≤0.50 kWh/m3，1級(jí)能耗限額等級(jí)指標(biāo)為≤0.33 kWh/m3。

2.4 變壓吸附法單位當(dāng)量氧氣綜合電耗

變壓吸附法制氧樣本數(shù)據(jù)較少，對(duì)4套空分制氧裝置能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行核算，得到單位當(dāng)量氧氣綜合電耗如表1所示。

表1 變壓吸附法單位當(dāng)量氧氣綜合電耗

表1中單位當(dāng)量氧氣綜合電耗最高值為0.835 kWh/m3，最低值為0.305 kWh/m3，平均值為0.469 kWh/m3。因調(diào)研數(shù)據(jù)較少，故結(jié)合《變壓吸附制氧、制氮設(shè)備》(JB/T6427-2015)[2]標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)主要變壓吸附制氧裝置生產(chǎn)廠家的意見(jiàn)，確定變壓吸附制氧法單位當(dāng)量氧氣綜合電耗3級(jí)能耗限額指標(biāo)為≤0.40 kWh/m3，2級(jí)能耗限額指標(biāo)為≤0.36 kWh/m3，1級(jí)能耗限額指標(biāo)為≤0.31 kWh/m3。

最終匯總工業(yè)氣體空分產(chǎn)品單位當(dāng)量氧氣綜合電耗限額等級(jí)詳見(jiàn)表2。

表2 單位當(dāng)量氧氣綜合電耗各級(jí)能耗限額 kWh/m3

3 結(jié)語(yǔ)

編制《工業(yè)氣體空分產(chǎn)品單位產(chǎn)品綜合電耗限額》，對(duì)嚴(yán)格控制工業(yè)氣體空分產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)(工序)的能源管理工作，淘汰行業(yè)現(xiàn)有落后產(chǎn)能，促進(jìn)和規(guī)范行業(yè)節(jié)能降碳工作順利有序開(kāi)展起到重要作用。同時(shí)規(guī)范省內(nèi)工業(yè)氣體空分產(chǎn)品能耗核算方法，也可為政府監(jiān)管部門(mén)對(duì)工業(yè)氣體空分產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)(工序)進(jìn)行監(jiān)管提供可執(zhí)行的依據(jù)，也可以作為進(jìn)一步嚴(yán)控鋼鐵、化工、建材等行業(yè)單位產(chǎn)品(工序)能耗限額的一項(xiàng)重要參考指標(biāo)。

調(diào)研樣本數(shù)據(jù)大部分為鋼鐵冶煉行業(yè)制氧工序空分產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)據(jù)，有一定的行業(yè)局限性，但基本上能滿足省內(nèi)空分制氧行業(yè)需求。因制氧工藝相同，故其他行業(yè)采用深冷法或變壓吸附法制氧生產(chǎn)空分產(chǎn)品也可參考執(zhí)行。