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北京低碳清潔能源研究所　北京　102209

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空氣分離裝置氧氣及氮氣產(chǎn)品的能耗折標(biāo)系數(shù)計算

李國濤*李初福張峰郜麗娟郭治

北京低碳清潔能源研究所北京102209

氧氣及氮氣均為石油化工等化工過程裝置運行的必需氣體，其能耗折標(biāo)系數(shù)數(shù)值大小直接影響氣體使用裝置的綜合能耗水平的計算及評估。本文應(yīng)用熱力學(xué)的混合物最小分離功基本原理，通過熱力學(xué)等相關(guān)計算得到從空氣中分離獲得氧氣和氮氣的最小分離功，并根據(jù)其最小分離功差別以確定氧氣和氮氣產(chǎn)品的能耗分攤系數(shù)，最后計算得到空氣分離工藝過程的氧氣產(chǎn)品和氮氣產(chǎn)品的能耗折標(biāo)系數(shù)。綜合分析了氧氮回收率等計算參數(shù)對氣體能耗分攤系數(shù)的影響，并以實例進行了說明，表明氧氣氮氣能耗分攤系數(shù)計算方法合理可行。

空氣分離裝置氧氣氮氣最小分離功折標(biāo)系數(shù)

氧氣和氮氣均為石油化工等過程裝置運行不可缺少的氣體。目前，現(xiàn)有國家能耗計算相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如《綜合能耗計算通則》GB/T2589-2008、《煤制烯烴單位產(chǎn)品能源消耗限額》GB30180-2013、《煤直接液化制油單位產(chǎn)品能源消耗限額》GB30178-2013等中給出的氧氣及氮氣的折標(biāo)系數(shù)均為0.4kgce(千克標(biāo)煤)/m3。石油化工等過程工業(yè)主要采用空氣深冷分離等工藝過程同時生產(chǎn)氧氣和氮氣，由于空氣中氧氣和氮氣的含量相差較大以及兩種氣體性質(zhì)的差別，從空氣中生產(chǎn)相同體積的氧氣和氮氣的難易程度不同，因此對于氧氣和氮氣的單位生產(chǎn)能耗均采用相同的能耗折標(biāo)系數(shù)的確存在不合理之處，這直接影響了化工生產(chǎn)裝置綜合能耗水平的計算及評估準(zhǔn)確性。本文應(yīng)用熱力學(xué)的混合物最小分離功基本原理[4]，通過熱力學(xué)等相關(guān)計算得到從空氣中分離獲得氧氣和氮氣的最小分離功，并且根據(jù)其最小分離功差別以確定氧氣和氮氣產(chǎn)品的能耗分攤系數(shù)，最后計算得到空氣分離工藝過程的氧氣產(chǎn)品和氮氣產(chǎn)品的能耗折標(biāo)系數(shù)。同時，綜合分析了氣體回收率等計算參數(shù)對氣體能耗分攤系數(shù)的影響，并以具體計算實例進行了說明，表明本文所提供的氧氣氮氣能耗分攤系數(shù)計算結(jié)果合理可行，可為各化工裝置綜合能耗的準(zhǔn)確計算及評估提供有益借鑒。

1　最小分離功和能耗分攤系數(shù)

原料連續(xù)分離過程見圖1，它將數(shù)量為nF、焓值為HF和組成為ZF的原料流股分離成為數(shù)量為nQ1和nQ2、焓值為HQ1和HQ2、組成為ZQ1和ZQ2的兩股產(chǎn)品流股，期間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并同時與外界發(fā)生熱量Qt和功Wt的交換(本方法規(guī)定，從環(huán)境向系統(tǒng)傳入熱量和環(huán)境對系統(tǒng)做功為正)。

圖1　原料連續(xù)分離過程

假定因為工藝過程引起的動能、位能和表面能的變化可以忽略時，則由熱力學(xué)第一定律可得：

nFHF+Qt+Wt=nQ1HQ1+nQ2HQ2

(1)

根據(jù)熱力學(xué)第二定律，同時進一步假定工藝過程為可逆過程，則有：

(2)

式中,SF、SQ1和SQ2為原料流股和兩股產(chǎn)品流股的單位熵。

將式(2)各項乘以環(huán)境溫度TO，并與式(1)相減后整理得：

T0SQ2)-nF(HF-T0SF)

(3)

根據(jù)最小分離功的定義，可以看出，最小分離功可以是外界提供的功或熱能，它等于產(chǎn)物流股有效能和原料流股有效能之差，即：

T0SQ2)-nF(HF-T0SF)

(4)

當(dāng)同一工藝過程生產(chǎn)多種產(chǎn)品時，每種產(chǎn)品i分攤能耗的比例系數(shù)稱為能耗分攤系數(shù)，其計算公式：

(5)

式中,σi為產(chǎn)品i的過程能耗分攤系數(shù)；Wi，min，To為將原料分離為產(chǎn)品i的最小分離功。

2　空分裝置能耗折標(biāo)系數(shù)計算

空氣分離過程最小分離功是空氣分離為氮氣和氧氣產(chǎn)品所消耗的分離功下限，并且只有當(dāng)空氣分離過程為完全可逆時，其分離所消耗的功才是分離最小功。

2.1空分過程最小分離功

假定空氣中組分為氮和氧兩種組分，將空氣分離為純氧和純氮，并假定空氣原料、氮氣產(chǎn)品和氧氣產(chǎn)品為理想氣體，則分離過程中的分離最小功可表示：

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

2.2氧氣和氮氣能耗分攤系數(shù)

應(yīng)用上文空氣分離為非純氧氣和非純氮氣工藝過程的分離假設(shè)和最小分離功公式(公式10)：① 計算以一定純度氧氣為產(chǎn)品的空氣分離過程最小分離功；② 計算以一定純度氮氣為產(chǎn)品的空氣分離過程最小分離功；③ 根據(jù)以上最小分離功計算確定氧氣產(chǎn)品和氮氣產(chǎn)品的能耗分攤系數(shù)；④ 計算得到空氣分離工藝過程的氧氣和氮氣產(chǎn)品能耗折標(biāo)系數(shù)。

2.2.1氧氣為主產(chǎn)品時空分過程最小分離功

(11)

2.2.2氮氣為主產(chǎn)品時空分過程最小分離功

(12)

2.2.3氧氣產(chǎn)品和氮氣產(chǎn)品的能耗分攤系數(shù)

實際空氣分離生產(chǎn)裝置一般同時生產(chǎn)氧氣產(chǎn)品和氮氣產(chǎn)品，在此條件下，根據(jù)上述公式(11)和(12)計算得到的最小分離功，計算得到氧氣產(chǎn)品和氮氣產(chǎn)品的能耗分攤系數(shù)如下：

(13)

(14)

式中，σO2、σN2分別為空氣分離過程的氧氣產(chǎn)品和氮氣產(chǎn)品過程能耗分攤系數(shù)。

2.3氧氣和氮氣能耗折標(biāo)系數(shù)

根據(jù)氧氣和氮氣產(chǎn)品過程能耗分攤系數(shù)，同時考慮到兩種氣體產(chǎn)品的有效利用率，分別計算空氣分離過程的氧氣產(chǎn)品和氮氣產(chǎn)品能耗折標(biāo)系數(shù)如下：

(15)

(16)

若UO2≠0且UN2=0時，表示空分裝置生產(chǎn)的產(chǎn)品氮氣不被用至其他裝置的情況：

(17)

若UO2=0且UN2≠0時，表示空分裝置生產(chǎn)的產(chǎn)品氧氣不被用至其他裝置的情況：

(18)

式中，UO2、UN2分別為氧氣產(chǎn)品和氮氣產(chǎn)品的有效利用率，即空氣經(jīng)過深冷等分離過程后，分離所得氧氣(氮氣)中氧(氮)總量與空氣原料中氧(氮)總量之比；αO2、αN2分別為空氣分離過程氧氣產(chǎn)品和氮氣產(chǎn)品能耗折標(biāo)系數(shù)，kgce(千克標(biāo)煤)/Nm3(氧氣或氮氣)；Eair為以裝置空氣處理量為計算基準(zhǔn)的空氣分離裝置單位能耗，kgce(千克標(biāo)煤)/Nm3(空氣)。

3　結(jié)果討論

假設(shè)空氣的干基組成見表1。

表1　空氣的干基組成　(%)

另取環(huán)境溫度為25℃，壓力為1atm，經(jīng)空氣分離裝置將該原料空氣深冷分離得到氧氣產(chǎn)品和氮氣產(chǎn)品，經(jīng)測算該裝置的空氣分離綜合能耗約為0.17kgce/m3(空氣)，其中氮氣產(chǎn)品用于氣體輸送、開停工吹掃等場合，而氧氣產(chǎn)品用作氣化爐氧化劑。根據(jù)上文所提出的氧氣氮氣能耗折標(biāo)系數(shù)計算方法考察了空分裝置氧及氮回收率、氧氣產(chǎn)品及氮氣產(chǎn)品摩爾純度、氧氣產(chǎn)品及氮氣產(chǎn)品有效利用率等因素對該空分裝置氧氣及氮氣能耗折標(biāo)系數(shù)的影響(計算時，假設(shè)氧氣及氮氣的回收率均為95%)，見圖2、圖3和圖4。

圖2考察氧氣產(chǎn)品和氮氣產(chǎn)品能耗折標(biāo)系數(shù)分攤計算所采用的氧氮回收率對計算結(jié)果的影響，計算時當(dāng)氧回收率取值逐漸增加，保持氮回收率取值(95%)不變，同理當(dāng)?shù)厥章嗜≈抵饾u增加，保持氧回收率取值(95%)不變?？梢钥闯?，隨著氧回收率取值增加，氧氣能耗折標(biāo)系數(shù)逐漸升高而氮氣能耗折標(biāo)系數(shù)逐漸降低；而隨著氮回收率逐漸增加，氧氣能耗折標(biāo)系數(shù)逐漸降低而氮氣能耗折標(biāo)系數(shù)逐漸升高。

圖3考察計算所采用的氧氣氮氣摩爾純度對計算結(jié)果的影響，計算時當(dāng)氧氣摩爾純度取值逐漸增加，保持氮氣摩爾純度(95%)不變，同理當(dāng)?shù)獨饽柤兌热≈抵饾u增加，保持氧氣摩爾純度取值(95%)不變?？梢钥闯?，隨著氧氣摩爾純度取值增加，氧氣能耗折標(biāo)系數(shù)逐漸升高而氮氣能耗折標(biāo)系數(shù)逐漸降低；而隨著氮回收率逐漸增加，氧氣能耗折標(biāo)系數(shù)逐漸降低而氮氣能耗折標(biāo)系數(shù)逐漸升高。

圖2　氧氣氮氣回收率參數(shù)對能耗折標(biāo)系數(shù)影響

圖3　氧氣氮氣產(chǎn)品摩爾純度參數(shù)對能耗折標(biāo)系數(shù)影響

圖4　氧氣氮氣有效利用率參數(shù)對能耗折標(biāo)系數(shù)影響

圖4考察計算所采用的氧氣氮氣有效利用率對計算結(jié)果的影響，計算時當(dāng)氧氣摩爾純度取值逐漸增加，保持氮氣摩爾純度(95%)不變，同理當(dāng)?shù)獨饽柤兌热≈抵饾u增加，保持氧氣摩爾純度取值(95%)不變。可以看出，隨著氧氣有效利用率和氮氣的有效利用率取值增加，氧氣能耗折標(biāo)系數(shù)以及氮氣能耗折標(biāo)系數(shù)均逐漸降低。同時可見，氧氣和氮氣有效利用率的取值高低對其能耗折標(biāo)系數(shù)影響較大，在實際工業(yè)裝置能耗標(biāo)定中，應(yīng)特別注意空分裝置的氧氣和氮氣有效利用率的取值問題。

4　結(jié)　語

根據(jù)熱力學(xué)的混合物最小分離功基本原理，確定空氣分離過程氧氣和氮氣產(chǎn)品的能耗折標(biāo)系數(shù)的計算方法，并根據(jù)具體事例計算分析了氣體回收率等計算參數(shù)對氣體產(chǎn)品能耗分攤系數(shù)的影響，計算結(jié)果合理可行，為各空分裝置能耗計量以及其他化工裝置綜合能耗的準(zhǔn)確計算提供有益借鑒。

1GB/T2589-2008,合能耗計算通則[S].

2GB30180-2013,制烯烴單位產(chǎn)品能源消耗限額[S].

3GB30178-2013,直接液化制油單位產(chǎn)品能源消耗限額[S].

4傅獻彩、沈文霞、姚天揚等,物理化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2005.

5林文勝、顧安忠.氧氣純度與空分流程經(jīng)濟性分析[J].低溫工程，1999,12(4):315-318.

**資助項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(2011AA05A202)。

2016-08-11)

*李國濤：高級工程師。2012年畢業(yè)于天津大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)獲碩士學(xué)位。主要從事化工工藝與工程化工作。

聯(lián)系電話：(010)57336137，E-mail:liguotao@nicenergy.com。