有效能损失分析及空分设备的节能

1、有效能损失分析及空分设备的节能万建余 徐福根杨志鹏（新余钢铁有限责任公司气体厂，江西新余338001)摘要：通过空分设备有效能损失分析方法，有效损失主要存在压缩机、主换热器、 精馏塔、气体管线。经节能改造和优化操作，最终达到了提高有效能利用率，从而达到节能的目的。关键词：有效能损失空分设备节能 优化The Available En ergy Loss An alysisand Sav ing En ergyWan Jiang-Yu， Xu Fu-gen Yang Zhi-Peng(Gas Production Factory of Xinyu Iron and Steel Co., Ltd.,

2、 Xinyu 338001, Jiangxi, P.R.Chi na)Abstract: By using the available energy loss analysis method, the available energy loss lies in the compressor , main heat exchanger, distillation, and gas tube line. Based on the available energy loss analysis, the schemes of saving energy reform and optimizing op

3、eration are suggested to reach the aim of saving the energy and to raise effective profit of the en ergy source.Keyword: available energy loss air separation plan； saving energy optimization随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，年人均能源消耗量将 逐年增加，据预测，到2050年将达到2.38吨标准煤，相当于目前世界平均值（2.4 吨标准煤），但远低于目前发达国家的水平。人均能源的不足将是我国经济、

4、社 会可持续发展的一个限制因素，要解决能源问题，出路不外乎两条：一是开源； 二是节流。我国实行的开发和节约并重的能源政策。 近期把节能放在优选考虑的 地位，通过正确的用能，合理用能，节约用能，减少能源浪费，提高能源的有效 利用率，达到节能的目的。空分设备的原料是空气，其主要消耗的是能源，能源消耗占生产成本的80%， 降低生产成本的主要措施是降低能耗，而空分设备所消耗的能源是由不可逆过程 引起的，尽管每一个可逆过程中所消耗的能量方式不尽相同，但都会产生有效能的损失。因而，可以从空分各个工艺过程有效能分析来寻找最佳节能途径。1有效能系统在一定状态下的有效能，就是系统从该状态变化到基态过程所做的理想

5、 功，用B表示，对于稳定流动过程，从状态1变化到状态2过程的理想功可以写 为Wid 二T° ：S- H 二T0（S2-3）-（日2-出）（1）式中为基态的温度；S为熵；H为焓。当系统由任意状态（T,P）变到基态（To,P。）时，稳流系统的有效能B定义为B =(H _H。)_To(S_So)(2)有效能可分为物理有效能和化学有效能，物理有效能是指系统的温度、压力 等状态不同于环境而具有的能量。 空分运行中与热量传递有关的加热、 冷却、冷 凝过程，以及与压力变化有关的压缩、膨胀等过程，只考虑物理有效能。可表示 为(3)B(T,PHB(T) B(P)式中B仃）为温度与环境不平衡具有的有效能

6、；B（P）为压力与环境不平衡具有的有效能。由热力学定律可得B（T）= n；（1-¥）CPdT（ 4）ToTPB(P)F p. V-(T -To)eV)p dP可(5)式中Cp为定压比热；n为摩尔数；V摩尔体积；P为压力。化学有效能是指处于环境温度和压力下的系统，由于与环境进行物质交换或 化学反应，达到与环境平衡，所做的最大功。从系统的状态到环境状态需要经过 化学反应与物理扩散两个过程：将系统的物质转化成环境物质（基准物）过程及 物质浓度变化到与环境浓度相同的过程。 在空分设备中的化学有效能是以物理扩 散有效能形式存在。2有效能损失在能源转化、转移、传递和使用的过程中，有效能可以有效地

7、利用发挥其功 效，也可无效地损失，也就是通常说的有效能损失，有效能损失是不可逆的。空分设备的有效能输入，主要有空压机电耗、原料空气所带入的有效能、水泵消耗的电能、氩泵消耗的电能、电加器消耗的电能。有效能损失占总输入有效能的比例非常高，也即有效能效率很低，老式全低压空分不大于12%，现代大型空分也只有在20%2左右。其中空压机有效能损失和空分塔的有效能损失所压缩或膨胀过程、节流占的比重较大。空分设备有效能损失主要存在传热过程、I TbTa.丿过程、精馏过程中2. 1传热过程有效能损失传热过程的有效能损失与传热量、温差和温位有关, 表示为dDQ订o(dSB-dSA)1 1=To=%<tbta

8、 ?图1换热器传热示意式中Q为传热量；Dq为传热过程的有效能损失。从上式可知，两物流在热传递过程中，热量和温差相同，温位越低，传递过 程的有效能损失越大；传热量越大，有效能损失也越大。利用上式对空分主换热 器进行分析得，传递相同热量，每 1K温差造成的有效能损失热端是冷端的 3.1 倍，因此，空分操作过程中，特别要控制好主换器冷端温差。2. 2压缩过程有效能损失静压能的提高与气体在级中的压缩过程有关，所需的功称为压缩功，在空压 机中由于气流速度很快，压缩过程中与外界没有热量交换，即为绝热定熵过程。VP2kJL<P1 丿(7)从状态1(Ti,Pi)压缩到状态2(T2,p2)定熵功为P2Ws

9、= VdpAC式中R为气体常数；k p ; P1为空压机进口压力；F2为空压机的出口压力。Cp - R定熵功与进口温度、压力和出口压力有关，与出口温度无关，空分用空压机 一般为多级压缩，若冷却效率低，每级压缩进口温度高，则所需的功要大。假设 空压机为三段压缩，每段压缩比都为 ；，冷却后温度提高1C,则空压机消耗功率增加 0.4%。在实际运行中，可以降低水温，控制冷却器的结垢，提高冷却器的效率，降低冷却后 温度，减少空压机功耗。另一方面，空压各级进气温度条件及空分装置进气温度条件要求，必须进行冷却，由冷却前温度 Tn降低到温度Tout，带来有效能损失为(1-汕(8)在图2中，1-3为绝热压缩过程

10、，设绝热效率为：，那么，因摩擦损失引起热量为Wf =(1 -)Ws，假定绝热可逆压缩后状态为3,绝热不可逆压缩后状态为4,它们等温不等压，由于摩擦损失以热形式加给气体，引起所需的压缩功增加为三 角形134面积。三角形面积。由绝热方程:图2 T -S图上的与无热交换压缩过程 摩擦损失引起热量为Wf =(1 -)Ws=(i -)CpTkJ1-1= Cp (T4 _T2 )JT2订kr¥ 1-1 +T,I由于绝热可逆压缩过程为等熵过程，不可逆压缩过程为熵产生过程，熵产生为-了£ 1+(2-9 卫2 15丿T4 =(1 - )T7 、 H_piI 2-=T 1-n +(2-n )k

11、Jp kPl丿k-1 |二S = S4 - S2 二 Cp In14J2二 Cp InkJP2iPl丿-Cp In (1-n)k -4 f Xpk1+ 2-n则空压机的有效能损失为(9)式中 空压机效率；空压机压缩比。从上式分析，空压机效率越低，有效能 损失越大。2. 3阻损带来有效能损失在定态流动过程中，如果物系和环境不发生功和热的交换，dH = 0,因dH 二 TdS Vdpds 二-V dpT阻损带来的有效能损失为VD p 二 n% ds = - nTo dp对于理想气体来说,P2 1D p = -nRT0dp = -nRT0lnLpi pPiP2=_nRTg In(10)pi式中AP为

12、阻力损失；n通过管道气体的摩尔数。 上述公式而知，相同压力下， 阻力损失越大，有效能损失也大，相同阻力损失下，压力越大，有效能损失越小 要尽量减少管路的阻力来降低有效能损失。2. 4精馏系统有效能损失以塔板精馏为例，从下面上升进入某块板的温度要比上面流下的液相温度高 些，而易挥发组分的含量则低于与下降液体相平衡的浓度，两股物流在温度和组成上都不平衡，在塔板上发生热量和质量传递过程是不可逆的，必然造成有效能 的损失，这就是精馏过程中有效损失的主要部分。当物质dn摩尔由化学位7的相I传到相U时，产生的有效能损耗，由热力 学分析得（在等温等压下），精馏过程中有效损失为6 孙,屮字（11）iT精馏过程

13、中，化学位是传质的推动力，正是由于两相化学位的差异而导致传 质过程，从产生有效能的损失。要减少每块塔板上传热和传质推动力， 就要使操 作线与平衡线接近，过程趋于可逆，是降低有效能损失的主要途径。2. 4. 1下塔及粗氩塔分析空分下塔和粗氩塔一般操作线方程为XdR 1图3操作线示意图（12）回流量产品量，即回流比;Xd为某组成在塔顶的浓度。从图3和操作线方程可知，操作线的斜率为tg ，当tg越大时，操作线越靠近平衡曲线，这R +1时回流R越小。可见，要减少有效能损失，必须使回流比尽可能的小，但当操作 回流比为最小回流比时，需 要无穷多理论塔板数，所以一般控制回 流比R =（行 L 1.3lmi

14、n°2. 4. 1上塔分析上塔精馏段操作线和提馏段操作线的在平衡曲线图上交于一点，交点的轨迹为一条直线，通常称为q线。q线的斜率不同，液空进料口的状态也不同，回流 比与q线关系：（1）当精馏段操作线和q线的交点落在平衡曲线上时，回流比最 小，最节能。（2）当精馏段操作线和q线的交点落在平衡图的对角线上时，回流 比最大，能耗最高。图4 q操作线示意图3节能改造与操作通过对空分设不同过程的有效能损失的分析，寻找到节能潜力最大的环节， 对新钢公司气体厂的两套空分设备进行挖潜改造和优化操作：（1）管路的阻力损失来减少有效能损失。2005年7月25000m降低系统循环水温和控制机器冷器系统结垢

15、，提高压缩机冷器的效 率，减少温差带来的有效能损失。18000m3/h空分系统，随着夏季气温的升高， 水温达3233C，制约了空分设备的满负荷生产，增加设备电量能耗，通过与 老系统管网联通（原3200m3/h空分冷却水循环系统），充分利用两台老冷却的能 力，使给水温度能保持在2829C。25000m3/h空分运行不到一年，发现氮压机 的冷却器结垢很严重，制约了设备运行效率，水系统进行加约处理，给水与冷却 后气体的温差控制在设计范围内。 化空分操作，减少精馏系统的有效能损失。（1）主冷液面在保证全 浸的安全要求下，尽量降低，缩小主冷两则的温差，从而达到减少因传热温差/h空分投产, 318000m

16、 /h空分停机全面检修的机会，把18000空分用空压机出口止回阀，由原 来DN400的更换成一与管道通径相同的 DN600 的,使空压机到氮水预冷段的压 力损失减少了 25Kpa。2005年底对25000空分的分子筛再生氮、产品氧气、产 品氮气等三个流量孔板重新设计并更换，取消了进空分装置流量孔板，以降低系统阻力损失，从而达到降低有效能损失，降低情况见表1。表125000空分降低有效能损失情况表项目阻力减少体积流量摩尔体积有效能损失减小/kPa/m'Lh，/kmolUh，/kJ进塔空气71250005580. 36 丁7073.536产品氧气4245001093. 7530621.83

17、产品氮气4240001071. 43:29996.93再生污氮420000892. 8621621.21引起的有效能损失；（2）在保证空分塔精馏工况，尽量减小回流比，减少因塔 板上相之间浓度差偏大所产生的物理扩散有效能损失。（4）低操作压力。保证主冷液面稳定情况下，降低上塔压力，从而达到 降低空压机的排压。以25000m3/h空分为例，参考文献4进行计算，通过主冷两 侧的汽液平衡计算出下塔压与上塔压的关见表 2表2 25000m3/h空分主冷液面为3200mm时，上下塔操作压力主冷液氧面压力（A） /kPa主冷底部压力（A /kPa主冷上部温度/K主冷底部温度/K主冷平均温度/K下塔顶部温度/

18、K下塔顶部压 力（A）/kPa150186.4893.95296.32695.13996.04565148184.4893.81696.20695.01195.912560146182.4893.67396.08594.87995.78555145181.4893.696.02494.81295.713550144180.4893.52795.96394.74595.646545143179.4893.45495.90194.677595.5785543142178.4893.38195.8494.610595.5115540141177.4893.30795.77894.542595.44355351401