詹铁蕾

(唐山市节能监察支队)

工业气体空分产品常被比喻为现代工业的血液，是指以空气为原料生产制取的氧气、氮气、氩气、液氧、液氮、液氩等产品。随着节能降碳任务日益严峻，全氧燃烧、富氧燃烧等助燃降碳技术在钢铁冶金、建材生产等行业迅速被推广应用，使得工业氧气的需求大大增加，制氧工序已成为钢铁、建材、化工等行业不可忽视的重点用能工序。

工业制氧消耗的能源主要是电力。以钢铁冶炼企业为例，制氧工序电耗仅次于轧钢和炼铁工序，成为钢铁企业重要的耗电工序，占钢铁冶炼企业电耗的20%以上。随着用氧需求的增加，制氧用电量将大幅增加，故此合理管控工业气体空分产品生产企业电耗势在必行。

目前，国家和行业尚未出台相关的能耗限额标准，核算产品能耗时没有统一规范的依据和方法，给行业用能管理、能效对标等工作带来困难，也给政府节能监管带来不便。

为了进一步促进工业气体生产行业高能效、高质量的健康发展，指导企业合理选用高能效空分设备，贯彻落实节约资源基本国策，优化资源配置，加快落后产能淘汰，规范咨询机构开展节能评估，为政府及管理机构开展节能监察等工作提供技术依据，需制定相应的行业标准。

1 制氧工艺及能耗理论计算

1.1 制氧工艺及特点

目前钢铁冶炼行业中，O2是应用范围最为广泛的空分气体产品，同时N2也是生产中必不可少的工艺用气。常见的制氧工艺有深冷法、变压吸附法和膜分离法。

深冷法是通过压缩循环深度冷冻把空气变成液态，利用液氧、液氮沸点的差异，再经过精馏，从液态空气中逐步分离生产出O2、N2和Ar等气体，O2纯度可达到99.6%以上。深冷法具有生产成本低，技术成熟，可大量生产高纯度的O2、N2和Ar等产品，适合大规模工业化生产等特点，目前应用最为广泛。

变压吸附法是在不同的压力下，利用专用分子筛选择性吸附空气中的N2、CO2和H2O等杂质；在抽真空的条件下对分子筛进行解吸，循环制得20 kPa左右纯度80%～94%的O2。随着对氧气纯度相对要求不高的富氧燃烧技术在各行业的推广应用，电耗低、运行成本低的变压吸附法也将迎来快速发展。

膜分离法是利用高分子聚合薄膜的渗透选择性，将空气中的氧、氮分离的方法，由于其容量和纯度的局限性，未能大规模应用。

1.2 能耗统计范围

工业气体空分产品能源消耗包括，从空分装置吸入空气开始到符合要求的空分产品进入管网、贮罐等在内的生产系统、辅助生产系统和附属生产系统所消耗的各种能源，不包括基建、技改等用能。能源消耗数据以计量器具计量值为准。

1.3 单位当量氧气综合电耗的定义及计算方法

工业气体空分装置消耗的原料主要为空气，消耗的能源主要为电力，消耗的耗能工质主要为水。也有一些企业利用周边的蒸汽资源代替部分电力，作为空气纯化系统分子筛加热用能或者汽轮机拖动用能。

因设备工艺、产品方案、产品浓度、产品压力、产品比例等不同，空分产品电耗水平差别很大，生产装置能源消耗也不同。在计算产品能耗时，需要大量的专业的复杂换算，给行业对标和用能考核带来不便。为了使产品能耗计算和对比分析简便，并且具有可比性，参考行业规范、工艺设备参数等技术资料，将所有合格空分产品量折算成一种基准产品量作为产品量核算，称为当量氧气量[1]。计算公式为：

(1)

式中：VE为统计期内同时生产多种空分产品时的当量氧气量，m3；αi为生产多种空分产品时，考虑其分离、液化和压缩等过程效率后，各个产品与基准产品的产量折算系数；Hi为统计期内生产的某种合格空分产品产量，m3；h为空分产品种类。

变压吸附法制氧因产品纯度不同导致电力消耗不同，为了实现行业对比分析，将不同纯度的氧气折成100%纯氧后，再进行单位当量氧气综合电耗核算。

空分产品合格产量不包括放空的O2、N2等产品的量，是指作为产品使用或者销售的空分产品量。

为满足指标通用可比，将生产过程中消耗或回收的其他能源(蒸汽、热力等)依据《综合能耗计算通则》(GB/T2589)折算成标煤后，再根据电力等价值折标准煤系数折算成电力，综合电耗计算公式为：

(2)

式中：N为统计期内空分产品综合电耗；Nd为统计期内空分产品生产消耗的电量；Ei为统计期内空分产品生产消耗的第i种除电以外能源实物量；Ej为统计期内空分产品生产回收输出的第j种除电以外能源实物量；ki为第i种能源的折标准煤系数；kj第j种能源的折标准煤系数；n为投入的能源种类数；m为输出的能源种类数；0.305 5是2020年度全国600 MW以上电厂供电煤耗，为2020年度全国电力等价值折标准煤系数，kgce/kWh(为了使单耗指标具有可比性，选取了固定的电力等价值折标准煤系数作为其他能源的折算系数)。

以单位当量氧气综合电耗指标作为空分气体单位产品能耗核算指标，计算公式如(3)。

NO2基=N/VE

(3)

式中：NO2基为单位当量氧气综合电耗，kWh/m3。

2 能耗指标确定

2.1 指标等级选取原则

以企业计量和统计资料为基础，依据《单位产品能源消耗限额编制通则》(GB/T 12723-2013)将单位产品电耗分为三个等级。3级为限额值，是评价现有生产企业(工序)单位产品能耗是否满足最低能耗要求的指标，以淘汰比例不低于20%现有生产能力的取值原则确定。2级为准入值，是评价新建及改扩建企业(工序)是否能够达到准入能耗要求的指标，基于技术发展趋势和节能潜力，同时考虑节能技术发展的客观因素，具有一定的技术前瞻性。结合省内行业现状及未来发展情况确定准入值，按照能效前40%的比例选取。1级为先进值，是达到国内行业先进水平的指标，代表着行业最优秀的指标，按照前3%比例选取。

2.2 调研样本情况

收集了钢铁、化工等行业空分产品生产工序以及独立空分产品生产企业151台套空分制氧装置的运行数据。

深冷法空分制氧装置147套，占比97.35%。设计能力4 500～10 000 m3/h的25套，占比16.56%；设计能力10 000～45 000 m3/h的116套，占比76.82%；设计能力45 000 m3/h以上的6套，占比3.97%。147套空分制氧装置中，外压缩工艺124套，占比84.35%；内压缩工艺23套，占比15.65%。

变压吸附法空分制氧装置4套，占比2.65%，设计能力3 000 m3/h的1套、3 500 m3/h的2套、15 000 m3/h的1套。

2.3 深冷法单位当量氧气综合电耗

依据确定的统计范围和计算公式，对147套深冷法空分制氧装置能耗数据进行核算，得到各装置单位当量氧气综合电耗情况如图1所示。

图1 深冷法单位当量氧气综合电耗

147套深冷法空分制氧装置中，单位当量氧气综合电耗最高值为0.905 kWh/m3，最低值为0.325 kWh/m3，平均值为0.533 kWh/m3。依据能耗限额等级取值原则，确定3级能耗限额等级指标为≤0.60 kWh/m3，2级能耗限额等级指标为≤0.50 kWh/m3，1级能耗限额等级指标为≤0.33 kWh/m3。

2.4 变压吸附法单位当量氧气综合电耗

变压吸附法制氧样本数据较少，对4套空分制氧装置能耗数据进行核算，得到单位当量氧气综合电耗如表1所示。

表1 变压吸附法单位当量氧气综合电耗

表1中单位当量氧气综合电耗最高值为0.835 kWh/m3，最低值为0.305 kWh/m3，平均值为0.469 kWh/m3。因调研数据较少，故结合《变压吸附制氧、制氮设备》(JB/T6427-2015)[2]标准和国内主要变压吸附制氧装置生产厂家的意见，确定变压吸附制氧法单位当量氧气综合电耗3级能耗限额指标为≤0.40 kWh/m3，2级能耗限额指标为≤0.36 kWh/m3，1级能耗限额指标为≤0.31 kWh/m3。

最终汇总工业气体空分产品单位当量氧气综合电耗限额等级详见表2。

表2 单位当量氧气综合电耗各级能耗限额 kWh/m3

3 结语

编制《工业气体空分产品单位产品综合电耗限额》，对严格控制工业气体空分产品生产企业(工序)的能源管理工作，淘汰行业现有落后产能，促进和规范行业节能降碳工作顺利有序开展起到重要作用。同时规范省内工业气体空分产品能耗核算方法，也可为政府监管部门对工业气体空分产品生产企业(工序)进行监管提供可执行的依据，也可以作为进一步严控钢铁、化工、建材等行业单位产品(工序)能耗限额的一项重要参考指标。

调研样本数据大部分为钢铁冶炼行业制氧工序空分产品生产数据，有一定的行业局限性，但基本上能满足省内空分制氧行业需求。因制氧工艺相同，故其他行业采用深冷法或变压吸附法制氧生产空分产品也可参考执行。