全能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立和應(yīng)用

李茜茜， 馮俊小

(北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083)

隨著工業(yè)的發(fā)展，中國的能源消費(fèi)量日益增多。2019年，中國全年能源消費(fèi)總量為48.6億t標(biāo)準(zhǔn)煤，比上年增長(zhǎng)3.3%，較2010年增長(zhǎng)了12.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤，能量消耗和污染排放的情況非常嚴(yán)峻[1]。與其他國家的能源使用情況相比[2-3]，中國仍然有巨大的節(jié)能空間[4-6]。為了更好地節(jié)能減排，建立合適的系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)能耗評(píng)估以及系統(tǒng)優(yōu)化都是很有用的。

目前中國應(yīng)用最廣的能耗評(píng)價(jià)方法是綜合能耗評(píng)價(jià)方法。綜合能耗的計(jì)算只包涵了一次能源、二次能源與能源介質(zhì)等直接能源的消耗，但是當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)過程所注重的已經(jīng)不僅僅是直接能源，所以有一些研究者應(yīng)用了其他評(píng)價(jià)方法來進(jìn)行能耗評(píng)價(jià)。吳鵬等[7]進(jìn)行了多段直立爐的能效分析，其中考慮了能源、物質(zhì)的直接消耗和間接消耗；劉文旭[8]以單位面積綜合能耗指標(biāo)為依據(jù)評(píng)價(jià)了集中供熱系統(tǒng)的節(jié)能水平；洪巧巧[9]采用全生命周期評(píng)價(jià)方法對(duì)燃煤電廠煙氣石灰石石膏濕法脫硫技術(shù)等進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，分析過程考慮了系統(tǒng)整個(gè)生命周期的能源、物質(zhì)和污染物排放，但未考慮經(jīng)濟(jì)投入的影響，且不能定量反映各因素對(duì)整體的影響效果；Sun等[10]結(jié)合了廢氣的流速和排放源的可用性，提出了一種環(huán)境影響總分法對(duì)東北地區(qū)某綜合鋼鐵廠主要工業(yè)過程的環(huán)境影響進(jìn)行了評(píng)價(jià)；Zhang等[11]將材料/能源/水流動(dòng)分析和nexus方法整合到MESSAGEix中，以估算中國鋼鐵行業(yè)的資源-能源-環(huán)境關(guān)系；Wang等[12]采用材料和能量流分析和非支配排序遺傳算法對(duì)河北省鋼鐵行業(yè)水-能-排放關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)建模和優(yōu)化，考慮了鋼鐵行業(yè)中水、一次能源、二次能源消耗以及SO2、NOx和灰塵的排放；Zhu等[13]提出了完整的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和基于層次分析法——熵值法的評(píng)價(jià)方法，其指標(biāo)體系考慮了系統(tǒng)能耗、系統(tǒng)能效、系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量和污染物排放；冀承坤[14]提出了一種針對(duì)天然氣凈化廠的能耗評(píng)價(jià)體系，其專門考慮了用于污染物處理設(shè)備的能耗。傳統(tǒng)的能耗評(píng)價(jià)方法大多側(cè)重于直接能耗評(píng)價(jià)[15]，但是綜合評(píng)價(jià)是涉及能源、物質(zhì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等多因素的復(fù)雜問題，而以上這些近幾年提到的評(píng)價(jià)方法均未對(duì)各方面因素進(jìn)行全面評(píng)價(jià)[16]，它們均是只對(duì)其中一個(gè)或者多個(gè)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)。

有一些研究人員考慮到了全面評(píng)價(jià)，如趙曉宇[17]利用賦權(quán)法和云理論建立了鋼鐵企業(yè)能源效率評(píng)價(jià)體系；Wang等[18]運(yùn)用德爾菲層次分析法(Delphi analytic hierarchy process)和灰色關(guān)聯(lián)度(grey correlation degree)法建立的中國重點(diǎn)能源消費(fèi)部門的宏觀能效評(píng)價(jià)體系；邢雨薇[19]利用層次分析法對(duì)某鋼鐵企業(yè)建立燒結(jié)工序節(jié)能減排指標(biāo)體系。雖然有些評(píng)價(jià)方法考慮了所有因素，但是需要確定各級(jí)權(quán)重，存在一定的人為誤差。

此外，目前的能耗評(píng)價(jià)側(cè)重于一次能源和二次能源消耗，忽略了生產(chǎn)過程中巨大的環(huán)境投資運(yùn)行成本[20-21]。同時(shí)，能耗中的污染物處理能耗在所有能耗中占據(jù)了不小的比重[22]。目前，中國常規(guī)大氣污染物如CO2、NOx、SO2等的排放量依舊很大[23]，為了實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展，減少污染物排放量將是接下來國家工業(yè)發(fā)展的重要課題。“十四五”規(guī)劃中就有“能源資源配置更加合理、利用效率大幅提高，主要污染物排放總量持續(xù)減少”的主要目標(biāo)。可以預(yù)見，接下來中國節(jié)能減排的力度會(huì)越來越大，污染物處理的重要性也會(huì)逐漸加強(qiáng)。所以由于經(jīng)濟(jì)投入和污染物處理所產(chǎn)生的能耗應(yīng)該被重視。

為此，提出一套無需確定權(quán)重，并將各種因素均考慮在內(nèi)的能耗評(píng)價(jià)方法——全能耗評(píng)價(jià)方法。通過該評(píng)價(jià)方法，揭示工藝過程的能耗問題、物質(zhì)消耗問題以及污染排放問題，進(jìn)而為工藝過程的節(jié)能減排改造提供參考。

1 全能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與計(jì)算方法

1.1 全能耗評(píng)價(jià)方法

在完全能耗[24]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓寬能耗范圍，現(xiàn)提出全能耗的概念。全能耗是衡量整個(gè)確定系統(tǒng)流程中能源、物質(zhì)、成本及污染處理的直接能源與隱含能源的總和，它包含了從原料投入到產(chǎn)品產(chǎn)出的整個(gè)過程中企業(yè)的所有能耗。與綜合能耗相比，不僅包含了直接能源的消耗，還考慮了間接能源的消耗以及經(jīng)濟(jì)成本的消耗。并且，由于近年來國家對(duì)污染物處理的要求越來越嚴(yán)格，污染物處理變得愈發(fā)重要，污染物處理能耗也越來越大，此評(píng)價(jià)方法將污染物處理能耗與產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的其他能耗分開計(jì)算，特別強(qiáng)調(diào)了污染處理能耗在全能耗中所占比重，所以此評(píng)價(jià)方法可以考慮到能源、物質(zhì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等多因素的影響。

1.2 全能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

全能耗評(píng)價(jià)體系是反應(yīng)系統(tǒng)整個(gè)生產(chǎn)過程中能耗水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)的總稱。通過各指標(biāo)的選取，可以知道整個(gè)系統(tǒng)或工藝流程當(dāng)中消耗的所有能源，基于全能耗評(píng)價(jià)方法建立了全能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。該評(píng)價(jià)體系中包含一個(gè)一級(jí)指標(biāo)和四個(gè)二級(jí)指標(biāo)，其中一級(jí)指標(biāo)是全能耗，二級(jí)指標(biāo)分別是直接能耗、間接能耗、污染處理能耗以及經(jīng)濟(jì)投入能耗，每個(gè)二級(jí)指標(biāo)下都有若干三級(jí)指標(biāo)。

(1)直接能耗。直接能耗是指生產(chǎn)單位產(chǎn)品所消耗的一次能源、二次能源以及能源介質(zhì)等能源物質(zhì)的量，與文獻(xiàn)[24]中的規(guī)定的綜合能耗概念類似，所以所有包含在直接能源中的所有能源的消耗如原煤消耗、電力消耗等都是直接能耗指標(biāo)下的三級(jí)指標(biāo)。

(2)間接能耗。間接能耗是指生產(chǎn)單位產(chǎn)品所消耗的除了一次能源、二次能源以及能源介質(zhì)等能源物質(zhì)以外的原料、添加劑、動(dòng)力介質(zhì)等含能材料，所以所有除了一次能源、二次能源以及能源介質(zhì)等能源物質(zhì)的含能材料的消耗如精礦粉消耗、溶劑消耗等都是間接能耗指標(biāo)下的三級(jí)指標(biāo)。

(3)經(jīng)濟(jì)投入能耗。經(jīng)濟(jì)投入能耗是指在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中投入的各種經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，所以產(chǎn)品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種經(jīng)濟(jì)費(fèi)用消耗都是經(jīng)濟(jì)投入能耗指標(biāo)下的三級(jí)指標(biāo)，主要包括前期建設(shè)費(fèi)用能耗、設(shè)備購置及技術(shù)引進(jìn)費(fèi)用能耗、運(yùn)行維修費(fèi)用能耗及人工費(fèi)用能耗。

(4)污染處理能耗。污染處理能耗是指為了處理生產(chǎn)過程中生成的污染物而產(chǎn)生的能源消耗，包括用于污染物處理的直接能耗、間接能耗和經(jīng)濟(jì)投入能耗。生產(chǎn)過程中可能生成多種污染物，所以污染處理能耗指標(biāo)下的三級(jí)指標(biāo)主要包括處理煙塵排放消耗、處理NOx排放消耗、處理SO2排放消耗等。

1.3 全能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法

為了全能耗中各項(xiàng)指標(biāo)可以量化，提出了一套全能耗評(píng)價(jià)方法，利用材料消耗與經(jīng)濟(jì)成本等價(jià)于載能值的方法，將以上所有能耗和費(fèi)用都折合成標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量，用公式可以表示為

ETotali=EEi+EMi+ECi+EPi

(1)

式(1)中：ETotali為系統(tǒng)i的全能耗；EEi為直接能耗折合標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量；EMi為間接能耗折合標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量；ECi為經(jīng)濟(jì)成本折合標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量；EPi為污染處理用能折合標(biāo)準(zhǔn)煤消耗。EEi、EMi、ECi、EPi計(jì)算公式分別為

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Eei,j為某項(xiàng)直接能源j的折標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量；Emi,k為間接能源物質(zhì)k的折標(biāo)準(zhǔn)煤消耗量；Eci,m為某項(xiàng)經(jīng)濟(jì)成本m的折標(biāo)煤消耗量；Epi,n為處理某項(xiàng)污染物n所消耗能源的折標(biāo)煤量。Eei,j可由此直接能源的折標(biāo)煤系數(shù)計(jì)算得到，即

Ee,ij=EWi,jαj

(6)

式(6)中：EWi,j為直接能源物質(zhì)j的消耗量；αj為直接能源j的折標(biāo)煤系數(shù)。Emi,k可以用此物質(zhì)的載能值計(jì)算得到，即

Emi,k=MWi,kβi,kφ

(7)

式(7)中：MWi,k為間接能源物質(zhì)k的消耗量；φ為熱力折標(biāo)系數(shù)，它的值為0.034 12 kgce/MJ；βi,k為間接能源物質(zhì)k的載能值[25]，表示單位此物料所承載的能量，這里將物料看作是經(jīng)過一次或是多次工序加工而制得的，所以物料的載能值計(jì)算方法為

βi,k=∑(Ri,k,p+Fi,k,r+Ei,k+Si,k,s-Bi,k,u)

(8)

式(8)中：Ri,k,p為生產(chǎn)此物料k所用主原料p的載能量；Fi,k,r為生產(chǎn)此物料k所用燃料r的載能值；Ei,k為生產(chǎn)此物料k所耗動(dòng)力的載能值；Si,k,s為生產(chǎn)此物料k所用輔助材料s的載能值；Bi,k,u為生產(chǎn)此物料k所回收的余能及副產(chǎn)品的能值。當(dāng)然如果此間接能源物質(zhì)是直接從外界購入，Emi,k也可以計(jì)算，即

Emi,k=MWi,kPi,kχ

(9)

式(9)中：Pi,k為間接能源物質(zhì)k的價(jià)格；χ為萬元產(chǎn)值能耗，χ有不同的選取方式，一是利用該廠的萬元產(chǎn)值系數(shù)，二是利用該行業(yè)的萬元產(chǎn)值系數(shù)，三是利用全國的萬元產(chǎn)值系數(shù)。同理，Eci,m也可以由萬元產(chǎn)值能耗計(jì)算，計(jì)算公式如下

Eci,m=CCi,mχ

(10)

式(10)中：CCi,m為某項(xiàng)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用m的成本。用于處理污染物n的能耗Epi,n可以由處理污染物n所消耗的直接能源、間接能源和經(jīng)濟(jì)成本構(gòu)成，其中各項(xiàng)能耗的具體計(jì)算過程同上，計(jì)算公式為

(11)

式(11)中：Epi,n為處理某項(xiàng)污染物n所消耗能源的折標(biāo)煤量；EPWi,n,j為處理污染物n所使用能源物質(zhì)j的消耗量；αi,n,j為處理污染物n所使用能源物質(zhì)j的折標(biāo)煤系數(shù)；MPWi,n,k為處理污染物n所使用的非能源物質(zhì)k的消耗量；βi,n,k為處理污染物n所使用的非能源物質(zhì)k的載能值；PCi,n,m為處理污染物n所消耗的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用m的成本。

通過以上方法，可以求得全能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的所有指標(biāo)，在此計(jì)算過程中不需要確定權(quán)重，所以沒有主觀因素的干擾。

2 案例分析

為了更好地說明此評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)方法，以某燒結(jié)機(jī)煙氣石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)為例具體說明全能耗的計(jì)算過程，圖1所示為該系統(tǒng)的工藝流程圖(該煙氣脫硫系統(tǒng)只治理一臺(tái)燒結(jié)機(jī)的一臺(tái)引風(fēng)機(jī)出口的煙氣量)。

從圖1中可以看出，在整個(gè)石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)中消耗的直接能源有電力、水、壓縮空氣，其中耗電設(shè)備有增壓風(fēng)機(jī)，循環(huán)漿液泵、氧化風(fēng)機(jī)以及其余功率較小的泵、風(fēng)機(jī)、攪拌器等，消耗的間接能源主要是石灰石。該系統(tǒng)的全能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖2所示。

由于該系統(tǒng)本身就是一個(gè)污染物處理系統(tǒng)，雖然系統(tǒng)本身也會(huì)有污染物排放，但是其排放的污染物很少，不需要額外去除，所以沒有污染物處理能耗。以兩個(gè)相同系統(tǒng)但不同工況的生產(chǎn)廠家為例說明實(shí)際計(jì)算過程，其中A廠入口煙氣量780 000 Nm3/h，脫硫效率89%，入口煙氣SO2含量1 500 mg/Nm3；B廠入口煙氣量717 963 Nm3/h，脫硫效率90%，入口煙氣SO2含量1 280 mg/Nm3。本次計(jì)算所需的兩個(gè)不同廠家的運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

圖1 石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)工藝流程Fig.1 The process flow of limestone-gypsum wet desulfurization system

圖2 煙氣脫硫系統(tǒng)全能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 The total energy consumption evaluation index system of the flue gas desulfurization system

表1 煙氣脫硫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)Table 1 Operating parameters of the flue gas desulfurization system

指標(biāo)體系中，電力能耗、水能耗以及壓縮空氣能耗由式(6)算出；此系統(tǒng)中的石灰石直接從外界購入，所以石灰石能耗由式(9)算出；前期建設(shè)費(fèi)用能耗、設(shè)備購置及技術(shù)引進(jìn)費(fèi)用能耗、運(yùn)行維修費(fèi)用能耗及人工費(fèi)用能耗用式(10)計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如圖3所示。圖3中，Ec人為人工費(fèi)用能耗；Ec運(yùn)為運(yùn)行維修費(fèi)用能耗；Ec設(shè)為設(shè)備購置及技術(shù)引進(jìn)費(fèi)用能耗；Ec前為前期建設(shè)費(fèi)用能耗；Em石為石灰石能耗；Ee壓為壓縮空氣能耗；Ee水為水能耗；Ee電為電力能耗。直接能耗、間接能耗以及經(jīng)濟(jì)投入能耗分別用式(2)～式(4)計(jì)算得到，其計(jì)算結(jié)果如圖4所示。圖4和圖5中計(jì)算的各級(jí)指標(biāo)是以一年的時(shí)間為計(jì)算周期的。計(jì)算過程中需要的各直接能源的折標(biāo)煤系數(shù)取自文獻(xiàn)[24]，萬元產(chǎn)值能耗參考2019年中國的單位GDP能耗。

圖3 A廠和B廠各三級(jí)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Fig.3 Results of the tertiary indicators in Plant A and Plant B

從圖4中看出，A廠全能耗比B廠高出46.78%，且A廠和B廠的間接能耗和經(jīng)濟(jì)投入能耗之和分別占全能耗的31.6%和15.2%，是直接能耗的46.2%和17.9%，顯然，非能源消耗和經(jīng)濟(jì)投入在評(píng)估能源消耗方面也起著重要作用。從圖3中可以看出，在各三級(jí)指標(biāo)中，直接能耗中的電力能耗是主要能耗，其次是經(jīng)濟(jì)投入能耗中的運(yùn)行維修費(fèi)用能耗，所以在考慮節(jié)能措施的時(shí)候應(yīng)重點(diǎn)設(shè)法減少各耗電設(shè)備的能耗，其次注意運(yùn)行維修費(fèi)用的消耗。此外，可以發(fā)現(xiàn)雖然B廠的電力能耗低于A廠，但是B廠的運(yùn)行維修費(fèi)用能耗遠(yuǎn)高于A廠，這說明兩廠各自都存在節(jié)能空間。

圖4 A廠和B廠全能耗及各二級(jí)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Fig.4 Results of the total energy consumption and secondary indicators in Plant A and Plant B

雖然從年全能耗的值來看，A廠的全能耗大于B廠，但是脫硫系統(tǒng)能耗的優(yōu)劣還與SO2處理量、燒結(jié)礦量、脫硫效率有關(guān)，已知處理煙氣量、煙氣SO2含量以及脫硫效率，可知A廠和B廠的年SO2處理量分別為9 121 788 kg和7 245 337.97 kg，此外，燒結(jié)工序SO2排放量為32.2 kg/t-S[26]，所以本文中計(jì)算了兩個(gè)企業(yè)SO2處理量的全能耗，結(jié)果如圖5所示，可見A廠的每千克SO2全能耗高于B廠16.58%，但是B廠的每千克SO2直接能耗高于A廠，A廠的每千克SO2全能耗高于B廠主要?dú)w因于A廠的每千克SO2經(jīng)濟(jì)投入能耗多于B廠386.71%，所以如果關(guān)注重點(diǎn)在于SO2的處理能力，則A廠在考慮節(jié)能措施時(shí)可以重點(diǎn)關(guān)注經(jīng)濟(jì)投入能耗的節(jié)省。

此外，已知中國重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)的燒結(jié)工序能耗平均水平為64.8 kgce/t-S[27]，可見與燒結(jié)過程能耗相比，燒結(jié)煙氣脫硫系統(tǒng)能耗在整個(gè)燒結(jié)過程能耗中占比不小，所以在能耗計(jì)算的過程中考慮污染物處理能耗是很有必要的。

圖5 此煙氣脫硫系統(tǒng)每千克SO2全能耗Fig.5 Total energy consumption of per kilogram SO2 of the flue gas desulphurisation system

為了將全能耗評(píng)價(jià)方法與傳統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)方法對(duì)比，采用傳統(tǒng)能耗評(píng)價(jià)方法中最常用的綜合能耗評(píng)價(jià)方法計(jì)算了噸礦綜合能耗。圖6所示為A、B兩廠的噸鋼綜合能耗和噸鋼全能耗，從圖6中可以看出，如果用綜合能耗評(píng)價(jià)此系統(tǒng)的能耗，則A廠單位產(chǎn)值能耗低于B廠，但若用全能耗評(píng)價(jià)方法來評(píng)價(jià)，則A廠的單位產(chǎn)值能耗高于B廠。這是因?yàn)榫C合能耗評(píng)價(jià)方法只考慮了直接能源的消耗，這種評(píng)價(jià)方法很明顯考慮的不夠全面，而全能耗評(píng)價(jià)方法不僅考慮了直接能耗，還包括間接能源和經(jīng)濟(jì)投入的消耗，可以更全面的評(píng)價(jià)能耗水平。

圖6 煙氣脫硫系統(tǒng)噸礦綜合能耗和噸礦全能耗Fig.6 The comprehensive energy consumption and total energy consumption per ton of mine for the flue gas desulphurisation system

3 結(jié)論

提出了一種全能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法，此評(píng)價(jià)方法不僅計(jì)算了直接能耗，還利用載能值和萬元產(chǎn)值能耗將間接能耗和經(jīng)濟(jì)投入能耗也包含在能耗體系中，此外，由于目前污染物日益增多，污染物處理能耗日益增加，此評(píng)價(jià)方法還將污染物處理能耗考慮在內(nèi)，強(qiáng)調(diào)了污染處理能耗在全能耗中所占比重。此評(píng)價(jià)方法可以反映非能源物質(zhì)、企業(yè)經(jīng)濟(jì)消費(fèi)以及污染物處理對(duì)系統(tǒng)全能耗的影響，且無需確定權(quán)重，可避免主觀誤差。

以燒結(jié)機(jī)煙氣石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)為例具體說明了全能耗的計(jì)算過程，結(jié)果可見，間接能耗和經(jīng)濟(jì)投入能耗在系統(tǒng)全能耗中所占比重不小，此外根據(jù)中國鋼鐵行業(yè)燒結(jié)工序能耗平均水平，可見此污染物處理系統(tǒng)的能耗在整個(gè)燒結(jié)過程中占比較大，所以將間接能源、經(jīng)濟(jì)投入和污染物處理能耗計(jì)算在全能耗中是很有必要的。還將此評(píng)價(jià)方法和綜合能耗評(píng)價(jià)方法做了一個(gè)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)此評(píng)價(jià)方法相比于傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法有一定優(yōu)勢(shì)。