全能耗評價指標體系的建立和應用

李茜茜， 馮俊小

(北京科技大學能源與環境工程學院， 北京 100083)

隨著工業的發展，中國的能源消費量日益增多。2019年，中國全年能源消費總量為48.6億t標準煤，比上年增長3.3%，較2010年增長了12.5億t標準煤，能量消耗和污染排放的情況非常嚴峻[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能空間[4-6]。為了更好地節能減排，建立合適的系統綜合評價方法對能耗評估以及系統優化都是很有用的。

目前中國應用最廣的能耗評價方法是綜合能耗評價方法。綜合能耗的計算只包涵了一次能源、二次能源與能源介質等直接能源的消耗，但是當今工業生產過程所注重的已經不僅僅是直接能源，所以有一些研究者應用了其他評價方法來進行能耗評價。吳鵬等[7]進行了多段直立爐的能效分析，其中考慮了能源、物質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為依據評價了集中供熱系統的節能水平；洪巧巧[9]采用全生命周期評價方法對燃煤電廠煙氣石灰石石膏濕法脫硫技術等進行分析評價，分析過程考慮了系統整個生命周期的能源、物質和污染物排放，但未考慮經濟投入的影響，且不能定量反映各因素對整體的影響效果；Sun等[10]結合了廢氣的流速和排放源的可用性，提出了一種環境影響總分法對東北地區某綜合鋼鐵廠主要工業過程的環境影響進行了評價；Zhang等[11]將材料/能源/水流動分析和nexus方法整合到MESSAGEix中，以估算中國鋼鐵行業的資源-能源-環境關系；Wang等[12]采用材料和能量流分析和非支配排序遺傳算法對河北省鋼鐵行業水-能-排放關系進行了系統建模和優化，考慮了鋼鐵行業中水、一次能源、二次能源消耗以及SO2、NOx和灰塵的排放；Zhu等[13]提出了完整的循環冷卻水系統節能評價指標體系和基于層次分析法——熵值法的評價方法，其指標體系考慮了系統能耗、系統能效、系統運行質量和污染物排放；冀承坤[14]提出了一種針對天然氣凈化廠的能耗評價體系，其專門考慮了用于污染物處理設備的能耗。傳統的能耗評價方法大多側重于直接能耗評價[15]，但是綜合評價是涉及能源、物質、經濟和環境等多因素的復雜問題，而以上這些近幾年提到的評價方法均未對各方面因素進行全面評價[16]，它們均是只對其中一個或者多個因素進行評價。

有一些研究人員考慮到了全面評價，如趙曉宇[17]利用賦權法和云理論建立了鋼鐵企業能源效率評價體系；Wang等[18]運用德爾菲層次分析法(Delphi analytic hierarchy process)和灰色關聯度(grey correlation degree)法建立的中國重點能源消費部門的宏觀能效評價體系；邢雨薇[19]利用層次分析法對某鋼鐵企業建立燒結工序節能減排指標體系。雖然有些評價方法考慮了所有因素，但是需要確定各級權重，存在一定的人為誤差。

此外，目前的能耗評價側重于一次能源和二次能源消耗，忽略了生產過程中巨大的環境投資運行成本[20-21]。同時，能耗中的污染物處理能耗在所有能耗中占據了不小的比重[22]。目前，中國常規大氣污染物如CO2、NOx、SO2等的排放量依舊很大[23]，為了實現綠色發展，減少污染物排放量將是接下來國家工業發展的重要課題。“十四五”規劃中就有“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減少”的主要目標。可以預見，接下來中國節能減排的力度會越來越大，污染物處理的重要性也會逐漸加強。所以由于經濟投入和污染物處理所產生的能耗應該被重視。

為此，提出一套無需確定權重，并將各種因素均考慮在內的能耗評價方法——全能耗評價方法。通過該評價方法，揭示工藝過程的能耗問題、物質消耗問題以及污染排放問題，進而為工藝過程的節能減排改造提供參考。

1 全能耗評價指標體系與計算方法

1.1 全能耗評價方法

在完全能耗[24]的基礎上，進一步拓寬能耗范圍，現提出全能耗的概念。全能耗是衡量整個確定系統流程中能源、物質、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品產出的整個過程中企業的所有能耗。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濟成本的消耗。并且，由于近年來國家對污染物處理的要求越來越嚴格，污染物處理變得愈發重要，污染物處理能耗也越來越大，此評價方法將污染物處理能耗與產品生產過程中的其他能耗分開計算，特別強調了污染處理能耗在全能耗中所占比重，所以此評價方法可以考慮到能源、物質、經濟和環境等多因素的影響。

1.2 全能耗評價指標體系

全能耗評價體系是反應系統整個生產過程中能耗水平的評價指標的總稱。通過各指標的選取，可以知道整個系統或工藝流程當中消耗的所有能源，基于全能耗評價方法建立了全能耗評價指標體系。該評價體系中包含一個一級指標和四個二級指標，其中一級指標是全能耗，二級指標分別是直接能耗、間接能耗、污染處理能耗以及經濟投入能耗，每個二級指標下都有若干三級指標。

(1)直接能耗。直接能耗是指生產單位產品所消耗的一次能源、二次能源以及能源介質等能源物質的量，與文獻[24]中的規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下的三級指標。

(2)間接能耗。間接能耗是指生產單位產品所消耗的除了一次能源、二次能源以及能源介質等能源物質以外的原料、添加劑、動力介質等含能材料，所以所有除了一次能源、二次能源以及能源介質等能源物質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下的三級指標。

(3)經濟投入能耗。經濟投入能耗是指在產品生產過程中投入的各種經濟費用，所以產品生產過程中產生的各種經濟費用消耗都是經濟投入能耗指標下的三級指標，主要包括前期建設費用能耗、設備購置及技術引進費用能耗、運行維修費用能耗及人工費用能耗。

(4)污染處理能耗。污染處理能耗是指為了處理生產過程中生成的污染物而產生的能源消耗，包括用于污染物處理的直接能耗、間接能耗和經濟投入能耗。生產過程中可能生成多種污染物，所以污染處理能耗指標下的三級指標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 全能耗評價指標的計算方法

為了全能耗中各項指標可以量化，提出了一套全能耗評價方法，利用材料消耗與經濟成本等價于載能值的方法，將以上所有能耗和費用都折合成標準煤消耗量，用公式可以表示為

ETotali=EEi+EMi+ECi+EPi

(1)

式(1)中：ETotali為系統i的全能耗；EEi為直接能耗折合標準煤消耗量；EMi為間接能耗折合標準煤消耗量；ECi為經濟成本折合標準煤消耗量；EPi為污染處理用能折合標準煤消耗。EEi、EMi、ECi、EPi計算公式分別為

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Eei,j為某項直接能源j的折標準煤消耗量；Emi,k為間接能源物質k的折標準煤消耗量；Eci,m為某項經濟成本m的折標煤消耗量；Epi,n為處理某項污染物n所消耗能源的折標煤量。Eei,j可由此直接能源的折標煤系數計算得到，即

Ee,ij=EWi,jαj

(6)

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

Emi,k=MWi,kβi,kφ

(7)

式(7)中：MWi,k為間接能源物質k的消耗量；φ為熱力折標系數，它的值為0.034 12 kgce/MJ；βi,k為間接能源物質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過一次或是多次工序加工而制得的，所以物料的載能值計算方法為

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

(8)

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

Emi,k=MWi,kPi,kχ

(9)

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

Eci,m=CCi,mχ

(10)

式(10)中：CCi,m為某項經濟費用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、間接能源和經濟成本構成，其中各項能耗的具體計算過程同上，計算公式為

(11)

式(11)中：Epi,n為處理某項污染物n所消耗能源的折標煤量；EPWi,n,j為處理污染物n所使用能源物質j的消耗量；αi,n,j為處理污染物n所使用能源物質j的折標煤系數；MPWi,n,k為處理污染物n所使用的非能源物質k的消耗量；βi,n,k為處理污染物n所使用的非能源物質k的載能值；PCi,n,m為處理污染物n所消耗的經濟費用m的成本。

通過以上方法，可以求得全能耗評價指標體系中的所有指標，在此計算過程中不需要確定權重，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價體系和評價方法，以某燒結機煙氣石灰石-石膏濕法脫硫系統為例具體說明全能耗的計算過程，圖1所示為該系統的工藝流程圖(該煙氣脫硫系統只治理一臺燒結機的一臺引風機出口的煙氣量)。

從圖1中可以看出，在整個石灰石-石膏濕法脫硫系統中消耗的直接能源有電力、水、壓縮空氣，其中耗電設備有增壓風機，循環漿液泵、氧化風機以及其余功率較小的泵、風機、攪拌器等，消耗的間接能源主要是石灰石。該系統的全能耗評價指標體系如圖2所示。

由于該系統本身就是一個污染物處理系統，雖然系統本身也會有污染物排放，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。以兩個相同系統但不同工況的生產廠家為例說明實際計算過程，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。本次計算所需的兩個不同廠家的運行參數如表1所示。

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

圖2 煙氣脫硫系統全能耗評價指標體系Fig.2 The total energy consumption evaluation index system of the flue gas desulfurization system

表1 煙氣脫硫系統運行參數Table 1 Operating parameters of the flue gas desulfurization system

指標體系中，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；前期建設費用能耗、設備購置及技術引進費用能耗、運行維修費用能耗及人工費用能耗用式(10)計算，其計算結果如圖3所示。圖3中，Ec人為人工費用能耗；Ec運為運行維修費用能耗；Ec設為設備購置及技術引進費用能耗；Ec前為前期建設費用能耗；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、間接能耗以及經濟投入能耗分別用式(2)～式(4)計算得到，其計算結果如圖4所示。圖4和圖5中計算的各級指標是以一年的時間為計算周期的。計算過程中需要的各直接能源的折標煤系數取自文獻[24]，萬元產值能耗參考2019年中國的單位GDP能耗。

圖3 A廠和B廠各三級指標計算結果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廠的間接能耗和經濟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，非能源消耗和經濟投入在評估能源消耗方面也起著重要作用。從圖3中可以看出，在各三級指標中，直接能耗中的電力能耗是主要能耗，其次是經濟投入能耗中的運行維修費用能耗，所以在考慮節能措施的時候應重點設法減少各耗電設備的能耗，其次注意運行維修費用的消耗。此外，可以發現雖然B廠的電力能耗低于A廠，但是B廠的運行維修費用能耗遠高于A廠，這說明兩廠各自都存在節能空間。

圖4 A廠和B廠全能耗及各二級指標計算結果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，但是脫硫系統能耗的優劣還與SO2處理量、燒結礦量、脫硫效率有關，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，燒結工序SO2排放量為32.2 kg/t-S[26]，所以本文中計算了兩個企業SO2處理量的全能耗，結果如圖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廠主要歸因于A廠的每千克SO2經濟投入能耗多于B廠386.71%，所以如果關注重點在于SO2的處理能力，則A廠在考慮節能措施時可以重點關注經濟投入能耗的節省。

此外，已知中國重點鋼鐵企業的燒結工序能耗平均水平為64.8 kgce/t-S[27]，可見與燒結過程能耗相比，燒結煙氣脫硫系統能耗在整個燒結過程能耗中占比不小，所以在能耗計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

為了將全能耗評價方法與傳統能耗評價方法對比，采用傳統能耗評價方法中最常用的綜合能耗評價方法計算了噸礦綜合能耗。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，如果用綜合能耗評價此系統的能耗，則A廠單位產值能耗低于B廠，但若用全能耗評價方法來評價，則A廠的單位產值能耗高于B廠。這是因為綜合能耗評價方法只考慮了直接能源的消耗，這種評價方法很明顯考慮的不夠全面，而全能耗評價方法不僅考慮了直接能耗，還包括間接能源和經濟投入的消耗，可以更全面的評價能耗水平。

圖6 煙氣脫硫系統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 結論

提出了一種全能耗評價指標體系和評價方法，此評價方法不僅計算了直接能耗，還利用載能值和萬元產值能耗將間接能耗和經濟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，此評價方法還將污染物處理能耗考慮在內，強調了污染處理能耗在全能耗中所占比重。此評價方法可以反映非能源物質、企業經濟消費以及污染物處理對系統全能耗的影響，且無需確定權重，可避免主觀誤差。

以燒結機煙氣石灰石-石膏濕法脫硫系統為例具體說明了全能耗的計算過程，結果可見，間接能耗和經濟投入能耗在系統全能耗中所占比重不小，此外根據中國鋼鐵行業燒結工序能耗平均水平，可見此污染物處理系統的能耗在整個燒結過程中占比較大，所以將間接能源、經濟投入和污染物處理能耗計算在全能耗中是很有必要的。還將此評價方法和綜合能耗評價方法做了一個對比，發現此評價方法相比于傳統評價方法有一定優勢。