全能耗评价指标体系的建立和应用

李茜茜， 冯俊小

(北京科技大学能源与环境工程学院， 北京 100083)

随着工业的发展，中国的能源消费量日益增多。2019年，中国全年能源消费总量为48.6亿t标准煤，比上年增长3.3%，较2010年增长了12.5亿t标准煤，能量消耗和污染排放的情况非常严峻[1]。与其他国家的能源使用情况相比[2-3]，中国仍然有巨大的节能空间[4-6]。为了更好地节能减排，建立合适的系统综合评价方法对能耗评估以及系统优化都是很有用的。

目前中国应用最广的能耗评价方法是综合能耗评价方法。综合能耗的计算只包涵了一次能源、二次能源与能源介质等直接能源的消耗，但是当今工业生产过程所注重的已经不仅仅是直接能源，所以有一些研究者应用了其他评价方法来进行能耗评价。吴鹏等[7]进行了多段直立炉的能效分析，其中考虑了能源、物质的直接消耗和间接消耗；刘文旭[8]以单位面积综合能耗指标为依据评价了集中供热系统的节能水平；洪巧巧[9]采用全生命周期评价方法对燃煤电厂烟气石灰石石膏湿法脱硫技术等进行分析评价，分析过程考虑了系统整个生命周期的能源、物质和污染物排放，但未考虑经济投入的影响，且不能定量反映各因素对整体的影响效果；Sun等[10]结合了废气的流速和排放源的可用性，提出了一种环境影响总分法对东北地区某综合钢铁厂主要工业过程的环境影响进行了评价；Zhang等[11]将材料/能源/水流动分析和nexus方法整合到MESSAGEix中，以估算中国钢铁行业的资源-能源-环境关系；Wang等[12]采用材料和能量流分析和非支配排序遗传算法对河北省钢铁行业水-能-排放关系进行了系统建模和优化，考虑了钢铁行业中水、一次能源、二次能源消耗以及SO2、NOx和灰尘的排放；Zhu等[13]提出了完整的循环冷却水系统节能评价指标体系和基于层次分析法——熵值法的评价方法，其指标体系考虑了系统能耗、系统能效、系统运行质量和污染物排放；冀承坤[14]提出了一种针对天然气净化厂的能耗评价体系，其专门考虑了用于污染物处理设备的能耗。传统的能耗评价方法大多侧重于直接能耗评价[15]，但是综合评价是涉及能源、物质、经济和环境等多因素的复杂问题，而以上这些近几年提到的评价方法均未对各方面因素进行全面评价[16]，它们均是只对其中一个或者多个因素进行评价。

有一些研究人员考虑到了全面评价，如赵晓宇[17]利用赋权法和云理论建立了钢铁企业能源效率评价体系；Wang等[18]运用德尔菲层次分析法(Delphi analytic hierarchy process)和灰色关联度(grey correlation degree)法建立的中国重点能源消费部门的宏观能效评价体系；邢雨薇[19]利用层次分析法对某钢铁企业建立烧结工序节能减排指标体系。虽然有些评价方法考虑了所有因素，但是需要确定各级权重，存在一定的人为误差。

此外，目前的能耗评价侧重于一次能源和二次能源消耗，忽略了生产过程中巨大的环境投资运行成本[20-21]。同时，能耗中的污染物处理能耗在所有能耗中占据了不小的比重[22]。目前，中国常规大气污染物如CO2、NOx、SO2等的排放量依旧很大[23]，为了实现绿色发展，减少污染物排放量将是接下来国家工业发展的重要课题。“十四五”规划中就有“能源资源配置更加合理、利用效率大幅提高，主要污染物排放总量持续减少”的主要目标。可以预见，接下来中国节能减排的力度会越来越大，污染物处理的重要性也会逐渐加强。所以由于经济投入和污染物处理所产生的能耗应该被重视。

为此，提出一套无需确定权重，并将各种因素均考虑在内的能耗评价方法——全能耗评价方法。通过该评价方法，揭示工艺过程的能耗问题、物质消耗问题以及污染排放问题，进而为工艺过程的节能减排改造提供参考。

1 全能耗评价指标体系与计算方法

1.1 全能耗评价方法

在完全能耗[24]的基础上，进一步拓宽能耗范围，现提出全能耗的概念。全能耗是衡量整个确定系统流程中能源、物质、成本及污染处理的直接能源与隐含能源的总和，它包含了从原料投入到产品产出的整个过程中企业的所有能耗。与综合能耗相比，不仅包含了直接能源的消耗，还考虑了间接能源的消耗以及经济成本的消耗。并且，由于近年来国家对污染物处理的要求越来越严格，污染物处理变得愈发重要，污染物处理能耗也越来越大，此评价方法将污染物处理能耗与产品生产过程中的其他能耗分开计算，特别强调了污染处理能耗在全能耗中所占比重，所以此评价方法可以考虑到能源、物质、经济和环境等多因素的影响。

1.2 全能耗评价指标体系

全能耗评价体系是反应系统整个生产过程中能耗水平的评价指标的总称。通过各指标的选取，可以知道整个系统或工艺流程当中消耗的所有能源，基于全能耗评价方法建立了全能耗评价指标体系。该评价体系中包含一个一级指标和四个二级指标，其中一级指标是全能耗，二级指标分别是直接能耗、间接能耗、污染处理能耗以及经济投入能耗，每个二级指标下都有若干三级指标。

(1)直接能耗。直接能耗是指生产单位产品所消耗的一次能源、二次能源以及能源介质等能源物质的量，与文献[24]中的规定的综合能耗概念类似，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、电力消耗等都是直接能耗指标下的三级指标。

(2)间接能耗。间接能耗是指生产单位产品所消耗的除了一次能源、二次能源以及能源介质等能源物质以外的原料、添加剂、动力介质等含能材料，所以所有除了一次能源、二次能源以及能源介质等能源物质的含能材料的消耗如精矿粉消耗、溶剂消耗等都是间接能耗指标下的三级指标。

(3)经济投入能耗。经济投入能耗是指在产品生产过程中投入的各种经济费用，所以产品生产过程中产生的各种经济费用消耗都是经济投入能耗指标下的三级指标，主要包括前期建设费用能耗、设备购置及技术引进费用能耗、运行维修费用能耗及人工费用能耗。

(4)污染处理能耗。污染处理能耗是指为了处理生产过程中生成的污染物而产生的能源消耗，包括用于污染物处理的直接能耗、间接能耗和经济投入能耗。生产过程中可能生成多种污染物，所以污染处理能耗指标下的三级指标主要包括处理烟尘排放消耗、处理NOx排放消耗、处理SO2排放消耗等。

1.3 全能耗评价指标的计算方法

为了全能耗中各项指标可以量化，提出了一套全能耗评价方法，利用材料消耗与经济成本等价于载能值的方法，将以上所有能耗和费用都折合成标准煤消耗量，用公式可以表示为

ETotali=EEi+EMi+ECi+EPi

(1)

式(1)中：ETotali为系统i的全能耗；EEi为直接能耗折合标准煤消耗量；EMi为间接能耗折合标准煤消耗量；ECi为经济成本折合标准煤消耗量；EPi为污染处理用能折合标准煤消耗。EEi、EMi、ECi、EPi计算公式分别为

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Eei,j为某项直接能源j的折标准煤消耗量；Emi,k为间接能源物质k的折标准煤消耗量；Eci,m为某项经济成本m的折标煤消耗量；Epi,n为处理某项污染物n所消耗能源的折标煤量。Eei,j可由此直接能源的折标煤系数计算得到，即

Ee,ij=EWi,jαj

(6)

式(6)中：EWi,j为直接能源物质j的消耗量；αj为直接能源j的折标煤系数。Emi,k可以用此物质的载能值计算得到，即

Emi,k=MWi,kβi,kφ

(7)

式(7)中：MWi,k为间接能源物质k的消耗量；φ为热力折标系数，它的值为0.034 12 kgce/MJ；βi,k为间接能源物质k的载能值[25]，表示单位此物料所承载的能量，这里将物料看作是经过一次或是多次工序加工而制得的，所以物料的载能值计算方法为

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

(8)

式(8)中：Ri,k,p为生产此物料k所用主原料p的载能量；Fi,k,r为生产此物料k所用燃料r的载能值；Ei,k为生产此物料k所耗动力的载能值；Si,k,s为生产此物料k所用辅助材料s的载能值；Bi,k,u为生产此物料k所回收的余能及副产品的能值。当然如果此间接能源物质是直接从外界购入，Emi,k也可以计算，即

Emi,k=MWi,kPi,kχ

(9)

式(9)中：Pi,k为间接能源物质k的价格；χ为万元产值能耗，χ有不同的选取方式，一是利用该厂的万元产值系数，二是利用该行业的万元产值系数，三是利用全国的万元产值系数。同理，Eci,m也可以由万元产值能耗计算，计算公式如下

Eci,m=CCi,mχ

(10)

式(10)中：CCi,m为某项经济费用m的成本。用于处理污染物n的能耗Epi,n可以由处理污染物n所消耗的直接能源、间接能源和经济成本构成，其中各项能耗的具体计算过程同上，计算公式为

(11)

式(11)中：Epi,n为处理某项污染物n所消耗能源的折标煤量；EPWi,n,j为处理污染物n所使用能源物质j的消耗量；αi,n,j为处理污染物n所使用能源物质j的折标煤系数；MPWi,n,k为处理污染物n所使用的非能源物质k的消耗量；βi,n,k为处理污染物n所使用的非能源物质k的载能值；PCi,n,m为处理污染物n所消耗的经济费用m的成本。

通过以上方法，可以求得全能耗评价指标体系中的所有指标，在此计算过程中不需要确定权重，所以没有主观因素的干扰。

2 案例分析

为了更好地说明此评价体系和评价方法，以某烧结机烟气石灰石-石膏湿法脱硫系统为例具体说明全能耗的计算过程，图1所示为该系统的工艺流程图(该烟气脱硫系统只治理一台烧结机的一台引风机出口的烟气量)。

从图1中可以看出，在整个石灰石-石膏湿法脱硫系统中消耗的直接能源有电力、水、压缩空气，其中耗电设备有增压风机，循环浆液泵、氧化风机以及其余功率较小的泵、风机、搅拌器等，消耗的间接能源主要是石灰石。该系统的全能耗评价指标体系如图2所示。

由于该系统本身就是一个污染物处理系统，虽然系统本身也会有污染物排放，但是其排放的污染物很少，不需要额外去除，所以没有污染物处理能耗。以两个相同系统但不同工况的生产厂家为例说明实际计算过程，其中A厂入口烟气量780 000 Nm3/h，脱硫效率89%，入口烟气SO2含量1 500 mg/Nm3；B厂入口烟气量717 963 Nm3/h，脱硫效率90%，入口烟气SO2含量1 280 mg/Nm3。本次计算所需的两个不同厂家的运行参数如表1所示。

图1 石灰石-石膏湿法脱硫系统工艺流程Fig.1 The process flow of limestone-gypsum wet desulfurization system

图2 烟气脱硫系统全能耗评价指标体系Fig.2 The total energy consumption evaluation index system of the flue gas desulfurization system

表1 烟气脱硫系统运行参数Table 1 Operating parameters of the flue gas desulfurization system

指标体系中，电力能耗、水能耗以及压缩空气能耗由式(6)算出；此系统中的石灰石直接从外界购入，所以石灰石能耗由式(9)算出；前期建设费用能耗、设备购置及技术引进费用能耗、运行维修费用能耗及人工费用能耗用式(10)计算，其计算结果如图3所示。图3中，Ec人为人工费用能耗；Ec运为运行维修费用能耗；Ec设为设备购置及技术引进费用能耗；Ec前为前期建设费用能耗；Em石为石灰石能耗；Ee压为压缩空气能耗；Ee水为水能耗；Ee电为电力能耗。直接能耗、间接能耗以及经济投入能耗分别用式(2)～式(4)计算得到，其计算结果如图4所示。图4和图5中计算的各级指标是以一年的时间为计算周期的。计算过程中需要的各直接能源的折标煤系数取自文献[24]，万元产值能耗参考2019年中国的单位GDP能耗。

图3 A厂和B厂各三级指标计算结果Fig.3 Results of the tertiary indicators in Plant A and Plant B

从图4中看出，A厂全能耗比B厂高出46.78%，且A厂和B厂的间接能耗和经济投入能耗之和分别占全能耗的31.6%和15.2%，是直接能耗的46.2%和17.9%，显然，非能源消耗和经济投入在评估能源消耗方面也起着重要作用。从图3中可以看出，在各三级指标中，直接能耗中的电力能耗是主要能耗，其次是经济投入能耗中的运行维修费用能耗，所以在考虑节能措施的时候应重点设法减少各耗电设备的能耗，其次注意运行维修费用的消耗。此外，可以发现虽然B厂的电力能耗低于A厂，但是B厂的运行维修费用能耗远高于A厂，这说明两厂各自都存在节能空间。

图4 A厂和B厂全能耗及各二级指标计算结果Fig.4 Results of the total energy consumption and secondary indicators in Plant A and Plant B

虽然从年全能耗的值来看，A厂的全能耗大于B厂，但是脱硫系统能耗的优劣还与SO2处理量、烧结矿量、脱硫效率有关，已知处理烟气量、烟气SO2含量以及脱硫效率，可知A厂和B厂的年SO2处理量分别为9 121 788 kg和7 245 337.97 kg，此外，烧结工序SO2排放量为32.2 kg/t-S[26]，所以本文中计算了两个企业SO2处理量的全能耗，结果如图5所示，可见A厂的每千克SO2全能耗高于B厂16.58%，但是B厂的每千克SO2直接能耗高于A厂，A厂的每千克SO2全能耗高于B厂主要归因于A厂的每千克SO2经济投入能耗多于B厂386.71%，所以如果关注重点在于SO2的处理能力，则A厂在考虑节能措施时可以重点关注经济投入能耗的节省。

此外，已知中国重点钢铁企业的烧结工序能耗平均水平为64.8 kgce/t-S[27]，可见与烧结过程能耗相比，烧结烟气脱硫系统能耗在整个烧结过程能耗中占比不小，所以在能耗计算的过程中考虑污染物处理能耗是很有必要的。

图5 此烟气脱硫系统每千克SO2全能耗Fig.5 Total energy consumption of per kilogram SO2 of the flue gas desulphurisation system

为了将全能耗评价方法与传统能耗评价方法对比，采用传统能耗评价方法中最常用的综合能耗评价方法计算了吨矿综合能耗。图6所示为A、B两厂的吨钢综合能耗和吨钢全能耗，从图6中可以看出，如果用综合能耗评价此系统的能耗，则A厂单位产值能耗低于B厂，但若用全能耗评价方法来评价，则A厂的单位产值能耗高于B厂。这是因为综合能耗评价方法只考虑了直接能源的消耗，这种评价方法很明显考虑的不够全面，而全能耗评价方法不仅考虑了直接能耗，还包括间接能源和经济投入的消耗，可以更全面的评价能耗水平。

图6 烟气脱硫系统吨矿综合能耗和吨矿全能耗Fig.6 The comprehensive energy consumption and total energy consumption per ton of mine for the flue gas desulphurisation system

3 结论

提出了一种全能耗评价指标体系和评价方法，此评价方法不仅计算了直接能耗，还利用载能值和万元产值能耗将间接能耗和经济投入能耗也包含在能耗体系中，此外，由于目前污染物日益增多，污染物处理能耗日益增加，此评价方法还将污染物处理能耗考虑在内，强调了污染处理能耗在全能耗中所占比重。此评价方法可以反映非能源物质、企业经济消费以及污染物处理对系统全能耗的影响，且无需确定权重，可避免主观误差。

以烧结机烟气石灰石-石膏湿法脱硫系统为例具体说明了全能耗的计算过程，结果可见，间接能耗和经济投入能耗在系统全能耗中所占比重不小，此外根据中国钢铁行业烧结工序能耗平均水平，可见此污染物处理系统的能耗在整个烧结过程中占比较大，所以将间接能源、经济投入和污染物处理能耗计算在全能耗中是很有必要的。还将此评价方法和综合能耗评价方法做了一个对比，发现此评价方法相比于传统评价方法有一定优势。