XXXXCB720400 钢铁生产过程高效节能基础研究

项目名称：钢铁生产过程高效节能基础研究首席科学家：张欣欣北京科技大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：教育部一、关键科学问题及研究内容1关键科学问题面向钢铁工业节能减排的重大需求，针对“炼铁工序焦比高、能耗高、CO2排放量大，余能资源的回收与利用率低，能源配置理念落后和技术集成度低”三大技术瓶颈，本项目提出以下三个关键科学问题（科学问题凝练思路参见图2）。钢铁生产过程高效节能基础研究高温多元、多相体系内热化学反应与能质传递的协同强化理论多形态余能高效转换与梯级回收过程多场耦合传输机制钢铁生产流程物流-能流-环境作用机理及其多目标集成优化理论冶炼工艺固相余能气相余能生产流程国家重大需求关键科学问题技术应用对象主要技术瓶颈炼铁工序能耗高、焦比高余能余热回收利用率低流程能源配置集成度低图2钢铁工业节能减排技术瓶颈与关键科学问题（1）高温多元多相体系热化学反应与能质传递的协同强化理论全氧高炉炼铁是一个多元、非均相、多重热化学演变与能质转化传递交融的复杂过程。本关键科学问题要阐明冶炼过程的热化学反应动力学及能质转换与传递规律，明晰矿相结构及熔体物性演变特性，揭示氧化势、还原势对碳热还原过程的影响及其耦合原理，构建能质传递与多相复杂热化学反应协同强化理论。（2）多形态余热高效转换回收与梯级利用过程多场耦合传输机制多形态余热的高效回收和多品位余能的梯级利用是非稳态、多物相、强耦合的非线性系统。本关键科学问题要阐明强冲击、非均匀、多物化耦合驱动下固/熔相高温沉降/堆积颗粒体系余热高效转换与回收过程的能质传递与反应机理，探析时空不稳定条件下介孔异质复合相变材料高效蓄传热的影响因素及规律，研究多孔微细结构内多相多物系相变及其界面迁移特性，构建多场耦合驱动多形态余能高效转换与储存方法。（3）钢铁生产流程物流－能流－环境作用机理及其多目标集成优化理论钢铁生产过程是一个开放、远离平衡点、不可逆且由不同结构－功能的单元工序通过非线性耦合构成的复杂流程系统。本关键科学问题要阐明流程热力学与动力学的耦合机制，构建整体系统、功能子系统、工序模块、单体组件等多层次物流－能流耦合的普适模型，研究流程整体的物流－能流－环境作用机理、能源高效配置方法和废弃物循环与排放特点，建立基于广义热力学的多目标集成优化理论和流程调控策略。2主要研究内容研究内容1：高温热化学反应与能质传递协同强化理论以国际先进的全氧高炉炼铁技术为背景，以铁－氧－碳多元、非均相高温热化学反应体系为对象，主要研究：高温多相热化学反应体系中矿相结构与熔体物性演变机制，热化学反应动力学规律及特点，矿物－渣相－煤气三相共存条件下的高效能质传递与气固液相分离机理，热化学反应动力学与能质传递耦合机制等。从而建立高温多相热化学反应与能质传递协同强化理论，为规模化全氧高炉炼铁新工艺系统的构建奠定科学基础。研究内容2：固、熔相余热回收与品质调控中的能质耦合传输机理以钢铁生产流程中钢铁熔融渣及固体散料等物料余热回收和固相品质调控问题为背景，以悬浮、移动及回转条件下高温相变颗粒体系和异形颗粒堆积体系为对象，主要研究：复杂孔隙内工质的高温热力学温升及反应动力学特性，高温熔渣颗粒相变冷却与物相结构及品质的演变机理，高温颗粒体系中多相流动、热质传递和物质转化的耦合作用机制与物料品质协同调控原理，关键参数对高温颗粒体系宏观能质传递的影响规律，复杂动力及热边界条件下高温颗粒体系中多物理场耦合驱动的能质协同调控强化方法及数值分析模型。从而建立高温非均质颗粒余热回收体系中具有相变及化学反应的多相流动和多元多相热质传递理论，为钢铁工业中关键固熔相物料余热回收技术的发展提供科学支撑。研究内容3：气相余热梯级蓄存、回收中的能质输运理论以钢铁生产中存在的大量不同品位气相余能回收问题为背景，以中高温间歇性气相余热梯级连续蓄存和低品位气相余热的高效吸收为对象，主要研究：气相余热蓄存传递过程的时空非稳态、非线性特性、演化规律及连续控制方法；介孔异质复合相变蓄热材料的梯级制备、结构表征、力学性能与热物性调控；多孔微结构特征及其对质热输运过程的影响、耦合规律和协同强化理论；多孔功能材料可控设计制备与热质交换器性能演变；基于能量梯级利用原理的储能换热系统构建，蓄传热强化传输机理及相变传热、流固耦合输运和界面效应。从而建立气相余热梯级蓄存回收与质热协同输运理论，为气相余热回收及利用奠定科学基础。研究内容4：钢铁生产流程多层次物流－能流网络理论与系统集成优化以钢铁生产流程中的物流－能流－环境关联问题为背景，以过程工业与生态环境综合协调优化为目标，主要研究：流程整体系统、功能子系统、工序模块、单体组件的功能特点、热力学和动力学特征，流程资源、能源消耗和环境影响的综合评价及广义热力学优化（包括流程选择、工艺选择、物流－能流分配、余能利用模式选择、热力学和动力学参数调控等），流程整体行为的全工况仿真，工业转化过程前后化学反应与热力循环的品位关联规律，不同品位燃料化学能做功能力逐级转化方法，多品位能源梯级利用系统动态关联规律和高效配置方法，物质转化过程中碳、氮、硫等元素循环与转化特点及碳捕集、分离及处理的技术经济分析。从而建立多层次流程体系物流－能流－环境综合协调的广义热力学优化理论，为钢铁生产流程高效节能的系统集成和运行调控奠定科学基础。二、预期目标1总体目标本项目以“提高炼铁工艺能效、强化余热梯级回收利用和降低流程系统能耗”为切入点，通过对“高温热化学反应与能质传递协同强化理论”、“固、熔相余热回收与品质调控能质耦合传输机理”、“气相余热梯级蓄存、回收中能质输运理论”和“钢铁生产流程多层次物流－能流网络理论与系统集成优化”等4方面进行系统研究，解决“高温多元多相体系热化学反应与能质传递协同强化理论”、“多形态余热高效转换回收与梯级利用过程多场耦合传输机制”和“钢铁生产流程物流－能流－环境作用机理及其多目标集成优化理论”等3个关键科学问题。项目期望构建“多相复杂高温热化学反应与能质传递协同强化理论”和“多层次流程体系物流－能流－环境综合协调的广义热力学优化理论”，发展“多场耦合驱动多形态余能高效转换与储存方法”；取得钢铁工业节能减排原创性技术原型6项，在其他科技计划支持下完成节能减排工程示范2项；力图使钢铁生产流程能耗降低10－12%，按目前产量和能耗计算，可节能4000万吨标煤/年，实现CO2减排9000万吨/年；结合技术原型和工程示范，验证新理论和新方法，为增强我国钢铁工业节能减排领域的自主创新能力和国际竞争力做出实质性贡献。2五年预期目标2.1科学理论层面项目期望在“协同强化”和“广义热力学优化”理论方面取得突破，发展“余能高效转换与储存”新方法，即“构建两个理论、发展一个方法”，具体如下：（1）多相复杂高温热化学反应与能质传递的协同强化理论。阐明铁氧碳反应体系的多元非均相高温热化学反应过程热质传递与界面耦合机理，明晰高温热化学反应与能质传递的协同强化机制，为大幅提高以氧气高炉为代表的高温大容积反应器能效提供理论基础。（2）多层次流程体系物流－能流－环境综合协调的广义热力学优化理论。明晰钢铁生产流程整体系统－功能子系统－工序模块－单体组件各层次不同机制单元过程的物流－能流热力学和动力学特性，揭示流程整体的物流－能流－环境作用机理，发展全流程低热值伴生气/蒸汽综合梯级利用方法，形成多层次流程体系物流－能流－环境综合协调的广义热力学优化理论，为钢铁生产流程高能效、低排放的系统集成优化奠定科学基础。（3）多场耦合驱动多形态余能高效转换与储存方法。揭示带有物相转化与品质调控的高温固体/熔体颗粒能质传递与转化机理，阐明余热回收率和物料物相转化/品质调控的协同机制，拓展基于能量梯级利用原理和新型复合相变材料的间歇性余热高效传递和连续蓄存理论，发展基于吸附传输理论和多孔功能材料余热回收方法，为钢铁工业中各种难回收余能资源的回收和利用提供科学基础。2.2节能技术层面（1）在“协同强化理论”和“余能高效转换与储存方法”指导下，取得以下新技术原型：全氧高炉炼铁；固体余热高效回收；钢铁渣余热回收和品质调控；转炉煤气高效蓄传热回收；中低温余热热质综合利用；低热值可燃伴生气化学能梯级利用。使能耗降低综合效果达到8－10%。（2）在“广义热力学优化理论”的指导下，完善钢铁生产流程多联产大系统仿真平台，完成多层次流程体系物流－能流－环境综合协调的系统集成和流程运行优化调控，实现能源高效配置和余能梯级利用。使系统能耗降低3－5%。2.3工程应用层面在其他科技计划支持下，实施全氧高炉炼铁技术和低热值可燃伴生气－蒸汽联合循环发电技术工业化应用，达到工程示范水平。2.4人才培养和基地建设层面形成一支在钢铁节能减排领域具有国际竞争力的研究团队，培养一批高素质创新人才，构建以“生态与循环冶金教育部重点实验室”为核心的流程工业节能减排基地群，提升我国在工业节能减排领域的科技创新能力与综合竞争实力。在本项目研究过程中，拟出版理论体系明确、特色鲜明的学术专著1－2部；发表论文300篇以上，其中SCI/EI收录的论文120篇以上；申报发明专利20项以上，软件著作权登记20项以上；组织召开具有较大影响力的国际学术会议1－2次；培养造就2－3名具有国际影响力的科学家，1－2名国家级人才奖励计划获得者，8－10名中青年学术带头人，博士生50－60名，硕士生40－50名。三、研究方案1总体思路1.1学术思路本项目提出“钢铁生产过程物质流与能量流时空品质高效耦合和转化过程协同强化”的核心学术思想，以能量转化与传递为主线，以多学科交叉融合为手段，寻求突破关键技术瓶颈问题的解决办法。从设备尺度而言，针对钢铁生产中的间歇性气体余热、低温气体余热和低热值可燃伴生气等难回收余能资源，通过工程热物理与材料科学、化学化工学科交叉研究，揭示物质流与能量流品质及时空特性耦合机制，建立多形态余热高效转换与梯级回收过程多场耦合传输机制；“高效耦合”既反映了能量转换与传递过程多场耦合，也反映了流程工业余热余能回收－利用过程中的时空和品质特征，体现为余热余能回收时空耦合和用能品位对口耦合。从工序尺度而言，针对以高温热化学反应驱动物质转化的全氧高炉炼铁新技术、固体散料运动床余热回收过程和需兼顾产物品质的高温钢铁渣余热回收过程，通过工程热物理与物理化学等学科的交叉融合，建立物质与能量传递转化过程协同强化理论；“协同强化”反映了提高物质转化过程效率途径的特征，体现为物质转化过程控制机制和能量转化传递过程控制机制的协调一致。从流程尺度而言，物质与能量的“高效耦合”和“协同强化”贯穿于钢铁生产全过程。针对钢铁生产流程的整体性和复杂性，通过冶金、能源、环境与信息等多学科的交叉融合，建立多层次流程体系物质－能量－排放动态耦合、综合协调的广义热力学优化理论；“钢铁生产过程物质流与能量流时空品质高效耦合和转化过程协同强化”反映了新一代钢厂的产品制造、能量转换和废弃物消纳三大功能的基本特征，体现为流程工业物质转化与节能减排目标的一致性，是流程工业提高效率、降低能耗、减少排放的有效途径。1.2技术路线考虑认知规律的深入发展及过程研究与系统研究的层次提高，本项目以物质与能量高效耦合和协同强化为研究主线，结合装置、工序和流程的层次性，针对三个关键科学问题，采用理论分析和实验测试相结合的方法，由“钢铁生产过程物质流与能量流时空品质高效耦合和转化过程协同强化”核心理论的突破与发展，“全氧高炉冶炼、固气相余能回收和全流程集成优化”核心技术的机理验证，及“钢铁生产全流程能源高效配置”系统集成创新，构成逐步推进的三个研究层面（如图3所示），最终完成最高目标：总能耗降低10－12%，节约4000万吨标煤/年、减排9000万吨CO2/年。科学问题1：热化学反应与能质传递协同强化固相余热钢铁生产流程能源高效配置与节能减排集成科学问题3：钢铁生产流程集成优化理论气相余热科学问题2：余能回收过程多场耦合传递模型实验与测试理化参数和演化过程传输理论与分析物理建模和理论推演广义热力学优化过程构形和动态集成冶炼工艺生产流程全氧高炉冶炼固体余热高效回收钢铁渣余热回收