运用集成思想实现系统节能减排2011.2.11

运用集成思想实现系统节能减排地域：信息类别：行业类别：作者：发布人：发布时间：2011-02-1110:50:04.0钢铁工业是国民经济的重要支柱产业和基础产业，其发展状况对国民经济的影响举足轻重，同时，钢铁工业又是资源、能源密集型产业。一段时期以来，我国钢铁工业走过的了一条高能源消耗、高资源消耗和高污染的粗放式增长道路，资源、能源和环境已日益成为制约其发展的重要因素，钢铁工业节能减排面临的任务越来越艰巨。因此，钢铁工业急需寻找一种降低能源消耗、减少污染物排放的方法，过程集成应运而生。所谓过程集成，即把工业系统整个过程集成起来作为一个有机合整体来看待，达到整体设计最优，从而使一个过程工业系统成本和能耗最低、环境污染最少。过程集成方法的研究始于20世纪70年代末，是从过程设计的整体考虑，综合利用物质和能量，从工艺过程本身发掘清洁生产的机会；不仅考虑物质流流程的生成，而且将物质流、能量流、信息流加以集成，从而找到理想的生产过程。过程集成成为节能热点过程集成作为过程工程研究的一个新领域，是目前过程工程研究的热点。过程集成是在过程综合的基础上发展起来的新领域，最初主要用于系统节能，发展了用于换热网络分析和设计的系统方法———夹点技术，并在过程工业领域得到广泛应用。从20世纪80年代开始，过程集成逐渐成为节能热点，由于夹点技术可取得明显的节能和降低经济成本的效果，在各国日益受到重视。在换热网络的集成思想和夹点技术的基础上，其应用领域逐步扩展到提高原料利用率、减少污染物排放和过程操作等方面。目前，过程集成泛指从系统的角度进行设计优化，将过程工业中的物质流、能量流和信息流加以综合集成，为过程的开发提供直接的方法和工具支持。在进行综合集成时，将科学理论、经验知识、专家判断和企业系统内外有关信息相结合，建立起符合实际的模型，并以此来指导系统的集成。模型化是实现系统集成的基础，通常系统的组元可用操作模型或运算模型来表示；层次或功能模型可用数学规划模型或微分方程组来表示；整体模型可用大型数学规划模型来表示。数学规划法是随着计算机技术的发展在换热网络研究中出现的一个新分支，其基本做法是将所研究的问题整理成由目标函数和约束条件表示的数学模型，并根据数学模型的类型选择适宜的优化方法进行求解，求得满足上述约束条件并使目标函数最小（或最大）的解。过程集成方法在化工过程能量系统中得到了有效利用。但是，将过程集成方法应用于钢铁工业才刚刚起步。有关人士提出用优化模型分析不同物质和能量平衡下的转炉生产方案；有人建立过程集成模型并运用数学规划方法进行优化求解，分析不同情况下能源的使用、产品成本和环境影响等问题；有人用过程集成方法分析了高炉-转炉系统的能源使用和CO2减排问题。建立集成模型实现节能减排在钢铁工业节能工作中，仅考虑单个设备、装置的节能改造和优化设计往往难以实现整个系统的节能和优化。要使企业在设计时实现能耗和费用最低、环境污染最少，或在改进时达到这些效果，须把整个系统集成起来作为一个有机整体来看待，从而达到整体的最优化。因此，在进行钢铁工业节能理论和方法的创新研究中，应采用系统观点，综合考虑能源和物料的节约，从全流程角度研究能量的最佳利用方式。从本质上讲，钢铁工业是典型的流程制造业，其特征是由各种原料组成的物质流在输入能量的支持下，按照特有工艺流程经过传热、传质、动量传递并发生物理、化学或生化反应等加工处理，使物质发生状态、形状、性质方面的变化，改变其原有性质而形成的期望的产品，即物质流（如铁）在能量流（如电力、煤炭、各种煤气等）的驱动和作用下，按照一定的顺序，在一个由诸多功能不同的工序组成的流程网络框架内动态有序地运行，最终生产合格的产品。钢铁工业是一个大规模的能源循环系统，在构成该系统的设备与设备之间、工序与工序之间，进行着复杂的能量消耗、转换、输送和使用。系统节能就是从整个系统着手，研究系统中各个设备运行的综合节能效果，主要采用的方法是通过建立能源系统的数学模型来分析如何降低能源消耗和成本，与过程集成有着紧密的联系。近年来，有关冶金工作者在能源模型化方面取得了新的进展，从物质流、能量流及其相互关系方面入手，建立了物质流、能量流模型，分析了物质流、能量流之间的相互作用，开展了钢铁生产过程集成模型化研究工作。有关人士将过程集成方法应用到钢铁生产过程，分析其能源使用、产品成本和环境影响问题，通过建立过程集成模型，系统分析了高炉-转炉生产流程中节能减排的不同措施和效果，研究对象企业由焦化厂、1座高炉、2座转炉和2台板坯连铸机构成。他们考虑了优化高炉炉料结构、转炉炉料结构、热风炉烟气回收、转炉预热废钢以及高炉、转炉中废钢的投入比例等问题，建立了以能耗、CO2减排为目标的数学规划模型，讨论了不同方案下对能耗和CO2排放的影响。通过模型分析，得出了焦炉使用低挥发分煤、高炉喷吹煤粉、转炉使用废钢等的最优值，比实际生产系统节能约17％；还考虑了在高炉和转炉中使用废钢，以减少CO2排放；并从优化能源系统角度出发，分析了高炉全焦生产、喷吹高炉灰、喷吹低挥发分煤粉等操作参数变化对系统能耗、CO2减排的影响。该研究方法为钢铁企业实现系统节能和CO2减排很有意义，对我国钢铁企业开展节能减排具有重要的参考价值。有关人士以大型钢铁联合企业高炉-转炉流程为研究对象，对焦化、烧结、炼铁、炼钢、连铸、热轧、冷轧等生产工序进行功能解析，根据物质流、能量流运行的一般规律，建立各生产工序的过程集成模型。他们综合考虑，整体优化，以流程的单位产品能耗和成本最低、CO2排放最少为目标函数，优化流程的物质流结构和能量流结构，提出钢铁企业节能降耗、系统减排的措施。同时，从流程优化角度进行过程集成，分析不同原燃料条件、装备水平、工艺操作水平对钢铁制造流程的资源、能源消耗和环境负荷的影响，提出进一步提高资源和能源效率，减轻环境负荷的潜力、途径和技术措施，模型系统示意图见图（钢铁生产过程描述及模型系统边界示意图，图略）。由图可见，针对钢铁生产过程，过程集成模型由生产工序（系统Ⅰ）、主生产流程（系统Ⅱ）和钢铁企业（系统Ⅲ）三个层次组成，在建模过程中根据物质、能量的输入和输出关系分别建立相应的功能模型。通过建立优化模型，将过程集成方法应用到钢铁企业节能减排工作中，可获得可行的目标值和生产参数；同时，可对物质流、能量流的变化对目标的影响进行分析，寻找相应的节能措施和CO2减排途径。（2011年2月10日中国冶金报）