從開(kāi)放系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)到鋼廠的能量流網(wǎng)絡(luò)化集成

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1、從開(kāi)放系統(tǒng)、耗散結(jié)構(gòu)到鋼廠的能量流網(wǎng)絡(luò)化集成 殷瑞鈺 （鋼鐵研究總院，北京，100081） 一、背 景 經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放30年的艱苦努力，中國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)生了巨大的變化，生產(chǎn)規(guī)模和行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力顯著提高，相應(yīng)的噸鋼能耗大幅度下降（圖1），已明顯縮短了與世界鋼鐵強(qiáng)國(guó)在整體水平上的差距。中國(guó)鋼鐵工業(yè)用顯著的發(fā)展業(yè)績(jī)破解了西方學(xué)者早在上世紀(jì)七十年代提出的鋼鐵工業(yè)是“夕陽(yáng)工業(yè)”的命題，證明了鋼鐵工業(yè)是基礎(chǔ)工業(yè)，鋼鐵材料是“必選”材料。但鋼鐵工業(yè)仍然面臨極具挑戰(zhàn)性的命題，突出表現(xiàn)在：“兩高一資”（高能耗、高排放、資源依賴(lài)型）問(wèn)題尚未根本解決，能源成本、環(huán)境負(fù)荷以及碳減排等方面的壓力很大。這是中國(guó)鋼鐵工業(yè)未

2、來(lái)可持續(xù)發(fā)展過(guò)程中不容回避的新問(wèn)題。 注：2000年之前為鋼鐵工業(yè)值，2000年及之后為重點(diǎn)大中型企業(yè)值。 圖1 中國(guó)鋼鐵工業(yè)噸鋼綜合能耗的變化 回顧改革開(kāi)放30年走過(guò)的歷程，中國(guó)鋼鐵工業(yè)所開(kāi)展的節(jié)能降耗工作可歸納為以下三個(gè)重要階段： （1）在20世紀(jì)八十年代，重點(diǎn)開(kāi)展了鋼廠防止和減少“跑、冒、滴、漏”；改進(jìn)燃燒、提高熱效率的單體技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用；加強(qiáng)管理，開(kāi)展工序裝置的晉等升級(jí)活動(dòng)；提出系統(tǒng)節(jié)能的理論、概念等。所采用節(jié)能技術(shù)的起點(diǎn)相對(duì)較低。 （2）20世紀(jì)九十年代，在生產(chǎn)流程的相關(guān)工序上重點(diǎn)開(kāi)展了連鑄、高爐噴吹煤粉、高爐長(zhǎng)壽、棒/線材連軋國(guó)產(chǎn)化、轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐以及大型超高功率電

3、爐等先進(jìn)共性-關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)流程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和噸鋼能耗的大幅度降低，體現(xiàn)出90年代系統(tǒng)節(jié)能的特征；同時(shí)，逐步淘汰模鑄、初軋/開(kāi)坯、往復(fù)式軋機(jī)、平爐、混鐵爐、化鐵煉鋼、“老三段”小電爐等落后工藝/裝置，體現(xiàn)出通過(guò)淘汰落后實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的特點(diǎn)。 （3）進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，通過(guò)“三干”（干熄焦、高爐煤氣干法除塵、轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵）、“節(jié)約用水”、“余能余熱發(fā)電”等技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，逐步進(jìn)入到全面、深入、系統(tǒng)地開(kāi)發(fā)鋼鐵制造流程的“能源轉(zhuǎn)換功能”時(shí)期。 展望未來(lái)5-10年，由于我們?nèi)蕴幵诠I(yè)化中、后期的重要發(fā)展階段，中國(guó)鋼鐵工業(yè)應(yīng)采取何種發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)方法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，值得深思

4、和大膽探索。 2009年9月，在北京召開(kāi)了第356次香山科學(xué)討論會(huì)，以“鋼廠生產(chǎn)過(guò)程中能量流行為與能量流網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建”為主題展開(kāi)學(xué)術(shù)研討，旨在引導(dǎo)我國(guó)鋼鐵界從充分發(fā)揮鋼廠三個(gè)功能（鋼鐵產(chǎn)品制造功能、能源轉(zhuǎn)換功能、廢棄物消納-處理和再資源化功能）的視角，審視鋼鐵制造流程中鐵素物質(zhì)流和碳素能量流的行為、規(guī)律，探索與鐵素物質(zhì)流在時(shí)-空域上相關(guān)的碳素能量流的輸入/輸出特點(diǎn)和能量流網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，以及相應(yīng)的信息流集成調(diào)控。籍此，進(jìn)一步剖析鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排的潛力，尋求提高鋼廠綜合競(jìng)爭(zhēng)力和多方位服務(wù)于可持續(xù)發(fā)展社會(huì)的可能性，深入探討相關(guān)理論的建立、技術(shù)開(kāi)發(fā)和工程化實(shí)施的策略等。 二、鋼鐵生產(chǎn)流程所對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)

5、系統(tǒng)與耗散結(jié)構(gòu) 從熱力學(xué)角度分析鋼鐵生產(chǎn)流程，可將研究對(duì)象概括成三種不同的熱力學(xué)系統(tǒng)：孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開(kāi)放系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。 圖2 孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開(kāi)放系統(tǒng) 孤立系統(tǒng)的特征是與外界環(huán)境既沒(méi)有物質(zhì)交換也沒(méi)有能量交換，這種系統(tǒng)是一種理論抽象的模型，地球環(huán)境中沒(méi)有與之完全對(duì)應(yīng)的參照系。宏觀看待孤立系統(tǒng)，其過(guò)程的終極目標(biāo)是系統(tǒng)的熵增為零，系統(tǒng)達(dá)到最高的均勻度和靜態(tài)平衡。在經(jīng)典熱力學(xué)研究中，通過(guò)孤立系統(tǒng)的平衡計(jì)算判據(jù)，以判斷發(fā)生在孤立系統(tǒng)中各類(lèi)過(guò)程進(jìn)行的方向和限度。需要指出的是，在回答過(guò)程進(jìn)行的可能性、方向和限度時(shí)，并沒(méi)有給出時(shí)間因素的影響。 封閉系統(tǒng)是在給定溫度條

6、件下與外界環(huán)境有能量交換，但沒(méi)有物質(zhì)交換。從宏觀看，該系統(tǒng)一般是處于近平衡狀態(tài)，其自發(fā)趨勢(shì)一是向某種平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，其過(guò)程轉(zhuǎn)變的結(jié)果與能量交換的多少有關(guān)；另一可能性是達(dá)到非平衡的穩(wěn)定態(tài)，該狀態(tài)的特征參數(shù)不再隨時(shí)間變化?？梢钥闯?，在研究封閉系統(tǒng)的變化過(guò)程時(shí)，已經(jīng)需要考慮時(shí)間因素和其帶來(lái)的影響效果了，因而較為接近現(xiàn)實(shí)情況。鋼鐵生產(chǎn)中現(xiàn)實(shí)的例證如不進(jìn)行物質(zhì)交換的感應(yīng)加熱系統(tǒng)或電磁攪拌系統(tǒng)。 開(kāi)放系統(tǒng)和外界環(huán)境之間是敞開(kāi)的，即系統(tǒng)與外界環(huán)境之間既有物質(zhì)交換，又有能量交換，這是自然界中最為普遍的現(xiàn)象。從宏觀看，當(dāng)該系統(tǒng)處于遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性變化區(qū)域時(shí)，可通過(guò)某些干預(yù)措施和利用其內(nèi)在的“漲落”及非線性相互

7、作用機(jī)制，使該系統(tǒng)由某種混沌狀態(tài)轉(zhuǎn)變到動(dòng)態(tài)-有序狀態(tài)，形成所謂的“活結(jié)構(gòu)”。這種動(dòng)態(tài)-有序狀態(tài)的維持需要不斷地與外界環(huán)境進(jìn)行能量、物質(zhì)交換（輸入、輸出），并使系統(tǒng)保持一定的穩(wěn)定性，不會(huì)因外界微小的擾動(dòng)而消失。既然開(kāi)放系統(tǒng)需要與外界有持續(xù)的物質(zhì)和能量交換，必然導(dǎo)致“流通量”（物質(zhì)流和能量流）的介入和時(shí)間因素的全程參與。改變“流通量”大小和變換干預(yù)措施（他組織手段），都可能使系統(tǒng)從一個(gè)動(dòng)態(tài)-有序狀態(tài)躍遷到另一個(gè)動(dòng)態(tài)-有序狀態(tài)。這其中，已經(jīng)體現(xiàn)出維持系統(tǒng)運(yùn)行所必需的物質(zhì)消耗和能量消耗的深刻內(nèi)涵。在鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，開(kāi)放系統(tǒng)隨處可見(jiàn)?？删唧w到某一單元工序的生產(chǎn)過(guò)程（如高爐煉鐵過(guò)程或轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程），也可擴(kuò)

8、展到鋼鐵制造的全流程。對(duì)于鋼廠的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程而言，則期望獲得消耗成本較低的動(dòng)態(tài)-有序狀態(tài)的持續(xù)保持。 普里高金把遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)內(nèi)形成的新的穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)稱(chēng)為耗散結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)必須在開(kāi)放系統(tǒng)中才能形成，也必須和外界環(huán)境持續(xù)地發(fā)生能量、物質(zhì)和信息的交換，進(jìn)而通過(guò)過(guò)程系統(tǒng)內(nèi)部各組成單元的特征參數(shù)適度、合理的“漲落”和各單元之間的非線性相互作用（包括網(wǎng)絡(luò)化整合、程序化協(xié)同等），耗散外界流入的負(fù)熵，在各組成單元之間產(chǎn)生協(xié)同作用和相干效應(yīng)，形成動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行的耗散結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)從混沌轉(zhuǎn)向動(dòng)態(tài)-有序，并獲得自組織性和不同的自組織化程度。 鋼鐵制造流程具有諸多功能不同的組成單元、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和與此相關(guān)的運(yùn)

9、行規(guī)律。它具有多層次性（原子和分子、場(chǎng)域及裝置、區(qū)段過(guò)程、整體流程）、多尺度性（時(shí)間、空間、質(zhì)量等）、有序性和混沌性（在功能、時(shí)間、空間等方面），也具有多種可能的連結(jié)-匹配和緩沖-協(xié)調(diào)（動(dòng)態(tài)）方式。鋼鐵制造流程整體效率/效益的提升，是以不斷地追求最佳化的動(dòng)態(tài)-有序新結(jié)構(gòu)和連續(xù)（準(zhǔn)連續(xù)）-緊湊方式運(yùn)行為目標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)流程運(yùn)行過(guò)程中耗散的“最小化”。 可以看出，研究鋼鐵制造流程的優(yōu)化和技術(shù)提升問(wèn)題，不能簡(jiǎn)單地用孤立系統(tǒng)/封閉系統(tǒng)的概念、方法來(lái)解決，以往人們習(xí)慣使用的對(duì)單元工序或過(guò)程的質(zhì)-能恒算方法，只能為研究者獲得維持單元工序或單元過(guò)程可以進(jìn)行的靜態(tài)平衡關(guān)系，卻忽視了對(duì)所研究對(duì)象的本質(zhì)—耗散結(jié)構(gòu)的

10、輸入-輸出特征以及各構(gòu)成單元之間復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系的認(rèn)識(shí)，因而掩蓋了對(duì)研究對(duì)象持續(xù)改進(jìn)的方向；在解決全流程系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，拘泥于片面地追求局部“平衡”或某一單元工序特征指標(biāo)“最佳”，可能反而會(huì)導(dǎo)致全流程運(yùn)行過(guò)程中耗散的增大，引起得不償失的效果。 三、鋼鐵制造流程運(yùn)行過(guò)程的工藝表象與物理本質(zhì) 3.1 靜態(tài)-局部的工藝表象 鋼廠的制造流程從表象上看，是由原料場(chǎng)、焦化、燒結(jié)（球團(tuán)）、煉鐵、煉鋼、軋鋼等生產(chǎn)單元所組成。長(zhǎng)期以來(lái)，人們往往以為上工序的靜態(tài)設(shè)計(jì)能力只要和下工序的靜態(tài)設(shè)計(jì)能力相等，就可以通過(guò)并聯(lián)-串聯(lián)的方法來(lái)構(gòu)建起鋼廠的生產(chǎn)流程。例如有300萬(wàn)t/a的煉鐵能力、300萬(wàn)t/a的煉鋼能力和相應(yīng)

11、的軋鋼能力，就是300萬(wàn)t/a鋼廠。 出現(xiàn)上述情況的根源是把鋼廠生產(chǎn)流程看成由原料儲(chǔ)存-原、燃料處理-還原煉鐵-氧化煉鋼-鋼液凝固-鋼坯再加熱-鋼坯熱壓力加工等工藝過(guò)程的簡(jiǎn)單堆砌和捆綁構(gòu)成的。這種認(rèn)識(shí)作為一種入門(mén)的工藝過(guò)程介紹似乎還可以，但作為對(duì)設(shè)計(jì)或?qū)嶋H生產(chǎn)運(yùn)行（特別是動(dòng)態(tài)-有序、連續(xù)-緊湊運(yùn)行）的指導(dǎo)是不夠的，甚至?xí)a(chǎn)生誤導(dǎo)。 3.2 鋼鐵制造流程的物理本質(zhì) 我們不能將鋼廠的各工序簡(jiǎn)單相加看成是生產(chǎn)流程。各工序相加在一起最多只是鋼廠制造流程的靜態(tài)表象，還不能說(shuō)是制造流程的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，靜態(tài)結(jié)構(gòu)還應(yīng)包括總平面圖布局和各種工序裝置容量和個(gè)數(shù)的合理性。 鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是物質(zhì)、能量以

12、及相應(yīng)信息的流動(dòng)/演變過(guò)程。其動(dòng)態(tài)-運(yùn)行過(guò)程的物理本質(zhì)是[1]：物質(zhì)流（主要是鐵素流）在能量流（主要是碳素流）的驅(qū)動(dòng)和作用下，按照設(shè)定的“程序”，沿著特定的“流程網(wǎng)絡(luò)”作動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行。從熱力學(xué)角度上看：鋼鐵制造流程是一類(lèi)開(kāi)放的、非平衡的、不可逆的、由不同結(jié)構(gòu)-功能的異質(zhì)單元工序通過(guò)非線性耦合所構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程的性質(zhì)是耗散過(guò)程。 在鋼廠生產(chǎn)過(guò)程中，鐵素物質(zhì)流是一類(lèi)多因子流，是被加工的主體。碳素能量流則作為驅(qū)動(dòng)力、化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)或熱介質(zhì)，并按照工藝要求對(duì)物質(zhì)流進(jìn)行加工、處理，使其發(fā)生位移、化學(xué)/物理轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)以制造過(guò)程中物質(zhì)、能量“耗散最小化”為核心的多目標(biāo)優(yōu)化。例如生產(chǎn)效率高、產(chǎn)

13、品質(zhì)量?jī)?yōu)、能源消耗低、過(guò)程排放少、生產(chǎn)成本低、環(huán)境/生態(tài)友好等。由此看出，鋼廠作為大尺度的開(kāi)放系統(tǒng)，其運(yùn)行模式比一般的化學(xué)反應(yīng)、相變過(guò)程或單元操作過(guò)程要復(fù)雜得多。 從鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行過(guò)程的物理本質(zhì)出發(fā)，可以推出其功能應(yīng)拓展為： 1）鐵素流運(yùn)行的功能——鋼鐵產(chǎn)品制造功能； 2）能量流運(yùn)行的功能——能源轉(zhuǎn)換功能以及與剩余能源相關(guān)的廢棄物消納-處理功能； 3）鐵素流-能量流相互作用過(guò)程的功能——實(shí)現(xiàn)過(guò)程工藝目標(biāo)以及與此相應(yīng)的廢棄物消納-處理功能。 鋼鐵工業(yè)的未來(lái)發(fā)展，應(yīng)該在充分理解鋼鐵制造流程動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行過(guò)程物理本質(zhì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步拓展鋼廠的功能，以新的模式實(shí)現(xiàn)生態(tài)化轉(zhuǎn)型，融入

14、循環(huán)經(jīng)濟(jì)社會(huì)。 四. 鋼鐵制造流程中物質(zhì)流與能量流的關(guān)系 從鋼鐵制造流程的現(xiàn)代設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)運(yùn)行和信息化調(diào)控的角度分析，必須建立起“流”的概念，對(duì)“流”的行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)-有序、連續(xù)-緊湊地規(guī)范運(yùn)行，這就必然會(huì)涉及“流”的空間途徑（例如平面圖、立面圖等）即“流程網(wǎng)絡(luò)”和時(shí)間過(guò)程（例如動(dòng)態(tài)作業(yè)表等）即“程序”?！傲鳌焙汀俺绦颉?、“流程網(wǎng)絡(luò)”的優(yōu)化組合、協(xié)同集成，就可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中物質(zhì)、能量“耗散” 的最小化。 4.1 物質(zhì)流、能量流、信息流在鋼鐵制造流程中的角色 鋼鐵制造流程中，“流”有三種載體來(lái)體現(xiàn)：以物質(zhì)形式為載體的物質(zhì)流，以能源形式為載體的能量流和信息形式為載體的信息流。 物質(zhì)流是制造

15、過(guò)程中被加工的主體，是主要物質(zhì)產(chǎn)品的加工實(shí)現(xiàn)過(guò)程；能量流是制造加工過(guò)程中驅(qū)動(dòng)力、化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)、熱介質(zhì)等角色的扮演者；而信息流則是物質(zhì)流行為、能量流行為和外界環(huán)境信息的反映以及人為調(diào)控信息的總和。在制造流程的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，總體上看，物質(zhì)流/能量流/信息流相伴而行、相互影響。 4.2能量流與物質(zhì)流的關(guān)系 從物質(zhì)流為主體的角度上看，在鋼廠制造流程中，物質(zhì)流始終帶著能量流相伴而行。但若從能量流為主體的角度上看，在鋼廠生產(chǎn)過(guò)程中，能量流并沒(méi)有全部伴隨著物質(zhì)流運(yùn)動(dòng)，有部分能量流會(huì)脫離物質(zhì)流相對(duì)獨(dú)立地運(yùn)行。因此，能量流與物質(zhì)流的關(guān)系是時(shí)而相伴，時(shí)而分離。相伴時(shí)，相互作用、影響；相離時(shí)，又各自表現(xiàn)各自的

16、行為特點(diǎn)?？偟目磥?lái)，在鋼廠生產(chǎn)流程中，能量流與物質(zhì)流是時(shí)合時(shí)分的（圖3—圖5）。 藍(lán)色箭頭：鐵素物質(zhì)流； 紅色箭頭：碳素能量流； 棕色箭頭：利用二次余能發(fā)電并網(wǎng)使用 圖3 典型鋼鐵企業(yè)物質(zhì)流及能量流運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)與軌跡 圖4 曹妃甸鋼鐵廠物質(zhì)流(鐵素流)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)與軌跡 圖5 曹妃甸鋼鐵廠能量流(碳素流)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)與軌跡 進(jìn)一步分解到從局部的工序/裝置看，在輸入端，物質(zhì)流和能量流分別輸入；在裝置內(nèi)部，物質(zhì)流與能量流相互作用、相互影響；在輸出端，往往表

17、現(xiàn)為物質(zhì)流帶著部分能量輸出，同時(shí)還可能有不同形式的二次能量流脫離物質(zhì)流分離輸出。這是因?yàn)樵诠ば?裝置中，有必要的能量過(guò)剩，才能保證工藝、加工過(guò)程中的效率，因此有剩余能量流的輸出是不可避免的。例如：在煉鐵過(guò)程中，進(jìn)入高爐以前，燒結(jié)（球團(tuán)）礦和焦炭、煤粉、鼓風(fēng)是分離的（物質(zhì)流和能量流分離）；在高爐中，它們又“合并”，燒結(jié)（球團(tuán)）礦和焦炭、煤粉、鼓風(fēng)相互作用、相互影響，發(fā)生燃燒升溫、還原反應(yīng)，完成成渣脫硫、鐵液增碳等反應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)液態(tài)生鐵的生產(chǎn)；從高爐輸出端看，液態(tài)生鐵和液態(tài)爐渣等物質(zhì)流承載著大部分能量輸出，與此同時(shí)，大量高爐煤氣帶著動(dòng)能、熱能和化學(xué)能輸出，也以能量流的形式輸出。同樣，在燒結(jié)過(guò)程、焦

18、化過(guò)程、煉鋼過(guò)程、軋鋼加熱爐過(guò)程也有相似的現(xiàn)象與過(guò)程，對(duì)于這些工藝過(guò)程，應(yīng)該用輸入、輸出的方法來(lái)研究，而不僅是以靜態(tài)的片段的物料平衡、能量平衡的方法分析其物質(zhì)流、能量流的運(yùn)行（圖6—圖9）。 入爐煤1326 kg（干）/t焦 加熱煤氣 970m3/t焦BFG 焦 爐 干熄焦裝置 1000kg紅焦 焦?fàn)t煤氣420 m3/t焦 煙 囪 廢氣 2000m3/t焦 焦炭 1000kg 電力100 kwh/t焦 電 站 獲蒸汽 500kg/t焦 說(shuō)明：入爐煤的成焦率按75.4%計(jì)，即1326kg干煤生產(chǎn)1噸焦炭；

19、 加熱焦?fàn)t用的高爐煤氣發(fā)熱量為1000kcal/m3； 干煤的相當(dāng)耗熱量為728 kcal/kg。 圖6 焦?fàn)t系統(tǒng)的物料與能源利用框圖[2] 煤氣(COG) 3.12m3/t 燒結(jié)機(jī) 450m2 焦粉 51.04kg/t 水87kg/t 電40.13kwh/t 蒸氣 1.1kg/t 廢氣 回收蒸汽75kg/t 熔 劑 精礦粉 鋪底料 其他（OG泥等） 140.7kg/t 895.5kg/t 97.8kg/t 98.1kg/t 粉 塵 燒結(jié)礦 落地礦 2-4kg/t 1t 及其他

20、 圖7 燒結(jié)系統(tǒng)的物料與能源利用框圖[2] 生 礦 269.17kg 返 回 轉(zhuǎn)爐渣 燒結(jié)礦 1314.17kg 回收蒸汽 78.93kg/t礦 噴煤粉 205kg 焦 化 288kg TRT發(fā)電 36.44kwh/t 回收高爐煤氣 1391.96m3 焦?fàn)t煤氣 327.28m3/t 原料場(chǎng) CDQ 回收蒸汽 574kg/t焦 發(fā)電50kwh/t焦 電站 鐵水 1000kg 高爐渣 298kg 鼓風(fēng) 電力 圖8 高爐系統(tǒng)的物料與能源利用

21、框圖[2] 電 力 35.5kwh/t鋼 氧 氣 51.08m3/t鋼 水 310kg/t鋼 蒸汽 5.5kg/t鋼 氮 氣 23.11 m3/t鋼 氬 氣 0.98m3/t鋼 廢 鋼 140kg/t鋼 焦?fàn)t煤氣 1.25m3/t鋼 鐵 水 950kg/t鋼 爐 塵 10 kg 轉(zhuǎn)爐煤氣 105m3 電站 回收蒸汽 41.3kg 鋼 水 1000kg 爐 渣 85 kg 圖9 轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)的物料與能源利用[2] 因此，不僅要注意物質(zhì)流、能量流輸入端的行為，而且也必

22、須注意研究它們輸出端的行為，以便為構(gòu)建鋼廠的能量流網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。 五、過(guò)程能量流研究方法與特點(diǎn) 對(duì)于鋼廠制造流程過(guò)程中能量流行為的研究，必須從靜態(tài)的、孤立的物料平衡-熱平衡（質(zhì)/能恒算）的方法中走出來(lái)，建立起輸入/輸出的動(dòng)態(tài)性模型。因此，對(duì)能量流的研究也必須建立“流”、“程序”、“流程網(wǎng)絡(luò)”等要素的概念，來(lái)研究開(kāi)放的、遠(yuǎn)離平衡的、不可逆過(guò)程中能量流的輸入/輸出行為；也就是要從靜態(tài)的、孤立的截面點(diǎn)位計(jì)算走向流程網(wǎng)絡(luò)中能量流的動(dòng)態(tài)運(yùn)行。 研究“流”的輸入/輸出特點(diǎn)，必然要涉及節(jié)點(diǎn)和連接器（線/弧）以及它們所組成的空間圖形（流程網(wǎng)絡(luò)），也必將涉及“流”動(dòng)態(tài)運(yùn)行的“程序”，特別是時(shí)間程序。建立能

23、量流輸入-輸出的概念，不僅將涉及能源的量，而且還涉及到能階、時(shí)間-空間等因素，涉及到能量流的運(yùn)行程序，這樣才有利于構(gòu)建起優(yōu)化的“能量流網(wǎng)絡(luò)”，也有利于進(jìn)一步提高能源利用效率。 5．1鋼廠能量流輸入-輸出特點(diǎn)及“漲落”現(xiàn)象 鋼廠中的能量流在經(jīng)過(guò)不同的工序節(jié)點(diǎn)時(shí)有不同的載體形式，其輸入-輸出的狀態(tài)有多種不同的表現(xiàn)形式，能量流的性質(zhì)（燃料種類(lèi)、煤氣、蒸汽、自發(fā)電的回用、物質(zhì)流顯熱）、品質(zhì)（煤氣種類(lèi)及熱值、蒸汽溫度及壓力、物質(zhì)流溫度等）、數(shù)量等特征參數(shù)會(huì)隨著在鋼廠中時(shí)-空域的不同而存在差異性。此外，能量流在不同節(jié)點(diǎn)的特征參數(shù)還不可避免地存在著動(dòng)態(tài)“漲落”現(xiàn)象，因此，很難用靜態(tài)的、相互割裂的方法去準(zhǔn)

24、確描述這種動(dòng)態(tài)變化的特征規(guī)律，必須用結(jié)構(gòu)合理、兼容性好、容錯(cuò)能力強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，來(lái)構(gòu)建起能量流網(wǎng)絡(luò)，最大限度地發(fā)揮各種能源介質(zhì)(一次能源、二次能源等)的綜合潛力，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的高效率利用和低成本耗散。在構(gòu)建能量流網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需結(jié)合不同品質(zhì)的煤氣、蒸汽、物質(zhì)流的顯熱等能源介質(zhì)特點(diǎn)和所產(chǎn)生的地點(diǎn)及時(shí)間，制定出不同的耦合機(jī)制和恰當(dāng)?shù)幕厥帐褂梅桨浮? 5．2 單元工序簡(jiǎn)單質(zhì)-能恒算方法的局限性 從上述分析可以看出，當(dāng)把一個(gè)完整的鋼鐵生產(chǎn)流程作為研究對(duì)象時(shí)，僅僅對(duì)所有單元工序分別作出各自物料平衡-熱平衡計(jì)算結(jié)果（質(zhì)-能恒算），很難對(duì)全流程整體的能源利用率和效益作出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。姑且不論所研究的生產(chǎn)流程在結(jié)構(gòu)

25、、配置、工藝布局上是否存在設(shè)計(jì)缺陷，當(dāng)對(duì)各工序做質(zhì)-能恒算時(shí)，往往只能以“割裂”的方式得出“互不相關(guān)”工序能耗靜態(tài)的計(jì)算結(jié)果。在這個(gè)計(jì)算結(jié)果中，對(duì)每個(gè)單元工序所產(chǎn)生的二次能源的利用效果或利用率的數(shù)據(jù)是缺失的，因當(dāng)其接續(xù)不同的用戶(hù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)差異。以轉(zhuǎn)爐煤氣為例，當(dāng)用作燃?xì)鉄嵩磿r(shí)，其使用效果可簡(jiǎn)單用熱效率計(jì)算（還須結(jié)合不同加熱爐和燒嘴特點(diǎn)）；當(dāng)作為清潔燃?xì)庥脕?lái)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)石灰時(shí)，除了能保證獲得一定的熱效率外，還會(huì)帶來(lái)附加的優(yōu)勢(shì)（由于所生產(chǎn)的石灰含硫低，可以節(jié)省后續(xù)在鐵水及鋼水脫磷、脫硫時(shí)的成本及消耗）。而當(dāng)全廠的煤氣/蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在缺陷或處于非正常生產(chǎn)狀況時(shí)，煤氣/蒸汽的放散將不可避免，這種能量

26、的損失也是單元工序質(zhì)-能恒算結(jié)果中所不能反映的。 可見(jiàn)，對(duì)鋼廠生產(chǎn)過(guò)程中能量流的研究方法，應(yīng)該用開(kāi)放系統(tǒng)中輸入/輸出的動(dòng)態(tài)模型，而動(dòng)態(tài)模型的開(kāi)發(fā)，必須建立起“流”、“運(yùn)行程序”和“流程網(wǎng)絡(luò)”等概念才能順利建模。 六、關(guān)于“網(wǎng)絡(luò)”本質(zhì)與“網(wǎng)絡(luò)”研究方法 6．1 對(duì)研究網(wǎng)絡(luò)的基本認(rèn)識(shí) “網(wǎng)絡(luò)”是節(jié)點(diǎn)和線（?。┮约八鼈冎g關(guān)系的反映和描述。研究“網(wǎng)絡(luò)”非常重要，它將涉及諸多方面，例如交通運(yùn)輸業(yè)、信息通訊業(yè)、流程制造業(yè)、質(zhì)量管理工程、文化教育、金融財(cái)政等產(chǎn)業(yè)。這是因?yàn)椤熬W(wǎng)絡(luò)”是運(yùn)行載體的路徑軌跡和時(shí)空邊界。不同類(lèi)型運(yùn)行載體的有效運(yùn)行都需要有必要的、合理的“網(wǎng)絡(luò)”與之匹配，才能實(shí)現(xiàn)其“功能最佳化

27、”和“效率最大化”。在現(xiàn)代世界，“網(wǎng)絡(luò)”是一個(gè)具有普適性的概念和“工具”，并且已經(jīng)或正在逐步形成結(jié)構(gòu)合理、功能恰當(dāng)、效率很高的工程實(shí)體。 研究“網(wǎng)絡(luò)”不僅要研究“網(wǎng)絡(luò)”本身，而且必須同時(shí)研究在“網(wǎng)絡(luò)”中運(yùn)行的各類(lèi)“資源”和/或“事件”，也就是要研究各種不同性質(zhì)、不同類(lèi)型的“流”。例如物流、物質(zhì)流、能量流、信息流、資金流、人流等。這些“流”是以不同特性、不同運(yùn)行方式通過(guò)相應(yīng)的“網(wǎng)絡(luò)”動(dòng)態(tài)-有序地運(yùn)行的。不同特征、不同類(lèi)型、不同運(yùn)行方式的“流”將對(duì)“網(wǎng)絡(luò)”的結(jié)構(gòu)與功能提出不同的要求，因此研究“網(wǎng)絡(luò)”必須要和所承載運(yùn)行的“流”結(jié)合起來(lái)研究，不能脫離“流”的性質(zhì)、要求而孤立地進(jìn)行研究。 “流”在“

28、網(wǎng)絡(luò)”中運(yùn)行、流動(dòng)的形式是多種多樣的，例如規(guī)則穩(wěn)定的、隨機(jī)的、季節(jié)的；層流的、紊流的、層-紊結(jié)合的；單向的、雙向的、多項(xiàng)的；串聯(lián)的、并聯(lián)的、串-并聯(lián)等等。為了適應(yīng)不同特征“流”的運(yùn)行效率、安全、穩(wěn)定、舒適等要求，“網(wǎng)絡(luò)”的設(shè)計(jì)、構(gòu)建和運(yùn)行不僅要在“結(jié)構(gòu)”、“功能”上與之適應(yīng)，而且必須注意“流”在“網(wǎng)絡(luò)”中運(yùn)行的“程序”。這些“程序”將涉及各種規(guī)則、策略以及功能序、空間序、時(shí)間序和時(shí)-空序等。 由上述分析可以看出：“網(wǎng)絡(luò)”具有流程性質(zhì)，“網(wǎng)絡(luò)”是特定的“流”按照某種特定的“程序”進(jìn)行動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行的物理-幾何框架。“流”、“網(wǎng)絡(luò)”、“程序”三者構(gòu)成了特定環(huán)境條件下的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，這個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)有結(jié)構(gòu)

29、、有功能，而且要追求其運(yùn)行效率。對(duì)“網(wǎng)絡(luò)”的研究，首先要研究它的結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而分析其運(yùn)行效率。與此同時(shí)，還必須認(rèn)識(shí)到“網(wǎng)絡(luò)”的整體性、動(dòng)態(tài)性、有效性以及與之相關(guān)的層次結(jié)構(gòu)性。 6．2 研究網(wǎng)絡(luò)的基本方法 在研究“網(wǎng)絡(luò)”的結(jié)構(gòu)時(shí)，圖論和運(yùn)籌學(xué)是有用的方法、工具。由于不同性質(zhì)、不同類(lèi)型、不同運(yùn)行方式和“流”對(duì)“網(wǎng)絡(luò)”的要求不同，因此與之相適應(yīng)的“網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)就不同。例如在鋼鐵企業(yè)內(nèi)的物質(zhì)流往往要求物質(zhì)流網(wǎng)絡(luò)是一種最小有向樹(shù)的結(jié)構(gòu)（圖10），而其能量流網(wǎng)絡(luò)則要求最好有“初級(jí)回路“的結(jié)構(gòu)（圖11），所以出現(xiàn)這些要求，都是源于物質(zhì)流、能量流耗散最小化的要求和效率最大化的要求。 圖10最小有

30、向樹(shù)的示意圖 注：圖是由點(diǎn)的集合和連接點(diǎn)集中的某些點(diǎn)對(duì)的連線所構(gòu)成 2 1 3 8 4 7 9 6 5 2 1 3 4 5 圖11初級(jí)回路示意圖 注：初級(jí)回路示意圖（1、2、4、5、3、1），簡(jiǎn)單回路示意圖（1、2、3、4、5、3、1，點(diǎn)3重復(fù)，邊不重） 作為“網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)的研究工具、方法，可以用圖論、運(yùn)籌學(xué)等數(shù)學(xué)手段處理，以求得合理“節(jié)點(diǎn)”個(gè)數(shù)、布置和連通線的形狀、長(zhǎng)短，串聯(lián)、并聯(lián)、串-并聯(lián)關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)圖形特征以及達(dá)到的時(shí)-空邊界。當(dāng)然，用“圖論”方法研究“網(wǎng)絡(luò)”的合理結(jié)構(gòu)時(shí)，一定要同時(shí)注意“節(jié)點(diǎn)”與“線”（?。┳陨淼男再|(zhì)、功能

31、及其對(duì)“網(wǎng)絡(luò)”的影響。 在研究“網(wǎng)絡(luò)”的功能時(shí)，必須從“流”的性質(zhì)、類(lèi)型和運(yùn)行方式出發(fā)。首先是“流”的性質(zhì)（物質(zhì)流、能量流、人流，資金流還是信息流等），要根據(jù)“流”的物理性質(zhì)，進(jìn)一步分析“流”的類(lèi)型，例如是連續(xù)流、半連續(xù)流還是間歇流、脈動(dòng)流等等。也可以根據(jù)“流”運(yùn)行的時(shí)間因素，將之分為穩(wěn)定流、隨機(jī)流和季節(jié)流，對(duì)這些不同性質(zhì)、不同類(lèi)型、不同運(yùn)行方式的流而言，它們對(duì)“網(wǎng)絡(luò)”的結(jié)構(gòu)、功能的要求是不同的。 在明確特定“流”對(duì)“網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)、功能要求的基礎(chǔ)上，就比較容易對(duì)“網(wǎng)絡(luò)”效率提出清晰的目標(biāo)，當(dāng)然這與相應(yīng)的“程序”有關(guān)?！俺绦颉焙汀熬W(wǎng)絡(luò)”是相互依存的，“程序”取決于“網(wǎng)絡(luò)”的最佳化或優(yōu)化；反之，

32、“網(wǎng)絡(luò)”的運(yùn)行效率也必須依靠“程序”的合理化和優(yōu)化。由于“流”、“網(wǎng)絡(luò)”、“程序”是一個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)，因此對(duì)“網(wǎng)絡(luò)”效率的要求，往往是一類(lèi)多目標(biāo)優(yōu)化，這種優(yōu)化實(shí)際上就是在不同環(huán)境條件下的多目標(biāo)選優(yōu)系統(tǒng)。 在研究“網(wǎng)絡(luò)”的效率時(shí)，必須充分注意效率最大化（簡(jiǎn)捷、高效）、耗散最小化（能量耗散、物質(zhì)耗散、信息耗散等）、環(huán)境友好性（生態(tài)保護(hù)、環(huán)境污染等）和安全性（生命財(cái)產(chǎn)安全、運(yùn)行的穩(wěn)定性和舒適性）。 七、鋼廠中的“能量流”與“能量流網(wǎng)絡(luò)” 7.1 現(xiàn)實(shí)存在問(wèn)題 長(zhǎng)期以來(lái)，在追求鋼材數(shù)量和改善質(zhì)量過(guò)程中，國(guó)內(nèi)鋼鐵領(lǐng)域的研究命題主要圍繞鐵素物質(zhì)流的優(yōu)化而開(kāi)展，為獲得滿足用戶(hù)要求的鋼鐵產(chǎn)品，業(yè)內(nèi)開(kāi)展

33、了大量的產(chǎn)品研發(fā),并積累了豐富經(jīng)驗(yàn)；同時(shí)也在流程工序間銜接-匹配等動(dòng)態(tài)運(yùn)行方面做了不少工作，在一些鋼廠已基本實(shí)現(xiàn)了鐵素物質(zhì)流從“混沌”到相對(duì)“有序”的轉(zhuǎn)變，如在高爐-轉(zhuǎn)爐界面實(shí)施鐵水預(yù)處理；在煉鋼工序?qū)嵤捌健备摹稗D(zhuǎn)”和“連鑄”淘汰“模鑄”；在煉鋼-連鑄界面以鋼水精煉裝置進(jìn)行協(xié)同-緩沖；在鋼材熱加工工序取消初軋開(kāi)坯和以“連軋”替代“往復(fù)式軋制”；在連鑄-加熱爐界面，則采用不同類(lèi)型、不同程度的鑄坯熱裝-熱送工藝等。至此，滿足鋼鐵產(chǎn)品制造功能的鋼廠工藝布局基本定型。 但是，在流程高效、緊湊和動(dòng)態(tài)有序運(yùn)行的深入研究和應(yīng)用和鋼鐵制造流程的能源高效轉(zhuǎn)換功能方面依然存在如下問(wèn)題： 1）對(duì)某些工序的鐵素

34、流的高效運(yùn)行還有待完善，如高爐爐料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、燒結(jié)工序“三高”（高漏風(fēng)率、高返礦率和高臺(tái)車(chē)故障率）等；對(duì)流程高效、緊湊和動(dòng)態(tài)有序運(yùn)行的界面銜接匹配等方面仍需加強(qiáng)； 2）節(jié)能技術(shù)的普及率有很大的進(jìn)步，鋼鐵企業(yè)的CDQ的普及率從2000年的20%提高到2009年的約70%，配套TRT的高爐座數(shù)從2000年的20個(gè)增加到2007年約400個(gè)。但是節(jié)能技術(shù)的利用效果和效率還有差距，如2007年我國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)TRT的噸鐵發(fā)電量比日本平均低10kWh/t，在節(jié)能技術(shù)與工序工藝的結(jié)合方面需要完善； 3） 由于受局部工序或裝置的物料平衡和熱平衡靜止觀念的束縛，以往在能量流方面開(kāi)展的技術(shù)研發(fā)只針對(duì)相關(guān)工序

35、/裝置中某些供能技術(shù)的改造和局部二次能源的回收利用，或僅關(guān)注全廠的靜態(tài)能源平衡，缺乏全局性動(dòng)態(tài)地研究整個(gè)鋼鐵制造流程的能源流網(wǎng)絡(luò)及與物質(zhì)流的耦合等效應(yīng)，缺乏在全流程綜合系統(tǒng)地考慮持續(xù)地利用/回收各類(lèi)余熱、余能的系統(tǒng)措施，特別是對(duì)鋼鐵制造流程的能源轉(zhuǎn)換功能、廢棄物消納-處理及再資源化功能、以及與之密切相關(guān)的能量流行為與能量流網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等問(wèn)題的研究較少，相關(guān)理論不夠完整。造成工序能耗有所降低，但鋼鐵企業(yè)整體能源效率的提高不能與之同步。例如，2008年我國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)高爐煤氣放散率仍達(dá)5.82%，焦?fàn)t煤氣放散率為2.14%，轉(zhuǎn)爐煤氣回收量?jī)H為79m3/t鋼（熱值低于2000kcal/m3）等等。 4

36、）對(duì)二次能源品質(zhì)潛力的挖掘、價(jià)值開(kāi)發(fā)以及低品質(zhì)余熱余能利用支撐技術(shù)與裝備開(kāi)發(fā)滯后，例如250~300℃的余熱資源尚未有效地利用，爐渣熱量的利用尚無(wú)有效的措施等；指標(biāo)考核體系不盡合理，同時(shí)缺乏科學(xué)、配套的激勵(lì)政策。 如果按鐵素物質(zhì)流和碳素能量流相對(duì)“有序”耦合并深度利用的目標(biāo)新建鋼廠或改造現(xiàn)有鋼廠，即在系統(tǒng)研究鐵素物質(zhì)流動(dòng)態(tài)-有序運(yùn)行的同時(shí)，重視并深入研究能源合理轉(zhuǎn)換機(jī)制并構(gòu)建起優(yōu)化的能量流網(wǎng)絡(luò)，將對(duì)鋼鐵工業(yè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化開(kāi)辟出新途徑，可挖掘出巨大的節(jié)能潛力和環(huán)保效果，應(yīng)成為新技術(shù)背景下鋼廠節(jié)能減排，降低成本、改善環(huán)境的重要切入點(diǎn)。 7.2 鋼廠中能量流運(yùn)行概念的建立 現(xiàn)代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)是一類(lèi)鐵

37、-煤化工過(guò)程及其深加工系統(tǒng)。將鋼鐵生產(chǎn)流程抽象為鐵素物質(zhì)流輸入-輸出過(guò)程、能量流的輸入-輸出過(guò)程，以及鐵素流-能量流相互作用過(guò)程，有利于剖析物質(zhì)流（主要是鐵素流）、能量流（主要是碳素流）在鋼廠生產(chǎn)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)行為、效率以及兩者之間的相互作用機(jī)制，為鋼鐵企業(yè)進(jìn)一步節(jié)能、減排和消納廢棄物尋求新的突破口。 在鋼廠生產(chǎn)流程中，礦排步業(yè)物質(zhì)流、能量流的相互作用可見(jiàn)上圖