2012CB720400 鋼鐵生產過程高效節(jié)能基礎研究

項目名稱：鋼鐵生產過程高效節(jié)能基礎研究首席科學家：張欣欣北京科技大學起止年限：2012.1-2016.8依托部門：教育部一、關鍵科學問題及研究內容1面向鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排的重大需求，針對“煉鐵工序焦比高、能耗高、CO2大技術瓶頸，本項目提出以下三個關鍵科學問題（科學問題凝練思路參見圖國家重大需求主要技術瓶頸鋼鐵生產過程高效節(jié)能基礎研究關鍵科學問題技術應用對象圖2鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排技術瓶頸與關鍵科學問題（）高溫多元多相體系熱化學反應與能質傳遞的協同強化理論程的影響及其耦合原理，構建能質傳遞與多相復雜熱化學反應協同強化理論。（）多形態(tài)余熱高效轉換回收與梯級利用過程多場耦合傳輸機制的非線性系統。本關鍵科學問題要闡明強沖擊、非均勻、多物化耦合驅動下固/熔相高溫沉降堆積顆粒體系余熱高效轉換與回收過程的能質傳遞與反應機理，余能高效轉換與儲存方法。（）鋼鐵生產流程物流－能流－環(huán)境作用機理及其多目標集成優(yōu)化理論理論和流程調控策略。2研究內容：高溫熱化學反應與能質傳遞協同強化理論的高效能質傳遞與氣固液相分離機理，熱化學反應動力學與能質傳遞耦合機制煉鐵新工藝系統的構建奠定科學基礎。研究內容：固、熔相余熱回收與品質調控中的能質耦合傳輸機理以鋼鐵生產流程中鋼鐵熔融渣及固體散料等物料余熱回收和固相品質調控鋼鐵工業(yè)中關鍵固熔相物料余熱回收技術的發(fā)展提供科學支撐。研究內容：氣相余熱梯級蓄存、回收中的能質輸運理論余熱梯級蓄存回收與質熱協同輸運理論，為氣相余熱回收及利用奠定科學基礎。研究內容：鋼鐵生產流程多層次物流－能流網絡理論與系統集成優(yōu)化環(huán)境綜合協調優(yōu)化為目標，主要研究：流程整體系統、功能子系統、工序模塊、理論，為鋼鐵生產流程高效節(jié)能的系統集成和運行調控奠定科學基礎。二、預期目標14方面進行系統研究，解決“高溫多元多相體系熱化學反應與能質傳遞協同強化理論”、程物流－能流－環(huán)境作用機理及其多目標集成優(yōu)化理論”等3個關鍵科學問題。原型62流程能耗降低－4000萬噸標煤現CO減排9000萬噸年；結合技術原型和工程示范，驗證新理論和新方法，為2增強我國鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排領域的自主創(chuàng)新能力和國際競爭力做出實質性貢獻。22.1科學理論層面（）多相復雜高溫熱化學反應與能質傳遞的協同強化理論。闡明鐵氧碳反積反應器能效提供理論基礎。（）多層次流程體系物流－能流－環(huán)境綜合協調的廣義熱力學優(yōu)化理論。明晰鋼鐵生產流程整體系統－功能子系統－工序模塊－單體組件各層次不同機境作用機理，發(fā)展全流程低熱值伴生氣蒸汽綜合梯級利用方法，形成多層次流效、低排放的系統集成優(yōu)化奠定科學基礎。（）多場耦合驅動多形態(tài)余能高效轉換與儲存方法。揭示帶有物相轉化與品質調控的高溫固體熔體顆粒能質傳遞與轉化機理，闡明余熱回收率和物料物相轉化品質調控的協同機制，拓展基于能量梯級利用原理和新型復合相變材料余熱回收方法，為鋼鐵工業(yè)中各種難回收余能資源的回收和利用提供科學基礎。2.2節(jié)能技術層面（）在“協同強化理論”和“余能高效轉換與儲存方法”指導下，取得以梯級利用。使能耗降低綜合效果達到－。（）在“廣義熱力學優(yōu)化理論”的指導下，完善鋼鐵生產流程多聯產大系運行優(yōu)化調控，實現能源高效配置和余能梯級利用。使系統能耗降低－。2.3工程應用層面聯合循環(huán)發(fā)電技術工業(yè)化應用，達到工程示范水平。2.4人才培養(yǎng)和基地建設層面減排基地群，提升我國在工業(yè)節(jié)能減排領域的科技創(chuàng)新能力與綜合競爭實力。－2部；發(fā)表論文300篇以上，其中SCI/EI收錄的論文120篇以上；申報發(fā)明專利20項以上，軟件著作權登記20項以上；組織召開具有較大影響力的國際學術會議1－2次；培養(yǎng)造就－3－2名國家級人才獎勵計劃獲得者，－10名中青年學術帶頭人，博士生－60名，碩士生－50名。三、研究方案11.1學術思路尋求突破關鍵技術瓶頸問題的解決辦法。從設備尺度而言程多場耦合，也反映了流程工業(yè)余熱余能回收－利用過程中的時空和品質特征，體現為余熱余能回收時空耦合和用能品位對口耦合。從工序尺度而言術、固體散料運動床余熱回收過程和需兼顧產物品質的高溫鋼鐵渣余熱回收過為物質轉化過程控制機制和能量轉化傳遞過程控制機制的協調一致。從流程尺度而言，物質與能量的“高效耦合”和“協同強化”貫穿于鋼鐵生業(yè)提高效率、降低能耗、減少排放的有效途徑。1.2技術路線物質流與能量流時空品質高效耦合和轉化過程協同強化”核心理論的突破與發(fā)310－12%4000萬噸標煤年、減排9000萬噸CO年。2目標2創(chuàng)新技術方法理論圖3總體技術思路1.3可行性本項目的學術思路和技術途徑來源于項目承擔單位在冶金、建材、工程熱物理、材料科學、信息科學及管理學領域扎實的工作基礎和研究經驗。（）項目承擔單位具備堅實的研究基礎本項目參加單位承擔或參與了多項國家重大科技項目，包括國家973計劃、863重點項目和科技支撐計劃等30優(yōu)化研究項目、高爐噴煤催化助燃節(jié)能技術、高溫傳熱蓄熱過程多尺度結構中流動與傳遞規(guī)律等項目為本項目提供了扎實的前期工作基礎。（）項目承擔單位在相關領域已取得大批高水平研究成果本項目申請和合作單位在國家自然科學基金、國家973863計劃和科技支撐計劃資助下，已在冶金、材料及能源科學等領域開展了大量基礎研究，并在相關研究領域已獲得11項國家級科技獎勵，如干熄焦引進技術消化吸收“一供了豐富的研究經驗和充分的知識儲備。（）項目承擔單位具備從事本項目研究的實驗基礎條件進、實驗手段齊全，為項目實施提供了優(yōu)質的實驗研究基礎和條件。（）項目承擔單位具有很好的國際合作基礎目前，項目承擔單位與美國、英國、德國、法國、瑞典、日本和韓國等國家域，項目承擔單位于2010年5月與美國勞倫斯伯克利國家實驗室和橡樹嶺國家估技術、軟件和數據庫建設及人員交流培訓等方面開展了長期長效的全面合作。2（）針對全氧高爐煉鐵技術，揭示其冶煉過程物理機制，構建高溫、大通量、大容積反應器內熱化學反應與能質轉換協同強化理論，提高碳熱能源利用效率，為形成高效節(jié)能減排的全氧高爐冶煉技術提供理論基礎。（）針對鋼鐵工業(yè)中部分余能資源難于回收和低效利用的問題，揭示多形能高效轉換與儲存方法”新方法。（）針對鋼鐵生產流程的復雜性和整體性，深刻認識其生產流程資源－能源－環(huán)境作用機理，提出能耗及環(huán)境效應綜合評價方法，構建鋼鐵生產過程多層次物流－能流－環(huán)境綜合協調的廣義熱力學優(yōu)化理論。3本項目針對目前鋼鐵生產中的技術瓶頸，以個關鍵科學問題為核心，設置了以下個課題：課題1.全氧條件下高爐高溫熱化學反應與能質傳遞協同原理課題2.高溫運動床層異形顆粒堆積體系內的能質傳遞與轉化機制課題3.基于物料品質調控的高溫熔渣余熱回收能質傳輸機理課題4.氣相余熱高效梯級儲存與轉換的理論和方法課題5.鋼鐵流程系統的能耗排放特征及其廣義熱力學優(yōu)化課題6.鋼鐵生產過程能源高效配置與余能梯級利用核心學術思想、關鍵科學問題與課題之間的關系參見圖。課題1.全氧條件下高爐高溫熱化學反應與能質傳遞協同原理研究內容能質傳輸的協同強化規(guī)律。主要內容包括：（）礦相結構及熔體特性演變及調控機制化學勢強化及調控機制。（）高還原勢條件下高溫多相碳熱還原反應動力學高溫碳熱還原體系復雜多相熱化學反應過程中固－液－氣界面結構變化規(guī)化等反應體系的本征動力學特征，高溫多元多相復雜反應機理。（）高溫大容積反應器內多相體系的質能分布規(guī)律碳熱還原過程高溫多相非均質反應體系的能質傳遞與反應規(guī)律及相應數學時空多尺度特征，能質傳遞與化學反應的耦合機制。（）碳熱還原過程的能質傳遞與化學反應的協同強化C-CO-CO）分布特點和變化規(guī)律，碳熱還2熱能、提高碳素利用效率提供理論依據。（）碳素循環(huán)及CO分離和利用的關鍵工程技術基礎2CO分離過程能量分布與耗散特點，CO22理集成。研究目標高爐煉鐵系統的構建提供科學支撐。鐵工序碳耗下降25。承擔單位：北京科技大學重慶大學課題負責人：張欣欣主要學術骨干：薛慶國、郭占成、王靜松、李俊經費比例：%24.3課題2.高溫運動床層異形顆粒堆積體系內的能質傳遞與轉化機制研究內容強耦合傳遞過程機制。主要內容包括：（）高溫相變條件下單顆異形顆粒及堆積體系內氣固能質傳遞特性研究高溫相變條件下單顆球團顆粒內孔隙結構的瞬態(tài)變化及氣－固能質傳-固兩相之間的能質傳遞規(guī)律。（）高溫相變條件下異形顆粒體系反應動力學特性場溫度分布等條件下不同成分顆粒體系化學反應速率的變化特性，揭示高溫相變條件下異形顆粒體系的能質轉化規(guī)律。研究高溫回轉條件下三維異形顆粒隨機瞬態(tài)堆積幾何拓撲結構的生成方法，熱－質－力”的相互影響機理及與幾何參數的關系并確立其能質協同強化方法。（）高溫運動床層能質傳遞、轉化理論及評價體系體系宏觀能質傳遞的影響規(guī)律，研究氣相燃燒反應、動量熱量傳輸行為與多孔論與評價體系，為球團、燒結、煉焦熱工系統設計提供理論支持。研究目標研究高溫移動及回轉條件下異形顆粒堆積體系內的各種復雜能質傳遞效應，及熱邊界條件下高溫顆粒反應單元內多物理場耦合數值分析模型及能質協同強球團、燒結及煉焦過程中的高效高質生產與節(jié)能減排提供科學支撐。形成固相余熱高效回收技術原型。承擔單位：西安交通大學北京工業(yè)大學海軍工程大學課題負責人：王秋旺主要學術骨干：王景甫、曾敏、吳一寧、王文華經費比例：16.6%課題3.基于物料品質調控的高溫熔渣余熱回收能質傳輸機理研究內容強化及物料品質的有效調控方法。主要內容包括：（）高溫物料顆粒相變冷卻與物相結構演變及性能程與物相結構變化的相互作用規(guī)律。（）高溫熔渣?；瘷C制、顆粒成型及分布沉降特性互作用規(guī)律。（）高溫非均質顆粒體系中多元多相流動和相變傳熱傳質機理及特性理及耦合作用特性，顆粒局部熔融和部分流化等相態(tài)和流場非均勻性的影響規(guī)傳熱傳質理論模型，熱質傳遞和物料品質變化的規(guī)律及耦聯關系。（）高溫熔渣余熱回收系統中多場耦合驅動的熱質傳遞強化與物料品質調控高溫熔渣余熱回收系統中多場耦合驅動的熱質傳遞強化方法及物料品質調的協同優(yōu)化理論，適用于高溫熔渣高效余熱回收系統的相似性準則關系。研究目標揭示鋼鐵生產工業(yè)過程中熔融鋼鐵渣物料余熱回收中的復雜多相流動和傳的協同機制及特性，建立高溫非均質熔融顆粒體系中具有相變及化學反應的氣-依據。形成鋼鐵渣余熱回收和品質調控技術原型，高溫熔渣熱回收率大于。承擔單位：重慶大學北京工業(yè)大學北京科技大學課題負責人：朱恂主要學術骨干：高小強、崔素萍、林林、王宏經費比例：13.7%課題4.氣相余熱高效梯級儲存與轉換的理論和方法研究內容究間歇性氣相余熱高效蓄存與轉換的新原理、新方法和新裝置。主要內容包括：（）間歇性余熱蓄存的非穩(wěn)態(tài)特性和梯級連續(xù)利用的原理與方法物質轉化工業(yè)中典型溫域區(qū)段（－1000C、－C、－C）歇性余熱高效蓄存和連續(xù)利用的原理及過程控制方法。（）多孔功能相變材料內流固耦合輸運模型及異相異質界面效應相變態(tài)與突變演化規(guī)律及其對傳遞和反應性能影響，時空多尺度結構及相變吸附熱質傳遞過程及模型。（）多孔功能相變蓄傳熱材料的設計、性能調控與表征團簇的組裝與表征，基材與填充材料復合的基本模式及物理機制；復合材料宏系和數理描述，影響材料儲熱性能的關鍵參數，宏觀熱物性的可控性變量。（）梯級蓄傳熱系統構建、強化蓄傳熱特性及機理多孔功能相變材料在典型強化管道和孔隙結構體系中的流固耦合輸運傳熱特性，針對不同溫域、具有強化蓄傳熱結構、并能實現間歇輸入/連續(xù)輸出的復傳熱效率、綜合傳熱系數、非穩(wěn)態(tài)響應特性等參數與蓄熱材料、蓄熱結構、輸入/輸出參數間的相變材料的間隙性余熱高效蓄傳熱機理及連續(xù)利用新方法。研究目標用的理論和方法；明晰多孔功能相變材料的設計、制備、表征與控制的基本方存與轉換系統的開發(fā)提供理論依據和新方法。形成轉爐煤氣高效蓄傳熱回收和中低溫余熱熱質綜合利用技術原型。承擔單位：上海交通大學中山大學北京科技大學課題負責人：吳慧英主要學術骨干：丁靜、王戈、劉振華、陸建峰經費比例：15.1%課題5.鋼鐵流程系統的能耗排放特征及其廣義熱力學優(yōu)化研究內容次物流-能流網絡模型及流程體系的廣義熱力學優(yōu)化，主要內容包括：（）鋼鐵生產流程的普適性物理模型及整體行為特征統的整體行為特征。（）鋼鐵生產流程資源、能源與環(huán)境效應評價方法以能值為表征參數的特征化模型，計算礦物資源、能源及可利用廢棄物原料的能值特征化因子；碳、氮、硫等元素向多形態(tài)廢棄物轉換及排放的關鍵環(huán)節(jié)，復雜流程多目標集成的評價指標體系。（）鋼鐵生產流程多層次物流、能流網絡及運行時序特征源消耗、排放限制等對系統整體運行效果的影響規(guī)律。（）生產流程系統構型及運行調控的廣義熱力學優(yōu)化分配、余能綜合利用方式以及熱力學和動力學參數等；物流-能流-環(huán)境的作用機能的共性問題及本課題研究成果移植創(chuàng)新的主要途徑。研究目標的廣義熱力學普適模型，建立流程資源、能源與環(huán)境效應的綜合評價指標體系，及決策，提出流程整體的系統集成技術與運行策略，形成多層次流程體系物流-能流-環(huán)境綜合協調的廣義熱力學優(yōu)化理論，為鋼鐵生產過程節(jié)能減排的系統集成和構建鋼鐵企業(yè)能源環(huán)保中心提供科學技術支撐。降低約－。承擔單位：中國人民解放軍海軍工程大學北京科技大學課題負責人：陳林根主要學術骨干：馮妍卉、姜澤毅、謝志輝、魏曙寰經費比例：16.0%課題6.鋼鐵生產過程的能源高效配置與余能梯級利用研究內容置與綜合梯級利用研究，達到示范應用水平。主要內容包括：（）生產過程的能量轉化與優(yōu)化配置方法系統能源形式轉換、熱量存儲與傳遞、質量存儲與傳遞的機理；能量轉化、化與優(yōu)化配置方法。（）生產過程蒸汽與伴生氣系統全網絡動態(tài)調控方法伴生氣系統調節(jié)規(guī)律和優(yōu)化策略。（）生產過程伴生氣梯級利用關鍵技術的科學問題等對潔凈穩(wěn)定燃燒的影響機理，發(fā)展新的潔凈穩(wěn)燃方法。（）基于生產過程的余能全工況分析與系統集成驗證聯合循環(huán)發(fā)電方法，進行系統集成驗證研究。研究目標“”徑，完成系統集成驗證。。承擔單位：中科院工程熱物理所北京科技大學課題負責人：譚春青主要學術骨干：王立、張華良、袁怡祥、童麗葛經費比例：14.3%4課題間相互關系如圖41和課題2的研究對象均是以物理化學反12層顆粒堆積體系的能質傳遞規(guī)律，發(fā)展復雜條件下氣固體系換熱理論。課題、3和4均圍繞多形態(tài)余熱高效轉換與梯級回收過程多場耦合傳輸機制開展研究，課題2和334題5和6均研究流程層面的高效節(jié)能問題，但課題5側重流程物流-能流耦合與協調，研究鋼鐵流程物流-能流-環(huán)境作用機制，發(fā)展鋼鐵生產流程多層次物流-6則基于總能系統思想和鋼鐵流程集成優(yōu)化方法，進行鋼鐵生產過程能源配置與余能綜合梯級利用試驗驗證。圖4課題間相互關系四、年度計劃研究內容預期目標1高還原勢下爐料礦相結構及固熔1掌握全氧高爐條件下爐料礦相結構及冶金性能演變規(guī)律。演變規(guī)律及含鐵爐料還原反應動力2獲得高溫相變條件下單顆球團顆粒內能質傳遞特性。2高溫相變條件下單顆球團顆粒內3獲得單個高溫熔融顆粒冷卻特性、構的瞬態(tài)變化及氣-固能質傳遞特高溫熔融物料顆粒內部相變傳熱理論模型。3單個高溫熔融顆?？梢暬瘜嶒炂?功能吸附材料熱質傳遞特性理論規(guī)4律。5建立包含熱力學和動力學參數的的廣義熱力學模型；獲得工序模塊、5工序模塊和單體組件等層次單元構。6建立系統物理能與化學能的能轉中單元操作過程的廣義熱力學建模流程時空特性，各層次單元間物流、6鋼鐵工業(yè)全時空多品位能量流組特性。7發(fā)表論文40篇以上，SCI/EI收錄論文10篇以上；申請專利1項。熱值伴生氣燃燒特性實驗裝置和燃氣配氣、調節(jié)控制和測量機構。研究內容預期目標1全氧高爐條件下含鐵爐料還原反1揭示高還原勢下含鐵爐料還原反應動力學及多相化學反應固-液-氣反應耦合模型及能質傳遞與化學反立含鐵爐料還原動力學模型。2確立高溫相變條件下球團堆積體2構造異形顆粒堆積幾何拓撲結系內的能質傳遞規(guī)律。3揭示單個高溫熔融顆粒內部相變及傳遞過程與物相結構變化的相互3單個高溫熔融顆粒傳熱及物相轉結構特性等參數對熔渣顆粒成型特化的實驗及單個高溫熔融物料顆粒性的影響。內部相變傳熱理論模型；氣淬-轉杯4獲得復合相變蓄熱材料的制備方相變蓄熱材料的輸運特性分析模型；4配置獲得合適的相變蓄熱材料，完善時空多尺度結構及多孔吸附熱質傳遞過程數值模型。5建立包含熱力學和動力學參數的功能子系統各層次單元的廣義熱力立時空多尺度結構及吸附熱質傳遞學模型，獲得功能子系統的行為特分析模型；質熱交換系統測試平臺；棄物轉換及排放的作用機制和特征5功能子系熱力學和動力學特征，規(guī)律。包含熱力學和動力學參數的功能子6獲得鋼鐵流程中能量轉換間相互系統廣義熱力學建模方法；碳、氮、硫等元素向多形態(tài)廢棄物轉換及排6和利用過程中系統與各單元相互耦燃方法。7發(fā)表論文60篇以上，SCI/EI收錄論文15篇以上；申請專利5項；軟統與部件特性及低熱值伴生氣燃燒件著作權登記2項。貧熄實驗；設計多種燃燒穩(wěn)定裝置。研究內容預期目標1氣固換熱與化學反應耦合模型及1掌握全氧高爐爐內溫度場、濃度與化學反應的耦合模型。2明確高溫運動復雜邊界條件對異C-CO-CO形顆粒體系能質傳遞特性的影響。3揭示?；瘷C制與熔渣顆粒特性相2移動及回轉條件下高溫異形顆粒互作用規(guī)律和顆粒局部熔融與部分動力邊界條件下高溫異形顆粒堆積出高溫非均質熔渣顆粒體系中多元多相傳熱傳質模型。3高溫熔渣粒化機制、顆粒成型及4掌握多孔異質復合相變材料蓄傳相變材料熱質輸運分析模型和多孔質熔渣顆粒體系中的多元多相傳熱換實驗測試平臺的搭建和測試工作。4設計并制造相變蓄熱裝置，進行5建立包含熱力學和動力學參數的流程系統各層次單元廣義熱力學模熱材料輸運特性分析模型和多孔吸境影響的生命周期評價方法和復雜5整體流程系統熱力學和動力學特鋼鐵流程節(jié)能減排需求的分析和評參數的整體流程系統的廣義熱力學型和一般鋼鐵生產流程系統仿真平臺。境間作用機制及綜合評價方法和減6提出總能效率優(yōu)化的多途徑系統高效蓄熱和利用的協同優(yōu)化調節(jié)方科工程最優(yōu)化理論及數學求解方法。6鋼鐵生產過程的能量轉化與優(yōu)化熱值伴生氣余能利用系統的變工況配置方法，余能系統全工況特性研規(guī)律和耐磨損高效壓縮機葉片設計的影響機制，發(fā)展低污染燃燒方法。間扭曲方法和多級動靜部件干涉及其優(yōu)化匹配方法；低熱值伴生氣成論文25篇以上；申請專利7項；軟分、濃度等對潔凈燃燒的影響。件著作權登記3項。7發(fā)表論文60篇以上，SCI/EI收錄研究內容預期目標11掌握全氧高爐內碳素（C-CO-CO）2C-CO-CO系統仿真模型。2環(huán)關系；全氧高爐冶煉過程仿真模2揭示高溫相變條件下異形顆粒體系內的能質轉化規(guī)律。2高溫相變條件下異形顆粒體系內3揭示高溫相變熔渣顆粒體系熱傳的氣相組成、氣相流場溫度分布實參數對余熱回收率及物料品質的影3高溫非均質顆粒體系流動和傳熱響。4建立用于間隙性氣相余熱回收的中的多元多相傳熱傳質理論模型計合驅動的熱質傳遞強化方法及物料論的組合式復合相變蓄熱材料和強化蓄傳熱系統。4熱電轉換性能測試，熱電轉換分5合式復合相變蓄熱材料的設計開發(fā)；整體物理-能流耦合的系統集成技術基于材料添加和結構優(yōu)化的相變蓄傳熱強化理論和相應的傳熱強化方力學最優(yōu)參數選擇。5工序模塊和功能子系統等層次的6提出新的蒸汽系統的節(jié)能調節(jié)和系統構型及運行調控的廣義熱力學優(yōu)化方法和新型高效聯合循環(huán)發(fā)電設計方法和低熱值伴生氣穩(wěn)燃并兼顧低污染排