2012CB720400 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国家重大需求主要技术瓶颈钢铁生产过程高效节能基础研究关键科学问题技术应用对象图2钢铁工业节能减排技术瓶颈与关键科学问题（）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。（）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，余能高效转换与储存方法。（）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理论和流程调控策略。2研究内容：高温热化学反应与能质传递协同强化理论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炼铁新工艺系统的构建奠定科学基础。研究内容：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：气相余热梯级蓄存、回收中的能质输运理论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：钢铁生产流程多层次物流－能流网络理论与系统集成优化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、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14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”、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。原型62流程能耗降低－4000万吨标煤现CO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2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。22.1科学理论层面（）多相复杂高温热化学反应与能质传递的协同强化理论。阐明铁氧碳反积反应器能效提供理论基础。（）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，形成多层次流效、低排放的系统集成优化奠定科学基础。（）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（）在“协同强化理论”和“余能高效转换与储存方法”指导下，取得以梯级利用。使能耗降低综合效果达到－。（）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－。2.3工程应用层面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。－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－3－2名国家级人才奖励计划获得者，－10名中青年学术带头人，博士生－60名，硕士生－50名。三、研究方案11.1学术思路寻求突破关键技术瓶颈问题的解决办法。从设备尺度而言程多场耦合，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”贯穿于钢铁生业提高效率、降低能耗、减少排放的有效途径。1.2技术路线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310－12%4000万吨标煤年、减排9000万吨CO年。2目标2创新技术方法理论图3总体技术思路1.3可行性本项目的学术思路和技术途径来源于项目承担单位在冶金、建材、工程热物理、材料科学、信息科学及管理学领域扎实的工作基础和研究经验。（）项目承担单位具备坚实的研究基础本项目参加单位承担或参与了多项国家重大科技项目，包括国家973计划、863重点项目和科技支撑计划等30优化研究项目、高炉喷煤催化助燃节能技术、高温传热蓄热过程多尺度结构中流动与传递规律等项目为本项目提供了扎实的前期工作基础。（）项目承担单位在相关领域已取得大批高水平研究成果本项目申请和合作单位在国家自然科学基金、国家973863计划和科技支撑计划资助下，已在冶金、材料及能源科学等领域开展了大量基础研究，并在相关研究领域已获得11项国家级科技奖励，如干熄焦引进技术消化吸收“一供了丰富的研究经验和充分的知识储备。（）项目承担单位具备从事本项目研究的实验基础条件进、实验手段齐全，为项目实施提供了优质的实验研究基础和条件。（）项目承担单位具有很好的国际合作基础目前，项目承担单位与美国、英国、德国、法国、瑞典、日本和韩国等国家域，项目承担单位于2010年5月与美国劳伦斯伯克利国家实验室和橡树岭国家估技术、软件和数据库建设及人员交流培训等方面开展了长期长效的全面合作。2（）针对全氧高炉炼铁技术，揭示其冶炼过程物理机制，构建高温、大通量、大容积反应器内热化学反应与能质转换协同强化理论，提高碳热能源利用效率，为形成高效节能减排的全氧高炉冶炼技术提供理论基础。（）针对钢铁工业中部分余能资源难于回收和低效利用的问题，揭示多形能高效转换与储存方法”新方法。（）针对钢铁生产流程的复杂性和整体性，深刻认识其生产流程资源－能源－环境作用机理，提出能耗及环境效应综合评价方法，构建钢铁生产过程多层次物流－能流－环境综合协调的广义热力学优化理论。3本项目针对目前钢铁生产中的技术瓶颈，以个关键科学问题为核心，设置了以下个课题：课题1.全氧条件下高炉高温热化学反应与能质传递协同原理课题2.高温运动床层异形颗粒堆积体系内的能质传递与转化机制课题3.基于物料品质调控的高温熔渣余热回收能质传输机理课题4.气相余热高效梯级储存与转换的理论和方法课题5.钢铁流程系统的能耗排放特征及其广义热力学优化课题6.钢铁生产过程能源高效配置与余能梯级利用核心学术思想、关键科学问题与课题之间的关系参见图。课题1.全氧条件下高炉高温热化学反应与能质传递协同原理研究内容能质传输的协同强化规律。主要内容包括：（）矿相结构及熔体特性演变及调控机制化学势强化及调控机制。（）高还原势条件下高温多相碳热还原反应动力学高温碳热还原体系复杂多相热化学反应过程中固－液－气界面结构变化规化等反应体系的本征动力学特征，高温多元多相复杂反应机理。（）高温大容积反应器内多相体系的质能分布规律碳热还原过程高温多相非均质反应体系的能质传递与反应规律及相应数学时空多尺度特征，能质传递与化学反应的耦合机制。（）碳热还原过程的能质传递与化学反应的协同强化C-CO-CO）分布特点和变化规律，碳热还2热能、提高碳素利用效率提供理论依据。（）碳素循环及CO分离和利用的关键工程技术基础2CO分离过程能量分布与耗散特点，CO22理集成。研究目标高炉炼铁系统的构建提供科学支撑。铁工序碳耗下降25。承担单位：北京科技大学重庆大学课题负责人：张欣欣主要学术骨干：薛庆国、郭占成、王静松、李俊经费比例：%24.3课题2.高温运动床层异形颗粒堆积体系内的能质传递与转化机制研究内容强耦合传递过程机制。主要内容包括：（）高温相变条件下单颗异形颗粒及堆积体系内气固能质传递特性研究高温相变条件下单颗球团颗粒内孔隙结构的瞬态变化及气－固能质传-固两相之间的能质传递规律。（）高温相变条件下异形颗粒体系反应动力学特性场温度分布等条件下不同成分颗粒体系化学反应速率的变化特性，揭示高温相变条件下异形颗粒体系的能质转化规律。研究高温回转条件下三维异形颗粒随机瞬态堆积几何拓扑结构的生成方法，热－质－力”的相互影响机理及与几何参数的关系并确立其能质协同强化方法。（）高温运动床层能质传递、转化理论及评价体系体系宏观能质传递的影响规律，研究气相燃烧反应、动量热量传输行为与多孔论与评价体系，为球团、烧结、炼焦热工系统设计提供理论支持。研究目标研究高温移动及回转条件下异形颗粒堆积体系内的各种复杂能质传递效应，及热边界条件下高温颗粒反应单元内多物理场耦合数值分析模型及能质协同强球团、烧结及炼焦过程中的高效高质生产与节能减排提供科学支撑。形成固相余热高效回收技术原型。承担单位：西安交通大学北京工业大学海军工程大学课题负责人：王秋旺主要学术骨干：王景甫、曾敏、吴一宁、王文华经费比例：16.6%课题3.基于物料品质调控的高温熔渣余热回收能质传输机理研究内容强化及物料品质的有效调控方法。主要内容包括：（）高温物料颗粒相变冷却与物相结构演变及性能程与物相结构变化的相互作用规律。（）高温熔渣粒化机制、颗粒成型及分布沉降特性互作用规律。（）高温非均质颗粒体系中多元多相流动和相变传热传质机理及特性理及耦合作用特性，颗粒局部熔融和部分流化等相态和流场非均匀性的影响规传热传质理论模型，热质传递和物料品质变化的规律及耦联关系。（）高温熔渣余热回收系统中多场耦合驱动的热质传递强化与物料品质调控高温熔渣余热回收系统中多场耦合驱动的热质传递强化方法及物料品质调的协同优化理论，适用于高温熔渣高效余热回收系统的相似性准则关系。研究目标揭示钢铁生产工业过程中熔融钢铁渣物料余热回收中的复杂多相流动和传的协同机制及特性，建立高温非均质熔融颗粒体系中具有相变及化学反应的气-依据。形成钢铁渣余热回收和品质调控技术原型，高温熔渣热回收率大于。承担单位：重庆大学北京工业大学北京科技大学课题负责人：朱恂主要学术骨干：高小强、崔素萍、林林、王宏经费比例：13.7%课题4.气相余热高效梯级储存与转换的理论和方法研究内容究间歇性气相余热高效蓄存与转换的新原理、新方法和新装置。主要内容包括：（）间歇性余热蓄存的非稳态特性和梯级连续利用的原理与方法物质转化工业中典型温域区段（－1000C、－C、－C）歇性余热高效蓄存和连续利用的原理及过程控制方法。（）多孔功能相变材料内流固耦合输运模型及异相异质界面效应相变态与突变演化规律及其对传递和反应性能影响，时空多尺度结构及相变吸附热质传递过程及模型。（）多孔功能相变蓄传热材料的设计、性能调控与表征团簇的组装与表征，基材与填充材料复合的基本模式及物理机制；复合材料宏系和数理描述，影响材料储热性能的关键参数，宏观热物性的可控性变量。（）梯级蓄传热系统构建、强化蓄传热特性及机理多孔功能相变材料在典型强化管道和孔隙结构体系中的流固耦合输运传热特性，针对不同温域、具有强化蓄传热结构、并能实现间歇输入/连续输出的复传热效率、综合传热系数、非稳态响应特性等参数与蓄热材料、蓄热结构、输入/输出参数间的相变材料的间隙性余热高效蓄传热机理及连续利用新方法。研究目标用的理论和方法；明晰多孔功能相变材料的设计、制备、表征与控制的基本方存与转换系统的开发提供理论依据和新方法。形成转炉煤气高效蓄传热回收和中低温余热热质综合利用技术原型。承担单位：上海交通大学中山大学北京科技大学课题负责人：吴慧英主要学术骨干：丁静、王戈、刘振华、陆建峰经费比例：15.1%课题5.钢铁流程系统的能耗排放特征及其广义热力学优化研究内容次物流-能流网络模型及流程体系的广义热力学优化，主要内容包括：（）钢铁生产流程的普适性物理模型及整体行为特征统的整体行为特征。（）钢铁生产流程资源、能源与环境效应评价方法以能值为表征参数的特征化模型，计算矿物资源、能源及可利用废弃物原料的能值特征化因子；碳、氮、硫等元素向多形态废弃物转换及排放的关键环节，复杂流程多目标集成的评价指标体系。（）钢铁生产流程多层次物流、能流网络及运行时序特征源消耗、排放限制等对系统整体运行效果的影响规律。（）生产流程系统构型及运行调控的广义热力学优化分配、余能综合利用方式以及热力学和动力学参数等；物流-能流-环境的作用机能的共性问题及本课题研究成果移植创新的主要途径。研究目标的广义热力学普适模型，建立流程资源、能源与环境效应的综合评价指标体系，及决策，提出流程整体的系统集成技术与运行策略，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，为钢铁生产过程节能减排的系统集成和构建钢铁企业能源环保中心提供科学技术支撑。降低约－。承担单位：中国人民解放军海军工程大学北京科技大学课题负责人：陈林根主要学术骨干：冯妍卉、姜泽毅、谢志辉、魏曙寰经费比例：16.0%课题6.钢铁生产过程的能源高效配置与余能梯级利用研究内容置与综合梯级利用研究，达到示范应用水平。主要内容包括：（）生产过程的能量转化与优化配置方法系统能源形式转换、热量存储与传递、质量存储与传递的机理；能量转化、化与优化配置方法。（）生产过程蒸汽与伴生气系统全网络动态调控方法伴生气系统调节规律和优化策略。（）生产过程伴生气梯级利用关键技术的科学问题等对洁净稳定燃烧的影响机理，发展新的洁净稳燃方法。（）基于生产过程的余能全工况分析与系统集成验证联合循环发电方法，进行系统集成验证研究。研究目标“”径，完成系统集成验证。。承担单位：中科院工程热物理所北京科技大学课题负责人：谭春青主要学术骨干：王立、张华良、袁怡祥、童丽葛经费比例：14.3%4课题间相互关系如图41和课题2的研究对象均是以物理化学反12层颗粒堆积体系的能质传递规律，发展复杂条件下气固体系换热理论。课题、3和4均围绕多形态余热高效转换与梯级回收过程多场耦合传输机制开展研究，课题2和334题5和6均研究流程层面的高效节能问题，但课题5侧重流程物流-能流耦合与协调，研究钢铁流程物流-能流-环境作用机制，发展钢铁生产流程多层次物流-6则基于总能系统思想和钢铁流程集成优化方法，进行钢铁生产过程能源配置与余能综合梯级利用试验验证。图4课题间相互关系四、年度计划研究内容预期目标1高还原势下炉料矿相结构及固熔1掌握全氧高炉条件下炉料矿相结构及冶金性能演变规律。演变规律及含铁炉料还原反应动力2获得高温相变条件下单颗球团颗粒内能质传递特性。2高温相变条件下单颗球团颗粒内3获得单个高温熔融颗粒冷却特性、构的瞬态变化及气-固能质传递特高温熔融物料颗粒内部相变传热理论模型。3单个高温熔融颗粒可视化实验平4功能吸附材料热质传递特性理论规4律。5建立包含热力学和动力学参数的的广义热力学模型；获得工序模块、5工序模块和单体组件等层次单元构。6建立系统物理能与化学能的能转中单元操作过程的广义热力学建模流程时空特性，各层次单元间物流、6钢铁工业全时空多品位能量流组特性。7发表论文40篇以上，SCI/EI收录论文10篇以上；申请专利1项。热值伴生气燃烧特性实验装置和燃气配气、调节控制和测量机构。研究内容预期目标1全氧高炉条件下含铁炉料还原反1揭示高还原势下含铁炉料还原反应动力学及多相化学反应固-液-气反应耦合模型及能质传递与化学反立含铁炉料还原动力学模型。2确立高温相变条件下球团堆积体2构造异形颗粒堆积几何拓扑结系内的能质传递规律。3揭示单个高温熔融颗粒内部相变及传递过程与物相结构变化的相互3单个高温熔融颗粒传热及物相转结构特性等参数对熔渣颗粒成型特化的实验及单个高温熔融物料颗粒性的影响。内部相变传热理论模型；气淬-转杯4获得复合相变蓄热材料的制备方相变蓄热材料的输运特性分析模型；4配置获得合适的相变蓄热材料，完善时空多尺度结构及多孔吸附热质传递过程数值模型。5建立包含热力学和动力学参数的功能子系统各层次单元的广义热力立时空多尺度结构及吸附热质传递学模型，获得功能子系统的行为特分析模型；质热交换系统测试平台；弃物转换及排放的作用机制和特征5功能子系热力学和动力学特征，规律。包含热力学和动力学参数的功能子6获得钢铁流程中能量转换间相互系统广义热力学建模方法；碳、氮、硫等元素向多形态废弃物转换及排6和利用过程中系统与各单元相互耦燃方法。7发表论文60篇以上，SCI/EI收录论文15篇以上；申请专利5项；软统与部件特性及低热值伴生气燃烧件著作权登记2项。贫熄实验；设计多种燃烧稳定装置。研究内容预期目标1气固换热与化学反应耦合模型及1掌握全氧高炉炉内温度场、浓度与化学反应的耦合模型。2明确高温运动复杂边界条件对异C-CO-CO形颗粒体系能质传递特性的影响。3揭示粒化机制与熔渣颗粒特性相2移动及回转条件下高温异形颗粒互作用规律和颗粒局部熔融与部分动力边界条件下高温异形颗粒堆积出高温非均质熔渣颗粒体系中多元多相传热传质模型。3高温熔渣粒化机制、颗粒成型及4掌握多孔异质复合相变材料蓄传相变材料热质输运分析模型和多孔质熔渣颗粒体系中的多元多相传热换实验测试平台的搭建和测试工作。4设计并制造相变蓄热装置，进行5建立包含热力学和动力学参数的流程系统各层次单元广义热力学模热材料输运特性分析模型和多孔吸境影响的生命周期评价方法和复杂5整体流程系统热力学和动力学特钢铁流程节能减排需求的分析和评参数的整体流程系统的广义热力学型和一般钢铁生产流程系统仿真平台。境间作用机制及综合评价方法和减6提出总能效率优化的多途径系统高效蓄热和利用的协同优化调节方科工程最优化理论及数学求解方法。6钢铁生产过程的能量转化与优化热值伴生气余能利用系统的变工况配置方法，余能系统全工况特性研规律和耐磨损高效压缩机叶片设计的影响机制，发展低污染燃烧方法。间扭曲方法和多级动静部件干涉及其优化匹配方法；低热值伴生气成论文25篇以上；申请专利7项；软分、浓度等对洁净燃烧的影响。件著作权登记3项。7发表论文60篇以上，SCI/EI收录研究内容预期目标11掌握全氧高炉内碳素（C-CO-CO）2C-CO-CO系统仿真模型。2环关系；全氧高炉冶炼过程仿真模2揭示高温相变条件下异形颗粒体系内的能质转化规律。2高温相变条件下异形颗粒体系内3揭示高温相变熔渣颗粒体系热传的气相组成、气相流场温度分布实参数对余热回收率及物料品质的影3高温非均质颗粒体系流动和传热响。4建立用于间隙性气相余热回收的中的多元多相传热传质理论模型计合驱动的热质传递强化方法及物料论的组合式复合相变蓄热材料和强化蓄传热系统。4热电转换性能测试，热电转换分5合式复合相变蓄热材料的设计开发；整体物理-能流耦合的系统集成技术基于材料添加和结构优化的相变蓄传热强化理论和相应的传热强化方力学最优参数选择。5工序模块和功能子系统等层次的6提出新的蒸汽系统的节能调节和系统构型及运行调控的广义热力学优化方法和新型高效联合循环发电设计方法和低热值伴生气稳燃并兼顾低污染排