钢铁工业技术转型中的能量流网络问题

钢铁工业技术转型中的能量流网络问题

1中国钢铁工业能耗及节能潜力的变化改革开放30年的努力，中国的钢铁工业发生了重大变化，产量和工业竞争力显著提高，相应吨钢的能耗显著下降（图1），这明显缩小了世界上强大钢铁工业的差距。中国钢铁工业用显著的发展业绩破解了西方学者早在20世纪70年代提出的钢铁工业是“夕阳工业”的命题,证明了钢铁工业是基础工业,钢铁材料是“必选”材料。但钢铁工业仍然面临极具挑战性的命题,突出表现在:“两高一资”(高能耗、高排放、资源依赖型)问题尚未根本解决,能源成本、环境负荷以及碳减排等方面的压力很大。这是中国钢铁工业未来可持续发展过程中不容回避的新问题。回顾改革开放30年走过的历程,中国钢铁工业所开展的节能降耗工作可归纳为以下3个重要阶段。1)在20世纪80年代,重点开展了钢厂防止和减少“跑、冒、滴、漏”;改进燃烧、提高热效率的单体技术的开发与应用;加强管理,开展工序装置的晋等升级活动;提出系统节能的理论、概念等。所采用节能技术的起点相对较低,而且均属局部性、单体性的技术。2)20世纪90年代,在生产流程的相关工序上重点开展了连铸、高炉喷吹煤粉、高炉长寿、棒/线材连轧国产化、转炉溅渣护炉以及大型超高功率电炉等先进共性-关键技术的系统突破和推广应用,实现了生产流程的结构优化和吨钢能耗的大幅度降低,体现出90年代系统节能的特征;同时,逐步淘汰模铸、初轧/开坯、往复式轧机、平炉、混铁炉、化铁炼钢、“老三段”小电炉等落后工艺/装置,体现出通过淘汰落后实现节能降耗的特点。3)进入21世纪以来,通过“三干”(干熄焦、高炉煤气干法除尘、转炉煤气干法除尘)、“节约用水”、“余能余热发电”等技术的开发与应用,逐步进入到全面、深入、系统地开发钢铁制造流程的“能源转换功能”时期。展望未来5-10年,中国仍处在工业化中、后期的重要发展阶段,中国钢铁工业应采取何种发展战略和技术方法进一步实现节能降耗,值得深思和大胆探索。2009年9月,由中国工程院和中国金属学会发起,在北京召开了第356次香山科学讨论会,以“钢厂生产过程中能量流行为与能量流网络的构建”为主题展开学术研讨,旨在引导中国钢铁界从充分发挥钢厂3个功能(钢铁产品制造功能、能源转换功能、废弃物消纳-处理和再资源化功能)的视角,审视钢铁制造流程中铁素物质流和能量流的行为、规律,探索与铁素物质流在时-空域上相关的能量流的输入/输出特点和能量流网络的构建,以及相应的信息流集成调控。籍此,进一步剖析钢铁工业节能减排的潜力,寻求提高钢厂综合竞争力和多方位服务于可持续发展社会的可能性,深入探讨相关理论的建立、技术开发和工程化实施的策略等。2与外界环境间的物质交换和动态-有序状态的转换从热力学角度分析钢铁生产流程,可将研究对象概括成3种不同条件下的热力学系统:孤立系统、封闭系统和开放系统(见图2)。孤立系统的特征是与外界环境既没有物质交换也没有能量交换,这种系统是一种理论抽象的模型。宏观看待孤立系统,其过程的终极趋向是系统的熵增为零,系统达到最高的均匀度和静态平衡。在经典热力学研究中,通过孤立系统的平衡计算判据,以判断发生在孤立系统中各类过程进行的方向和限度。需要指出的是,在回答过程进行的可能性、方向和限度时,并没有给出时间因素的影响。封闭系统是在给定温度条件下与外界环境有能量交换,但没有物质交换。从宏观看,其自发趋势一是向某种近平衡状态转变,其过程转变的结果与能量交换的多少有关;另一可能性是达到非平衡的稳定态,该状态的特征参数不再随时间变化。可以看出,在研究封闭系统的变化过程时,已经需要考虑时间因素和其带来的影响效果了,因而较为接近某些现实情况。钢铁生产中现实的例证,如与外界不进行物质交换的感应加热系统或电磁搅拌系统等。开放系统和外界环境之间是敞开的,即系统与外界环境之间既有物质交换,又有能量交换,这是自然界中最为普遍的现象。从宏观看,当该系统处于远离平衡态的非线性变化区域时,可通过某些干预措施和利用其内在的“涨落”及非线性相互作用机制,使该系统由某种混沌状态转变到动态-有序状态,形成所谓的“活结构”。这种动态-有序状态的维持需要不断地与外界环境进行能量、物质交换(输入、输出),并使系统的结构状态保持一定的稳定性,不会因外界微小的扰动而消失。既然开放系统需要与外界有持续的物质和能量交换,必然导致“流通量”(物质流和能量流)的介入和时间因素的全程参与。改变“流通量”和变换干预措施(即他组织手段),都可能使系统从一个动态-有序状态跃迁到另一个动态-有序状态。这其中,已经体现出维持系统运行所必需的物质消耗和能量消耗的深刻内涵。在钢铁生产过程中,开放系统随处可见。可具体到某一单元工序的生产过程(如高炉炼铁过程、连铸过程、钢厂生产流程等过程),也可扩展到钢铁制造的全流程。对于钢厂的实际生产过程的优化而言,则期望获得消耗成本较低的动态-有序状态的持续保持。普里高金把远离平衡的非线性区内形成的动态稳定的有序结构称为耗散结构。耗散结构必须在开放系统中才能形成,也必须和外界环境持续地发生能量、物质和信息的交换,进而通过过程系统内部各组成单元的特征参数适度、合理的“涨落”和各单元之间的非线性相互作用(包括网络化整合、程序化协同等),耗散外界流入的负熵,在各组成单元之间产生协同作用和相干效应,形成动态-有序运行的耗散结构,使系统从混沌状态转向动态-有序状态,并获得自组织性和不同的自组织化程度。钢铁制造流程具有诸多功能不同的组成单元、复杂的结构和与此相关的运行规律。它具有多层次性(原子和分子、场域及装置、区段过程、整体流程)、多尺度性(时间、空间、质量等方面的)、有序性和混沌性(在功能、时间、空间等方面),也具有多种可能的连结-匹配和缓冲-协调(动态)方式。钢铁制造流程整体效率/效益的提升,是以不断地追求最佳化的动态-有序新结构和连续(准连续)-紧凑方式运行为目标,并实现流程运行过程中耗散的“最小化”。可以看出,研究钢铁制造流程的工程优化和技术提升问题,不能仅靠用孤立系统/封闭系统的概念、方法来解决,以往人们习惯使用的对单元工序或过程的质-能恒算方法,只能为研究者获得维持单元工序或单元过程可以进行的静态平衡关系,却忽视了对所研究对象系统的本质——耗散结构的输入-输出特征以及各构成单元之间复杂关联关系的认识,因而在某种程度上掩盖了对研究对象持续改进的方向;在解决全流程系统优化问题时,拘泥于片面地追求局部“平衡”或某一单元工序某一特征指标“最佳”,在生产实践中过分追求单元工序中某一指标“最佳”可能反而会导致全流程运行过程中耗散的增大,引起得不偿失的效果。3在钢铁制造过程中运行的工艺和物理本质3.1关于生产流程的认识钢厂的制造流程从表象上看,是由原料场、焦化、烧结(球团)、炼铁、炼钢、轧钢等生产单元所组成。长期以来,人们往往以为上工序的静态设计能力只要和下工序的静态设计能力相等,就可以通过并联-串联的方法来构建起钢厂的生产流程。例如有300万t/a的炼铁能力、300万t/a的炼钢能力和相应的轧钢能力,就是300万t/a钢厂。出现上述情况的根源是把钢厂生产流程看成由原料储存-原、燃料处理-还原炼铁-氧化炼钢-钢液凝固-钢坯再加热-钢坯热压力加工等工艺过程的简单堆砌和捆绑构成的。这种认识作为一种入门的工艺过程介绍似乎还可以,但作为对设计或实际生产运行(特别是动态-有序、连续-紧凑运行)的指导是不够的,甚至会产生误导。不能将钢厂的各工序简单相加看成是生产流程。各工序相加在一起最多只是钢厂制造流程的静态表象,还不能说是制造流程的静态结构,静态结构还应包括总平面图布局和各种工序装置容量和个数的合理性。3.2非线性耦合系统的功能拓展钢铁企业的生产过程实质上是物质、能量以及相应信息的流动/转变过程。其动态运行过程的物理本质是:物质流(主要是铁素流)在能量流(主要是碳素流)的驱动和作用下,按照设定的“程序”,沿着特定的“流程网络”作动态-有序运行。从热力学角度上看:钢铁制造流程是一类开放的、非平衡的、不可逆的、由不同结构-功能的异质单元工序通过非线性耦合所构成的复杂系统,其不同的动态运行过程的性质呈现出不同的耗散过程。在钢厂生产过程中,铁素物质流是一类多因子流,是被加工的主体。碳素能量流则作为驱动力、化学反应介质或热介质,并按照工艺要求对物质流进行加工、处理,使其发生位移、化学/物理转换,实现以制造过程中物质、能量“耗散最小化”为核心的多目标优化。例如生产效率高、产品质量优、能源消耗低、过程排放少、生产成本低、环境/生态友好等。由此看出,钢厂作为一类大尺度的开放系统,其运行模式比一般的化学反应、相变过程或单元操作过程要复杂得多。从钢铁制造流程动态-有序运行过程的物理本质出发,可以推出其功能应拓展为:1)铁素流运行的功能——钢铁产品制造功能;2)能量流运行的功能——能源转换功能以及与剩余能源相关的废弃物消纳-处理功能;3)铁素流-能量流相互作用过程的功能——实现过程工艺目标以及与此相应的废弃物消纳-处理功能。钢铁工业的未来发展,应该在充分理解钢铁制造流程动态-有序运行过程物理本质的基础上,进一步拓展钢厂的功能,以新的模式实现生态化转型,融入循环经济社会。4“流”的空间途径从钢铁制造流程的现代设计、动态生产运行和信息化调控的角度分析,必须建立起“流”的概念,对“流”的行为进行动态-有序、连续-紧凑地规范运行,这就必然会涉及“流”的空间途径(例如平面图、立面图等)即“流程网络”和时间过程(例如动态作业表等)主要体现为“程序”。“流”和“程序”、“流程网络”的优化组合、协同集成,就可以实现运行过程中物质、能量“耗散”的最小化。4.1制造过程中的流场钢铁制造流程中,“流”有3种载体来体现:以不同物质形态为载体的物质流,以不同能源形式为载体的能量流和信息形式为载体的信息流。物质流是制造过程中被加工的主体,是主要物质产品的加工实现过程;能量流是制造加工过程中驱动力、化学反应介质、热介质等角色的扮演者;而信息流则是物质流行为信息、能量流行为信息和外界环境信息的反映以及人为调控信息的总和。在制造流程的动态运行过程中,总体上看,物质流/能量流/信息流相伴而行、相互影响。4.2从局部输出到局部转化从物质流为主体的角度上看,在钢厂制造流程中,物质流始终带着能量流相伴而行。但若从能量流为主体的角度上看,在钢厂生产过程中,能量流并没有全部伴随着物质流运动,有部分能量流会脱离物质流相对独立地运行。因此,能量流与物质流的关系却是有相伴,也有部分分离的。相伴时,相互作用、影响;分离时,又各自表现各自的行为特点。总的看来,在钢厂生产流程中,能量流与物质流是有合有分的(图3～图5)。进一步分解到从局部的工序/装置看,在输入端,物质流和能量流分别输入;在装置内部,物质流与能量流相互作用、相互影响;在输出端,往往表现为物质流带着部分能量输出,同时还可能有不同形式的二次能量流脱离物质流分离输出。这是因为在工序/装置中,有必要的能量过剩,才能保证工艺、加工过程中的效率,因此有剩余能量流的输出是不可避免的。例如:在炼铁过程中,进入高炉以前,烧结(球团)矿和焦炭、煤粉、鼓风是分离的(物质流和能量流分离);在高炉中,它们又“合并”,烧结(球团)矿和焦炭、煤粉、鼓风相互作用、相互影响,发生燃烧升温、还原反应,完成成渣脱硫、铁液增碳等反应,最终实现液态生铁的生产;从高炉输出端看,液态生铁和液态炉渣等物质流承载着大部分能量输出,与此同时,大量高炉煤气带着动能、热能和化学能输出,即以分离能量流的形式输出。同样,在烧结过程、焦化过程、炼钢过程、轧钢加热炉过程也有相似的现象与过程,对于这些工艺过程,应该用输入、输出的方法来研究,而不仅是以静态的片段的物料平衡、能量平衡的方法分析其物质流、能量流的运行(图6、图7、图8、图9)。因此,不仅要注意物质流、能量流输入端的行为,而且也必须注意研究它们输出端的行为,以便为构建钢厂的能量流网络奠定基础。5动态运行要素对于钢厂制造流程过程中能量流行为的研究,必须从静态的、孤立的物料平衡-热平衡(质/能恒算)的方法中走出来,建立起输入/输出的动态性模型。因此,对能量流的研究也必须建立“流”、“程序”、“流程网络”等动态运行要素的概念,来研究开放的、远离平衡的、不可逆过程中能量流的输入/输出行为;也就是要从静态的、孤立的截面点位计算走向流程网络中能量流的动态运行。研究“流”的输入/输出特点,必然要涉及节点和连接器(线/弧)以及它们所组成的空间图形(流程网络),也必将涉及“流”动态运行的“程序”,特别是时间程序。建立能量流输入-输出的概念,不仅将涉及能源的量,而且还涉及到能阶、时间-空间等因素,涉及到能量流的运行程序,这样才有利于构建起优化的“能量流网络”,也有利于进一步提高能源利用效率。5.1特征参数不同时时-空域中能量流网络的技术特征钢厂中的能量流在经过不同的工序节点时有不同的载体形式,其输入-输出的状态有多种不同的表现形式,能量流的性质(燃料种类、煤气、蒸汽、其他形式余能、自发电的回用、物质流显热等)、品质(煤气种类及热值、蒸汽温度及压力、物质流温度等)、数量等特征参数会随着在钢厂中时-空域的不同而存在波动性、差异性。此外,能量流在不同节点处的特征参数还不可避免地存在着动态“涨落”现象,因此,很难用静态的、相互割裂的方法去准确描述这种动态变化的特征规律,必须用结构合理、兼容性好、容错能力强的网络化技术,来构建起能量流网络,最大限度地发挥各种能源介质(一次能源、二次能源等)的综合潜力,实现整个系统内能量的高效率利用和低成本耗散。在构建能量流网络时,需结合不同品质的煤气、蒸汽、物质流的显热等能源介质特点和所产生的地点及时间,制定出不同的耦合机制和恰当的回收使用方案。5.2单元工序质-能恒算结果从上述分析可以看出,当把一个完整的钢铁生产流程作为研究对象时,仅仅对所有单元工序分别作出各自物料平衡-热平衡计算结果(质-能恒算),很难对全流程整体的能源利用率和效益作出全面准确评价。姑且不论所研究的生产流程在结构、配置、工艺布局上是否存在设计缺陷,当对各工序做质-能恒算时,往往只能以“割裂”的方式得出与上下游工序“互不相关”工序能耗静态的计算结果。在这个计算结果中,对每个单元工序所产生的二次能源的利用效果或利用率的数据是缺失的,当其接续不同的用户时,会出现差异。以转炉煤气为例,当用作燃气热源时,其使用效果可简单用热效率计算(还须结合不同加热炉和烧嘴特点);当作为清洁燃气用来生产优质石灰时,除了能保证获得一定的热效率外,还会带来附加的优势(由于所生产的石灰含硫低,可以节省后续在铁水及钢水脱磷、脱硫时的成本及消耗)。而当全厂的煤气/蒸汽管网系统设计存在缺陷或处于非正常生产状况时,煤气/蒸汽的放散将不可避免,这种能量的损失也是单元工序质-能恒算结果中所不能反映的。可见,对钢厂生产过程中能量流的研究方法,应该用开放系统中输入/输出的动态模型,而动态模型的开发,必须建立起“流”、“运行程序”和“流程网络”等概念才能顺利建模。6关于“网络”本质与网络研究方法6.1“流”与“网络”的物理、程序研究从图论的角度上看,网络类似于图形,“网络”是节点和线(弧)以及它们之间关系的反映和描述。研究“网络”非常重要,它将涉及诸多方面,例如交通运输业、信息通讯业、流程制造业、质量管理工程、文化教育、金融财政等产业。这是因为“网络”是运行载体的路径轨迹和时空边界。不同类型运行载体的有效运行都需要有必要的、合理的“网络”与之匹配,才能实现其“功能最佳化”和“效率最大化”。在现代世界,“网络”是一个具有普适性的概念和“工具”,并且已经或正在逐步形成结构合理、功能恰当、效率很高的工程实体。研究“网络”不仅要研究“网络”本身,而且必须同时研究在“网络”中运行的各类“资源”和/或“事件”,也就是要研究各种不同性质、不同类型的“流”。例如物流、物质流、能量流、信息流、资金流、人流等。这些“流”是以不同特性、不同运行方式通过相应的“网络”动态-有序地运行的。不同特征、不同类型、不同运行方式的“流”将对“网络”的结构与功能提出不同的要求,因此研究“网络”必须要和所承载运行的“流”结合起来研究,不能脱离“流”的性质、要求而孤立地进行研究。“流”在“网络”中运行、流动的形式是多种多样的,例如规则稳定的、随机的、季节的;层流的、紊流的、层-紊结合的;单向的、双向的、多向的;串联的、并联的、串-并联等。为了适应不同特征“流”的运行效率、安全、稳定、舒适等要求,“网络”的设计、构建和运行不仅要在“结构”、“功能”上与之适应,而且必须注意“流”在“网络”中运行的“程序”。这些“程序”将涉及各种规则、策略以及功能序、空间序、时间序和时-空序等。由上述分析可以看出:“网络”具有动态流程性质,“网络”是特定的“流”按照某种特定的“程序”进行动态-有序运行的物理-几何框架。“流”、“网络”、“程序”三者构成了特定环境条件下的动态系统,这个动态系统是有结构、有功能的,而且要追求其运行效率的。对“网络”的研究,首先要研究它的结构和功能,进而分析其运行效率。与此同时,还必须认识到“网络”的整体性、动态性、有效性以及与之相关的层次结构性。6.2以数学手段为研究“网络”的合理性与有效性关系在研究“网络”的结构时,图论和运筹学是有用的方法、工具。由于不同性质、不同类型、不同运行方式和“流”对“网络”的要求不同,因此与之相适应的“网络”结构就不同。例如在钢铁企业内的物质流往往要求物质流网络是一种最小有向树的结构(图10),而其能量流网络则要求最好有“初级回路“的结构(图11),所以出现这些要求,都是源于物质流、能量流耗散最小化的要求和效率最大化的要求。作为“网络”结构的研究工具、方法,可以用图论、运筹学等数学手段处理,以求得合理“节点”个数、布置和连通线的形状、长短,串联、并联、串-并联关系,网络图形特征以及达到的时-空边界。当然,用“图论”方法研究“网络”的合理结构时,一定要同时注意“节点”与“线”(弧)自身的性质、功能及其对“网络”的影响。在研究“网络”的功能时,必须从“流”的性质、类型和运行方式出发。首先是“流”的性质(物质流、能量流、人流,资金流还是信息流等),要根据“流”的物理性质,进一步分析“流”的类型,“流”在“网络”中运行、流动的形式是多种多样的,例如规则稳定的、随机的、季节的;层流的、紊流的、层-紊结合的;串联的、并联的、串-并联等,对这些不同性质、不同类型、不同运行方式的流而言,它们对“网络”的结构、功能的要求是不同的。在明确特定“流”对“网络”结构、功能要求的基础上,就比较容易对“网络”效率提出清晰的目标,当然这与相应的“程序”有关。“程序”和“网络”是相互依存的,“程序”取决于“网络”的最佳化或优化;反之,“网络”的运行效率也必须依靠“程序”的合理化和优化。由于“流”、“网络”、“程序”是一个动态运行系统,因此对“网络”效率的要求,往往是一类多目标优化,这种优化实际上就是在不同环境条件下的多目标选优系统。在研究“网络”的效率时,必须充分注意效率最大化(简捷、高效)、耗散最小化(能量耗散、物质耗散、等)、环境友好性(生态保护、环境污染等)和安全性(生命财产安全、运行的稳定性和舒适性等)。7钢中的“能量流”和“能量流网络”7.1高效转换功能仍需加强长期以来,在追求钢铁产量和改善质量过程中,钢铁领域的研究命题主要围绕铁素物质流的优化而开展,为获得满足用户要求的钢铁产品,业内开展了大量的产品研发,并积累了丰富经验;同时也在流程工序间衔接-匹配等动态运行方面做了不少工作,在一些钢厂已基本实现了铁素物质流从“混沌”到相对“有序”的转变,如在高炉-转炉界面实施铁水预处理;在炼钢-连铸界面以钢水精炼装置进行协同-缓冲;在钢材热加工工序取消初轧开坯和以“连轧”替代“往复式轧制”;在连铸-加热炉界面,则采用不同类型、不同程度的铸坯热装-热送工艺等。至此,满足钢铁产品制造功能的钢厂工艺布局基本定型。但是,在流程高效、紧凑和动态有序运行的深入研究和能源高效转换功能方面依然存在如下问题。1)对某些工序的铁素流的高效运行还有待完善,如高炉炉料结构的优化、烧结工序“三高”(高漏风率、高返矿率和高台车故障率)等;对流程高效、紧凑和动态有序运行的界面衔接匹配等方面仍需加强。2)虽然节能技术的普及率有很大的进步,钢铁企业的CDQ的普及率从2000年的20%提高到2009年的约70%,配套TRT的高炉座数从2000年的20个增加到2007年约400个。但是节能技术的利用效果和效率还有差距,如2007年中国重点钢铁企业TRT的吨铁发电量比日本平均低10kW·h/t,在节能技术与工序工艺的结合方面需要完善。3)由于受局部工序或装置的物料平衡和热平衡静止观念的束缚,以往在能量流方面开展的技术研发只针对相关工序/装置中某些供能技术的改造和局部二次能源的回收利用,或仅关注全厂的静态能源平衡,缺乏全局性动态地研究整个钢铁制造流程的能源流网络及与物质流的耦合等效应,缺乏在全流程综合系统地考虑持续地利用/回收各类余热、余能的系统措施,特别是对钢铁制造流程的能源转换功能、废弃物消纳-处理及再资源化功能、以及与之密切相关的能量流行为与能量流网络构建等问题的研究较少,相关理论不够完整。造成工序能耗虽有降低,但钢铁企业整体能源效率的提高不能与之同步。例如,2008年中国重点钢铁企业高炉煤气放散率仍达5.82%,焦炉煤气放散率为2.14%,转炉煤气回收量仅为79m3/t(钢)(热值低于8.36×106J/m3)等。4)对二次能源品质潜力的挖掘、价值开发以及低品质余热余能利用支撑技术与装备开发滞后,例如250～300℃的余热资源尚未有效地利用,炉渣热量的利用尚无有效的措施等。5)指标考核体系不尽合理,同时缺乏科学、配套的激励政策。如果按铁素物质流和能量流相对“有序”耦合并深度利用的目标新建钢厂或改造现有钢厂,即在系统研究铁素物质流动态-有序运行的同时,重视并深入研究能源合理转换机制并构建起优化的能量流网络,将对钢铁工业的结构优化开辟出新途径,可挖掘出巨大的节能潜力和环保效果,应成为新技术背景下钢厂节能减排,降低成本、改善环境的重要切入点。7.2外购能源与能量流的相互作用现代钢铁联合企业是一类铁-煤化工过程及其深加工系统。将钢铁生产流程抽象为铁素物质流输入-输出过程、能量流的输入-输出过程,以及铁素流-能量流相互作用过程,有利于剖析物质流(主要是铁素流)、能量流(主要是碳素流)在钢厂生产过程中的动态行为、效率以及两者之间的相互作用机制,有利于从中获取有效的信息,并集成为信息流和信息流网络,为钢铁企业进一步节能、减排和消纳废弃物寻求新的突破口。在钢厂生产流程中,由各类能源介质组成的能量流既有与物质流相伴而行,相互作用的运行,又有与物质流分离而各自独立的运行。在生产过程中,能源介质提供的能量大部分伴随着物质流运行,附着在各工序/装置上或输出物质流中。然而还有一部分能量(主要是二次能量流)脱离铁素物质流独立运行,而且几乎每一生产工序都有独立的能量排放流输出。如果能够对各工序各自的能量排放(二次能源)和附加的一次能源按一定的“程序”组织起来,并充分梯次利用,就可以构成钢厂内部的“能源转换网络”——“能量流网络”(图12)。图12显示了钢铁企业物质流与能量流的相互作用关系。图中空心粗箭头线代表物质流,其他箭头线代表能量流;带有数字1、2、3、4的方框代表钢铁生产工序(假定只有烧结、炼铁、炼钢及轧钢4道钢铁生产工序,P1、P2、P3、P4及e1、e2、e3、e4分别代表各工序的钢比系数和工序能耗);标有“回路1”等方框代表生产工序的能量回收装置,如余热锅炉、TRT、煤气回收装置等;标有“转换i”等椭圆代表能源转换工序,如焦化、发电、制氧、鼓风、给水等。由图可知,外购的原料经烧结(球团)、炼铁、炼钢、轧钢等工序直到生产出最终产品的过程,构成了钢铁企业物质流的运行过程。为了推动物质流的转变(表现为物质状态、物质性质等的变化)和传输(表现为位移、输送等),外购能源G0大部分与物质流相伴而行,相互作用,产生能源产品能量流(Gc11c、……、Gckkc,其能值分别为bc11c、……、bck);外购能源的另一部分(G1001、……、Gm0)与能源产品能量流与物质流在各个钢铁生产工序上耦合在一起,相互作用:一方面能量流推动物质流高效转变,生产钢铁产品;另一方面实现对输入能量流的高效转换,产生二次能量流(G1ξξ1、……、G4ξξ4);这部分能量流与物质流分离运行,进入能源转换网络(能量流网络),成为能量流网络的始端(输入端),而各单元装置以及发电设备等则相应成为能量流网络的终点(输出端)。7.3宏观运行动力学钢厂生产过程中,铁素物质流的运行轨迹构成了“物质流网络”——集中地体现为钢厂的总平面图上。实际上总平面图中不仅体现了优化的“物质流网络”,同时也体现了与“物质流网络”相关联的“能量流网络”。这是由于在钢厂生产过程中能量流与物质流既有相互关联的关系,又有相对“独立运行”的状况所引起的。实际上,钢铁生产过程中一部分能量流伴随物质流在“物质流网络”中运行,另一部分(类型)的能量流又在“能量流网络”中相对“独立”运行。“独立”运行的能量流在“能量流网络”中运行也存在宏观运行动力学——这是钢厂制造流程能量流设计-调控的总策略。由于始端节点的能量流(如各类煤气的发生量等)具有不稳定性,而终端节点对输入的能量流(如发电站等)则要求高度稳定,因此,必须要有中间缓冲器(系统),这样就形成了“推力”-“缓冲”-“拉力”构成的宏观运行动力学系统(图13)。这种能量流运行的宏观动力学系统的功能,是为了维持“独立”运行的能量流在能量流网络中“动态-有序”、“连续-紧凑”地运行。它的目的是保证能量转换效率高,能量“耗散”最小化和煤气等含能介质近“零排放”。这里必须强调的是:在“能量流网络”中,中间缓冲器的“缓冲”功能对于能量流的利用效率和近“零”排放是十分必要的。也就是说,要将不稳定输出的始端和高效、稳定运行的“终端”之间要实现“动态-有序”、“连续-紧凑”地运行,必须要有合理的管网系统、容量合理的缓冲“气柜”和必要的一次补充能源等中间缓冲系统。7.4从初始到网络钢厂生产流程是一个具有物质-能量-时间-空间-信息构成的动态系统。再细分则可以进一步解析为“物质流网络”、“能量流网络”和“信息流网络”。其中“能量流网络”也同样是由“节点”和“连结器”等单元按一定图形构建而成的运行系统,即“能量-空间-时间-信息”构成的动态运行系统。钢厂内部的一次能源(主要是外购的煤炭)和二次能源(如电能、焦炭、氧气、各类煤气、余热、余能等)分别形成了能量流网络的始端节点(如原料场、高炉、焦炉、转炉等),这些能源介质沿着输送路线、管道等连结途径——连结器,到达能源转换的终端节点(如各工序等终端用户及热电站、蒸汽站、发电站等)。因此,在能量的输送、转换过程中,必然需要有必要的、有效的中间缓冲器(缓冲系统)——例如煤气柜、锅炉、管道等,以满足始端节点与终端节点处的能量在数量、时间、空间等方面的缓冲、协调与稳定。由此不难看出,钢厂内部可以构建起能源始端节点-能源连结器-能源中间缓冲系统-能源连结器-能源终端节点之间按一定图形所构成的“能量流网络”(“能源转换网络”),并且实现某种程度的“闭环”。例如钢厂只买煤、不买电、不用燃料油。再深入看,由于能源的回收、转换技术在不断进步,对余能、余热的可回收、可转换利用的范围不断扩大,相应的始端“节点”/终端“节点”的数目或容量也会随之不断扩大,相应的“连结器”也随之增加。这样就会构成不同能阶层次的“能量流网络”。例如:钢厂回收的余热介质是500～600℃,可以构成该水平的“能量流网络”;如果回收余热介质是300℃,则扩展成另一层次的“能量流网络”。可见,钢厂的“能量流网络”是可以分层次设计和构建的,在实施过程也应分层次推进,但在设计概念和设计方法中应该有清晰的认识。7.5转换装置设计原则在钢厂设计和改造过程中,不仅应该注意物质流转换过程及其“程序”和“物质流网络”设计;同时,也应该重视能量流、能源转换“程序”与“能量流网络”的设计,而不应停留在“公辅设施”设计的老概念上。其设计原则应重视下列各点:1)建立能量流的输入-输出概念,不局限在物料平衡-热平衡的概念上;2)与物质流运行相关的一次能源转换装置的容量、数量和效率的合理选择;3)不同二次能源优先使用序的合理选择;4)能源终端转换装置的容量、功能与效率优化;5)“能量流网络”与图论——初级回路概念;6)能量流中间缓冲系统能力优化——缓冲、稳定;7)“能量流网络”的分层次设计和分层次构建;8)近“零”排放目标的逐步逼近。7.6关于网络整合与流程匹配的合作7.6.1运行过程“阻力”最小对钢铁制造流程而言,网络化整合既要保证铁素物质流的简捷、顺畅,也要兼顾符合碳素能量流合理利用和调配的基本结构要求。该项工作意味着对流程中工序/装置的容量(能力)、功能以及工序/装置联接-匹配方式的合理选择,意味着总平面图的简捷化、紧凑化,使物质流尽可能地保持动态-有序和层流方式运行,尽可能减少通道的交叉和在路径中“拥塞”的概率,即达到运行过程“阻力”最小化。运行过程“阻力”最小化在很大程度上将表现为过程时间的缩短和前后工序之间“界面”的协同化、简捷化。网络化整合不仅对物质流运行十分重要,而且对能量流及其运行优化同样重要,特别要结合能量流与铁素物质流有合-有分的特点,要以输入/输出的动态观点来分析研究能量流的行为特征,确保两种不同机制的网络实现高度整合和程序化协同,以实现充分利用和高效回收各类二次能源(如余热、余能等)之目的。此外,也要尽可能为作为他组织调控重要手段的信息流网络的建立提供清晰、可行的布局思路。如果流程网络不理顺、不合理(包括物质流网络、能量流网络和信息流网络),则运行过程中“流”的行为往往易导致时间因素的无序化或是不时出现混沌状态,这必将导致物质流、能量流耗散的增加。必须认识到,对冶金制造流程动态运行的有序性而言,不仅取决于各个工序/装置各自运行的有序性、稳定性,而且受到“流程网络”集成化整合程度的促进或制约。7.6.2u3000流程再造的静态结构程序化协同,意味着制造流程内工序功能集的解析-优化,工序间关系集的协同-优化和流程工序集合的重构-优化;也意味着空间序的紧凑化、简捷化、层流化;这些都与网络化整合密切相关,并在一定程度上决定了制造流程的静态结构。程序化协同可以表现为合理的功能序设计和空间序设计,更重要的是体现在时间程序和时-空程序的设计上;因为“动态-有序”、“连续-紧凑”的特征最终将归结到时间过程的最小化。时间程序的设计必须要充分理解时间在钢铁制造流程动态运行过程中的各种表现形式(例如:时间序、时间点、时间域、时间位、时间周期等),力求时间程序的协同化、快捷化,确保不同工序参数“涨落”特征的兼容性与耦合性。连铸多炉连浇就体现了上述内涵。时-空序的设计则体现在优化的动态框架结构中,体现在物质流、能量流动态-有序运行的高效化、稳定化上,实现“流”通量的“最大化”和/或单位时间内物质、能量耗散的“最小化”。7.7能源中心接收点在能源网能量流、能量转换“程序”和“能量流网络”概念是钢厂能源调控系统的理论框架。建立能源调控系统应分别建立起包括各类能量流、能量流节点(包括始端和终端等)、能量流连结器和能量流中间缓冲系统(器)以及包括合理的网络图形在内的“能量流网络”。因此,在具体设计过程中,就不能简单理解为公辅设施配套的认识水平上。在此基础上,分别选择合理的能源转换装置(能量流节点)的容量、个数并构建“初级回路”的网络图形,进而构建起物理模型和动态调控模型。这是能源调控系统(能源中心)的实体构成。作为能源调控系统的实体——能源中心应是一个生产实体单位,同时兼顾某些管理职能。能源中心应该有设备、有装置、有管网系统,有信息调控系统。能源中心的功能应是24h连续实时地控制、协调整个钢厂的“能源转换网络”,预测预报可能遇到的“前景”,并提出因应的对策。8建立高效节能系统中国钢厂现在应该进入深化节能的新阶段,即充分发挥钢铁制造流程的能源转换功能,推动建立钢厂能量流网络——能源调控中心,进一步推动全面节能减排,实现清洁生产,达到更高层次的系统节能。为全面分析钢厂进一步节能减排的思路,做以下讨论。8.1提高连铸机性能1)坚持精料方针:提高和稳定入炉矿品位,改善烧结矿强度。2)改善高炉炉料结构:研究高炉加入烧结/球团/块矿的合适比例。从全国层面上看,入炉球团比例能否提高