从开放系统, 耗散结构到钢厂的能量流网络化集成

从开放系统、耗散结构到钢厂的能量流网络化集成殷瑞钰（钢铁研究总院，北京，100081）一、背景经过改革开放30年的艰苦努力，中国钢铁工业发生了巨大的变化，生产规模和行业竞争力显著提高，相应的吨钢能耗大幅度下降（图1），已明显缩短了与世界钢铁强国在整体水平上的差距。

中国钢铁工业用显著的发展业绩破解了西方学者早在上世纪七十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。

注：2000年之前为钢铁工业值，2000年及之后为重点大中型企业值。

图1 中国钢铁工业吨钢综合能耗的变化回顾改革开放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三个重要阶段：（1）在20世纪八十年代，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，开展工序装臵的晋等升级活动；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。

（2）20世纪九十年代，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-关键技术的攻关和推广应用，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/装臵，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，由于我们仍处在工业化中、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，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，旨在引导我国钢铁界从充分发挥钢厂三个功能（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碳素能量流的行为、规律，探索与铁素物质流在时-空域上相关的碳素能量流的输入/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。

二、钢铁生产流程所对应的热力学系统与耗散结构从热力学角度分析钢铁生产流程，可将研究对象概括成三种不同的热力学系统：孤立系统、封闭系统和开放系统（见图2）。

图2 孤立系统、封闭系统和开放系统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，地球环境中没有与之完全对应的参照系。

宏观看待孤立系统，其过程的终极目标是系统的熵增为零，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，该系统一般是处于近平衡状态，其自发趋势一是向某种平衡状态转变，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，因而较为接近现实情况。

钢铁生产中现实的例证如不进行物质交换的感应加热系统或电磁搅拌系统。

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”大小和变换干预措施（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（如高炉炼铁过程或转炉炼钢过程），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新的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，使系统从混沌转向动态-有序，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、场域及装臵、区段过程、整体流程）、多尺度性（时间、空间、质量等）、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优化和技术提升问题，不能简单地用孤立系统/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”或某一单元工序特征指标“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。

三、钢铁制造流程运行过程的工艺表象与物理本质3.1 静态-局部的工艺表象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。

3.2 钢铁制造流程的物理本质我们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臵容量和个数的合理性。

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/演变过程。

其动态-运行过程的物理本质是[1]：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，其动态运行过程的性质是耗散过程。

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。

四. 钢铁制造流程中物质流与能量流的关系从钢铁制造流程的现代设计、动态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）即“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 物质流、能量流、信息流在钢铁制造流程中的角色钢铁制造流程中，“流”有三种载体来体现：以物质形式为载体的物质流，以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、能量流行为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能量流与物质流的关系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是时而相伴，时而分离。

相伴时，相互作用、影响；相离时，又各自表现各自的行为特点。