钢铁生产过程高效节能基础研究

一、关键科学问题及研究内容

1关键科学问题

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排放量大，余能资源的回收与利用率低，能源配置理念落后和技术集成度低”三大技术瓶颈，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2）。

图2 钢铁工业节能减排技术瓶颈与关键科学问题

（1）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

全氧高炉炼铁是一个多元、非均相、多重热化学演变与能质转化传递交融的复杂过程。本关键科学问题要阐明冶炼过程的热化学反应动力学及能质转换与传递规律，明晰矿相结构及熔体物性演变特性，揭示氧化势、还原势对碳热还原过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。

（2）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

多形态余热的高效回收和多品位余能的梯级利用是非稳态、多物相、强耦合的非线性系统。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，探析时空不稳定条件下介孔异质复合相变材料高效蓄传热的影响因素及规律，研究多孔微细结构内多相多物系相变及其界面迁移特性，构建多场耦合驱动多形态余能高效转换与储存方法。

（3）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钢铁生产过程是一个开放、远离平衡点、不可逆且由不同结构－功能的单元工序通过非线性耦合构成的复杂流程系统。本关键科学问题要阐明流程热力学与动力学的耦合机制，构建整体系统、功能子系统、工序模块、单体组件等多层次物流－能流耦合的普适模型，研究流程整体的物流－能流－环境作用机理、能源高效配置方法和废弃物循环与排放特点，建立基于广义热力学的多目标集成优化理论和流程调控策略。

2主要研究内容

研究内容1：高温热化学反应与能质传递协同强化理论

以国际先进的全氧高炉炼铁技术为背景，以铁－氧－碳多元、非均相高温热化学反应体系为对象，主要研究：高温多相热化学反应体系中矿相结构与熔体物性演变机制，热化学反应动力学规律及特点，矿物－渣相－煤气三相共存条件下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等。从而建立高温多相热化学反应与能质传递协同强化理论，为规模化全氧高炉炼铁新工艺系统的构建奠定科学基础。

研究内容2：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问题为背景，以悬浮、移动及回转条件下高温相变颗粒体系和异形颗粒堆积体系为对象，主要研究：复杂孔隙内工质的高温热力学温升及反应动力学特性，高温熔渣颗粒相变冷却与物相结构及品质的演变机理，高温颗粒体系中多相流动、热质传递和物质转化的耦合作用机制与物料品质协同调控原理，关键参数对高温颗粒体系宏观能质传递的影响规律，复杂动力及热边界条件下高温颗粒体系中多物理场耦合驱动的能质协同调控强化方法及数值分析模型。从而建立高温非均质颗粒余热回收体系中具有相变及化学反应的多相流动和多元多相热质传递理论，为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3：气相余热梯级蓄存、回收中的能质输运理论

以钢铁生产中存在的大量不同品位气相余能回收问题为背景，以中高温间歇性气相余热梯级连续蓄存和低品位气相余热的高效吸收为对象，主要研究：气相余热蓄存传递过程的时空非稳态、非线性特性、演化规律及连续控制方法；介孔异质复合相变蓄热材料的梯级制备、结构表征、力学性能与热物性调控；多孔微结构特征及其对质热输运过程的影响、耦合规律和协同强化理论；多孔功能材料可控设计制备与热质交换器性能演变；基于能量梯级利用原理的储能换热系统构建，蓄传热强化传输机理及相变传热、流固耦合输运和界面效应。从而建立气相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4：钢铁生产流程多层次物流－能流网络理论与系统集成优化

以钢铁生产流程中的物流－能流－环境关联问题为背景，以过程工业与生态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、

单体组件的功能特点、热力学和动力学特征，流程资源、能源消耗和环境影响的综合评价及广义热力学优化（包括流程选择、工艺选择、物流－能流分配、余能利用模式选择、热力学和动力学参数调控等），流程整体行为的全工况仿真，工业转化过程前后化学反应与热力循环的品位关联规律，不同品位燃料化学能做功能力逐级转化方法，多品位能源梯级利用系统动态关联规律和高效配置方法，物质转化过程中碳、氮、硫等元素循环与转化特点及碳捕集、分离及处理的技术经济分析。从而建立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

1总体目标

本项目以“提高炼铁工艺能效、强化余热梯级回收利用和降低流程系统能耗”为切入点，通过对“高温热化学反应与能质传递协同强化理论”、“固、熔相余热回收与品质调控能质耦合传输机理”、“气相余热梯级蓄存、回收中能质输运理论”和“钢铁生产流程多层次物流－能流网络理论与系统集成优化”等4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”、“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”和“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”等3个关键科学问题。

项目期望构建“多相复杂高温热化学反应与能质传递协同强化理论”和“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”，发展“多场耦合驱动多形态余能高效转换与储存方法”；取得钢铁工业节能减排原创性技术原型6项，在其他科技计划支持下完成节能减排工程示范2项；力图使钢铁生产流程能耗降低10－12%，按目前产量和能耗计算，可节能4000万吨标煤/年，实现CO2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。

2 五年预期目标

2.1科学理论层面

项目期望在“协同强化”和“广义热力学优化”理论方面取得突破，发展“余能高效转换与储存”新方法，即“构建两个理论、发展一个方法”，具体如下：（1）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