鋼鐵工業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)型中的能量流網(wǎng)絡問題

鋼鐵工業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)型中的能量流網(wǎng)絡問題

1中國鋼鐵工業(yè)能耗及節(jié)能潛力的變化改革開放30年的努力，中國的鋼鐵工業(yè)發(fā)生了重大變化，產(chǎn)量和工業(yè)競爭力顯著提高，相應噸鋼的能耗顯著下降（圖1），這明顯縮小了世界上強大鋼鐵工業(yè)的差距。中國鋼鐵工業(yè)用顯著的發(fā)展業(yè)績破解了西方學者早在20世紀70年代提出的鋼鐵工業(yè)是“夕陽工業(yè)”的命題,證明了鋼鐵工業(yè)是基礎工業(yè),鋼鐵材料是“必選”材料。但鋼鐵工業(yè)仍然面臨極具挑戰(zhàn)性的命題,突出表現(xiàn)在:“兩高一資”(高能耗、高排放、資源依賴型)問題尚未根本解決,能源成本、環(huán)境負荷以及碳減排等方面的壓力很大。這是中國鋼鐵工業(yè)未來可持續(xù)發(fā)展過程中不容回避的新問題?；仡櫢母镩_放30年走過的歷程,中國鋼鐵工業(yè)所開展的節(jié)能降耗工作可歸納為以下3個重要階段。1)在20世紀80年代,重點開展了鋼廠防止和減少“跑、冒、滴、漏”;改進燃燒、提高熱效率的單體技術(shù)的開發(fā)與應用;加強管理,開展工序裝置的晉等升級活動;提出系統(tǒng)節(jié)能的理論、概念等。所采用節(jié)能技術(shù)的起點相對較低,而且均屬局部性、單體性的技術(shù)。2)20世紀90年代,在生產(chǎn)流程的相關工序上重點開展了連鑄、高爐噴吹煤粉、高爐長壽、棒/線材連軋國產(chǎn)化、轉(zhuǎn)爐濺渣護爐以及大型超高功率電爐等先進共性-關鍵技術(shù)的系統(tǒng)突破和推廣應用,實現(xiàn)了生產(chǎn)流程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和噸鋼能耗的大幅度降低,體現(xiàn)出90年代系統(tǒng)節(jié)能的特征;同時,逐步淘汰模鑄、初軋/開坯、往復式軋機、平爐、混鐵爐、化鐵煉鋼、“老三段”小電爐等落后工藝/裝置,體現(xiàn)出通過淘汰落后實現(xiàn)節(jié)能降耗的特點。3)進入21世紀以來,通過“三干”(干熄焦、高爐煤氣干法除塵、轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵)、“節(jié)約用水”、“余能余熱發(fā)電”等技術(shù)的開發(fā)與應用,逐步進入到全面、深入、系統(tǒng)地開發(fā)鋼鐵制造流程的“能源轉(zhuǎn)換功能”時期。展望未來5-10年,中國仍處在工業(yè)化中、后期的重要發(fā)展階段,中國鋼鐵工業(yè)應采取何種發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)方法進一步實現(xiàn)節(jié)能降耗,值得深思和大膽探索。2009年9月,由中國工程院和中國金屬學會發(fā)起,在北京召開了第356次香山科學討論會,以“鋼廠生產(chǎn)過程中能量流行為與能量流網(wǎng)絡的構(gòu)建”為主題展開學術(shù)研討,旨在引導中國鋼鐵界從充分發(fā)揮鋼廠3個功能(鋼鐵產(chǎn)品制造功能、能源轉(zhuǎn)換功能、廢棄物消納-處理和再資源化功能)的視角,審視鋼鐵制造流程中鐵素物質(zhì)流和能量流的行為、規(guī)律,探索與鐵素物質(zhì)流在時-空域上相關的能量流的輸入/輸出特點和能量流網(wǎng)絡的構(gòu)建,以及相應的信息流集成調(diào)控。籍此,進一步剖析鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排的潛力,尋求提高鋼廠綜合競爭力和多方位服務于可持續(xù)發(fā)展社會的可能性,深入探討相關理論的建立、技術(shù)開發(fā)和工程化實施的策略等。2與外界環(huán)境間的物質(zhì)交換和動態(tài)-有序狀態(tài)的轉(zhuǎn)換從熱力學角度分析鋼鐵生產(chǎn)流程,可將研究對象概括成3種不同條件下的熱力學系統(tǒng):孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)(見圖2)。孤立系統(tǒng)的特征是與外界環(huán)境既沒有物質(zhì)交換也沒有能量交換,這種系統(tǒng)是一種理論抽象的模型。宏觀看待孤立系統(tǒng),其過程的終極趨向是系統(tǒng)的熵增為零,系統(tǒng)達到最高的均勻度和靜態(tài)平衡。在經(jīng)典熱力學研究中,通過孤立系統(tǒng)的平衡計算判據(jù),以判斷發(fā)生在孤立系統(tǒng)中各類過程進行的方向和限度。需要指出的是,在回答過程進行的可能性、方向和限度時,并沒有給出時間因素的影響。封閉系統(tǒng)是在給定溫度條件下與外界環(huán)境有能量交換,但沒有物質(zhì)交換。從宏觀看,其自發(fā)趨勢一是向某種近平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變,其過程轉(zhuǎn)變的結(jié)果與能量交換的多少有關;另一可能性是達到非平衡的穩(wěn)定態(tài),該狀態(tài)的特征參數(shù)不再隨時間變化?？梢钥闯?在研究封閉系統(tǒng)的變化過程時,已經(jīng)需要考慮時間因素和其帶來的影響效果了,因而較為接近某些現(xiàn)實情況。鋼鐵生產(chǎn)中現(xiàn)實的例證,如與外界不進行物質(zhì)交換的感應加熱系統(tǒng)或電磁攪拌系統(tǒng)等。開放系統(tǒng)和外界環(huán)境之間是敞開的,即系統(tǒng)與外界環(huán)境之間既有物質(zhì)交換,又有能量交換,這是自然界中最為普遍的現(xiàn)象。從宏觀看,當該系統(tǒng)處于遠離平衡態(tài)的非線性變化區(qū)域時,可通過某些干預措施和利用其內(nèi)在的“漲落”及非線性相互作用機制,使該系統(tǒng)由某種混沌狀態(tài)轉(zhuǎn)變到動態(tài)-有序狀態(tài),形成所謂的“活結(jié)構(gòu)”。這種動態(tài)-有序狀態(tài)的維持需要不斷地與外界環(huán)境進行能量、物質(zhì)交換(輸入、輸出),并使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)保持一定的穩(wěn)定性,不會因外界微小的擾動而消失。既然開放系統(tǒng)需要與外界有持續(xù)的物質(zhì)和能量交換,必然導致“流通量”(物質(zhì)流和能量流)的介入和時間因素的全程參與。改變“流通量”和變換干預措施(即他組織手段),都可能使系統(tǒng)從一個動態(tài)-有序狀態(tài)躍遷到另一個動態(tài)-有序狀態(tài)。這其中,已經(jīng)體現(xiàn)出維持系統(tǒng)運行所必需的物質(zhì)消耗和能量消耗的深刻內(nèi)涵。在鋼鐵生產(chǎn)過程中,開放系統(tǒng)隨處可見?？删唧w到某一單元工序的生產(chǎn)過程(如高爐煉鐵過程、連鑄過程、鋼廠生產(chǎn)流程等過程),也可擴展到鋼鐵制造的全流程。對于鋼廠的實際生產(chǎn)過程的優(yōu)化而言,則期望獲得消耗成本較低的動態(tài)-有序狀態(tài)的持續(xù)保持。普里高金把遠離平衡的非線性區(qū)內(nèi)形成的動態(tài)穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)稱為耗散結(jié)構(gòu)。耗散結(jié)構(gòu)必須在開放系統(tǒng)中才能形成,也必須和外界環(huán)境持續(xù)地發(fā)生能量、物質(zhì)和信息的交換,進而通過過程系統(tǒng)內(nèi)部各組成單元的特征參數(shù)適度、合理的“漲落”和各單元之間的非線性相互作用(包括網(wǎng)絡化整合、程序化協(xié)同等),耗散外界流入的負熵,在各組成單元之間產(chǎn)生協(xié)同作用和相干效應,形成動態(tài)-有序運行的耗散結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)從混沌狀態(tài)轉(zhuǎn)向動態(tài)-有序狀態(tài),并獲得自組織性和不同的自組織化程度。鋼鐵制造流程具有諸多功能不同的組成單元、復雜的結(jié)構(gòu)和與此相關的運行規(guī)律。它具有多層次性(原子和分子、場域及裝置、區(qū)段過程、整體流程)、多尺度性(時間、空間、質(zhì)量等方面的)、有序性和混沌性(在功能、時間、空間等方面),也具有多種可能的連結(jié)-匹配和緩沖-協(xié)調(diào)(動態(tài))方式。鋼鐵制造流程整體效率/效益的提升,是以不斷地追求最佳化的動態(tài)-有序新結(jié)構(gòu)和連續(xù)(準連續(xù))-緊湊方式運行為目標,并實現(xiàn)流程運行過程中耗散的“最小化”?？梢钥闯?研究鋼鐵制造流程的工程優(yōu)化和技術(shù)提升問題,不能僅靠用孤立系統(tǒng)/封閉系統(tǒng)的概念、方法來解決,以往人們習慣使用的對單元工序或過程的質(zhì)-能恒算方法,只能為研究者獲得維持單元工序或單元過程可以進行的靜態(tài)平衡關系,卻忽視了對所研究對象系統(tǒng)的本質(zhì)——耗散結(jié)構(gòu)的輸入-輸出特征以及各構(gòu)成單元之間復雜關聯(lián)關系的認識,因而在某種程度上掩蓋了對研究對象持續(xù)改進的方向;在解決全流程系統(tǒng)優(yōu)化問題時,拘泥于片面地追求局部“平衡”或某一單元工序某一特征指標“最佳”,在生產(chǎn)實踐中過分追求單元工序中某一指標“最佳”可能反而會導致全流程運行過程中耗散的增大,引起得不償失的效果。3在鋼鐵制造過程中運行的工藝和物理本質(zhì)3.1關于生產(chǎn)流程的認識鋼廠的制造流程從表象上看,是由原料場、焦化、燒結(jié)(球團)、煉鐵、煉鋼、軋鋼等生產(chǎn)單元所組成。長期以來,人們往往以為上工序的靜態(tài)設計能力只要和下工序的靜態(tài)設計能力相等,就可以通過并聯(lián)-串聯(lián)的方法來構(gòu)建起鋼廠的生產(chǎn)流程。例如有300萬t/a的煉鐵能力、300萬t/a的煉鋼能力和相應的軋鋼能力,就是300萬t/a鋼廠。出現(xiàn)上述情況的根源是把鋼廠生產(chǎn)流程看成由原料儲存-原、燃料處理-還原煉鐵-氧化煉鋼-鋼液凝固-鋼坯再加熱-鋼坯熱壓力加工等工藝過程的簡單堆砌和捆綁構(gòu)成的。這種認識作為一種入門的工藝過程介紹似乎還可以,但作為對設計或?qū)嶋H生產(chǎn)運行(特別是動態(tài)-有序、連續(xù)-緊湊運行)的指導是不夠的,甚至會產(chǎn)生誤導。不能將鋼廠的各工序簡單相加看成是生產(chǎn)流程。各工序相加在一起最多只是鋼廠制造流程的靜態(tài)表象,還不能說是制造流程的靜態(tài)結(jié)構(gòu),靜態(tài)結(jié)構(gòu)還應包括總平面圖布局和各種工序裝置容量和個數(shù)的合理性。3.2非線性耦合系統(tǒng)的功能拓展鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)過程實質(zhì)上是物質(zhì)、能量以及相應信息的流動/轉(zhuǎn)變過程。其動態(tài)運行過程的物理本質(zhì)是:物質(zhì)流(主要是鐵素流)在能量流(主要是碳素流)的驅(qū)動和作用下,按照設定的“程序”,沿著特定的“流程網(wǎng)絡”作動態(tài)-有序運行。從熱力學角度上看:鋼鐵制造流程是一類開放的、非平衡的、不可逆的、由不同結(jié)構(gòu)-功能的異質(zhì)單元工序通過非線性耦合所構(gòu)成的復雜系統(tǒng),其不同的動態(tài)運行過程的性質(zhì)呈現(xiàn)出不同的耗散過程。在鋼廠生產(chǎn)過程中,鐵素物質(zhì)流是一類多因子流,是被加工的主體。碳素能量流則作為驅(qū)動力、化學反應介質(zhì)或熱介質(zhì),并按照工藝要求對物質(zhì)流進行加工、處理,使其發(fā)生位移、化學/物理轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)以制造過程中物質(zhì)、能量“耗散最小化”為核心的多目標優(yōu)化。例如生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)、能源消耗低、過程排放少、生產(chǎn)成本低、環(huán)境/生態(tài)友好等。由此看出,鋼廠作為一類大尺度的開放系統(tǒng),其運行模式比一般的化學反應、相變過程或單元操作過程要復雜得多。從鋼鐵制造流程動態(tài)-有序運行過程的物理本質(zhì)出發(fā),可以推出其功能應拓展為:1)鐵素流運行的功能——鋼鐵產(chǎn)品制造功能;2)能量流運行的功能——能源轉(zhuǎn)換功能以及與剩余能源相關的廢棄物消納-處理功能;3)鐵素流-能量流相互作用過程的功能——實現(xiàn)過程工藝目標以及與此相應的廢棄物消納-處理功能。鋼鐵工業(yè)的未來發(fā)展,應該在充分理解鋼鐵制造流程動態(tài)-有序運行過程物理本質(zhì)的基礎上,進一步拓展鋼廠的功能,以新的模式實現(xiàn)生態(tài)化轉(zhuǎn)型,融入循環(huán)經(jīng)濟社會。4“流”的空間途徑從鋼鐵制造流程的現(xiàn)代設計、動態(tài)生產(chǎn)運行和信息化調(diào)控的角度分析,必須建立起“流”的概念,對“流”的行為進行動態(tài)-有序、連續(xù)-緊湊地規(guī)范運行,這就必然會涉及“流”的空間途徑(例如平面圖、立面圖等)即“流程網(wǎng)絡”和時間過程(例如動態(tài)作業(yè)表等)主要體現(xiàn)為“程序”?！傲鳌焙汀俺绦颉?、“流程網(wǎng)絡”的優(yōu)化組合、協(xié)同集成,就可以實現(xiàn)運行過程中物質(zhì)、能量“耗散”的最小化。4.1制造過程中的流場鋼鐵制造流程中,“流”有3種載體來體現(xiàn):以不同物質(zhì)形態(tài)為載體的物質(zhì)流,以不同能源形式為載體的能量流和信息形式為載體的信息流。物質(zhì)流是制造過程中被加工的主體,是主要物質(zhì)產(chǎn)品的加工實現(xiàn)過程;能量流是制造加工過程中驅(qū)動力、化學反應介質(zhì)、熱介質(zhì)等角色的扮演者;而信息流則是物質(zhì)流行為信息、能量流行為信息和外界環(huán)境信息的反映以及人為調(diào)控信息的總和。在制造流程的動態(tài)運行過程中,總體上看,物質(zhì)流/能量流/信息流相伴而行、相互影響。4.2從局部輸出到局部轉(zhuǎn)化從物質(zhì)流為主體的角度上看,在鋼廠制造流程中,物質(zhì)流始終帶著能量流相伴而行。但若從能量流為主體的角度上看,在鋼廠生產(chǎn)過程中,能量流并沒有全部伴隨著物質(zhì)流運動,有部分能量流會脫離物質(zhì)流相對獨立地運行。因此,能量流與物質(zhì)流的關系卻是有相伴,也有部分分離的。相伴時,相互作用、影響;分離時,又各自表現(xiàn)各自的行為特點?？偟目磥?在鋼廠生產(chǎn)流程中,能量流與物質(zhì)流是有合有分的(圖3～圖5)。進一步分解到從局部的工序/裝置看,在輸入端,物質(zhì)流和能量流分別輸入;在裝置內(nèi)部,物質(zhì)流與能量流相互作用、相互影響;在輸出端,往往表現(xiàn)為物質(zhì)流帶著部分能量輸出,同時還可能有不同形式的二次能量流脫離物質(zhì)流分離輸出。這是因為在工序/裝置中,有必要的能量過剩,才能保證工藝、加工過程中的效率,因此有剩余能量流的輸出是不可避免的。例如:在煉鐵過程中,進入高爐以前,燒結(jié)(球團)礦和焦炭、煤粉、鼓風是分離的(物質(zhì)流和能量流分離);在高爐中,它們又“合并”,燒結(jié)(球團)礦和焦炭、煤粉、鼓風相互作用、相互影響,發(fā)生燃燒升溫、還原反應,完成成渣脫硫、鐵液增碳等反應,最終實現(xiàn)液態(tài)生鐵的生產(chǎn);從高爐輸出端看,液態(tài)生鐵和液態(tài)爐渣等物質(zhì)流承載著大部分能量輸出,與此同時,大量高爐煤氣帶著動能、熱能和化學能輸出,即以分離能量流的形式輸出。同樣,在燒結(jié)過程、焦化過程、煉鋼過程、軋鋼加熱爐過程也有相似的現(xiàn)象與過程,對于這些工藝過程,應該用輸入、輸出的方法來研究,而不僅是以靜態(tài)的片段的物料平衡、能量平衡的方法分析其物質(zhì)流、能量流的運行(圖6、圖7、圖8、圖9)。因此,不僅要注意物質(zhì)流、能量流輸入端的行為,而且也必須注意研究它們輸出端的行為,以便為構(gòu)建鋼廠的能量流網(wǎng)絡奠定基礎。5動態(tài)運行要素對于鋼廠制造流程過程中能量流行為的研究,必須從靜態(tài)的、孤立的物料平衡-熱平衡(質(zhì)/能恒算)的方法中走出來,建立起輸入/輸出的動態(tài)性模型。因此,對能量流的研究也必須建立“流”、“程序”、“流程網(wǎng)絡”等動態(tài)運行要素的概念,來研究開放的、遠離平衡的、不可逆過程中能量流的輸入/輸出行為;也就是要從靜態(tài)的、孤立的截面點位計算走向流程網(wǎng)絡中能量流的動態(tài)運行。研究“流”的輸入/輸出特點,必然要涉及節(jié)點和連接器(線/弧)以及它們所組成的空間圖形(流程網(wǎng)絡),也必將涉及“流”動態(tài)運行的“程序”,特別是時間程序。建立能量流輸入-輸出的概念,不僅將涉及能源的量,而且還涉及到能階、時間-空間等因素,涉及到能量流的運行程序,這樣才有利于構(gòu)建起優(yōu)化的“能量流網(wǎng)絡”,也有利于進一步提高能源利用效率。5.1特征參數(shù)不同時時-空域中能量流網(wǎng)絡的技術(shù)特征鋼廠中的能量流在經(jīng)過不同的工序節(jié)點時有不同的載體形式,其輸入-輸出的狀態(tài)有多種不同的表現(xiàn)形式,能量流的性質(zhì)(燃料種類、煤氣、蒸汽、其他形式余能、自發(fā)電的回用、物質(zhì)流顯熱等)、品質(zhì)(煤氣種類及熱值、蒸汽溫度及壓力、物質(zhì)流溫度等)、數(shù)量等特征參數(shù)會隨著在鋼廠中時-空域的不同而存在波動性、差異性。此外,能量流在不同節(jié)點處的特征參數(shù)還不可避免地存在著動態(tài)“漲落”現(xiàn)象,因此,很難用靜態(tài)的、相互割裂的方法去準確描述這種動態(tài)變化的特征規(guī)律,必須用結(jié)構(gòu)合理、兼容性好、容錯能力強的網(wǎng)絡化技術(shù),來構(gòu)建起能量流網(wǎng)絡,最大限度地發(fā)揮各種能源介質(zhì)(一次能源、二次能源等)的綜合潛力,實現(xiàn)整個系統(tǒng)內(nèi)能量的高效率利用和低成本耗散。在構(gòu)建能量流網(wǎng)絡時,需結(jié)合不同品質(zhì)的煤氣、蒸汽、物質(zhì)流的顯熱等能源介質(zhì)特點和所產(chǎn)生的地點及時間,制定出不同的耦合機制和恰當?shù)幕厥帐褂梅桨浮?.2單元工序質(zhì)-能恒算結(jié)果從上述分析可以看出,當把一個完整的鋼鐵生產(chǎn)流程作為研究對象時,僅僅對所有單元工序分別作出各自物料平衡-熱平衡計算結(jié)果(質(zhì)-能恒算),很難對全流程整體的能源利用率和效益作出全面準確評價。姑且不論所研究的生產(chǎn)流程在結(jié)構(gòu)、配置、工藝布局上是否存在設計缺陷,當對各工序做質(zhì)-能恒算時,往往只能以“割裂”的方式得出與上下游工序“互不相關”工序能耗靜態(tài)的計算結(jié)果。在這個計算結(jié)果中,對每個單元工序所產(chǎn)生的二次能源的利用效果或利用率的數(shù)據(jù)是缺失的,當其接續(xù)不同的用戶時,會出現(xiàn)差異。以轉(zhuǎn)爐煤氣為例,當用作燃氣熱源時,其使用效果可簡單用熱效率計算(還須結(jié)合不同加熱爐和燒嘴特點);當作為清潔燃氣用來生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)石灰時,除了能保證獲得一定的熱效率外,還會帶來附加的優(yōu)勢(由于所生產(chǎn)的石灰含硫低,可以節(jié)省后續(xù)在鐵水及鋼水脫磷、脫硫時的成本及消耗)。而當全廠的煤氣/蒸汽管網(wǎng)系統(tǒng)設計存在缺陷或處于非正常生產(chǎn)狀況時,煤氣/蒸汽的放散將不可避免,這種能量的損失也是單元工序質(zhì)-能恒算結(jié)果中所不能反映的?？梢?對鋼廠生產(chǎn)過程中能量流的研究方法,應該用開放系統(tǒng)中輸入/輸出的動態(tài)模型,而動態(tài)模型的開發(fā),必須建立起“流”、“運行程序”和“流程網(wǎng)絡”等概念才能順利建模。6關于“網(wǎng)絡”本質(zhì)與網(wǎng)絡研究方法6.1“流”與“網(wǎng)絡”的物理、程序研究從圖論的角度上看,網(wǎng)絡類似于圖形,“網(wǎng)絡”是節(jié)點和線(弧)以及它們之間關系的反映和描述。研究“網(wǎng)絡”非常重要,它將涉及諸多方面,例如交通運輸業(yè)、信息通訊業(yè)、流程制造業(yè)、質(zhì)量管理工程、文化教育、金融財政等產(chǎn)業(yè)。這是因為“網(wǎng)絡”是運行載體的路徑軌跡和時空邊界。不同類型運行載體的有效運行都需要有必要的、合理的“網(wǎng)絡”與之匹配,才能實現(xiàn)其“功能最佳化”和“效率最大化”。在現(xiàn)代世界,“網(wǎng)絡”是一個具有普適性的概念和“工具”,并且已經(jīng)或正在逐步形成結(jié)構(gòu)合理、功能恰當、效率很高的工程實體。研究“網(wǎng)絡”不僅要研究“網(wǎng)絡”本身,而且必須同時研究在“網(wǎng)絡”中運行的各類“資源”和/或“事件”,也就是要研究各種不同性質(zhì)、不同類型的“流”。例如物流、物質(zhì)流、能量流、信息流、資金流、人流等。這些“流”是以不同特性、不同運行方式通過相應的“網(wǎng)絡”動態(tài)-有序地運行的。不同特征、不同類型、不同運行方式的“流”將對“網(wǎng)絡”的結(jié)構(gòu)與功能提出不同的要求,因此研究“網(wǎng)絡”必須要和所承載運行的“流”結(jié)合起來研究,不能脫離“流”的性質(zhì)、要求而孤立地進行研究?！傲鳌痹凇熬W(wǎng)絡”中運行、流動的形式是多種多樣的,例如規(guī)則穩(wěn)定的、隨機的、季節(jié)的;層流的、紊流的、層-紊結(jié)合的;單向的、雙向的、多向的;串聯(lián)的、并聯(lián)的、串-并聯(lián)等。為了適應不同特征“流”的運行效率、安全、穩(wěn)定、舒適等要求,“網(wǎng)絡”的設計、構(gòu)建和運行不僅要在“結(jié)構(gòu)”、“功能”上與之適應,而且必須注意“流”在“網(wǎng)絡”中運行的“程序”。這些“程序”將涉及各種規(guī)則、策略以及功能序、空間序、時間序和時-空序等。由上述分析可以看出:“網(wǎng)絡”具有動態(tài)流程性質(zhì),“網(wǎng)絡”是特定的“流”按照某種特定的“程序”進行動態(tài)-有序運行的物理-幾何框架?！傲鳌?、“網(wǎng)絡”、“程序”三者構(gòu)成了特定環(huán)境條件下的動態(tài)系統(tǒng),這個動態(tài)系統(tǒng)是有結(jié)構(gòu)、有功能的,而且要追求其運行效率的。對“網(wǎng)絡”的研究,首先要研究它的結(jié)構(gòu)和功能,進而分析其運行效率。與此同時,還必須認識到“網(wǎng)絡”的整體性、動態(tài)性、有效性以及與之相關的層次結(jié)構(gòu)性。6.2以數(shù)學手段為研究“網(wǎng)絡”的合理性與有效性關系在研究“網(wǎng)絡”的結(jié)構(gòu)時,圖論和運籌學是有用的方法、工具。由于不同性質(zhì)、不同類型、不同運行方式和“流”對“網(wǎng)絡”的要求不同,因此與之相適應的“網(wǎng)絡”結(jié)構(gòu)就不同。例如在鋼鐵企業(yè)內(nèi)的物質(zhì)流往往要求物質(zhì)流網(wǎng)絡是一種最小有向樹的結(jié)構(gòu)(圖10),而其能量流網(wǎng)絡則要求最好有“初級回路“的結(jié)構(gòu)(圖11),所以出現(xiàn)這些要求,都是源于物質(zhì)流、能量流耗散最小化的要求和效率最大化的要求。作為“網(wǎng)絡”結(jié)構(gòu)的研究工具、方法,可以用圖論、運籌學等數(shù)學手段處理,以求得合理“節(jié)點”個數(shù)、布置和連通線的形狀、長短,串聯(lián)、并聯(lián)、串-并聯(lián)關系,網(wǎng)絡圖形特征以及達到的時-空邊界。當然,用“圖論”方法研究“網(wǎng)絡”的合理結(jié)構(gòu)時,一定要同時注意“節(jié)點”與“線”(弧)自身的性質(zhì)、功能及其對“網(wǎng)絡”的影響。在研究“網(wǎng)絡”的功能時,必須從“流”的性質(zhì)、類型和運行方式出發(fā)。首先是“流”的性質(zhì)(物質(zhì)流、能量流、人流,資金流還是信息流等),要根據(jù)“流”的物理性質(zhì),進一步分析“流”的類型,“流”在“網(wǎng)絡”中運行、流動的形式是多種多樣的,例如規(guī)則穩(wěn)定的、隨機的、季節(jié)的;層流的、紊流的、層-紊結(jié)合的;串聯(lián)的、并聯(lián)的、串-并聯(lián)等,對這些不同性質(zhì)、不同類型、不同運行方式的流而言,它們對“網(wǎng)絡”的結(jié)構(gòu)、功能的要求是不同的。在明確特定“流”對“網(wǎng)絡”結(jié)構(gòu)、功能要求的基礎上,就比較容易對“網(wǎng)絡”效率提出清晰的目標,當然這與相應的“程序”有關?！俺绦颉焙汀熬W(wǎng)絡”是相互依存的,“程序”取決于“網(wǎng)絡”的最佳化或優(yōu)化;反之,“網(wǎng)絡”的運行效率也必須依靠“程序”的合理化和優(yōu)化。由于“流”、“網(wǎng)絡”、“程序”是一個動態(tài)運行系統(tǒng),因此對“網(wǎng)絡”效率的要求,往往是一類多目標優(yōu)化,這種優(yōu)化實際上就是在不同環(huán)境條件下的多目標選優(yōu)系統(tǒng)。在研究“網(wǎng)絡”的效率時,必須充分注意效率最大化(簡捷、高效)、耗散最小化(能量耗散、物質(zhì)耗散、等)、環(huán)境友好性(生態(tài)保護、環(huán)境污染等)和安全性(生命財產(chǎn)安全、運行的穩(wěn)定性和舒適性等)。7鋼中的“能量流”和“能量流網(wǎng)絡”7.1高效轉(zhuǎn)換功能仍需加強長期以來,在追求鋼鐵產(chǎn)量和改善質(zhì)量過程中,鋼鐵領域的研究命題主要圍繞鐵素物質(zhì)流的優(yōu)化而開展,為獲得滿足用戶要求的鋼鐵產(chǎn)品,業(yè)內(nèi)開展了大量的產(chǎn)品研發(fā),并積累了豐富經(jīng)驗;同時也在流程工序間銜接-匹配等動態(tài)運行方面做了不少工作,在一些鋼廠已基本實現(xiàn)了鐵素物質(zhì)流從“混沌”到相對“有序”的轉(zhuǎn)變,如在高爐-轉(zhuǎn)爐界面實施鐵水預處理;在煉鋼-連鑄界面以鋼水精煉裝置進行協(xié)同-緩沖;在鋼材熱加工工序取消初軋開坯和以“連軋”替代“往復式軋制”;在連鑄-加熱爐界面,則采用不同類型、不同程度的鑄坯熱裝-熱送工藝等。至此,滿足鋼鐵產(chǎn)品制造功能的鋼廠工藝布局基本定型。但是,在流程高效、緊湊和動態(tài)有序運行的深入研究和能源高效轉(zhuǎn)換功能方面依然存在如下問題。1)對某些工序的鐵素流的高效運行還有待完善,如高爐爐料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、燒結(jié)工序“三高”(高漏風率、高返礦率和高臺車故障率)等;對流程高效、緊湊和動態(tài)有序運行的界面銜接匹配等方面仍需加強。2)雖然節(jié)能技術(shù)的普及率有很大的進步,鋼鐵企業(yè)的CDQ的普及率從2000年的20%提高到2009年的約70%,配套TRT的高爐座數(shù)從2000年的20個增加到2007年約400個。但是節(jié)能技術(shù)的利用效果和效率還有差距,如2007年中國重點鋼鐵企業(yè)TRT的噸鐵發(fā)電量比日本平均低10kW·h/t,在節(jié)能技術(shù)與工序工藝的結(jié)合方面需要完善。3)由于受局部工序或裝置的物料平衡和熱平衡靜止觀念的束縛,以往在能量流方面開展的技術(shù)研發(fā)只針對相關工序/裝置中某些供能技術(shù)的改造和局部二次能源的回收利用,或僅關注全廠的靜態(tài)能源平衡,缺乏全局性動態(tài)地研究整個鋼鐵制造流程的能源流網(wǎng)絡及與物質(zhì)流的耦合等效應,缺乏在全流程綜合系統(tǒng)地考慮持續(xù)地利用/回收各類余熱、余能的系統(tǒng)措施,特別是對鋼鐵制造流程的能源轉(zhuǎn)換功能、廢棄物消納-處理及再資源化功能、以及與之密切相關的能量流行為與能量流網(wǎng)絡構(gòu)建等問題的研究較少,相關理論不夠完整。造成工序能耗雖有降低,但鋼鐵企業(yè)整體能源效率的提高不能與之同步。例如,2008年中國重點鋼鐵企業(yè)高爐煤氣放散率仍達5.82%,焦爐煤氣放散率為2.14%,轉(zhuǎn)爐煤氣回收量僅為79m3/t(鋼)(熱值低于8.36×106J/m3)等。4)對二次能源品質(zhì)潛力的挖掘、價值開發(fā)以及低品質(zhì)余熱余能利用支撐技術(shù)與裝備開發(fā)滯后,例如250～300℃的余熱資源尚未有效地利用,爐渣熱量的利用尚無有效的措施等。5)指標考核體系不盡合理,同時缺乏科學、配套的激勵政策。如果按鐵素物質(zhì)流和能量流相對“有序”耦合并深度利用的目標新建鋼廠或改造現(xiàn)有鋼廠,即在系統(tǒng)研究鐵素物質(zhì)流動態(tài)-有序運行的同時,重視并深入研究能源合理轉(zhuǎn)換機制并構(gòu)建起優(yōu)化的能量流網(wǎng)絡,將對鋼鐵工業(yè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化開辟出新途徑,可挖掘出巨大的節(jié)能潛力和環(huán)保效果,應成為新技術(shù)背景下鋼廠節(jié)能減排,降低成本、改善環(huán)境的重要切入點。7.2外購能源與能量流的相互作用現(xiàn)代鋼鐵聯(lián)合企業(yè)是一類鐵-煤化工過程及其深加工系統(tǒng)。將鋼鐵生產(chǎn)流程抽象為鐵素物質(zhì)流輸入-輸出過程、能量流的輸入-輸出過程,以及鐵素流-能量流相互作用過程,有利于剖析物質(zhì)流(主要是鐵素流)、能量流(主要是碳素流)在鋼廠生產(chǎn)過程中的動態(tài)行為、效率以及兩者之間的相互作用機制,有利于從中獲取有效的信息,并集成為信息流和信息流網(wǎng)絡,為鋼鐵企業(yè)進一步節(jié)能、減排和消納廢棄物尋求新的突破口。在鋼廠生產(chǎn)流程中,由各類能源介質(zhì)組成的能量流既有與物質(zhì)流相伴而行,相互作用的運行,又有與物質(zhì)流分離而各自獨立的運行。在生產(chǎn)過程中,能源介質(zhì)提供的能量大部分伴隨著物質(zhì)流運行,附著在各工序/裝置上或輸出物質(zhì)流中。然而還有一部分能量(主要是二次能量流)脫離鐵素物質(zhì)流獨立運行,而且?guī)缀趺恳簧a(chǎn)工序都有獨立的能量排放流輸出。如果能夠?qū)Ω鞴ば蚋髯缘哪芰颗欧?二次能源)和附加的一次能源按一定的“程序”組織起來,并充分梯次利用,就可以構(gòu)成鋼廠內(nèi)部的“能源轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡”——“能量流網(wǎng)絡”(圖12)。圖12顯示了鋼鐵企業(yè)物質(zhì)流與能量流的相互作用關系。圖中空心粗箭頭線代表物質(zhì)流,其他箭頭線代表能量流;帶有數(shù)字1、2、3、4的方框代表鋼鐵生產(chǎn)工序(假定只有燒結(jié)、煉鐵、煉鋼及軋鋼4道鋼鐵生產(chǎn)工序,P1、P2、P3、P4及e1、e2、e3、e4分別代表各工序的鋼比系數(shù)和工序能耗);標有“回路1”等方框代表生產(chǎn)工序的能量回收裝置,如余熱鍋爐、TRT、煤氣回收裝置等;標有“轉(zhuǎn)換i”等橢圓代表能源轉(zhuǎn)換工序,如焦化、發(fā)電、制氧、鼓風、給水等。由圖可知,外購的原料經(jīng)燒結(jié)(球團)、煉鐵、煉鋼、軋鋼等工序直到生產(chǎn)出最終產(chǎn)品的過程,構(gòu)成了鋼鐵企業(yè)物質(zhì)流的運行過程。為了推動物質(zhì)流的轉(zhuǎn)變(表現(xiàn)為物質(zhì)狀態(tài)、物質(zhì)性質(zhì)等的變化)和傳輸(表現(xiàn)為位移、輸送等),外購能源G0大部分與物質(zhì)流相伴而行,相互作用,產(chǎn)生能源產(chǎn)品能量流(Gc11c、……、Gckkc,其能值分別為bc11c、……、bck);外購能源的另一部分(G1001、……、Gm0)與能源產(chǎn)品能量流與物質(zhì)流在各個鋼鐵生產(chǎn)工序上耦合在一起,相互作用:一方面能量流推動物質(zhì)流高效轉(zhuǎn)變,生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品;另一方面實現(xiàn)對輸入能量流的高效轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生二次能量流(G1ξξ1、……、G4ξξ4);這部分能量流與物質(zhì)流分離運行,進入能源轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(能量流網(wǎng)絡),成為能量流網(wǎng)絡的始端(輸入端),而各單元裝置以及發(fā)電設備等則相應成為能量流網(wǎng)絡的終點(輸出端)。7.3宏觀運行動力學鋼廠生產(chǎn)過程中,鐵素物質(zhì)流的運行軌跡構(gòu)成了“物質(zhì)流網(wǎng)絡”——集中地體現(xiàn)為鋼廠的總平面圖上。實際上總平面圖中不僅體現(xiàn)了優(yōu)化的“物質(zhì)流網(wǎng)絡”,同時也體現(xiàn)了與“物質(zhì)流網(wǎng)絡”相關聯(lián)的“能量流網(wǎng)絡”。這是由于在鋼廠生產(chǎn)過程中能量流與物質(zhì)流既有相互關聯(lián)的關系,又有相對“獨立運行”的狀況所引起的。實際上,鋼鐵生產(chǎn)過程中一部分能量流伴隨物質(zhì)流在“物質(zhì)流網(wǎng)絡”中運行,另一部分(類型)的能量流又在“能量流網(wǎng)絡”中相對“獨立”運行?！蔼毩ⅰ边\行的能量流在“能量流網(wǎng)絡”中運行也存在宏觀運行動力學——這是鋼廠制造流程能量流設計-調(diào)控的總策略。由于始端節(jié)點的能量流(如各類煤氣的發(fā)生量等)具有不穩(wěn)定性,而終端節(jié)點對輸入的能量流(如發(fā)電站等)則要求高度穩(wěn)定,因此,必須要有中間緩沖器(系統(tǒng)),這樣就形成了“推力”-“緩沖”-“拉力”構(gòu)成的宏觀運行動力學系統(tǒng)(圖13)。這種能量流運行的宏觀動力學系統(tǒng)的功能,是為了維持“獨立”運行的能量流在能量流網(wǎng)絡中“動態(tài)-有序”、“連續(xù)-緊湊”地運行。它的目的是保證能量轉(zhuǎn)換效率高,能量“耗散”最小化和煤氣等含能介質(zhì)近“零排放”。這里必須強調(diào)的是:在“能量流網(wǎng)絡”中,中間緩沖器的“緩沖”功能對于能量流的利用效率和近“零”排放是十分必要的。也就是說,要將不穩(wěn)定輸出的始端和高效、穩(wěn)定運行的“終端”之間要實現(xiàn)“動態(tài)-有序”、“連續(xù)-緊湊”地運行,必須要有合理的管網(wǎng)系統(tǒng)、容量合理的緩沖“氣柜”和必要的一次補充能源等中間緩沖系統(tǒng)。7.4從初始到網(wǎng)絡鋼廠生產(chǎn)流程是一個具有物質(zhì)-能量-時間-空間-信息構(gòu)成的動態(tài)系統(tǒng)。再細分則可以進一步解析為“物質(zhì)流網(wǎng)絡”、“能量流網(wǎng)絡”和“信息流網(wǎng)絡”。其中“能量流網(wǎng)絡”也同樣是由“節(jié)點”和“連結(jié)器”等單元按一定圖形構(gòu)建而成的運行系統(tǒng),即“能量-空間-時間-信息”構(gòu)成的動態(tài)運行系統(tǒng)。鋼廠內(nèi)部的一次能源(主要是外購的煤炭)和二次能源(如電能、焦炭、氧氣、各類煤氣、余熱、余能等)分別形成了能量流網(wǎng)絡的始端節(jié)點(如原料場、高爐、焦爐、轉(zhuǎn)爐等),這些能源介質(zhì)沿著輸送路線、管道等連結(jié)途徑——連結(jié)器,到達能源轉(zhuǎn)換的終端節(jié)點(如各工序等終端用戶及熱電站、蒸汽站、發(fā)電站等)。因此,在能量的輸送、轉(zhuǎn)換過程中,必然需要有必要的、有效的中間緩沖器(緩沖系統(tǒng))——例如煤氣柜、鍋爐、管道等,以滿足始端節(jié)點與終端節(jié)點處的能量在數(shù)量、時間、空間等方面的緩沖、協(xié)調(diào)與穩(wěn)定。由此不難看出,鋼廠內(nèi)部可以構(gòu)建起能源始端節(jié)點-能源連結(jié)器-能源中間緩沖系統(tǒng)-能源連結(jié)器-能源終端節(jié)點之間按一定圖形所構(gòu)成的“能量流網(wǎng)絡”(“能源轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡”),并且實現(xiàn)某種程度的“閉環(huán)”。例如鋼廠只買煤、不買電、不用燃料油。再深入看,由于能源的回收、轉(zhuǎn)換技術(shù)在不斷進步,對余能、余熱的可回收、可轉(zhuǎn)換利用的范圍不斷擴大,相應的始端“節(jié)點”/終端“節(jié)點”的數(shù)目或容量也會隨之不斷擴大,相應的“連結(jié)器”也隨之增加。這樣就會構(gòu)成不同能階層次的“能量流網(wǎng)絡”。例如:鋼廠回收的余熱介質(zhì)是500～600℃,可以構(gòu)成該水平的“能量流網(wǎng)絡”;如果回收余熱介質(zhì)是300℃,則擴展成另一層次的“能量流網(wǎng)絡”?？梢?鋼廠的“能量流網(wǎng)絡”是可以分層次設計和構(gòu)建的,在實施過程也應分層次推進,但在設計概念和設計方法中應該有清晰的認識。7.5轉(zhuǎn)換裝置設計原則在鋼廠設計和改造過程中,不僅應該注意物質(zhì)流轉(zhuǎn)換過程及其“程序”和“物質(zhì)流網(wǎng)絡”設計;同時,也應該重視能量流、能源轉(zhuǎn)換“程序”與“能量流網(wǎng)絡”的設計,而不應停留在“公輔設施”設計的老概念上。其設計原則應重視下列各點:1)建立能量流的輸入-輸出概念,不局限在物料平衡-熱平衡的概念上;2)與物質(zhì)流運行相關的一次能源轉(zhuǎn)換裝置的容量、數(shù)量和效率的合理選擇;3)不同二次能源優(yōu)先使用序的合理選擇;4)能源終端轉(zhuǎn)換裝置的容量、功能與效率優(yōu)化;5)“能量流網(wǎng)絡”與圖論——初級回路概念;6)能量流中間緩沖系統(tǒng)能力優(yōu)化——緩沖、穩(wěn)定;7)“能量流網(wǎng)絡”的分層次設計和分層次構(gòu)建;8)近“零”排放目標的逐步逼近。7.6關于網(wǎng)絡整合與流程匹配的合作7.6.1運行過程“阻力”最小對鋼鐵制造流程而言,網(wǎng)絡化整合既要保證鐵素物質(zhì)流的簡捷、順暢,也要兼顧符合碳素能量流合理利用和調(diào)配的基本結(jié)構(gòu)要求。該項工作意味著對流程中工序/裝置的容量(能力)、功能以及工序/裝置聯(lián)接-匹配方式的合理選擇,意味著總平面圖的簡捷化、緊湊化,使物質(zhì)流盡可能地保持動態(tài)-有序和層流方式運行,盡可能減少通道的交叉和在路徑中“擁塞”的概率,即達到運行過程“阻力”最小化。運行過程“阻力”最小化在很大程度上將表現(xiàn)為過程時間的縮短和前后工序之間“界面”的協(xié)同化、簡捷化。網(wǎng)絡化整合不僅對物質(zhì)流運行十分重要,而且對能量流及其運行優(yōu)化同樣重要,特別要結(jié)合能量流與鐵素物質(zhì)流有合-有分的特點,要以輸入/輸出的動態(tài)觀點來分析研究能量流的行為特征,確保兩種不同機制的網(wǎng)絡實現(xiàn)高度整合和程序化協(xié)同,以實現(xiàn)充分利用和高效回收各類二次能源(如余熱、余能等)之目的。此外,也要盡可能為作為他組織調(diào)控重要手段的信息流網(wǎng)絡的建立提供清晰、可行的布局思路。如果流程網(wǎng)絡不理順、不合理(包括物質(zhì)流網(wǎng)絡、能量流網(wǎng)絡和信息流網(wǎng)絡),則運行過程中“流”的行為往往易導致時間因素的無序化或是不時出現(xiàn)混沌狀態(tài),這必將導致物質(zhì)流、能量流耗散的增加。必須認識到,對冶金制造流程動態(tài)運行的有序性而言,不僅取決于各個工序/裝置各自運行的有序性、穩(wěn)定性,而且受到“流程網(wǎng)絡”集成化整合程度的促進或制約。7.6.2u3000流程再造的靜態(tài)結(jié)構(gòu)程序化協(xié)同,意味著制造流程內(nèi)工序功能集的解析-優(yōu)化,工序間關系集的協(xié)同-優(yōu)化和流程工序集合的重構(gòu)-優(yōu)化;也意味著空間序的緊湊化、簡捷化、層流化;這些都與網(wǎng)絡化整合密切相關,并在一定程度上決定了制造流程的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。程序化協(xié)同可以表現(xiàn)為合理的功能序設計和空間序設計,更重要的是體現(xiàn)在時間程序和時-空程序的設計上;因為“動態(tài)-有序”、“連續(xù)-緊湊”的特征最終將歸結(jié)到時間過程的最小化。時間程序的設計必須要充分理解時間在鋼鐵制造流程動態(tài)運行過程中的各種表現(xiàn)形式(例如:時間序、時間點、時間域、時間位、時間周期等),力求時間程序的協(xié)同化、快捷化,確保不同工序參數(shù)“漲落”特征的兼容性與耦合性。連鑄多爐連澆就體現(xiàn)了上述內(nèi)涵。時-空序的設計則體現(xiàn)在優(yōu)化的動態(tài)框架結(jié)構(gòu)中,體現(xiàn)在物質(zhì)流、能量流動態(tài)-有序運行的高效化、穩(wěn)定化上,實現(xiàn)“流”通量的“最大化”和/或單位時間內(nèi)物質(zhì)、能量耗散的“最小化”。7.7能源中心接收點在能源網(wǎng)能量流、能量轉(zhuǎn)換“程序”和“能量流網(wǎng)絡”概念是鋼廠能源調(diào)控系統(tǒng)的理論框架。建立能源調(diào)控系統(tǒng)應分別建立起包括各類能量流、能量流節(jié)點(包括始端和終端等)、能量流連結(jié)器和能量流中間緩沖系統(tǒng)(器)以及包括合理的網(wǎng)絡圖形在內(nèi)的“能量流網(wǎng)絡”。因此,在具體設計過程中,就不能簡單理解為公輔設施配套的認識水平上。在此基礎上,分別選擇合理的能源轉(zhuǎn)換裝置(能量流節(jié)點)的容量、個數(shù)并構(gòu)建“初級回路”的網(wǎng)絡圖形,進而構(gòu)建起物理模型和動態(tài)調(diào)控模型。這是能源調(diào)控系統(tǒng)(能源中心)的實體構(gòu)成。作為能源調(diào)控系統(tǒng)的實體——能源中心應是一個生產(chǎn)實體單位,同時兼顧某些管理職能。能源中心應該有設備、有裝置、有管網(wǎng)系統(tǒng),有信息調(diào)控系統(tǒng)。能源中心的功能應是24h連續(xù)實時地控制、協(xié)調(diào)整個鋼廠的“能源轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡”,預測預報可能遇到的“前景”,并提出因應的對策。8建立高效節(jié)能系統(tǒng)中國鋼廠現(xiàn)在應該進入深化節(jié)能的新階段,即充分發(fā)揮鋼鐵制造流程的能源轉(zhuǎn)換功能,推動建立鋼廠能量流網(wǎng)絡——能源調(diào)控中心,進一步推動全面節(jié)能減排,實現(xiàn)清潔生產(chǎn),達到更高層次的系統(tǒng)節(jié)能。為全面分析鋼廠進一步節(jié)能減排的思路,做以下討論。8.1提高連鑄機性能1)堅持精料方針:提高和穩(wěn)定入爐礦品位,改善燒結(jié)礦強度。2)改善高爐爐料結(jié)構(gòu):研究高爐加入燒結(jié)/球團/塊礦的合適比例。從全國層面上看,入爐球團比例能否提高