钢铁制造流程的本质、功能与钢厂未来发展模式.ppt
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1、钢铁制造流程的本质、功能与钢厂未来发展模式殷瑞钰 钢铁研究总院 2009年6月28日 北京 钢铁是“必选材料”,是可循环利用的材料。钢铁作为一种重要的结构材料及功能材料的位置,在可预见的时间范围内不会发生重大变化。钢铁工业属于流程制造业。它是由功能不同的制造工序(装置)通过组合-集成构建起来的。从工程系统看,经过长时间的演变,现代钢铁企业的制造流程已演变两类基本流程:1、以铁矿石、煤炭等天然资源为源头的高炉-转炉-热轧-深加工流程和熔融还原-转炉-热轧-深加工流程。2、以废钢为再生资源和电力为能源的电炉-精炼-连铸-热轧流程。这是以社会循环废钢、加工制造废钢、钢厂自产废钢和电力为源头的制造流程
2、,即所谓电炉流程(图1)。图1 两类钢铁制造流程示意图 图2 高炉转炉轧钢生产流程的演进 从物理角度上看,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/流变过程。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-有序的运行。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按照工艺要求对物
3、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。从钢铁制造流程动态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、质量品种排放控制自然资源利用规模效率钢钢铁铁制制造造流流程程钢铁产品制造炉渣利用垃圾处理废钢污水处理废塑料铁素、碳素、尘泥、氧化铁皮废弃物消纳处理能源效率供热 制氢发电能源转换市场竞争力市场竞争力可持续发展可持续发展资源、能源可供性资源、能源可供性提纲:一、关于钢铁产品制造功能二、关于能源转换功能以及相关的废弃物消纳-处理功能三、关于实现过程工艺目标以及相应的废弃物消纳-处理功能四、“洁净钢”平台的概念与涵义五、循环经济的有效实施 从“3R”原则到“五要素(“5E”)集成”六、关于实施循环经济过程中技术-经济因素的协调七、关于未来生态化钢厂的发展模式一、关于钢铁产品制造功能:钢铁产品制造功能是
5、建立钢厂的初衷和基本出发点,在未来发展过程中,既要考虑市场竞争力,同时又必须重视可持续发展能力,对于新一代钢厂的产品制造功能,应该从如下视角出发来思考技术进步的战略性问题:以过程耗散“最小化”为核心目标,建立动态-有序、连续-紧凑的新一代钢铁制造流程;以过程冶金的解析-集成优化为原则,建立起针对不同产品的高效率、低成本“洁净钢平台”;以材料工程为指导,规范不同钢铁产品的合理性能并实现产品换代。二、关于能源转换功能以及相关的废弃物消纳-处理功能:钢铁制造流程的物理本质和运行特征:由各种物料组成的物质流在输入能量的驱动和作用下,按照设定的工艺流程,使铁素物质流发生状态、形状和性质等一系列变化,成为
6、期望的产品。在这过程中,物质流和能量流时而分离、时而相伴。相伴时,相互作用、影响;分离时,又分别表现各自的行为特征。2.1物质流与能量流的关系 深入分析研究一下钢铁制造流程中物质流与能量流的行为和关系是有必要的。总的看来:在钢厂生产流程中,能量流与物质流是时合时分的。图3 典型钢铁企业物质流及能量流运行网络与轨迹TRTCDQ石灰窑图4曹妃甸钢铁厂物质流(铁素流)运行网络与轨迹图5 曹妃甸钢铁厂能量流(碳素流)运行网络与轨迹石灰窑发电 从企业生产流程整体上看,物质流与能量流是相互关联的。但是,从物质流、能量流的运行轨迹看是时合时分的,并可以分别形成“物质流网络”和”能量流网络“,两者并不完全重合
7、。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,则物质流与能量流相互作用、相互影响,在输出端:则往往表现为物质流带着部分能量输出,同时还有不同形式的二次能量流分别输出。这是因为在工序/装置中,有必要的过剩能量,才能保证工艺、加工过程中的效率,因此有剩余能量流输出是不可避免的。说明:入炉煤的成焦率按75.4%计,即1326kg干煤生产1吨焦炭;加热焦炉用的高炉煤气发热量为1000kcal/m3;干煤的相当耗热量为728 kcal/kg。图6 焦化系统的物料与能源利用框图焦炉煤气图7 烧结系统的物料与能源利用框图图8 高炉炼铁系统的物料与能源利用框图图9 转炉炼钢系统的物料与
8、能源利用 2.2关于能量流转换功能和“能量流网络”在研究钢铁制造流程的能源转换功能时,也应该建立起能量流的“流”、“能源转换程序”和与之相关的“能源转换网络”的动态-有序、输入-输出概念,其中包括了有关钢厂能量流运行的时间-空间-信息概念。而不能局限在质-能衡算的概念上。现在,国际顶级的高炉-转炉-热轧生产流程也还有38%左右的能源未被铁素物质流充分回收利用,为了充分利用钢厂生产过程输入的一次能源和能源转换过程中产生的二次能源,应该作如下通盘思考:以输入-输出的模型研究钢厂能量流与物质流的关系,以及其中能量流的行为;以功能-效率为目标,研究一次能源、二次能源使用顺序;以连续实时调控和近“零”排
9、放为目标,以图论等方法手段,研发钢厂“能源转换网络”(“能量流网络”);开发有关铁素物质流运行过程的节能减排技术;研究二次能源充分利用条件下的不同钢铁制造流程的极限能耗量值;研究钢铁制造流程的结构与吨钢CO2排放的关系三、关于实现过程工艺目标以及相应的废弃物消纳-处理功能 从钢铁生产过程中物质流和能量流的运行看,都会产生副产品、废弃物、余热、余能等物质、能量的排放,这些排放过程及排放物构成了对环境、生态的不良影响。钢铁工业应对环境-生态的对策,纵观国际动态,大体上经历了如下过程:图10 国际钢铁工业环境保护的发展进程示意图 图11 流程制造业与循环经济的关联 在钢铁制造流程的物质流运行、能量流
10、运行的物质流-能量流相互作用过程中,都存在着消纳-处理废弃物并使之资源化、能源化的可能性。例如在物质流运行过程中消纳废钢,处理烟尘、铁鳞等含铁废弃物,回收利用Cr、Ni、Cu、Zn等金属。在能量流的运行过程中消纳-处理废塑料、废轮胎、处理社区污水、处理垃圾甚至大量制氢等。在延伸生态-工业链的过程中和水泥、建材、发电等产业链接。在未来发展循环经济的过程中,钢厂生产过程应是重要切入点,因为钢厂具有资源-能源密集、物流运输密集的、资金流密集等特点:资源密集、能源密集:在钢铁联合企业内,每吨钢将消耗0.60.8t标准煤、1.501.55t铁矿石、80150kg废钢、36t新水;由此形成了大量的物质、能
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