專題講座資料（2021-2022年）從開放系統耗散結構到鋼廠的能量流網絡化集成

1、從開放系統、耗散結構到鋼廠的能量流網絡化集成殷瑞鈺（鋼鐵研究總院，北京，100081）一、背 景經過改革開放30年的艱苦努力，中國鋼鐵工業(yè)發(fā)生了巨大的變化，生產規(guī)模和行業(yè)競爭力顯著提高，相應的噸鋼能耗大幅度下降（圖1），已明顯縮短了與世界鋼鐵強國在整體水平上的差距。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上世紀七十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

2、中不容回避的新問題。注：2000年之前為鋼鐵工業(yè)值，2000年及之后為重點大中型企業(yè)值。圖1 中國鋼鐵工業(yè)噸鋼綜合能耗的變化回顧改革開放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三個重要階段：（1）在20世紀八十年代，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；提出系統節(jié)能的理論、概念等。所采用節(jié)能技術的起點相對較低。 （2）20世紀九十年代，在生產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/線材連軋國產化、轉爐濺渣護爐以及大型超高功率電爐等先進共性-關鍵技術的攻關和推廣應用，

3、實現了生產流程的結構優(yōu)化和噸鋼能耗的大幅度降低，體現出90年代系統節(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，體現出通過淘汰落后實現節(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、轉爐煤氣干法除塵）、“節(jié)約用水”、“余能余熱發(fā)電”等技術的開發(fā)與應用，逐步進入到全面、深入、系統地開發(fā)鋼鐵制造流程的“能源轉換功能”時期。展望未來5-10年，由于我們仍處在工業(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)略和技術方法進一步實現節(jié)能降耗，值得深思和大膽探索。2009年9月，在北京召開了第356

4、次香山科學討論會，以“鋼廠生產過程中能量流行為與能量流網絡的構建”為主題展開學術研討，旨在引導我國鋼鐵界從充分發(fā)揮鋼廠三個功能（鋼鐵產品制造功能、能源轉換功能、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流和碳素能量流的行為、規(guī)律，探索與鐵素物質流在時-空域上相關的碳素能量流的輸入/輸出特點和能量流網絡的構建，以及相應的信息流集成調控。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、技術開發(fā)和工程化實施的策略等。二、鋼鐵生產流程所對應的熱力學系統與耗散結構從熱力學角度分析鋼鐵生產流程，可將研究對象

5、概括成三種不同的熱力學系統：孤立系統、封閉系統和開放系統（見圖2）。圖2 孤立系統、封閉系統和開放系統孤立系統的特征是與外界環(huán)境既沒有物質交換也沒有能量交換，這種系統是一種理論抽象的模型，地球環(huán)境中沒有與之完全對應的參照系。宏觀看待孤立系統，其過程的終極目標是系統的熵增為零，系統達到最高的均勻度和靜態(tài)平衡。在經典熱力學研究中，通過孤立系統的平衡計算判據，以判斷發(fā)生在孤立系統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，但沒有物質交換。從宏觀看，該系統一般是處于近平衡狀態(tài)，其自發(fā)趨勢一是向

6、某種平衡狀態(tài)轉變，其過程轉變的結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)的特征參數不再隨時間變化?？梢钥闯?，在研究封閉系統的變化過程時，已經需要考慮時間因素和其帶來的影響效果了，因而較為接近現實情況。鋼鐵生產中現實的例證如不進行物質交換的感應加熱系統或電磁攪拌系統。開放系統和外界環(huán)境之間是敞開的，即系統與外界環(huán)境之間既有物質交換，又有能量交換，這是自然界中最為普遍的現象。從宏觀看，當該系統處于遠離平衡態(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在的“漲落”及非線性相互作用機制，使該系統由某種混沌狀態(tài)轉變到動態(tài)-有序狀態(tài)，形成所謂的“活結構”。這種動態(tài)-有序狀態(tài)的維持

7、需要不斷地與外界環(huán)境進行能量、物質交換（輸入、輸出），并使系統保持一定的穩(wěn)定性，不會因外界微小的擾動而消失。既然開放系統需要與外界有持續(xù)的物質和能量交換，必然導致“流通量”（物質流和能量流）的介入和時間因素的全程參與。改變“流通量”大小和變換干預措施（他組織手段），都可能使系統從一個動態(tài)-有序狀態(tài)躍遷到另一個動態(tài)-有序狀態(tài)。這其中，已經體現出維持系統運行所必需的物質消耗和能量消耗的深刻內涵。在鋼鐵生產過程中，開放系統隨處可見?？删唧w到某一單元工序的生產過程（如高爐煉鐵過程或轉爐煉鋼過程），也可擴展到鋼鐵制造的全流程。對于鋼廠的實際生產過程而言，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。

8、普里高金把遠離平衡的非線性區(qū)內形成的新的穩(wěn)定的有序結構稱為耗散結構。耗散結構必須在開放系統中才能形成，也必須和外界環(huán)境持續(xù)地發(fā)生能量、物質和信息的交換，進而通過過程系統內部各組成單元的特征參數適度、合理的“漲落”和各單元之間的非線性相互作用（包括網絡化整合、程序化協同等），耗散外界流入的負熵，在各組成單元之間產生協同作用和相干效應，形成動態(tài)-有序運行的耗散結構，使系統從混沌轉向動態(tài)-有序，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、復雜的結構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、質量等）、有序性

9、和混沌性（在功能、時間、空間等方面），也具有多種可能的連結-匹配和緩沖-協調（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)-有序新結構和連續(xù)（準連續(xù)）-緊湊方式運行為目標，并實現流程運行過程中耗散的“最小化”?？梢钥闯觯芯夸撹F制造流程的優(yōu)化和技術提升問題，不能簡單地用孤立系統/封閉系統的概念、方法來解決，以往人們習慣使用的對單元工序或過程的質-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的本質耗散結構的輸入-輸出特征以及各構成單元之間復雜關聯關系的認識，因而掩蓋了對研究對象持續(xù)改進的方向；在解決全流程系統優(yōu)化問題時

10、，拘泥于片面地追求局部“平衡”或某一單元工序特征指標“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。三、鋼鐵制造流程運行過程的工藝表象與物理本質3.1 靜態(tài)-局部的工藝表象鋼廠的制造流程從表象上看，是由原料場、焦化、燒結（球團）、煉鐵、煉鋼、軋鋼等生產單元所組成。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-串聯的方法來構建起鋼廠的生產流程。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。出現上述情況的根源是把鋼廠生產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

11、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，但作為對設計或實際生產運行（特別是動態(tài)-有序、連續(xù)-緊湊運行）的指導是不夠的，甚至會產生誤導。3.2 鋼鐵制造流程的物理本質我們不能將鋼廠的各工序簡單相加看成是生產流程。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)結構，靜態(tài)結構還應包括總平面圖布局和各種工序裝置容量和個數的合理性。鋼鐵企業(yè)的生產過程實質上是物質、能量以及相應信息的流動/演變過程。其動態(tài)-運行過程的物理本質是1：物質流（主要是鐵素流）在能量流（主要是碳素流）的驅動和作用下，按照設定的“程序”，

12、沿著特定的“流程網絡”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、由不同結構-功能的異質單元工序通過非線性耦合所構成的復雜系統，其動態(tài)運行過程的性質是耗散過程。在鋼廠生產過程中，鐵素物質流是一類多因子流，是被加工的主體。碳素能量流則作為驅動力、化學反應介質或熱介質，并按照工藝要求對物質流進行加工、處理，使其發(fā)生位移、化學/物理轉換，實現以制造過程中物質、能量“耗散最小化”為核心的多目標優(yōu)化。例如生產效率高、產品質量優(yōu)、能源消耗低、過程排放少、生產成本低、環(huán)境/生態(tài)友好等。由此看出，鋼廠作為大尺度的開放系統，其運行模式比一般的化學反應、相變過程或單元操作過程

13、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品制造功能；2）能量流運行的功能能源轉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的基礎上，進一步拓展鋼廠的功能，以新的模式實現生態(tài)化轉型，融入循環(huán)經濟社會。四. 鋼鐵制造流程中物質流與能量流的關系從鋼鐵制造流程的現代設計、動態(tài)運行和信息化調控的角度分析，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

14、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“流程網絡”和時間過程（例如動態(tài)作業(yè)表等）即“程序”。“流”和“程序”、“流程網絡”的優(yōu)化組合、協同集成，就可以實現運行過程中物質、能量“耗散” 的最小化。4.1 物質流、能量流、信息流在鋼鐵制造流程中的角色鋼鐵制造流程中，“流”有三種載體來體現：以物質形式為載體的物質流，以能源形式為載體的能量流和信息形式為載體的信息流。物質流是制造過程中被加工的主體，是主要物質產品的加工實現過程；能量流是制造加工過程中驅動力、化學反應介質、熱介質等角色的扮演者；而信息流則是物質流行為、能量流行為和外界環(huán)境信息的反映以及人為調控信息的總和。在制造流

15、程的動態(tài)運行過程中，總體上看，物質流/能量流/信息流相伴而行、相互影響。4.2能量流與物質流的關系從物質流為主體的角度上看，在鋼廠制造流程中，物質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，在鋼廠生產過程中，能量流并沒有全部伴隨著物質流運動，有部分能量流會脫離物質流相對獨立地運行。因此，能量流與物質流的關系是時而相伴，時而分離。相伴時，相互作用、影響；相離時，又各自表現各自的行為特點?？偟目磥恚阡搹S生產流程中，能量流與物質流是時合時分的（圖3圖5）。藍色箭頭：鐵素物質流；紅色箭頭：碳素能量流；棕色箭頭：利用二次余能發(fā)電并網使用圖3 典型鋼鐵企業(yè)物質流及能量流運行網絡與軌跡圖4 曹

16、妃甸鋼鐵廠物質流(鐵素流)運行網絡與軌跡 圖5 曹妃甸鋼鐵廠能量流(碳素流)運行網絡與軌跡進一步分解到從局部的工序/裝置看，在輸入端，物質流和能量流分別輸入；在裝置內部，物質流與能量流相互作用、相互影響；在輸出端，往往表現為物質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（球團）礦和焦炭、煤粉、鼓風是分離的（物質流和能量流分離）；在高爐中，它們又“合并”，燒結（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、

17、還原反應，完成成渣脫硫、鐵液增碳等反應，最終實現液態(tài)生鐵的生產；從高爐輸出端看，液態(tài)生鐵和液態(tài)爐渣等物質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，也以能量流的形式輸出。同樣，在燒結過程、焦化過程、煉鋼過程、軋鋼加熱爐過程也有相似的現象與過程，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流、能量流的運行（圖6圖9）。入爐煤1326kg（干）/t焦加熱煤氣970m3/t焦BFG焦 爐干熄焦裝置1000kg紅焦焦爐煤氣420m3/t焦煙囪廢氣2000m3/t焦焦炭1000kg電力100kwh/t焦電 站獲蒸汽

18、500kg/t焦說明：入爐煤的成焦率按75.4%計，即1326kg干煤生產1噸焦炭； 加熱焦爐用的高爐煤氣發(fā)熱量為1000kcal/m3； 干煤的相當耗熱量為728 kcal/kg。圖6 焦爐系統的物料與能源利用框圖2煤氣(COG) 3.12m3/t燒結機450m2焦粉 51.04kg/t水87kg/t電40.13kwh/t蒸氣 1.1kg/t廢氣 回收蒸汽75kg/t熔 劑 精礦粉 鋪底料 其他（OG泥等）140.7kg/t 895.5kg/t 97.8kg/t 98.1kg/t粉 塵 燒結礦 落地礦2-4kg/t 1t 及其他圖7 燒結系統的物料與能源利用框圖2生 礦269.17kg返 回

19、轉爐渣燒結礦1314.17kg回收蒸汽78.93kg/t礦噴煤粉205kg焦 化288kgTRT發(fā)電36.44kwh/t回收高爐煤氣1391.96m3焦爐煤氣327.28m3/t原料場CDQ回收蒸汽574kg/t焦發(fā)電50kwh/t焦電站鐵水1000kg高爐渣298kg鼓風電力圖8 高爐系統的物料與能源利用框圖2電 力35.5kwh/t鋼氧 氣51.08m3/t鋼水310kg/t鋼蒸汽5.5kg/t鋼氮 氣23.11 m3/t鋼氬 氣0.98m3/t鋼廢 鋼140kg/t鋼焦爐煤氣1.25m3/t鋼鐵 水950kg/t鋼爐 塵10 kg轉爐煤氣105m3電站回收蒸汽41.3kg鋼 水1000k

20、g爐 渣85 kg圖9 轉爐系統的物料與能源利用2因此，不僅要注意物質流、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，以便為構建鋼廠的能量流網絡奠定基礎。五、過程能量流研究方法與特點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/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”、“流程網絡”等要素的概念，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

21、們所組成的空間圖形（流程網絡），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，這樣才有利于構建起優(yōu)化的“能量流網絡”，也有利于進一步提高能源利用效率。51鋼廠能量流輸入-輸出特點及“漲落”現象鋼廠中的能量流在經過不同的工序節(jié)點時有不同的載體形式，其輸入-輸出的狀態(tài)有多種不同的表現形式，能量流的性質（燃料種類、煤氣、蒸汽、自發(fā)電的回用、物質流顯熱）、品質（煤氣種類及熱值、蒸汽溫度及壓力、物質流溫度等）、數量等特征參數會隨著在鋼廠中時-空域的不同而存在差異性。此外，能量流在不同節(jié)點的特

22、征參數還不可避免地存在著動態(tài)“漲落”現象，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，必須用結構合理、兼容性好、容錯能力強的網絡化技術，來構建起能量流網絡，最大限度地發(fā)揮各種能源介質(一次能源、二次能源等)的綜合潛力，實現整個系統的高效率利用和低成本耗散。在構建能量流網絡時，需結合不同品質的煤氣、蒸汽、物質流的顯熱等能源介質特點和所產生的地點及時間，制定出不同的耦合機制和恰當的回收使用方案。52 單元工序簡單質-能恒算方法的局限性 從上述分析可以看出，當把一個完整的鋼鐵生產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-熱平衡計算結果（質-能恒算），很難對全

23、流程整體的能源利用率和效益作出準確評價。姑且不論所研究的生產流程在結構、配置、工藝布局上是否存在設計缺陷，當對各工序做質-能恒算時，往往只能以“割裂”的方式得出“互不相關”工序能耗靜態(tài)的計算結果。在這個計算結果中，對每個單元工序所產生的二次能源的利用效果或利用率的數據是缺失的，因當其接續(xù)不同的用戶時，會出現差異。以轉爐煤氣為例，當用作燃氣熱源時，其使用效果可簡單用熱效率計算（還須結合不同加熱爐和燒嘴特點）；當作為清潔燃氣用來生產優(yōu)質石灰時，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/蒸汽管網系統設

24、計存在缺陷或處于非正常生產狀況時，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-能恒算結果中所不能反映的?？梢?，對鋼廠生產過程中能量流的研究方法，應該用開放系統中輸入/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“流程網絡”等概念才能順利建模。六、關于“網絡”本質與“網絡”研究方法61 對研究網絡的基本認識“網絡”是節(jié)點和線（?。┮约八鼈冎g關系的反映和描述。研究“網絡”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)、質量管理工程、文化教育、金融財政等產業(yè)。這是因為“網絡”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

25、要的、合理的“網絡”與之匹配，才能實現其“功能最佳化”和“效率最大化”。在現代世界，“網絡”是一個具有普適性的概念和“工具”，并且已經或正在逐步形成結構合理、功能恰當、效率很高的工程實體。研究“網絡”不僅要研究“網絡”本身，而且必須同時研究在“網絡”中運行的各類“資源”和/或“事件”，也就是要研究各種不同性質、不同類型的“流”。例如物流、物質流、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“網絡”的結構與功能提出不同的要求，因此研究“網絡”必須要和所承載運行的“流”結合起來研究，不能脫離“

26、流”的性質、要求而孤立地進行研究?！傲鳌痹凇熬W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-紊結合的；單向的、雙向的、多項的；串聯的、并聯的、串-并聯等等。為了適應不同特征“流”的運行效率、安全、穩(wěn)定、舒適等要求，“網絡”的設計、構建和運行不僅要在“結構”、“功能”上與之適應，而且必須注意“流”在“網絡”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：“網絡”具有流程性質，“網絡”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?、“網絡”、“程序”三者構成了特定

27、環(huán)境條件下的動態(tài)系統，這個動態(tài)系統有結構、有功能，而且要追求其運行效率。對“網絡”的研究，首先要研究它的結構和功能，進而分析其運行效率。與此同時，還必須認識到“網絡”的整體性、動態(tài)性、有效性以及與之相關的層次結構性。62 研究網絡的基本方法在研究“網絡”的結構時，圖論和運籌學是有用的方法、工具。由于不同性質、不同類型、不同運行方式和“流”對“網絡”的要求不同，因此與之相適應的“網絡”結構就不同。例如在鋼鐵企業(yè)內的物質流往往要求物質流網絡是一種最小有向樹的結構（圖10），而其能量流網絡則要求最好有“初級回路“的結構（圖11），所以出現這些要求，都是源于物質流、能量流耗散最小化的要求和效率最大化的

28、要求。圖10最小有向樹的示意圖注：圖是由點的集合和連接點集中的某些點對的連線所構成21384796521345圖11初級回路示意圖注：初級回路示意圖（1、2、4、5、3、1），簡單回路示意圖（1、2、3、4、5、3、1，點3重復，邊不重）作為“網絡”結構的研究工具、方法，可以用圖論、運籌學等數學手段處理，以求得合理“節(jié)點”個數、布置和連通線的形狀、長短，串聯、并聯、串-并聯關系，網絡圖形特征以及達到的時-空邊界。當然，用“圖論”方法研究“網絡”的合理結構時，一定要同時注意“節(jié)點”與“線”（?。┳陨淼男再|、功能及其對“網絡”的影響。在研究“網絡”的功能時，必須從“流”的性質、類型和運行方式出發(fā)。

29、首先是“流”的性質（物質流、能量流、人流，資金流還是信息流等），要根據“流”的物理性質，進一步分析“流”的類型，例如是連續(xù)流、半連續(xù)流還是間歇流、脈動流等等。也可以根據“流”運行的時間因素，將之分為穩(wěn)定流、隨機流和季節(jié)流，對這些不同性質、不同類型、不同運行方式的流而言，它們對“網絡”的結構、功能的要求是不同的。在明確特定“流”對“網絡”結構、功能要求的基礎上，就比較容易對“網絡”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絡”是相互依存的，“程序”取決于“網絡”的最佳化或優(yōu)化；反之，“網絡”的運行效率也必須依靠“程序”的合理化和優(yōu)化。由于“流”、“網絡”、“程序”是一個動態(tài)運

30、行系統，因此對“網絡”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。在研究“網絡”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、物質耗散、信息耗散等）、環(huán)境友好性（生態(tài)保護、環(huán)境污染等）和安全性（生命財產安全、運行的穩(wěn)定性和舒適性）。七、鋼廠中的“能量流”與“能量流網絡”7.1 現實存在問題長期以來，在追求鋼材數量和改善質量過程中，國內鋼鐵領域的研究命題主要圍繞鐵素物質流的優(yōu)化而開展，為獲得滿足用戶要求的鋼鐵產品，業(yè)內開展了大量的產品研發(fā),并積累了豐富經驗；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

31、現了鐵素物質流從“混沌”到相對“有序”的轉變，如在高爐-轉爐界面實施鐵水預處理；在煉鋼工序實施“平”改“轉”和“連鑄”淘汰“模鑄”；在煉鋼-連鑄界面以鋼水精煉裝置進行協同-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應用和鋼鐵制造流程的能源高效轉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，如高爐爐料結構的優(yōu)化、燒結工序“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

32、和動態(tài)有序運行的界面銜接匹配等方面仍需加強；2）節(jié)能技術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的高爐座數從2000年的20個增加到2007年約400個。但是節(jié)能技術的利用效果和效率還有差距，如2007年我國重點鋼鐵企業(yè)TRT的噸鐵發(fā)電量比日本平均低10kWh/t，在節(jié)能技術與工序工藝的結合方面需要完善；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研發(fā)只針對相關工序/裝置中某些供能技術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

33、絡及與物質流的耦合等效應，缺乏在全流程綜合系統地考慮持續(xù)地利用/回收各類余熱、余能的系統措施，特別是對鋼鐵制造流程的能源轉換功能、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絡構建等問題的研究較少，相關理論不夠完整。造成工序能耗有所降低，但鋼鐵企業(yè)整體能源效率的提高不能與之同步。例如，2008年我國重點鋼鐵企業(yè)高爐煤氣放散率仍達5.82%，焦爐煤氣放散率為2.14%，轉爐煤氣回收量僅為79m3/t鋼（熱值低于2000kcal/m3）等等。4）對二次能源品質潛力的挖掘、價值開發(fā)以及低品質余熱余能利用支撐技術與裝備開發(fā)滯后，例如250300的余熱資源尚未有效地利用，爐渣熱

34、量的利用尚無有效的措施等；指標考核體系不盡合理，同時缺乏科學、配套的激勵政策。如果按鐵素物質流和碳素能量流相對“有序”耦合并深度利用的目標新建鋼廠或改造現有鋼廠，即在系統研究鐵素物質流動態(tài)-有序運行的同時，重視并深入研究能源合理轉換機制并構建起優(yōu)化的能量流網絡，將對鋼鐵工業(yè)的結構優(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 鋼廠中能量流運行概念的建立現代鋼鐵聯合企業(yè)是一類鐵-煤化工過程及其深加工系統。將鋼鐵生產流程抽象為鐵素物質流輸入-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，有利于剖析物質流

35、（主要是鐵素流）、能量流（主要是碳素流）在鋼廠生產過程中的動態(tài)行為、效率以及兩者之間的相互作用機制，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。在鋼廠生產流程中，礦排步業(yè)物質流、能量流的相互作用可見上圖由各類能源介質組成的能量流既有與物質流各自獨立的運行，又有相伴而行、相互作用的運行。在生產過程中，能源介質提供的能量大部分伴隨著物質流運行，附著在各工序/裝置上或輸出物質流中。然而還有一部分能量（主要是二次能量流）脫離鐵素物質流獨立運行，而且?guī)缀趺恳簧a工序都有獨立的能量排放流輸出。如果能夠對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”組織起來，并充分梯次利用，就可

36、以構成鋼廠內部的“能源轉換網絡”“能量流網絡”（圖12）。 圖12鋼鐵企業(yè)物質流、能量流相互作用示意圖（以噸鋼為基準）3圖12顯示了鋼鐵企業(yè)物質流與能量流的相互作用關系。圖中空心粗箭頭線代表物質流，其他箭頭線代表能量流；帶有數字1、2、3、4的方框代表鋼鐵生產工序（假定只有燒結、煉鐵、煉鋼及軋鋼4道鋼鐵生產工序，、及、分別代表各工序的鋼比系數和工序能耗）；標有“回路1”等方框代表生產工序的能量回收裝置，如余熱鍋爐、TRT、煤氣回收裝置等；標有“轉換i”等橢圓代表能源轉換工序，如焦化、發(fā)電、制氧、鼓風、給水等。由圖可知，外購的原料經燒結（球團）、煉鐵、煉鋼、軋鋼等工序直到生產出最終產品的過程，構

37、成了鋼鐵企業(yè)物質流的運行過程。為了推動物質流的轉變（表現為物質狀態(tài)、物質性質等的變化）和傳輸（表現為位移、輸送等），外購能源大部分進入能源轉換網絡，產生能源產品能量流（、，其能值分別為、）；外購能源的一部分（、）及能源產品能量流與物質流在各個鋼鐵生產工序上耦合在一起，相互作用：一方面能量流推動物質流高效轉變，生產鋼鐵產品；另一方面實現對輸入能量流的高效轉換，產生二次能量流（、）；這部分能量流與物質流分離運行，進入能源轉換網絡（能量流網絡），成為能量流網絡的始端（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絡的終點（輸出端）。7.3、鋼鐵制造流程中能量流的宏觀運行動力學鋼廠生產過程中，

38、鐵素物質流的運行軌跡構成了“物質流網絡”集中地體現為鋼廠的總平面圖上。實際上總平面圖中不僅體現了優(yōu)化的“物質流網絡”，同時也體現了與“物質流網絡”相關聯的“能量流網絡”。這是由于在鋼廠生產過程中能量流與物質流既有相互關聯的關系，又有相對“獨立運行”的狀況所引起的。實際上，鋼鐵生產過程中一部分能量流伴隨物質流在“物質流網絡”中運行，另一部分（類型）的能量流又在“能量流網絡”中相對“獨立”運行?！蔼毩ⅰ边\行的能量流在“能量流網絡”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

39、高度穩(wěn)定，因此，必須要有中間緩沖器（系統），這樣就形成了“推力”“緩沖”“拉力”構成的宏觀運行動力學系統（圖13）。一次能源始端節(jié)點二次能源始端節(jié)點能源流中間緩沖系統（器）能源終端節(jié) 點圖13 鋼廠制造流程中的能量流及其宏觀動力學示意圖這種能量流運行的宏觀動力學系統的功能，是為了維持“獨立”運行的能量流在能量流網絡中“動態(tài)-有序”、“連續(xù)-緊湊”地運行。它的目的是：保證能量轉換效率高，能量“耗散”最小化和煤氣等含能介質近“零排放”。這里必須強調的是：在“能量流網絡”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。因為不穩(wěn)定輸出的始端和高效、穩(wěn)定運行的“終端”之間要實

40、現“動態(tài)-有序”、“連續(xù)-緊湊”地運行，必須要有合理的管網系統、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。7.4 “能量流網絡”的構成鋼廠生產流程是一個具有物質-能量-時間-空間-信息構成的動態(tài)系統。再細分則可以進一步解析為“物質流網絡”、“能量流網絡”和“信息流網絡”。其中“能量流網絡”也同樣是由“節(jié)點”和“連結器”等單元按一定圖形構建而成的運行系統，即“能量-空間-時間-信息”構成的動態(tài)運行系統。鋼廠內部的一次能源（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絡的始端節(jié)點（如原料場、高爐、焦爐、轉爐等），這些能源介質沿著輸送路

41、線、管道等連結途徑連結器，到達能源轉換的終端節(jié)點（如各工序等終端用戶及熱電站、蒸汽站、發(fā)電站等）。當然，在能量的輸送、轉換過程中，必然需要有必要的、有效的中間緩沖器（緩沖系統）例如煤氣柜、鍋爐、管道等，以滿足始端節(jié)點與終端節(jié)點處的能量在數量、時間、空間等方面的緩沖、協調與穩(wěn)定。由此不難看出，鋼廠內部可以構建起能源始端節(jié)點能源連結器能源中間緩沖系統能源連結器能源終端節(jié)點之間按一定圖形所構成的“能量流網絡”（“能源轉換網絡”），并且實現某種程度的“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、轉換技術在不斷進步，對余能、余熱的可回收、可轉換利用的范圍不斷擴大，相應的始端“節(jié)

42、點”/終端“節(jié)點”的數目或容量也會隨之不斷擴大，相應的“連結器”也隨之增加。這樣就會構成不同層次的“能量流網絡”。例如：鋼廠回收的余熱介質是500-600，可以構成該水平的“能量流網絡”；如果回收余熱介質是300，則擴展成另一層次的“能量流網絡”。可見，鋼廠的“能量流網絡”是可以分層次設計和構建的，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 能量流與“能量流網絡”的設計原則在鋼廠設計和改造過程中，不僅應該注意物質流轉換過程及其“程序”和“物質流網絡”設計；同時，也應該重視能量流、能源轉換“程序”與“能量流網絡”的設計，其設計原則應重視下列各點：建立能量流的輸入-

43、輸出概念，不局限在物料平衡-熱平衡的概念上；與物質流運行相關一次能源轉換裝置的容量、數量和效率的合理選擇；不同二次能源優(yōu)先使用序的合理選擇；能源終端轉換裝置的容量、功能與效率優(yōu)化；“能量流網絡”與圖論初級回路概念；能量流中間緩沖系統能力優(yōu)化緩沖、穩(wěn)定；“能量流網絡”的分層次設計和分層次構建；近“零”排放目標的逐步逼近。76關于網絡化整合和程序化協同關于網絡化整合問題對鋼鐵制造流程而言，網絡化整合既要保證鐵素物質流的簡捷、順暢，也要兼顧符合碳素能量流合理利用和調配的基本結構要求。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/裝置接續(xù)方式的合理選擇，意味著總平面圖的簡捷化、緊湊化，

44、使物質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”的機會，即“阻力”最小化?！白枇Α弊钚』诤艽蟪潭壬蠈⒈憩F為過程時間的縮短和前后工序之間“界面”的協同化、簡捷化。網絡化整合不僅對物質流運行十分重要，而且對能量流及其運行優(yōu)化同樣重要，特別要結合能量流與鐵素物質流時合-時分的特點，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絡實現高度整合和程序化協同，以實現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控重要手段的信息流網絡的建立提供清晰、可行的布局思路。如果流程網絡不理順、不合理（包括物質流網

45、絡、能量流網絡和信息流網絡），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混沌狀態(tài)，這必將導致物質流、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“流程網絡”集成化整合程度的促進或制約。關于程序化協同問題程序化協同，意味著制造流程內工序功能集的解析-優(yōu)化，工序間關系集的協同-優(yōu)化和流程工序集合的重構-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)結構。程序化協同可以表現為合理的功能序設計和空間序設計，更重要的是體現在時間程序和時-空程序

46、的設計上；因為“動態(tài)-有序”、“連續(xù)-緊湊”的特征最終將歸結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），力求時間程序的協同化、快捷化，確保不同工序參數“漲落”特征的兼容性與耦合性。連鑄多爐連澆就體現了上述內涵。時-空序的設計則體現在優(yōu)化的動態(tài)框架結構中，體現在物質流、能量流動態(tài)-有序運行的高效化、穩(wěn)定化上，實現“流”通量的“最大化”和/或單位時間內物質、能量耗散的“最小化”。7.7 關于能源調控系統與能源中心能量流、能量轉換“程序”和“能量流網絡”概念是鋼廠能源調控系統的理論框架。建立能源

47、調控系統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）、能量流連結器和能量流中間緩沖系統（器）以及包括合理的網絡圖形在內的“能量流網絡”。在此基礎上，分別選擇合理的能源轉換裝置（能量流節(jié)點）的容量、個數和“初級回路”，進而構建起物理模型和動態(tài)調控模型。這是能源調控系統（能源中心）的實體構成。作為能源調控系統的實體能源中心應是一個生產實體單位，同時兼顧某些管理職能。能源中心應該有設備、有裝置、有管網系統，有信息調控系統。能源中心的功能應是24小時連續(xù)實時地控制、協調整個鋼廠的“能源轉換網絡”，預測預報可能遇到的“前景”， 并提出因應的對策。八、充分發(fā)揮鋼鐵制造流程的能源轉換功能，進一

48、步節(jié)能減排中國鋼廠現在應該進入深化節(jié)能的新階段，即充分發(fā)揮鋼鐵制造流程的能源轉換功能，推動建立鋼廠能量流網絡能源調控中心，進一步推動全面節(jié)能減排，實現清潔生產，達到更高層次的系統節(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 鐵素流系統的進一步節(jié)能（1）堅持精料方針：提高和穩(wěn)定入爐礦品位，改善燒結礦強度。（2）改善高爐爐料結構：研究高爐加入燒結/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到25-30%。（3）燒結工序應著重解決降低返礦率，大力降低漏風率并提高燒結臺車壽命。（4）減少鐵水倒罐次數：淘汰混鐵爐，質疑魚雷罐，逐步推行“一包到底”（鐵水包多功能化）。（5）提高鐵水包、鋼水包、連鑄中間包壽命，加速周轉，減少個數，減少各類包的過程吸熱，減少金屬液的溫降。（6）協調鐵水預處理-煉鋼爐-精煉爐-連鑄機的運行節(jié)奏，減少精煉工序滿包鋼水等待時間，以連鑄機恒拉速、高拉速為目標，提高煉鋼廠各工序、裝備的能源使用效率。（7）優(yōu)化連鑄機與熱軋機在能力、距離、運輸方法上的匹配關系，縮短運輸時間，提高鑄坯熱送-熱裝溫度（以600/950為目標）。（8）淘汰落后工藝裝備，例如小高爐、小燒結、