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1、项目名称称：钢铁生产产过程高高效节能能基础研研究首席科学学家：张欣欣 北京科科技大学学起止年限限：20122.1-20116.88依托部门门：教育部一、关键键科学问问题及研研究内容容1关键科科学问题题面向钢铁铁工业节节能减排排的重大大需求，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 钢钢铁工业业节能减减排技术术瓶颈与与关键科科学问题题（1）高高温多元元多相体体系热化化学反应应与能质质传递的的协同强强化理论论全氧高炉炉炼铁是是一个多多元、非非均相、多多重热化
2、化学演变变与能质质转化传传递交融融的复杂杂过程。本本关键科科学问题题要阐明明冶炼过过程的热热化学反反应动力力学及能能质转换换与传递递规律，明明晰矿相相结构及及熔体物物性演变变特性，揭揭示氧化化势、还还原势对对碳热还还原过程程的影响响及其耦耦合原理理，构建建能质传传递与多多相复杂杂热化学学反应协协同强化化理论。（2）多多形态余余热高效效转换回回收与梯梯级利用用过程多多场耦合合传输机机制多形态余余热的高高效回收收和多品品位余能能的梯级级利用是是非稳态态、多物物相、强强耦合的的非线性性系统。本本关键科科学问题题要阐明明强冲击击、非均均匀、多多物化耦耦合驱动动下固/熔相高高温沉降降/堆积积颗粒体体系余
3、热热高效转转换与回回收过程程的能质质传递与与反应机机理，探探析时空空不稳定定条件下下介孔异异质复合合相变材材料高效效蓄传热热的影响响因素及及规律，研研究多孔孔微细结结构内多多相多物物系相变变及其界界面迁移移特性，构构建多场场耦合驱驱动多形形态余能能高效转转换与储储存方法法。（3）钢钢铁生产产流程物物流能流环境作作用机理理及其多多目标集集成优化化理论钢铁生产产过程是是一个开开放、远远离平衡衡点、不不可逆且且由不同同结构功能的的单元工工序通过过非线性性耦合构构成的复复杂流程程系统。本本关键科科学问题题要阐明明流程热热力学与与动力学学的耦合合机制，构构建整体体系统、功功能子系系统、工工序模块块、单体
4、体组件等等多层次次物流能流耦耦合的普普适模型型，研究究流程整整体的物物流能能流环环境作用用机理、能能源高效效配置方方法和废废弃物循循环与排排放特点点，建立立基于广广义热力力学的多多目标集集成优化化理论和和流程调调控策略略。2主要研研究内容容研究内容容1：高高温热化化学反应应与能质质传递协协同强化化理论以国际先先进的全全氧高炉炉炼铁技技术为背背景，以以铁氧碳多元元、非均均相高温温热化学学反应体体系为对对象，主主要研究究：高温温多相热热化学反反应体系系中矿相相结构与与熔体物物性演变变机制，热热化学反反应动力力学规律律及特点点，矿物物渣相煤气三三相共存存条件下下的高效效能质传传递与气气固液相相分离机
5、机理，热热化学反反应动力力学与能能质传递递耦合机机制等。从而建建立高温温多相热热化学反反应与能能质传递递协同强强化理论论，为规规模化全全氧高炉炉炼铁新新工艺系系统的构构建奠定定科学基基础。研究内容容2：固固、熔相相余热回回收与品品质调控控中的能能质耦合合传输机机理以钢铁生生产流程程中钢铁铁熔融渣渣及固体体散料等等物料余余热回收收和固相相品质调调控问题题为背景景，以悬悬浮、移移动及回回转条件件下高温温相变颗颗粒体系系和异形形颗粒堆堆积体系系为对象象，主要要研究：复杂孔孔隙内工工质的高高温热力力学温升升及反应应动力学学特性，高高温熔渣渣颗粒相相变冷却却与物相相结构及及品质的的演变机机理，高高温颗粒
6、粒体系中中多相流流动、热热质传递递和物质质转化的的耦合作作用机制制与物料料品质协协同调控控原理，关关键参数数对高温温颗粒体体系宏观观能质传传递的影影响规律律，复杂杂动力及及热边界界条件下下高温颗颗粒体系系中多物物理场耦耦合驱动动的能质质协同调调控强化化方法及及数值分分析模型型。从而建建立高温温非均质质颗粒余余热回收收体系中中具有相相变及化化学反应应的多相相流动和和多元多多相热质质传递理理论，为为钢铁工工业中关关键固熔熔相物料料余热回回收技术术的发展展提供科科学支撑撑。研究内容容3：气气相余热热梯级蓄蓄存、回回收中的的能质输输运理论论以钢铁生生产中存存在的大大量不同同品位气气相余能能回收问问题为
7、背背景，以以中高温温间歇性性气相余余热梯级级连续蓄蓄存和低低品位气气相余热热的高效效吸收为为对象，主主要研究究：气相相余热蓄蓄存传递递过程的的时空非非稳态、非非线性特特性、演演化规律律及连续续控制方方法；介介孔异质质复合相相变蓄热热材料的的梯级制制备、结结构表征征、力学学性能与与热物性性调控；多孔微微结构特特征及其其对质热热输运过过程的影影响、耦耦合规律律和协同同强化理理论；多多孔功能能材料可可控设计计制备与与热质交交换器性性能演变变；基于于能量梯梯级利用用原理的的储能换换热系统统构建，蓄蓄传热强强化传输输机理及及相变传传热、流流固耦合合输运和和界面效效应。从而建建立气相相余热梯梯级蓄存存回收
8、与与质热协协同输运运理论，为为气相余余热回收收及利用用奠定科科学基础础。研究内容容4：钢钢铁生产产流程多多层次物物流能流网网络理论论与系统统集成优优化以钢铁生生产流程程中的物物流能能流环环境关联联问题为为背景，以以过程工工业与生生态环境境综合协协调优化化为目标标，主要要研究：流程整整体系统统、功能能子系统统、工序序模块、单单体组件件的功能能特点、热热力学和和动力学学特征，流流程资源源、能源源消耗和和环境影影响的综综合评价价及广义义热力学学优化（包包括流程程选择、工工艺选择择、物流流能流流分配、余余能利用用模式选选择、热热力学和和动力学学参数调调控等），流流程整体体行为的的全工况况仿真，工工业转
9、化化过程前前后化学学反应与与热力循循环的品品位关联联规律，不不同品位位燃料化化学能做做功能力力逐级转转化方法法，多品品位能源源梯级利利用系统统动态关关联规律律和高效效配置方方法，物物质转化化过程中中碳、氮氮、硫等等元素循循环与转转化特点点及碳捕捕集、分分离及处处理的技技术经济济分析。从从而建立立多层次次流程体体系物流流能流流环境境综合协协调的广广义热力力学优化化理论，为为钢铁生生产流程程高效节节能的系系统集成成和运行行调控奠奠定科学学基础。二、预期期目标1总体目目标本项目以以“提高炼炼铁工艺艺能效、强强化余热热梯级回回收利用用和降低低流程系系统能耗耗”为切入入点，通通过对“高温热热化学反反应与
10、能能质传递递协同强强化理论论”、“固、熔熔相余热热回收与与品质调调控能质质耦合传传输机理理”、“气相余余热梯级级蓄存、回回收中能能质输运运理论”和“钢铁生生产流程程多层次次物流能流网网络理论论与系统统集成优优化”等4方方面进行行系统研研究，解解决“高温多多元多相相体系热热化学反反应与能能质传递递协同强强化理论论”、“多形态态余热高高效转换换回收与与梯级利利用过程程多场耦耦合传输输机制”和“钢铁生生产流程程物流能流环境作作用机理理及其多多目标集集成优化化理论”等3个个关键科科学问题题。项目期望望构建“多相复复杂高温温热化学学反应与与能质传传递协同同强化理理论”和“多层次次流程体体系物流流能流流环
11、境境综合协协调的广广义热力力学优化化理论”，发展展“多场耦耦合驱动动多形态态余能高高效转换换与储存存方法”；取得得钢铁工工业节能能减排原原创性技技术原型型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1012%，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 五年年预期目目标2.1科科学理论论层面项目期望望在“协同强强化”和“广义热热力学优优化”理论方方面取得得突破，发发展“余能高高效转换换与储存存”新方法法，
12、即“构建两两个理论论、发展展一个方方法”，具体体如下：（1）多多相复杂杂高温热热化学反反应与能能质传递递的协同同强化理理论。阐阐明铁氧氧碳反应应体系的的多元非非均相高高温热化化学反应应过程热热质传递递与界面面耦合机机理，明明晰高温温热化学学反应与与能质传传递的协协同强化化机制，为为大幅提提高以氧氧气高炉炉为代表表的高温温大容积积反应器器能效提提供理论论基础。（2）多多层次流流程体系系物流能流环境综综合协调调的广义义热力学学优化理理论。明明晰钢铁铁生产流流程整体体系统功能子子系统工序模模块单单体组件件各层次次不同机机制单元元过程的的物流能流热热力学和和动力学学特性，揭揭示流程程整体的的物流能流环
13、境作作用机理理，发展展全流程程低热值值伴生气气/蒸汽汽综合梯梯级利用用方法，形形成多层层次流程程体系物物流能能流环环境综合合协调的的广义热热力学优优化理论论，为钢钢铁生产产流程高高能效、低低排放的的系统集集成优化化奠定科科学基础础。（3）多多场耦合合驱动多多形态余余能高效效转换与与储存方方法。揭揭示带有有物相转转化与品品质调控控的高温温固体/熔体颗颗粒能质质传递与与转化机机理，阐阐明余热热回收率率和物料料物相转转化/品品质调控控的协同同机制，拓拓展基于于能量梯梯级利用用原理和和新型复复合相变变材料的的间歇性性余热高高效传递递和连续续蓄存理理论，发发展基于于吸附传传输理论论和多孔孔功能材材料余热
14、热回收方方法，为为钢铁工工业中各各种难回回收余能能资源的的回收和和利用提提供科学学基础。2.2 节能技技术层面面（1）在在“协同强强化理论论”和“余能高高效转换换与储存存方法”指导下下，取得得以下新新技术原原型：全全氧高炉炉炼铁；固体余余热高效效回收；钢铁渣渣余热回回收和品品质调控控；转炉炉煤气高高效蓄传传热回收收；中低低温余热热热质综综合利用用；低热热值可燃燃伴生气气化学能能梯级利利用。使使能耗降降低综合合效果达达到810%。（2）在在“广义热热力学优优化理论论”的指导导下，完完善钢铁铁生产流流程多联联产大系系统仿真真平台，完完成多层层次流程程体系物物流能能流环环境综合合协调的的系统集集成和
15、流流程运行行优化调调控，实实现能源源高效配配置和余余能梯级级利用。使使系统能能耗降低低355%。2.3 工程应应用层面面在其他科科技计划划支持下下，实施施全氧高高炉炼铁铁技术和和低热值值可燃伴伴生气蒸汽联联合循环环发电技技术工业业化应用用，达到到工程示示范水平平。2.4 人才培培养和基基地建设设层面形成一支支在钢铁铁节能减减排领域域具有国国际竞争争力的研研究团队队，培养养一批高高素质创创新人才才，构建建以“生态与与循环冶冶金教育育部重点点实验室室”为核心心的流程程工业节节能减排排基地群群，提升升我国在在工业节节能减排排领域的的科技创创新能力力与综合合竞争实实力。在本项目目研究过过程中，拟拟出版
16、理理论体系系明确、特特色鲜明明的学术术专著112部部；发表表论文3300篇篇以上，其其中SCCI/EEI收录录的论文文1200篇以上上；申报报发明专专利200项以上上，软件件著作权权登记220项以以上；组组织召开开具有较较大影响响力的国国际学术术会议112次次；培养养造就223 名具有有国际影影响力的的科学家家，12名国国家级人人才奖励励计划获获得者，88100名中青青年学术术带头人人，博士士生500600名，硕硕士生440550名。三、研究究方案1总体思思路1.1学学术思路路本项目提提出“钢铁生生产过程程物质流流与能量量流时空空品质高高效耦合合和转化化过程协协同强化化”的核心心学术思思想，以以能
