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1、项目名称：钢铁生产过程高效节能基础研究首席科学家：张欣欣 北京科技大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：教育部一、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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、
7、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
8、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；
9、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。阐明铁氧碳反应体系的多元非均相高温热化学反应过程热质传递与界面耦合机理，明晰高温热化学反应与能质传递的协同强化机制，为大幅提高以氧气高炉为
10、代表的高温大容积反应器能效提供理论基础。（2）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。明晰钢铁生产流程整体系统功能子系统工序模块单体组件各层次不同机制单元过程的物流能流热力学和动力学特性，揭示流程整体的物流能流环境作用机理，发展全流程低热值伴生气/蒸汽综合梯级利用方法，形成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，为钢铁生产流程高能效、低排放的系统集成优化奠定科学基础。（3）多场耦合驱动多形态余能高效转换与储存方法。揭示带有物相转化与品质调控的高温固体/熔体颗粒能质传递与转化机理，阐明余热回收率和物料物相转化/品质调控的协同机制，拓展基于能量梯级利用原理和新型复合
11、相变材料的间歇性余热高效传递和连续蓄存理论，发展基于吸附传输理论和多孔功能材料余热回收方法，为钢铁工业中各种难回收余能资源的回收和利用提供科学基础。2.2 节能技术层面（1）在“协同强化理论”和“余能高效转换与储存方法”指导下，取得以下新技术原型：全氧高炉炼铁；固体余热高效回收；钢铁渣余热回收和品质调控；转炉煤气高效蓄传热回收；中低温余热热质综合利用；低热值可燃伴生气化学能梯级利用。使能耗降低综合效果达到810%。（2）在“广义热力学优化理论”的指导下，完善钢铁生产流程多联产大系统仿真平台，完成多层次流程体系物流能流环境综合协调的系统集成和流程运行优化调控，实现能源高效配置和余能梯级利用。使系
12、统能耗降低35%。2.3 工程应用层面在其他科技计划支持下，实施全氧高炉炼铁技术和低热值可燃伴生气蒸汽联合循环发电技术工业化应用，达到工程示范水平。2.4 人才培养和基地建设层面形成一支在钢铁节能减排领域具有国际竞争力的研究团队，培养一批高素质创新人才，构建以“生态与循环冶金教育部重点实验室”为核心的流程工业节能减排基地群，提升我国在工业节能减排领域的科技创新能力与综合竞争实力。在本项目研究过程中，拟出版理论体系明确、特色鲜明的学术专著12部；发表论文300篇以上，其中SCI/EI收录的论文120篇以上；申报发明专利20项以上，软件著作权登记20项以上；组织召开具有较大影响力的国际学术会议12
13、次；培养造就23 名具有国际影响力的科学家，12名国家级人才奖励计划获得者，810名中青年学术带头人，博士生5060名，硕士生4050名。三、研究方案1总体思路1.1学术思路本项目提出“钢铁生产过程物质流与能量流时空品质高效耦合和转化过程协同强化”的核心学术思想，以能量转化与传递为主线，以多学科交叉融合为手段，寻求突破关键技术瓶颈问题的解决办法。从设备尺度而言，针对钢铁生产中的间歇性气体余热、低温气体余热和低热值可燃伴生气等难回收余能资源，通过工程热物理与材料科学、化学化工学科交叉研究，揭示物质流与能量流品质及时空特性耦合机制，建立多形态余热高效转换与梯级回收过程多场耦合传输机制；“高效耦合”
14、既反映了能量转换与传递过程多场耦合，也反映了流程工业余热余能回收利用过程中的时空和品质特征，体现为余热余能回收时空耦合和用能品位对口耦合。从工序尺度而言，针对以高温热化学反应驱动物质转化的全氧高炉炼铁新技术、固体散料运动床余热回收过程和需兼顾产物品质的高温钢铁渣余热回收过程，通过工程热物理与物理化学等学科的交叉融合，建立物质与能量传递转化过程协同强化理论；“协同强化”反映了提高物质转化过程效率途径的特征，体现为物质转化过程控制机制和能量转化传递过程控制机制的协调一致。从流程尺度而言，物质与能量的“高效耦合”和“协同强化”贯穿于钢铁生产全过程。针对钢铁生产流程的整体性和复杂性，通过冶金、能源、环
15、境与信息等多学科的交叉融合，建立多层次流程体系物质能量排放动态耦合、综合协调的广义热力学优化理论；“钢铁生产过程物质流与能量流时空品质高效耦合和转化过程协同强化”反映了新一代钢厂的产品制造、能量转换和废弃物消纳三大功能的基本特征，体现为流程工业物质转化与节能减排目标的一致性，是流程工业提高效率、降低能耗、减少排放的有效途径。1.2 技术路线考虑认知规律的深入发展及过程研究与系统研究的层次提高，本项目以物质与能量高效耦合和协同强化为研究主线，结合装置、工序和流程的层次性，针对三个关键科学问题，采用理论分析和实验测试相结合的方法，由“钢铁生产过程物质流与能量流时空品质高效耦合和转化过程协同强化”核
16、心理论的突破与发展，“全氧高炉冶炼、固气相余能回收和全流程集成优化”核心技术的机理验证，及“钢铁生产全流程能源高效配置”系统集成创新，构成逐步推进的三个研究层面（如图3所示），最终完成最高目标：总能耗降低1012%，节约4000万吨标煤/年、减排9000万吨CO2/年。图3 总体技术思路1.3可行性本项目的学术思路和技术途径来源于项目承担单位在冶金、建材、工程热物理、材料科学、信息科学及管理学领域扎实的工作基础和研究经验。（1）项目承担单位具备坚实的研究基础本项目参加单位承担或参与了多项国家重大科技项目，包括国家973计划、863重点项目和科技支撑计划等30多项。其中，新一代钢厂精准设计和流程
17、动态优化研究项目、高炉喷煤催化助燃节能技术、高温传热蓄热过程多尺度结构中流动与传递规律等项目为本项目提供了扎实的前期工作基础。（2）项目承担单位在相关领域已取得大批高水平研究成果本项目申请和合作单位在国家自然科学基金、国家973计划、863计划和科技支撑计划资助下，已在冶金、材料及能源科学等领域开展了大量基础研究，并在相关研究领域已获得11项国家级科技奖励，如干熄焦引进技术消化吸收“一条龙”开发和应用，钢铁企业副产煤气利用与减排综合技术、贫煤、贫瘦煤高炉喷吹技术开发与应用等。很多成果可直接应用于本项目的研究工作，为本项目提供了丰富的研究经验和充分的知识储备。（3）项目承担单位具备从事本项目研究
18、的实验基础条件本项目每个承担单位在相关领域都建有省部级以上的重点实验室，如北京科技大学高效钢铁冶金国家重点实验室（筹）、北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，中科院工程热物理所清洁高效煤电成套设备国家工程研究中心，北京科技大学生态与循环冶金教育部重点实验室、西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室、重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室和北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室。这些实验室特色鲜明、仪器设备先进、实验手段齐全，为项目实施提供了优质的实验研究基础和条件。（4）项目承担单位具有很好的国际合作基础目前，项目承担单位与美国、英国、德国、法国、瑞典、日本和韩国等国家的大
19、学、企业和研究单位保持着实质性的良好合作关系，并在相关研究领域开展了合作研究。如与美国橡树岭国家实验室、麻省理工学院、德国马普所、英国剑桥大学、日本东京大学、韩国浦项制铁等正进行实质性合作。尤其在节能减排领域，项目承担单位于2010年5月与美国劳伦斯伯克利国家实验室和橡树岭国家实验室联合签署了关于工业能效合作大学联盟谅解备忘录，已在工业能效评估技术、软件和数据库建设及人员交流培训等方面开展了长期长效的全面合作。2创新点（1）针对全氧高炉炼铁技术，揭示其冶炼过程物理机制，构建高温、大通量、大容积反应器内热化学反应与能质转换协同强化理论，提高碳热能源利用效率，为形成高效节能减排的全氧高炉冶炼技术提
20、供理论基础。（2）针对钢铁工业中部分余能资源难于回收和低效利用的问题，揭示多形态、多品位余能资源高效转换与梯级回收利用过程多场耦合传输机制，发展“余能高效转换与储存方法”新方法。（3）针对钢铁生产流程的复杂性和整体性，深刻认识其生产流程资源能源环境作用机理，提出能耗及环境效应综合评价方法，构建钢铁生产过程多层次物流能流环境综合协调的广义热力学优化理论。3 课题设置本项目针对目前钢铁生产中的技术瓶颈，以3个关键科学问题为核心，设置了以下6个课题：课题1. 全氧条件下高炉高温热化学反应与能质传递协同原理课题2. 高温运动床层异形颗粒堆积体系内的能质传递与转化机制课题3. 基于物料品质调控的高温熔渣
21、余热回收能质传输机理课题4. 气相余热高效梯级储存与转换的理论和方法课题5. 钢铁流程系统的能耗排放特征及其广义热力学优化课题6. 钢铁生产过程能源高效配置与余能梯级利用核心学术思想、关键科学问题与课题之间的关系参见图4。课题1. 全氧条件下高炉高温热化学反应与能质传递协同原理研究内容以氧气高炉炼铁技术为背景，研究其高温热化学反应机理、动力学特性及与能质传输的协同强化规律。主要内容包括：（1）矿相结构及熔体特性演变及调控机制高还原势气氛中温度、气相组分、停留时间等因素对矿物的矿相结构、熔变特性及熔体物性的影响，矿相结构与熔体物性演变模型，变温非均相体系中反应物矿相结构与物性的时空演变规律，碳热
22、还原反应过程中铁及各元素在相间迁移化学势强化及调控机制。（2）高还原势条件下高温多相碳热还原反应动力学高温碳热还原体系复杂多相热化学反应过程中固液气界面结构变化规律，高还原势条件下碳热还原过程动力学模型，反应体系元素还原、碳素颗粒氧化等反应体系的本征动力学特征，高温多元多相复杂反应机理。（3）高温大容积反应器内多相体系的质能分布规律碳热还原过程高温多相非均质反应体系的能质传递与反应规律及相应数学模型，高温大容积反应器内动量、热量和质量分布特征、传输通量、传输过程的时空多尺度特征，能质传递与化学反应的耦合机制。（4）碳热还原过程的能质传递与化学反应的协同强化反应过程中碳素转化行为、碳素（C-CO
23、-CO2）分布特点和变化规律，碳热还原过程碳素化学能与热能供应的协调关系，为合理分配碳素的还原化学能和燃烧热能、提高碳素利用效率提供理论依据。（5）碳素循环及CO2分离和利用的关键工程技术基础炼铁系统化学势、能量分布与碳素循环关系，多因素评价优化数学模型，析CO2分离过程能量分布与耗散特点，CO2捕集、碳素能源重整循环与炼铁工艺的合理集成。研究目标建立能质传递与热化学反应协同强化理论及模型，揭示在高温状态下多相复杂热化学反应过程中物相结构与熔体物性演变规律、多元多相反应机理及界面控制结构规律和质能转换与界面耦合规律，阐明温度、压力和界面效应等对反应过程的影响机理，建立新型高效反应和能质传输协同
24、强化理论体系，为规模化氧气高炉炼铁系统的构建提供科学支撑。形成全氧高炉炼铁技术原型，在其他科技计划支持下达到工程示范水平，炼铁工序碳耗下降 25 %。承担单位： 北京科技大学 重庆大学课题负责人： 张欣欣主要学术骨干：薛庆国、郭占成、王静松、李 俊经费比例：24.3%课题2. 高温运动床层异形颗粒堆积体系内的能质传递与转化机制研究内容以球团、烧结及炼焦大量存在的固体散料余热回收为背景，研究高温运动条件下具有化学反应、相变与孔隙瞬态变化的异形多孔介质内的多物理场、非线性强耦合传递过程机制。主要内容包括：（1）高温相变条件下单颗异形颗粒及堆积体系内气-固能质传递特性研究高温相变条件下单颗球团颗粒内
25、孔隙结构的瞬态变化及气固能质传递特性，探索高温条件下三维异形颗粒随机堆积几何拓扑结构的生成方法，确立高温相变条件下异形颗粒堆积（颗粒本身含微细孔隙）体系内的各种能质传递效应（如：颗粒自身微细孔隙与颗粒间较大孔隙内能质传递的多尺度耦合、高温辐射、孔隙内的湍流热弥散等），揭示高温相变条件下异形颗粒堆积体系内气-固两相之间的能质传递规律。（2）高温相变条件下异形颗粒体系反应动力学特性 研究高温相变条件下异形颗粒体系反应动力学模型，确定气相组成、气相流场/温度分布等条件下不同成分颗粒体系化学反应速率的变化特性，揭示高温相变条件下异形颗粒体系的能质转化规律。（3）高温运动条件下异形颗粒体系“流热质力”耦
26、合模型及能质协同强化研究高温回转条件下三维异形颗粒随机瞬态堆积几何拓扑结构的生成方法，建立高温移动及回转条件下包含化学反应、相变与孔隙瞬态变化的非均质异形多孔介质内的多物理场、非线性强耦合数值分析模型，解明异形颗粒体系内“流热质力”的相互影响机理及与几何参数的关系并确立其能质协同强化方法。（4）高温运动床层能质传递、转化理论及评价体系综合高温运动条件下异形颗粒堆积多孔介质内的众多复杂能质传递效应、多物理场耦合特性及传输构形方法和协同强化方法，揭示关键参数对异形颗粒堆积体系宏观能质传递的影响规律，研究气相燃烧反应、动量/热量传输行为与多孔介质能质传递、转化之间的相互作用机制，建立高温运动床层能质
27、传递、转化理论与评价体系，为球团、烧结、炼焦热工系统设计提供理论支持。研究目标研究高温移动及回转条件下异形颗粒堆积体系内的各种复杂能质传递效应，分析复杂孔隙内工质的高温热力学温升及反应动力学特性，发展和完善复杂动力及热边界条件下高温颗粒反应单元内多物理场耦合数值分析模型及能质协同强化方法，揭示关键参数对异形颗粒堆积体系宏观能质传递的影响规律，建立高温移动及回转条件下异形颗粒堆积多孔介质能质传递理论及评价体系，为钢铁工业球团、烧结及炼焦过程中的高效高质生产与节能减排提供科学支撑。形成固相余热高效回收技术原型。承担单位：西安交通大学 北京工业大学 海军工程大学 课题负责人：王秋旺主要学术骨干：王景
28、甫、曾 敏、吴一宁、王文华经费比例：16.6%课题3. 基于物料品质调控的高温熔渣余热回收能质传输机理研究内容以钢铁工业熔融钢铁渣余热回收为背景，深入认识多场耦合驱动的热质传递强化及物料品质的有效调控方法。主要内容包括：（1）高温物料颗粒相变冷却与物相结构演变及性能高温熔融颗粒凝固及转化的机理和界面效应、变物性高温团聚固体颗粒冷却特性、颗粒物相结构及物性演变规律，颗粒微观构型及成分活性变化与表观物性参数的关系，高温熔融物料颗粒内部相变传热理论模型，颗粒内部相变及传递过程与物相结构变化的相互作用规律。（2）高温熔渣粒化机制、颗粒成型及分布沉降特性高温熔融钢铁渣粒化机制及成型机理，熔渣制粒过程中转
29、杯结构特性、运动特性、高温熔渣物性特征及工艺参数等对熔渣颗粒粒径及均匀性、粒径分布、质量分布和沉降特性的影响规律，组合式粒化方法，粒化机制与熔渣颗粒特性的相互作用规律。（3）高温非均质颗粒体系中多元多相流动和相变传热传质机理及特性非均质高温沉降熔渣颗粒体系中多相流动、物料相变和转化、热质传递的机理及耦合作用特性，颗粒局部熔融和部分流化等相态和流场非均匀性的影响规律，高温相变熔渣颗粒体系热传递规律，高温非均质熔渣颗粒体系中的多元多相传热传质理论模型，热质传递和物料品质变化的规律及耦联关系。（4）高温熔渣余热回收系统中多场耦合驱动的热质传递强化与物料品质调控高温熔渣余热回收系统中多场耦合驱动的热质
30、传递强化方法及物料品质调控方法，系统关键参数对余热回收率及物料品质的影响规律，多过程多目标参数的协同优化理论，适用于高温熔渣高效余热回收系统的相似性准则关系。研究目标揭示钢铁生产工业过程中熔融钢铁渣物料余热回收中的复杂多相流动和传热传质、物料相变及转化的机理和相互影响规律，阐明余热回收和物料品质调控的协同机制及特性，建立高温非均质熔融颗粒体系中具有相变及化学反应的气-固两相流动和多元多相热质传递理论模型，提出适用于高温熔渣高效余热回收系统的相似性准则关系，为钢铁工业中高温熔渣高效余热回收技术的发展提供理论依据。形成钢铁渣余热回收和品质调控技术原型，高温熔渣热回收率大于65%。承担单位：重庆大学
31、 北京工业大学 北京科技大学课题负责人：朱恂主要学术骨干：高小强、崔素萍、林 林、王 宏经费比例：13.7%课题4. 气相余热高效梯级储存与转换的理论和方法研究内容以钢铁工业中大量的间歇性、且温域跨度大的气相余热回收问题为背景，研究间歇性气相余热高效蓄存与转换的新原理、新方法和新装置。主要内容包括：（1）间歇性余热蓄存的非稳态特性和梯级连续利用的原理与方法物质转化工业中典型温域区段（6001000C、400600C、200400C）间歇性气相余热排放的非稳定特性，余热释放、蓄存、转换的时空响应特性，间歇性余热高效蓄存和连续利用的原理及过程控制方法。 （2）多孔功能/相变材料内流固耦合输运模型及
32、异相/异质界面效应热质传递、各种微弱/相变效应与相关几何因素的内在关系，多孔功能/相变材料输运特性分析模型，多相系统中多尺度结构形成机制、稳定性条件、结构形态与突变演化规律及其对传递和反应性能影响，时空多尺度结构及相变/吸附热质传递过程及模型。（3）多孔功能/相变蓄传热材料的设计、性能调控与表征相变填充材料及基材的选择、微细特征的探测与调控，多孔基材与相变颗粒/团簇的组装与表征，基材与填充材料复合的基本模式及物理机制；复合材料宏观热性能的测试，材料微观特性与宏观表征量间的关联，材料热物性尺度耦合关系和数理描述，影响材料储热性能的关键参数，宏观热物性的可控性变量。（4）梯级蓄传热系统构建、强化蓄
33、传热特性及机理多孔功能/相变材料在典型强化管道和孔隙结构体系中的流固耦合输运传热特性，针对不同温域、具有强化蓄传热结构、并能实现间歇输入/连续输出的复合相变蓄传热系统，及其相应相变蓄/传热特性及机制规律；蓄/传热效率、综合传热系数、非稳态响应特性等参数与蓄热材料、蓄热结构、输入/输出参数间的关联，基于多孔功能/相变材料的间隙性余热高效蓄传热机理及连续利用新方法。研究目标揭示间歇性余热蓄存与转换过程的时空非稳态特性，提出其梯级高效连续利用的理论和方法；明晰多孔功能/相变材料的设计、制备、表征与控制的基本方法；系统认识储能与转换系统的多尺度多相耦合热质传递现象、物理机制、本构关系、影响因素及规律、
34、蓄传热强化机理及方法，为不同温域间歇性余热高效蓄存与转换系统的开发提供理论依据和新方法。形成转炉煤气高效蓄传热回收和中低温余热热质综合利用技术原型。承担单位： 上海交通大学 中山大学 北京科技大学课题负责人： 吴慧英 主要学术骨干：丁 静、王 戈、刘振华、陆建峰经费比例：15.1%课题5. 钢铁流程系统的能耗排放特征及其广义热力学优化研究内容基于钢铁生产过程的复杂性和整体性，研究生产流程的系统整体行为，多层次物流-能流网络模型及流程体系的广义热力学优化，主要内容包括：（1）钢铁生产流程的普适性物理模型及整体行为特征整体流程系统、功能子系统、工序模块、单体组件等各层次单元的热力学和动力学模型；各
35、层次单元热力学和动力学参数的耦合特征，质能传递、转换效率的影响机制；整体流程系统的广义热力学建模方法，普适性物理模型，全流程系统的整体行为特征。（2）钢铁生产流程资源、能源与环境效应评价方法以能值为表征参数的特征化模型，计算矿物资源、能源及可利用废弃物原料的能值特征化因子；碳、氮、硫等元素向多形态废弃物转换及排放的关键环节，资源消耗、能源消耗与环境效应之间的作用机制、综合评价方法和减排调控技术，复杂流程多目标集成的评价指标体系。（3）钢铁生产流程多层次物流、能流网络及运行时序特征典型钢铁生产流程的时空特性，各层次单元之间的物流、能流关系，重构全流程、多层次的物流、能流网络结构；时间因素对多层次
36、物流、能流网络局部和整体特性的影响；一般钢铁生产流程的系统仿真平台，流程配置、产品需求、资源消耗、排放限制等对系统整体运行效果的影响规律。（4）生产流程系统构型及运行调控的广义热力学优化复杂流程体系的多目标多学科工程最优化理论及数学求解方法；多层次流程体系系统构型及运行调控的广义热力学优化，包括流程和工艺选择、物流和能流分配、余能综合利用方式以及热力学和动力学参数等；物流-能流-环境的作用机理及调控策略，全流程高效、节能、减排的技术途径；一般物质转化过程高效节能的共性问题及本课题研究成果移植创新的主要途径。研究目标提出钢铁生产流程热力学与动力学耦合嵌套的模型构建方法，建立流程整体的广义热力学普
37、适模型，建立流程资源、能源与环境效应的综合评价指标体系，建立生产流程的多层次物流、能流网络模型和系统仿真平台，揭示流程整体的稳态和瞬态特性，阐明流程整体物流能流环境的作用机制，实现其多目标博弈及决策，提出流程整体的系统集成技术与运行策略，形成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，为钢铁生产过程节能减排的系统集成和构建钢铁企业能源环保中心提供科学技术支撑。集成本项目在关键工艺过程和关键余能回收领域的研究成果，整体流程能耗降低约35%。承担单位：中国人民解放军海军工程大学 北京科技大学课题负责人：陈林根主要学术骨干：冯妍卉、姜泽毅、谢志辉、魏曙寰经费比例： 16.0%课题6.
38、 钢铁生产过程的能源高效配置与余能梯级利用研究内容基于总能系统思想和钢铁流程集成优化方法，开展钢铁生产过程能源高效配置与综合梯级利用研究，达到示范应用水平。主要内容包括：（1）生产过程的能量转化与优化配置方法系统能源形式转换、热量存储与传递、质量存储与传递的机理；能量转化、传递、存储和利用过程中系统与各单元的相互作用规律；钢铁生产过程的能量转化与优化配置方法。（2）生产过程蒸汽与伴生气系统全网络动态调控方法蒸汽系统高效蓄热与优化调节方法，实现不同品位及间歇性蒸汽与蒸汽管网之间的稳定和动态匹配；伴生气随生产流程波动的动态模拟与调控方法；蒸汽与伴生气系统调节规律和优化策略。（3）生产过程伴生气梯级
39、利用关键技术的科学问题生产全过程的伴生气在压缩系统内部流动传热耦合特性和机理；流动分离控制与流场组织方法；低热值伴生气燃烧的贫熄机理；低热值伴生气成分、浓度等对洁净稳定燃烧的影响机理，发展新的洁净稳燃方法。（4）基于生产过程的余能全工况分析与系统集成验证适应钢铁生产全流程动态调控的系统全工况特性；钢铁生产过程余能转化品位特征模型，系统化学能与物理能综合梯级利用的集成机理；提出一种新型高效联合循环发电方法，进行系统集成验证研究。研究目标建立系统物理能与化学能的能转化品位特征模型，提出钢铁生产过程的能量转化与优化配置方法，实现不同时空品位的伴生气蒸汽全网络调度；揭示低热值伴生气成分、浓度等对洁净稳
40、定燃烧的影响机制，发展满足联合循环发电系统要求的洁净燃烧技术；建立钢铁生产过程能量转化与优化配置的理论体系，按照“温度对口、梯级利用”原则，提出余能系统化学能与物理能综合梯级利用的新途径，完成系统集成验证。形成低热值可燃伴生气蒸汽联合循环发电技术原型，在其他科技计划支持下达到工程示范水平。伴生气发电效率提高20%，余热蒸汽的利用效率提高5%。承担单位：中科院工程热物理所 北京科技大学课题负责人：谭春青主要学术骨干：王 立、张华良、袁怡祥、童丽葛经费比例： 14.3%4课题间相互关系课题间相互关系如图4所示。课题1和课题2的研究对象均是以物理化学反应为主要过程的高温能质传递体系，但课题1主要研究
41、全氧高炉炼铁过程，侧重多元非均相高温热化学反应和热质传递机制，发展热化学反应与能质传递的协同强化理论；课题2主要基于热物理与物理化学的学科交叉，侧重研究高温运动床层颗粒堆积体系的能质传递规律，发展复杂条件下气固体系换热理论。课题2、3和4均围绕多形态余热高效转换与梯级回收过程多场耦合传输机制开展研究，课题2和3针对固相余热，课题3侧重高温熔渣的品质调控，兼顾余热回收，研究高温熔体颗粒体系物料相变及转化的机理，发展高温熔融颗粒体系中余热回收与物料品质调控的协同方法；课题4针对气相余热，侧重研究基于新型介孔异质复合相变材料的气相余热回收机制，发展气相余热高效传递和梯级蓄存方法。课题5和6均研究流程
42、层面的高效节能问题，但课题5侧重流程物流-能流耦合与协调，研究钢铁流程物流-能流-环境作用机制，发展钢铁生产流程多层次物流-能流网络与广义热力学优化理论；课题6则基于总能系统思想和钢铁流程集成优化方法，进行钢铁生产过程能源配置与余能综合梯级利用试验验证。图4 课题间相互关系四、年度计划研究内容预期目标第一年1 高还原势下炉料矿相结构及固熔演变规律，全氧高炉条件下炉料性质演变规律及含铁炉料还原反应动力学。2高温相变条件下单颗球团颗粒内瞬态相变传热过程，球团内部孔隙结构的瞬态变化及气-固能质传递特性。3单个高温熔融颗粒可视化实验平台和在线测量；单个高温熔融颗粒传热及物相转化；单个高温熔融物料颗粒内
43、部相变传热理论模型。4间歇性余热输入，连续输出的物理模型，蓄放热时间响应特性及冷热介质进出口温度变化规律；设计和搭建气相余热蓄传热实验平台，相变蓄热换热器设计方案；选配多孔基体及异质相变材料并进行初步复合。5工序模块和单体组件等层次单元的热力学和动力学特征；包含热力学和动力学参数的工序模块、单体组件中单元操作过程的广义热力学建模方法；钢铁生产过程资源、能源及可利用废弃物原料耦合机理；钢铁生产流程时空特性，各层次单元间物流、能流关系及流程网络重构技术。6钢铁工业全时空多品位能量流组分、热值、流量与钢铁生产流程关联关系；伴生气波动分析模型，伴生气流量和压力的变化规律；升级改建低热值伴生气燃烧特性实
44、验装置和燃烧室实验台；低热值伴生气和助燃空气配气、调节控制和测量机构。1 掌握全氧高炉条件下炉料矿相结构及冶金性能演变规律。2 获得高温相变条件下单颗球团颗粒内能质传递特性。3 获得单个高温熔融颗粒冷却特性、颗粒物相结构及物性变化特性；提出高温熔融物料颗粒内部相变传热理论模型。4 完成平板、柱体间歇输入连续输出的物理模型；认识和掌握多孔基体及异质相变材料的复合规律；获得多孔功能吸附材料热质传递特性理论规律。5 建立包含热力学和动力学参数的工序模块、单体组件中单元操作过程的广义热力学模型；获得工序模块、单体组件的行为特征，钢铁生产流程的时空特性，物流、能流关系，重构全流程、多层次的物流、能流网络
45、结构。 6 建立系统物理能与化学能的能转化品位特征模型，揭示系统能源形式转换、热量存储与传递、质量存储与传递的机理；获得伴生气网络系统的优化调节策略；掌握压缩系统变工况规律；认识低热值伴生气的基本燃烧特性。7 发表论文40篇以上，SCI/EI收录论文10篇以上；申请专利1项。第二年1 全氧高炉条件下含铁炉料还原反应动力学及多相化学反应固-液-气界面结构变化规律；气固换热与化学反应耦合模型及能质传递与化学反应协同机制。2 构造异形颗粒堆积几何拓扑结构，分析颗粒孔隙内复杂绕流边界层特性、工质温升特性、尺度耦合、高温辐射及湍流热弥散效应。3单个高温熔融颗粒传热及物相转化的实验及单个高温熔融物料颗粒内
46、部相变传热理论模型；气淬-转杯粒化实验平台，高温熔融钢铁渣粒化机制及成型机理。4 配置获得合适的相变蓄热材料，制备多孔异质复合相变材料，并进行其微观结构和热物性表征；完善多孔功能吸附材料热质传递数值研究，建立时空多尺度结构及吸附热质传递分析模型；质热交换系统测试平台；初步的热电回收分析理论模型。5 功能子系热力学和动力学特征，包含热力学和动力学参数的功能子系统广义热力学建模方法；碳、氮、硫等元素向多形态废弃物转换及排放的关键环节、作用机制和特征；时间因素对多层次物流、能流网络局部和整体特性的影响。6钢铁流程中能量转化、传递、存储和利用过程中系统与各单元相互耦合作用规律；钢铁企业全时空蒸汽波动规
47、律分析模型，低热值余能利用系统与部件特性及低热值伴生气燃烧能量释放规律；低热值伴生气的模化贫熄实验；设计多种燃烧稳定装置。1 揭示高还原势下含铁炉料还原反应动力学机理，掌握高温反应过程微观动力学及相界面结构变化规律，建立含铁炉料还原动力学模型。2 确立高温相变条件下球团堆积体系内的能质传递规律。3 揭示单个高温熔融颗粒内部相变及传递过程与物相结构变化的相互作用规律；获得熔渣制粒过程中转杯结构特性等参数对熔渣颗粒成型特性的影响。4获得复合相变蓄热材料的制备方法和热物理表征，建立多孔异质复合相变蓄热材料的输运特性分析模型；完善时空多尺度结构及多孔吸附热质传递过程数值模型。5 建立包含热力学和动力学参数的功能子系统各层次单元的广义热力学模型，获得功能子系统的行为特征，及碳、氮、硫等元素向多形态废弃物转换及排放的作用机制和特征规律。6获得钢铁流程中能量转换间相互耦合作用规律，钢铁企业蒸汽品质波动规律；建立低热值伴生气余能利用系统理论分析模型，压缩系统理论分析模型和压缩机内部旋涡模型；认识低热值伴生气燃烧能量释放规律，获得低热值伴生气贫熄特性，掌握其稳燃方法。7 发表论文60篇以上，SCI/EI收录论文15篇以上；申请专利5项；软件著作权登记2项。第三年1 气固换热与化学反应耦合模型及能质传递与化学反应的协同机制；全氧高炉内温度场、压力场和煤气流场的研究；全
