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企业尺度钢铁生产过程物质流能量流分析方法研究
Alternative TitleStudy on Enterprise-scale Material Flow and Energy Flow Analysis in Integrated Iron and Steel Making Industry
张辉
Subtype博士
Thesis Advisor李会泉
2013-04-01
Degree Grantor中国科学院研究生院
Degree Discipline环境工程
Keyword大型钢铁联合企业   物质流分析   能量网络   煤气模型   循环经济   碳排放控制
Abstract我国钢铁行业资源、能源消耗巨大,迫切需要大幅度提高资源利用效率,深入实施节能减排。当前国内钢铁企业节能减排技术发展需求已经从单元过程转向系统层面;但现有节能减排分析方法仍多关注于局部单元且以案例研究为主,缺乏企业尺度的系统性研究手段。本研究针对大型钢铁联合企业生产过程特点,以解析复杂物质-能量耦合代谢规律为目标,建立了适用于长流程钢铁生产过程企业尺度的物质流分析模型、账户工具与评价指标,系统开展了大型联合企业整体性物质流、能量流、碳素流分析评价与案例应用研究,并探讨了钢铁冶金煤气提质利用与碳排放控制一体化集成方法。主要研究内容和创新点如下:(1) 拓展建立了长流程钢铁生产过程企业尺度的物质流分析方法。针对长流程钢铁企业流程特点,确立以产业功能为系统边界;建立单元-系统物质流平衡模型和改进的物质流账户工具ISIOT;提出包含元素利用率、代谢路径长度等指标在内的物质流评价体系。以国内某大型钢铁联合企业为案例,开展企业尺度整体性物质流、Fe元素分析评价,阐明了全过程物质代谢规律;Fe元素流分析表明烧结、转炉单元是Fe元素代谢核心过程,案例企业整体铁元素利用率为95.02%,转炉烟尘耗散占铁元素总损失的71.60%。(2) 建立了基于物质流分析的企业尺度钢铁生产能量流分析方法。以企业尺度物质流分析为基础,依据冶金能源分类,集成能量分级转化网络结构建立了企业尺度的整体性能量代谢模型,确立了以能级、能效比对与余热回收潜力指标为主的能量流评价体系。以国内某大型钢铁联合企业为案例,开展企业尺度整体性能量流分析评价,阐明了全过程能量网络代谢规律。分析发现:案例过程总能源输入量为18.67GJ/t粗钢,过程中转化产生冶金煤气5.9GJ/t粗钢,系统内部能源利用效率为43.96%;过程余热回收利用效率达到27.42%,但仍存在4.87GJ/t粗钢的节能潜力,且以能级低于0.4的中低品位余热为主,表明余热回收是影响能量网络效率的主要原因。 (3) 建立了基于碳物质流分析的企业尺度碳排放评价方法。基于企业尺度碳物质流分析,建立了包含显性隐碳流、间接隐碳流等在内的长流程钢铁生产过程碳排放清单,确定了基于国内生产水平的碳排放因子,提出包括碳元素固定化率在内的碳排放评价指标体系。将方法应用于典型案例谈物质流评价发现:企业综合碳排放量为1815.06 KgCO2/t粗钢;钢铁生产过程造成直接碳排放量为1943.55KgCO2/t粗钢;隐碳硫造成间接排放为126.39 KgCO2/t粗钢;产业共生带来碳排放抵扣为254.88 KgCO2/t粗钢;通过碳排放结构与低碳技术情景分析提出了包括构建工业共生体系在内的低碳技术发展建议。(4) 初步探讨了钢铁冶金煤气提质利用与碳排放控制一体化的集成原理。建立由理论分离功模型、煤气燃烧损失模型等组成的煤气利用整体损失模型,从整体损模型与热力学角度讨论发现:以CO、H2组分化工利用为目的的冶金煤气利用方式将至少避免△G(1-η)/△H的吉布斯自由能能级损失;提出通过惰性气体脱除、C/H组分变换实现煤气化学能梯级释放,驱动CO2组分定向富集,进而降低碳排放控制过程的理论分离功。将上述煤气提质利用与碳排放控制一体化集成原理,应用于高炉煤气的高质化利用,提出以高炉煤气为原料通过联碱碳化工艺生产合成氨等化工产品的集成方案,物质流衡算发现该方案同时可固定高炉煤气中 67.47%碳元素。
Other AbstractChina's steel industry resources, energy consumption is huge, there is an urgent need to significantly improve the efficiency of resource use, in-depth implementation of energy saving. Domestic iron and steel enterprises in energy saving technology development needs are changing from the unit process to the system level; while the existing energy saving analysis are still paying more attention to the local unit and case studies. There is lack of enterprise-scale systematic research approaches. In this study, under the characteristics of the production process of large-scale iron and steel enterprises, aming at resolving complex substances - energy coupling metabolic regularities, applies to the long process of steel production process, enterprise-scale material flow analysis model, account tools and evaluation indicators system to carry out a large-scale integrity of the joint venture material flow, energy flow, carbon flow analysis evaluation method and applied research, and to explore the integrated mechanism of metallurgy gas use and carbon emissions alleviating. Main contents and innovations are as follows:(1) We established the enterprise-scale material flow analysis method for integrated steel production process.
Pages153
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/8301
Collection研究所(批量导入)
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GB/T 7714
张辉. 企业尺度钢铁生产过程物质流能量流分析方法研究[D]. 中国科学院研究生院,2013.
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