CN113962102A - 一种钢铁生产全流程碳排放数字化仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钢铁生产全流程碳排放数字化仿真方法，属于钢铁生产节能减排领域，根据钢铁实际生产工序流程，确定各个不同工序流程的钢铁生产碳素流图，根据各个不同工序流程的输入、输出物料的数据，计算各个不同工序流程的物料输入与输出的差值，获得各个不同工序流程的碳排放，将各个不同工序流程的碳排放进行累加，获得碳排放模型并进行数字化仿真，各个不同工序流程包括五个传统生产工序及一个工业生产环节，五个传统生产工序是指炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序和轧钢工序，一个工业生产环节包括五个传统生产工序中溶剂消耗过程、电极消耗过程和降碳过程。本发明方法能与钢铁生产流程再造结合，具有理论指导和工程应用价值。
Description
技术领域
本发明属于钢铁生产节能减排领域，更具体地，涉及一种种钢铁生产全流程碳排放数字化仿真方法。
背景技术
降碳减排是目前中国乃至世界范围内的热点话题。其中，钢铁行业作为中国碳排放量最大的行业，如何实现对钢铁生产碳排放的预测对钢铁生产工艺具有指导意义。
现阶段下，大多为钢铁生产后碳排放的监测，缺乏针对钢铁生产全流程碳排放数字化仿真的解决方案。而对温室气体的核算方法大体分为3类：活动水平法、质量守恒法、连续监测法，其中质量守恒法、连续监测法分别存在第三方核查比较困难、监测成本很高等问题，活动水平法为当下最可行的核算方法。但是，如何具体的使用活动水平法进行钢铁生产全流程碳排放数字化仿真却不得而知。
因此，需要开发一种钢铁生产全流程碳排放数字化仿真方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供钢铁生产全流程碳排放数字化仿真方法，基于活动水平法，本发明提出了综合考虑炼焦、烧结、炼铁、炼钢、轧钢五个传统生产工序及一个工业生产环节的“5+1”模型，基于该模型可对钢铁生产全流程碳排放进行数字化仿真。
为实现上述目的，本发明提供了一种钢铁生产全流程碳排放数字化仿真方法，根据钢铁实际生产工序流程，确定各个不同工序流程的钢铁生产碳素流图，根据各个不同工序流程的输入、输出物料的数据，计算各个不同工序流程的物料输入与输出的差值，获得各个不同工序流程的碳排放，将各个不同工序流程的碳排放进行累加，获得碳排放模型，基于碳排放模型进行钢铁生产全流程碳排放数字化仿真，
其中，所述各个不同工序流程包括五个传统生产工序及一个工业生产环节，五个传统生产工序是指炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序和轧钢工序，一个工业生产环节包括五个传统生产工序中溶剂消耗过程、电极消耗过程和降碳过程。
进一步的，获得碳排放模型其包括如下步骤：
S1：根据钢铁实际生产工序流程，分为炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节，
S2：分析炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节，以确定炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节一共5+1个环节的钢铁生产碳素流图，
S3：对于炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序和轧钢工序，通过化石燃料的消耗量、平均低位发热量以及单位热值含碳量计算出对应物料碳的质量，进而转化为CO2质量，
对于一个工业生产环节，通过碳排放因子与各物料消耗量计算五个传统生产工序中溶剂消耗过程、电极消耗过程和降碳过程各自对应的CO2质量，
S4：基于碳素流图，根据各输入输出物料的数据，计算五个传统生产工序及一个工业生产环节的物料输入与输出的差值，累加计算各环节碳排放，获得碳排放模型。
进一步的，基于碳排放模型进行钢铁生产全流程碳排放数字化仿真是指，根据炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节的碳排放量，依据时间推进，动态显示反应碳排放量的数字化仿真图像，依据各环节碳排放量与粗钢产量计算单位粗钢碳排放量。
进一步的，基于碳排放模型进行钢铁生产全流程碳排放数字化仿真具体包括如下步骤：
S1：针对不同工艺方案，调出自定义物料窗口，可实现一种或多种物质的添加，在输入窗口输入加入物料的用量以及加入物料的低位发热量、单位热值含碳量、氧化率，
S2：依次计算炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节的碳排放，
S3：根据时间推进，动态实时显示碳排放数字化仿真图像，
S4：根据全部环节的碳排放量计算单位粗钢碳排放量，
S5：读取不同工艺方案下的各环节碳排放量、总碳排放量、单位粗钢碳排放量，形成对比柱状图。
进一步的，其还包括步骤S6，S6：通过对比不同的工艺方案的数字化仿真图像，结合对比柱状图，确定钢铁生产降碳减排最优方案，按照最优方案进行实际的钢铁生产。
进一步的，数字化仿真图像包括炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节一共5+1个环节的数字化仿真图像。
进一步的，所述数字化仿真图像包括碳排放量占比的饼状图、一共5+1个环节的累计碳排放量的折线图以及表示碳排量多少的三维图，饼状图用于强调碳排放量占比，折线图用于强调碳排放量的总量，三维图用于直观表示碳排放量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明方法考虑周全合理，与实际情况符合，可与钢铁生产流程再造结合，具有理论指导和工程应用价值，该数字化仿真方法对钢铁生产全流程碳排放的仿真结果与实际基本吻合，可满足不同钢铁企业不同工艺条件的需求，能实际应用于行业内碳排放数字化仿真。
附图说明
图1为本发明实施方式中的“5+1全流程碳排放数学模型”框架图。
图2为本发明实施方式中的碳素流图。
图3为本发明实施方式中的各工序输入和输出的添加示意图。
图4为本发明实施方式中的全流程碳排放计算示意图，其中，图4(a)表明烧结炼焦过程的碳排放计算示意图，图4(b)表明炼铁过程的碳排放计算示意图，图4(c)表明炼钢轧钢过程的碳排放计算示意图，图4(d)表明一个工业生产环节的碳排放计算示意图。
图5为本发明实施方式中的同流程各工序碳排放的比较示意图。
图6为本发明实施方式中的单位粗钢各环节碳排放量的计算示意图。
图7为本发明实施方式中的不同工艺条件下各工序碳排放的比较示意图。
图8为本发明实施方式中的B钢碳排放数字化仿真结果图。
图9为本发明实施方式中的T钢碳排放数字化仿真结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种钢铁生产全流程碳排放数字化仿真方法，其具体包括获得碳排放模型和基于碳排放模型进行钢铁生产全流程碳排放数字化仿真，其中，获得碳排放模型的具体步骤如下：
S1：根据钢铁实际生产工序流程，分为炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节，
S2：分析炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节，以确定炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节一共5+1个环节的钢铁生产碳素流图，
S3：对于炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序和轧钢工序，通过化石燃料的消耗量、平均低位发热量以及单位热值含碳量计算出对应物料碳的质量，进而转化为CO2质量，
对于一个工业生产环节，通过碳排放因子与各物料消耗量计算五个传统生产工序中溶剂消耗过程、电极消耗过程和降碳过程各自对应的CO2质量，
S4：基于碳素流图，根据各输入输出物料的数据，计算五个传统生产工序及一个工业生产环节的物料输入与输出的差值，累加计算各环节碳排放，获得碳排放模型。
基于碳排放模型进行钢铁生产全流程碳排放数字化仿真具体包括如下步骤：
S1：针对不同工艺方案，调出自定义物料窗口，可实现一种或多种物质的添加，在输入窗口输入加入物料的用量以及加入物料的低位发热量、单位热值含碳量、氧化率，
S2：依次计算炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节的碳排放，
S3：根据时间推进，动态实时显示碳排放数字化仿真图像，
S4：根据全部环节的碳排放量计算单位粗钢碳排放量，
S5：读取不同工艺方案下的各环节碳排放量、总碳排放量、单位粗钢碳排放量，形成对比柱状图，
S6：通过对比不同的工艺方案的数字化仿真图像，数字化仿真图像包括炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节一共5+1个环节的数字化仿真图像，所述数字化仿真图像包括碳排放量占比的饼状图、一共5+1个环节的累计碳排放量的折线图以及表示碳排量多少的三维图，饼状图用于强调碳排放量占比，折线图用于强调碳排放量的总量，三维图用于直观表示碳排放量。结合对比柱状图，确定钢铁生产降碳减排最优方案，按照最优方案进行实际的钢铁生产。
为了更详细说明本发明方法，下面结合具体的实施例和附图进一步详细说明。
步骤1：图1为本发明实施方式中的“5+1全流程碳排放数学模型”框架图，“5+1”数学模型中“5”对应五个钢铁生产工序碳排放，对该五个工序流程分别进行计算，五个工序流程分别为：炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序，同时表达各工序输入输出的碳素流图采用图2进行说明，图2中根据不同的工序列出了输入输出的原料。
步骤1-1：根据碳素流图以及实际生产情况输入“5+1”数学模型对应五个钢铁生产工序的各输入输出物料信息，物料包括各工序所需添加物料及各工序间传递物料。物料信息包括化石燃料的消耗量(FC)、平均低位发热量(NCV)、单位热值含碳量(CC)以及氧化率(OF)。以上四个值相乘即为该物料含碳的质量，通过相对原子/分子质量可以转换为CO2的质量。
步骤1-2：图2中，根据物料信息形成碳素流图，分为五个生产工序，每个工序左边为输入物料，采用箭头指向表示，右边为输出物料，采用箭头指出表示。该物料的输入和输出和实际情况一致。
步骤1-3：依据物料信息分别进行五个钢铁生产工序碳排放的计算，计算公式如下：
其中，各个参数的含义为：
其中，物料名称后的I代表输入物质，O表示输出物质，比如FCI中的表示I代表化石原料输入，通过输入物料与输出物料之间产生CO2排放量差值进行计算。
步骤2：对“5+1”数学模型中“1”对应一个工业生产过程产生的碳排放进行计算。
步骤2-1：根据碳素流图以及实际生产情况输入“5+1”数学模型“1”对应一个工业生产过程的各输入输出物料信息，包括各环节溶剂、电极、降碳过程产生的碳排放。具体信息包括：白云石的用量(D)及碳排放因子(EFα)、石灰石的用量(L)及碳排放因子(EFl.)和电极消耗量。
步骤2-2：根据输入信息计算各环节溶剂产生的碳排放Ef溶剂。物料信息包括白云石的用量(D)及碳排放因子(EFα)、石灰石的用量(L)及碳排放因子(EFl.)。
具体计算公式如下：
Ef溶剂＝D×EFα+L×EFl.
步骤2-3：根据输入物料计算电极消耗产生的碳排放Ef电极。物料信息有电极消耗量(P)及电极碳排放影子(EFP)
具体计算公式如下：
Ef电极＝P×EFP
步骤2-4：降碳过程产生的碳排放Ef降碳。物料信息有：投入的外购的第k种含碳原料的消耗量(Mk)及第k种含碳原料的碳排放因子(EFk)、第s种钢铁产品质量(P)及第s种钢铁产品的CO2排放因子(EFs)
具体计算公式如下：
Ef降碳＝∑Mk×EFk-∑PS×EFs
步骤3：钢铁生产过程总碳排放量计算。
钢铁生产过程中产生的总碳排放Ef总等于各工序碳排放以及一个工业生产过程产生的碳排放，计算公式如下：
Ef总＝Ef炼焦+Ef烧结+Ef炼铁+Ef炼钢+Ef轧钢+Ef工业生产
其中，炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序各自对应的碳排放为Ef炼焦、Ef烧结、Ef炼铁、Ef炼钢、Ef轧钢，一个工业生产环节对应的碳排放为Ef工业生产。
步骤4：基于数学模型，进行数字化仿真。
步骤4-1：调出自定义物料窗口，可实现一种或多种物质的添加，在输入窗口输入新加物料的用量以及低位发热量、单位热值含碳量、氧化率等经验值，将该物质纳入具体的计算中，可满足在不同场景下的应用，如图3所示，图3为本发明实施方式中的各工序输入和输出的添加示意图。
步骤4-2：依次实现各工序碳排放计算，如图4所示，图4为本发明实施方式中的全流程碳排放计算示意图。其中，图4(a)表明烧结炼焦过程的碳排放计算示意图，图4(b)表明炼铁过程的碳排放计算示意图，图4(c)表明炼钢轧钢过程的碳排放计算示意图，图4(d)表明一个工业生产环节的碳排放计算示意图。
步骤4-3：依时间推进，实时动态显示各类数字化仿真图像，包括表示各工序碳排放量的柱状图、各工序碳排放量占比的饼状图、各工序累计碳排放量的折线图，以及表示碳排量多少的三维图，如图5所示，图5为本发明实施方式中的同流程各工序碳排放的比较示意图。
步骤4-4：依据各环节碳排放量与粗钢产量计算单位粗钢碳排放量，如图6所示，图6为本发明实施方式中的单位粗钢各环节碳排放量的计算示意图。
步骤4-5：读取工艺方案名称，同时读取不同工艺方案下的各环节碳排放量、总碳排放量、单位粗钢碳排放量，计算记录工艺方案名称、各环节碳排放量、总碳排放量，形成对比柱状图，择优选取钢铁生产降碳减排最优方案，如图7所示，图7为本发明实施方式中的不同工艺条件下各工序碳排放的比较示意图。
步骤5：挖掘B钢、T钢两家典型钢铁行业相关数据，进行数字化仿真，完成企业数据验证。
步骤5-1：根据碳素流图及“5+1”数学模型分析宝钢相关数据，进行数字化仿真，数字化仿真结果如图8所示。图8为本发明实施方式中的B钢碳排放数字化仿真结果图。
仿真结果如下
步骤5-2：根据碳素流图及“5+1”数学模型分析唐钢相关数据，进行数字化仿真，数字化仿真结果如图9所示。图9为本发明实施方式中的T钢碳排放数字化仿真结果图。
仿真结果如下：
本发明实施方法中基于构建的“5+1”数学模型进行钢铁生产全流程碳排放数字化仿真的方法，再将钢铁生产工序分为5个钢铁生产工序及1个工业生产工序，两部分采用不同计算方法计算碳排放量，实现全流程碳排放数字化仿真。该数字化仿真方法对钢铁生产全流程各工序碳排放均有很好的数字化仿真效果。
本发明是基于活动水平法进行温室气体核算的，温室气体的核算方法大体分为3类：活动水平法、质量守恒法、连续监测法。其中，质量守恒法存在第三方核查比较困难，连续监测法存在监测成本高的问题，因此，本发明确定活动水平法作为钢铁生产碳排放核算方法。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种钢铁生产全流程碳排放数字化仿真方法，其特征在于，根据钢铁实际生产工序流程，确定各个不同工序流程的钢铁生产碳素流图，根据各个不同工序流程的输入、输出物料的数据，计算各个不同工序流程的物料输入与输出的差值，获得各个不同工序流程的碳排放，将各个不同工序流程的碳排放进行累加，获得碳排放模型，基于碳排放模型进行钢铁生产全流程碳排放数字化仿真，
其中，所述各个不同工序流程包括五个传统生产工序及一个工业生产环节，五个传统生产工序是指炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序和轧钢工序，一个工业生产环节包括五个传统生产工序中溶剂消耗过程、电极消耗过程和降碳过程。
2.如权利要求1所述的一种钢铁生产全流程碳排放数字化仿真方法，其特征在于，获得碳排放模型其包括如下步骤：
S1：根据钢铁实际生产工序流程，分为炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节，
S2：分析炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节，以确定炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节一共5+1个环节的钢铁生产碳素流图，
S3：对于炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序和轧钢工序，通过化石燃料的消耗量、平均低位发热量以及单位热值含碳量计算出对应物料碳的质量，进而转化为CO2质量，
对于一个工业生产环节，通过碳排放因子与各物料消耗量计算五个传统生产工序中溶剂消耗过程、电极消耗过程和降碳过程各自对应的CO2质量，
S4：基于碳素流图，根据各输入输出物料的数据，计算五个传统生产工序及一个工业生产环节的物料输入与输出的差值，累加计算各环节碳排放，获得碳排放模型。
3.如权利要求2所述的一种钢铁生产全流程碳排放数字化仿真方法，其特征在于，基于碳排放模型进行钢铁生产全流程碳排放数字化仿真是指，根据炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节的碳排放量，依据时间推进，动态显示反应碳排放量的数字化仿真图像，依据各环节碳排放量与粗钢产量计算单位粗钢碳排放量。
4.如权利要求3所述的一种钢铁生产全流程碳排放数字化仿真方法，其特征在于，基于碳排放模型进行钢铁生产全流程碳排放数字化仿真具体包括如下步骤：
S1：针对不同工艺方案，调出自定义物料窗口，可实现一种或多种物质的添加，在输入窗口输入加入物料的用量以及加入物料的低位发热量、单位热值含碳量、氧化率，
S2：依次计算炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节的碳排放，
S3：根据时间推进，动态实时显示碳排放数字化仿真图像，
S4：根据全部环节的碳排放量计算单位粗钢碳排放量，
S5：读取不同工艺方案下的各环节碳排放量、总碳排放量、单位粗钢碳排放量，形成对比柱状图。
5.如权利要求4所述的一种钢铁生产全流程碳排放数字化仿真方法，其特征在于，其还包括步骤S6，S6：通过对比不同的工艺方案的数字化仿真图像，结合对比柱状图，确定钢铁生产降碳减排最优方案，按照最优方案进行实际的钢铁生产。
6.如权利要求5所述的一种钢铁生产全流程碳排放数字化仿真方法，其特征在于，数字化仿真图像包括炼焦工序、烧结工序、炼铁工序、炼钢工序、轧钢工序和一个工业生产环节一共5+1个环节的数字化仿真图像。
7.如权利要求6所述的一种钢铁生产全流程碳排放数字化仿真方法，其特征在于，所述数字化仿真图像包括碳排放量占比的饼状图、一共5+1个环节的累计碳排放量的折线图以及表示碳排量多少的三维图，
饼状图用于强调碳排放量占比，折线图用于强调碳排放量的总量，三维图用于直观表示碳排放量。
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|---|---|---|---|---|
| CN116656384A (zh) * | 2023-02-17 | 2023-08-29 | 张文斌 | 一种基于负碳排放becnu生态系统工程碳循环的钢铁产品碳中和的方法 |
| CN116823295A (zh) * | 2023-08-31 | 2023-09-29 | 国网山东省电力公司营销服务中心(计量中心) | 一种钢铁行业碳排放测量方法、系统、设备及介质 |
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2021
- 2021-10-28 CN CN202111266826.9A patent/CN113962102A/zh active Pending
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| CN116656384A (zh) * | 2023-02-17 | 2023-08-29 | 张文斌 | 一种基于负碳排放becnu生态系统工程碳循环的钢铁产品碳中和的方法 |
| CN116656384B (zh) * | 2023-02-17 | 2024-04-16 | 张文斌 | 一种基于负碳排放becnu生态系统工程碳循环的钢铁产品碳中和的方法 |
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