CN115630268A - 长流程钢铁企业碳排放评估模型、评估方法及评估系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了长流程钢铁企业碳排放评估模型、评估方法及评估系统。本发明针对高炉‑转炉长流程为特征的钢铁企业，在进行碳排放评估时依赖于物质流、能量流和碳流的耦合关系及其所连接的过程单元，实现了钢铁企业层面的碳排放评估。结合钢铁生产过程中物质流和能量流的耦合关系、碳流与物质流和能量流密不可分的特点，发明了物质流‑能量流‑碳流的分析模型，充分实现了当任意环节的参数改变时，判断出该环节所影响的其他生产过程。通过所确定的连锁反应，能实现精准评估某一参数变化在整个生产过程或环节间的影响，弥补了重复计算或漏算方面的缺陷，实现了对钢铁企业实施措施时存在连锁反应的生产过程中碳排放的精准评估。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁企业节能降碳技术领域，涉及一种碳排放评估方法，尤其是长流程钢铁企业碳排放评估模型、评估方法及评估系统。
背景技术
随着经济的快速发展，碳排放问题已经成为制约经济、社会和环境可持续发展的重要因素。钢铁行业是最大的碳排放源之一，目前已经有一些钢铁行业层面的碳排放评估方案，而对于钢铁企业来说，钢铁行业层面的碳排放评估方案往往针对性不强，不符合钢铁企业的实际生产情况，不能反映钢铁企业自身的碳排放情况，无法帮助钢铁企业真正落实应用碳减排措施，不能达到准确核算钢铁企业节能降碳效果的目的。
而且，在已有的碳排放评估方案中，如，对碳减排措施前后各构成环节的碳排放量进行计算分析，首先确定低碳策略前后分析对象所包含的多个构成环节，分别计算所述低碳策略实施前后分析对象的原始基础碳排放和基础碳排放，计算得到分析对象在实施低碳策略前后的减排差值。又如，分析发现钢铁企业在某个工序上碳排放量较高，可以考虑在这个工序上进行工序改进或设备改进，预测按照该工序改进或设备改进实施之后碳排放结构指标值和工序指标值。
这些碳排放评估方案中虽然考虑了生产实际情况对碳排放的影响，能够完成碳排放评估，但是钢铁企业生产过程中涉及的能源物质种类多，工序复杂，某一环节(工序、能源或设备)的参数发生改变，往往会引发其他环节的改变，其他环节的改变也会对碳排放产生影响。在上述仅考虑某一参数改变对碳排放影响的方案中，没有考虑生产过程实施低碳减排措施时的精准性、针对性和连锁性，在计算碳排放量时，存在重复计算或漏算的现象。例如，在具有连锁影响的情况下，如环节A改变->环节B改变，环节A改变->环节C改变，环节B改变->环节C改变，环节A、环节B、环节C的改变都会对碳排放产生影响，在评估环节C改变对碳排放的影响时，环节B改变->环节C改变对碳排放的影响中不仅包括环节B改变->环节C改变对碳排放的影响，还包括环节A改变->环节B改变->环节C对碳排放的影响，实际计算中会存在重复计算的现象。若环节A改变->环节B改变，那么造成对碳排放的影响，不能直接通过环节A乘以排放因子计算碳排放，会存在漏算环节B改变的现象。一旦重复计算或漏算，则无法对生产过程中的碳排放进行精准评估。
发明内容
针对现有方法中存在的问题，本发明的目的在于提供长流程钢铁企业碳排放评估模型、评估方法及评估系统，以克服现有技术方法存在的无法进行钢铁企业层面的碳排放评估，以及不能精准评估生产过程中某一环节变化在整个生产过程或环节间的影响等所带来的重复计算或漏算方面的缺陷。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种长流程钢铁企业碳排放评估模型，包括：
由物质流和能量流的耦合关系、物质流和能量流耦合的输入输出及输入与输出的转换关系组成的物质流-能量流耦合分析模型；以及，基于碳流与物质流和能量流的耦合关系，在所述物质流-能量流耦合分析模型的基础上，补充入碳流与物质流和能量流的转换关系形成的物质流-能量流-碳流耦合分析模型；
当某一参数变化时，运用所述物质流-能量流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理对该参数所在单元的物质流和能量流进行解耦，进而得到对其他物质流和能量流的影响，确定出对该单元的输出物质流或能量流、对中间物质流或能量流产物、对下级单元的输入和输出物质流或能量流的影响范围以及各变量的趋势变化；
当某一参数变化时，运用所述物质流-能量流-碳流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理对该参数所在单元的碳流与物质流和能量流之间进行解耦，进而得到对耦合在物质流和能量流的碳流的影响，确定出对该单元的输出碳流、对中间含碳流的物质流或能量流产物、对下级单元的输入和输出碳流的影响范围以及各变量的趋势变化；
其中，所述物质流包括含铁物质流和含碳物质流；所述能量流包括燃料和载能体；所述物质流和能量流耦合的输入与输出的转换关系为某一物质流、能量流或耦合的物质流和能量流输入到某一单元中经过转换过程后输出该单元，产生某一物质流、能量流或耦合的物质流和能量流；所述碳流与物质流和能量流的转换关系为物质流、能量流以及耦合的物质流和能量流与其所含碳量的关系。
进一步地，建立物质流-能量流耦合分析模型，包括：
采集钢铁企业生产过程中的物质流和能量流的输入和输出；
基于生产过程中的冶金机理、所述物质流和能量流的输入和输出，确定生产过程中物质流和能量流的耦合关系；
基于生产过程中的冶金机理、所述物质流和能量流的输入和输出，确定碳流与物质流和能量流的耦合关系；
通过所述物质流和能量流的耦合关系、碳流与物质流和能量流的耦合关系，确定所述物质流、所述能量流和所述碳流所连接的各单元过程；所述各单元过程包括主要工序、能源系统以及主要工序和能源系统所包含的各生产设备；
根据物质流和能量流的耦合关系和所述各单元过程，确定出生产过程中物质流和能量流耦合的输入与输出的转换关系；
基于所述物质流和能量流的输入和输出、所述物质流和能量流的耦合关系以及所述物质流和能量流耦合的输入与输出的转换关系，建立物质流-能量流耦合分析模型；
建立物质流-能量流-碳流耦合分析模型，包括：
根据碳流与物质流和能量流的耦合关系和所述各单元过程，确定生产过程中碳流与物质流和能量流转换关系；
基于所述碳流与物质流和能量流的耦合关系，在所述物质流-能量流耦合分析模型的基础上，补充所述碳流与物质流和能量流转换关系，建立物质流-能量流-碳流耦合分析模型。
进一步地，所述生产过程中物质流和能量流的输入和输出包括：所述生产过程中物质流和能量流的基本信息和关键物理量；
所述基本信息包括：物质流和能量流的种类、流动轨迹、转换规律和约束条件；
所述关键物理量包括：消耗量、产生量、回收量、放散量、返矿量、煤气热值、蒸汽温度、蒸汽压力、碳含量和铁含量。
进一步地，所述物质流和能量流的耦合关系存在于固体燃料；
所述碳流与物质流和能量流的耦合关系存在于固体燃料。
进一步地，所述主要工序包括高炉-转炉长流程中的炼焦、烧结、球团、炼铁、炼钢、热轧和冷轧工序；
所述能源系统包括煤气、氧气、蒸汽、电力及水系统；
所述主要工序所包含的各生产设备包括焦炉、干熄焦装置、烧结机、环冷机、焙烧设备、冷却设备、高炉、热风炉、转炉、钢包、精炼炉、连铸机、加热炉、粗轧机组、精轧机组、退火炉以及冷轧机组；
所述能源系统的各生产设备包括煤气发生炉、燃烧室、余热锅炉、燃煤锅炉、燃气锅炉、发电机组、制氧机、压缩机、鼓风机、加压机以及水处理装置。
进一步地，运用物质流-能量流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理对该参数所在单元的物质流和能量流进行解耦，包括：当所述某一参数发生改变时，根据该参数所流入的单元、所述物质流-能量流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理，得到该参数转换并流出的各物质流或能量流的变化规律；
确定各物质流或能量流是否是中间产物，如果是，则通过所述物质流-能量流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理分析出该参数所流入的单元中所转换并流出的其他物质流或能量流的变化规律。
进一步地，运用物质流-能量流-碳流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理对该参数所在单元的碳流与物质流和能量流之间进行解耦，包括：
当所述某一参数发生改变时，根据该参数所流入的单元，利用所述物质流-能量流-碳流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理，得到该参数转换并流出的各物质流或能量流所含碳流的变化规律；
确定各物质流或能量流是否是中间产物，如果是，则通过所述物质流-能量流-碳流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理分析出所述该参数所流入的单元中所转换并流出的其他物质流或能量流所含碳流的变化规律。
又一方面，本发明还提供了一种长流程钢铁企业碳排放评估方法，包括：
采集钢铁企业生产过程中物质流和能量流的输入和输出；所述物质流包括含铁物质流和含碳物质流；所述能量流包括燃料和载能体；
当某一参数变化时，基于采集的钢铁企业生产过程中物质流和能量流的输入和输出，运用上述长流程钢铁企业碳排放评估模型确定出所述参数变化对物质流、能量流和物质流或能量流所含碳流的影响；所述某一参数包括单个或多个物质流、能量流以及所述各流的关键物理量；
基于所述参数变化对物质流、能量流和物质流或能量流所含碳流的影响，量化出所述参数改变前后生产过程的初始碳排放和预期碳排放；
基于所述参数改变前后生产过程的初始碳排放和预期碳排放，得到所述参数改变所造成的生产过程的碳排放差值。
进一步地，当多个参数改变时，运用所述物质流-能量流-碳流耦合分析模型确定出第一参数变化对物质流、能量流和物质流或能量流所含碳流的影响；
运用所述物质流-能量流-碳流耦合分析模型确定出第二参数变化对物质流、能量流和物质流或能量流所含碳流的影响。
又一方面，本发明还提供了一种长流程钢铁企业碳排放评估系统，包括：
输入输出模块，用于采集钢铁企业生产过程中物质流和能量流的输入和输出；所述物质流包括含铁物质流和含碳物质流；所述能量流包括燃料和载能体；
模型建立模块，用于建立上述长流程钢铁企业碳排放评估模型；
分析模块，用于当某一参数变化时，基于所述输入输出模块采集的钢铁企业生产过程中物质流和能量流的输入和输出，运用所述模型建立模块建立的所述长流程钢铁企业碳排放评估模型确定出所述参数变化对物质流、能量流和物质流或能量流所含碳流的影响；所述某一参数包括单个或多个物质流、能量流以及所述各流的关键物理量；
评估模块，用于基于所述分析模块得到的所述参数变化对物质流、能量流和物质流或能量流所含碳流的影响，量化出所述参数改变前后生产过程的初始碳排放和预期碳排放；并基于所述参数改变前后生产过程的初始碳排放和预期碳排放，得到所述参数改变所造成的生产过程的碳排放差值。
与现有方法相比，本发明的特点和有益效果是：
本发明针对高炉-转炉长流程为特征的钢铁企业，在进行碳排放评估时依赖于物质流、能量流和碳流的耦合关系及其所连接的过程单元，实现了钢铁企业层面的碳排放评估。结合钢铁生产过程中物质流和能量流的耦合关系、碳流与物质流和能量流密不可分的特点，发明了物质流-能量流-碳流的分析模型，充分实现了当任意环节的参数改变时，判断出该环节所影响的其他生产过程。通过所确定的连锁反应，能实现精准评估某一参数变化在整个生产过程或环节间的影响，弥补了重复计算或漏算方面的缺陷，实现了有针对性、连锁性和精准性的碳排放评估。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中长流程钢铁企业碳排放评估模型的组成示意图；
图2为本发明实施例中建立物质流-能量流耦合分析模型的流程图；
图3为本发明实施例中建立建立物质流-能量流耦合分析模型的流程图；
图4为本发明实施例中长流程钢铁企业碳排放评估方法的流程图；
图5为本发明实施例中长流程钢铁企业碳排放评估系统的结构框图。
具体实施方式
本发明结合钢铁生产过程中碳流与物质流和能量流密不可分的特点，发明了长流程钢铁企业碳排放评估模型、评估方法和评估系统。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1
如图1所示，本实施例中提供了一种长流程钢铁企业碳排放评估模型，其中，长流程钢铁企业可以是具有高炉-转炉长流程特征的钢铁企业，该模型包括：
由物质流和能量流的耦合关系、物质流和能量流耦合的输入输出以及输入与输出的转换关系组成的物质流-能量流耦合分析模型；以及，基于碳流与物质流和能量流的耦合关系，在物质流-能量流耦合分析模型的基础上，补充入碳流与物质流和能量流的转换关系形成的物质流-能量流-碳流耦合分析模型。
当某一参数变化时，运用物质流-能量流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理对该参数所在单元的物质流和能量流进行解耦，进而得到对其他物质流和能量流的影响，确定出对该单元的输出物质流或能量流、对中间物质流或能量流产物、对下级单元的输入和输出物质流或能量流的影响范围以及各变量的趋势变化；
进一步地，解耦从某一参数出发，解析出该参数类型及其物理量类型。当该参数发生改变时，根据该参数所流入的单元，运用物质流-能量流耦合的分析模型和冶金机理，得到该参数转换并流出的各物质流或能量流的变化规律。确定各物质流或能量流是否是中间产物，如果是则需要通过分析模型和冶金机理分析出它所流入的单元中所转换并流出的其他物质流或能量流的变化规律。当多个参数改变时，需要某一参数在前一个参数分析完的基础上再进行。
当某一参数变化时，运用物质流-能量流-碳流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理对该参数所在单元的碳流与物质流和能量流之间进行解耦，进而得到对耦合在物质流和能量流的碳流的影响，确定出对该单元的输出碳流、对中间含碳流的物质流或能量流产物、对下级单元的输入和输出碳流的影响范围以及各变量的趋势变化；
进一步地，解耦从某一参数出发，解析出该参数类型及其物理量类型。当该参数发生改变时，根据该参数所流入的单元，运用物质流-能量流-碳流耦合的分析模型和冶金机理，得到该参数转换并流出的各物质流或能量流所含碳流的变化规律。确定各物质流或能量流是否是中间产物，如果是则需要通过分析模型和冶金机理分析出它所流入的单元中所转换并流出的其他物质流或能量流所含碳流的变化规律。
其中，生产过程中物质流和能量流的输入和输出包括：生产过程中物质流和能量流的基本信息和关键物理量；基本信息包括：物质流和能量流的种类、流动轨迹、转换规律和约束条件；关键物理量包括：消耗量、产生量、回收量、放散量、返矿量、煤气热值、蒸汽温度、蒸汽压力、碳含量和铁含量。
其中，从维持生产的各单元来看，物质流和能量流的耦合关系主要存在于洗精煤、无烟煤、焦炭、焦粉等固体燃料；碳流与物质流和能量流的耦合关系指碳流是随着物质流和能量流进行流动和转换；碳流与物质流的耦合关系存在于焦炭、焦粉、烧结矿、球团矿、铁水、粗钢、连铸坯、钢坯、粗轧板卷、精轧板卷等中间产物以及最终钢材产品；块矿、铁精矿、精矿粉、石灰石、菱镁石等固体原料；洗精煤、无烟煤、焦炭、焦粉等固体燃料；高炉渣、瓦斯灰、铸铁、除尘灰等固体产物；碳流与能量流的耦合关系存在于高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、洗精煤、无烟煤、焦炭、焦粉等燃料；碳流与物质流和能量流的耦合关系存在于洗精煤、无烟煤、焦炭、焦粉等固体燃料。
其中，各单元过程包括主要工序、能源系统以及主要工序和能源系统所包含的各生产设备；主要工序包括以下一种或多种：炼焦、烧结、球团、炼铁、炼钢、热轧和冷轧工序；能源系统包括以下一种或多种：煤气、氧气、蒸汽、电力及水系统；主要工序所包含的各生产设备包括以下一种或多种：焦炉、干熄焦装置、烧结机、环冷机、焙烧设备、冷却设备、高炉、热风炉、转炉、钢包、精炼炉、连铸机、加热炉、粗轧机组、精轧机组、退火炉以及冷轧机组；能源系统的各生产设备包括以下一种或多种：煤气发生炉、燃烧室、余热锅炉、燃煤锅炉、燃气锅炉、发电机组、制氧机、压缩机、鼓风机、加压机以及水处理装置。
当然，上述各单元过程仅针对本实施例，在其他一些实施例中还存在其他的设备(石灰窑、矿渣微粉装置等)与能源(天然气、氢气、柴油等)种类，在实际应用中，应当依据实际需求确定设备以及能源种类，此处不做限制。
在具体实施中，建立上述模型的具体方式包括：
如图2所示，建立物质流-能量流耦合分析模型，包括以下步骤：
S101、采集钢铁企业生产过程中的物质流和能量流的输入和输出；
S102、基于待评估生产过程中的冶金机理、物质流和能量流的输入和输出，确定待评估生产过程中物质流和能量流的耦合关系；
S103、基于待评估生产过程中的冶金机理、物质流和能量流的输入和输出，确定碳流与物质流和能量流的耦合关系；
S104、通过物质流和能量流的耦合关系、碳流与物质流和能量流的耦合关系，确定物质流、能量流和碳流所连接的各单元过程；
各单元过程包括主要工序、能源系统以及主要工序和能源系统所包含的各生产设备；
S105、根据物质流和能量流的耦合关系和各单元过程，确定出生产过程中物质流和能量流耦合的输入与输出的转换关系；
S106、基于物质流和能量流的输入和输出、物质流和能量流的耦合关系以及物质流和能量流耦合的输入与输出的转换关系，建立物质流-能量流耦合分析模型。
如图3所示，建立物质流-能量流-碳流耦合分析模型，在建立物质流-能量流耦合分析模型的基础上进一步包括以下步骤：
S201、根据碳流与物质流和能量流的耦合关系和各单元过程，确定生产过程中碳流与物质流和能量流转换关系；
S202、基于碳流与物质流和能量流的耦合关系，在物质流-能量流耦合分析模型的基础上，补充碳流与物质流和能量流转换关系，建立物质流-能量流-碳流耦合分析模型。
利用本实施例中的长流程钢铁企业碳排放评估模型，可以对长流程钢铁企业生产过程中物质流、能量流、碳流进行分析，确定出生产过程中某一参数发生变化时，对其他物质流、能量流的影响，对耦合在物质流和能量流的碳流的影响，避免在计算时出现漏算或重复计算的现象，从而实现对钢铁企业实施措施时存在连锁反应的生产过程中碳排放的精准评估。
实施例2
如图4所示，本实施例中提供了一种应用实施例1中的长流程钢铁企业碳排放评估模型进行长流程钢铁企业碳排放评估的方法，该方法包括：
S1、根据需评估的钢铁企业，首先确定采集的时间粒度，再采集钢铁企业中物质流和能量流的基本信息和关键物理量。
其中，采集的时间粒度包括以下述一种或多种为单位：年、月、日、班组、小时、炉次、实时；
物质流包括含铁物质流和含碳物质流；能量流包括燃料(煤/焦炭、煤气)和载能体(蒸汽、电力、氧氮氩、余热、过程载热)等；
所采集的物质流和能量流的基本信息包括：物质流和能量流的种类、流动轨迹、转换规律和约束条件；
所采集的物质流和能量流的关键物理量包括：消耗量、产生量、回收量、放散量、返矿量、煤气热值、蒸汽温度、蒸汽压力、碳含量、铁含量。
S2、根据物质流和能量流的输入和输出以及生产过程所基于的冶金机理，确定需进行评估的生产过程中物质流和能量流以及碳流与物质流和能量流的耦合关系。
从维持生产的各单元来看，物质流和能量流的耦合关系主要存在于洗精煤、无烟煤、焦炭、焦粉等固体燃料；
碳流与物质流和能量流的耦合关系指碳流是随着物质流和能量流进行流动和转换；
碳流与物质流的耦合关系存在于焦炭、焦粉、烧结矿、球团矿、铁水、粗钢、连铸坯、钢坯、粗轧板卷、精轧板卷等中间产物以及最终钢材产品；块矿、铁精矿、精矿粉、石灰石、菱镁石等固体原料；洗精煤、无烟煤、焦炭、焦粉等固体燃料；高炉渣、瓦斯灰、铸铁、除尘灰等固体产物；
碳流与能量流的耦合关系存在于高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气、洗精煤、无烟煤、焦炭、焦粉等燃料；
碳流与物质流和能量流的耦合关系存在于洗精煤、无烟煤、焦炭、焦粉等固体燃料。
S3、根据生产过程所基于的冶金机理，确定物质流、能量流和碳流所连接的各单元过程。
因为碳排放与整个钢铁生产的过程紧密联系，碳排放量的准确计算与计算边界和基础数据密不可分，所以需要确定物质流、能量流和碳流所连接的各单元过程。各单元过程包括主要工序、能源系统以及主要工序和能源系统所包含的各生产设备；
主要工序包括以下一种或多种：炼焦、烧结、球团、炼铁、炼钢、热轧和冷轧工序；
能源系统包括以下一种或多种：煤气、氧气、蒸汽、电力及水系统；
主要工序所包含的各生产设备包括以下一种或多种：焦炉、干熄焦装置、烧结机、环冷机、焙烧设备、冷却设备、高炉、热风炉、转炉、钢包、精炼炉、连铸机、加热炉、粗轧机组、精轧机组、退火炉以及冷轧机组；
能源系统的各生产设备包括以下一种或多种：煤气发生炉、燃烧室、余热锅炉、燃煤锅炉、燃气锅炉、发电机组、制氧机、压缩机、鼓风机、加压机以及水处理装置。
S4、根据物质流和能量流的耦合关系和各单元过程，确定出生产过程中物质流和能量流耦合的输入与输出的转换关系。
物质流和能量流耦合的输入与输出的转换关系为某一物质流、能量流或耦合的物质流和能量流输入到某一单元中经过转换过程后输出该单元，产生某一物质流、能量流或耦合的物质流和能量流，进而得出该过程中物质流和能量流耦合的输入与输出的关系。
S5、根据碳流与物质流和能量流的耦合关系和各单元过程，确定生产过程中碳流与物质流和能量流转换关系。
碳流与物质流和能量流转换关系为物质流、能量流以及耦合的物质流和能量流与其所含碳量的关系。
S6、基于物质流和能量流的耦合关系，再根据物质流和能量流耦合的输入、输出以及输入与输出的转换关系组成物质流-能量流耦合的分析模型。
当某一参数(单个或多个物质流、能量流以及各流的关键物理量)变化时，运用物质流-能量流耦合的分析模型和冶金机理对该参数所在单元的物质流和能量流进行解耦，进而得到对其他物质流和能量流的影响，确定出对该单元的输出物质流或能量流、对中间物质流或能量流产物、对下级单元的输入和输出物质流或能量流的影响范围以及各变量的趋势变化；
进一步地，解耦从某一参数出发，解析出该参数类型及其物理量类型。当该参数发生改变时，根据该参数所流入的单元，运用物质流-能量流耦合的分析模型和冶金机理，得到该参数转换并流出的各物质流或能量流的变化规律。确定各物质流或能量流是否是中间产物，如果是则需要通过分析模型和冶金机理分析出它所流入的单元中所转换并流出的其他物质流或能量流的变化规律。当多个参数改变时，需要某一参数在前一个参数分析完的基础上再进行。
S7、基于碳流与物质流和能量流的耦合关系，在物质流-能量流耦合的分析模型的基础上，补充入碳流与物质流和能量流的转换关系，形成物质流-能量流-碳流耦合的分析模型。
当某一参数(单个或多个物质流、能量流以及各流的关键物理量)变化时，运用物质流-能量流-碳流耦合的分析模型和冶金机理对进行评估的单元的碳流与物质流和能量流之间进行解耦。进而得到对耦合在物质流和能量流的碳流的影响，确定出对该单元的输出碳流、对中间含碳流的物质流或能量流产物、对下级单元的输入和输出碳流的影响范围以及各变量的趋势变化；
进一步地，解耦从某一参数出发，解析出该参数类型及其物理量类型。当该参数发生改变时，根据该参数所流入的单元，运用物质流-能量流-碳流耦合的分析模型和冶金机理，得到该参数转换并流出的各物质流或能量流所含碳流的变化规律。确定各物质流或能量流是否是中间产物，如果是则需要通过分析模型和冶金机理分析出它所流入的单元中所转换并流出的其他物质流或能量流所含碳流的变化规律。
当多个参数改变时，需要某一参数在前一个参数分析完的基础上再进行。
其中，S2-S7为建立并运用物质流-能量流-碳流耦合分析模型进行分析的过程。
S8、在运用物质流-能量流-碳流耦合的分析模型确定出的某一参数变化对物质流、能量流和物质流或能量流所含碳流的影响的基础上，量化出某一参数改变前后生产过程的初始碳排放和预期碳排放。
初始碳排放包括单个或多个参数改变前的参数所在单元碳排放和全流程的总碳排放；
预期碳排放包括单个或多个参数改变后的参数所在单元碳排放、所影响的其他单元碳排放以及全流程的总碳排放。
S9、在某一参数改变前后生产过程的初始碳排放和预期碳排放基础上，得到该参数改变所造成的生产过程的碳排放差值。
以改变废钢比为例，基于物质流和碳流的耦合，运用物质流-能量流-碳流耦合的分析模型对废钢比变化所带来的影响进行解耦。首先针对废钢比所影响的所在单元和下级单元来说。在钢产量不变的情况下，炼钢过程中转炉、精炼和连铸单元均不发生改变。并且加热炉的生产能力因钢产量不变而保持不变，那么炼钢过程之后的各单元碳排放量也不会改变。其次，废钢比的增加会使得转炉所需铁水减少，所以上级单元高炉中的各输入和输出的物质流或能量流以及所耦合的碳流也会随之发生改变，使得高炉作为设备单元的碳排放减少。那么，高炉所需热风量也减少，故热风炉排放烟气中所含的碳排放相应减少。还会影响到输入高炉的物质流或能量流中的烧结矿、球团矿和焦炭，它们的需求量都会随铁水量的减少而降低，故烧结(烧结机)、焙烧(焙烧机)和炼焦(焦炉)过程中碳流会随之减少，使得碳排放减少。经过上述的变化后，富余高炉煤气和焦炉煤气量的减少，所以最终发电系统中煤气发电引起所产生的碳排放量将会减少。综上，废钢比改变所带来的影响为碳减排的过程。所以，所有单元的变化后的碳排放之和为预期碳排放，与初始碳排放之差，就表示为废钢比改变所造成的生产过程的碳排放差值。
碳排放差值包括参数改变前后参数所在单元碳排放差值、所影响的其他单元的碳排放差值以及全流程的总碳排放差值。
最终实现对需评估的生产过程碳排放的精准量化，构成一种基于高炉-转炉长流程特征的更为全面的钢铁企业碳排放评估方法。
上述实施例中，针对高炉-转炉长流程为特征的钢铁企业，在进行碳排放评估时依赖于物质流、能量流和碳流的耦合关系及其所连接的过程单元，实现了钢铁企业层面的碳排放评估。结合钢铁生产过程中物质流和能量流的耦合关系、碳流与物质流和能量流密不可分的特点，发明了物质流-能量流-碳流的分析模型，充分实现了当任意点的参数改变时，判断出该点所影响的其他生产过程。通过所确定的连锁反应，能实现精准评估某一参数变化在整个生产过程或环节间的影响，弥补了重复计算或漏算方面的缺陷，实现了有针对性、连锁性和精准性的碳排放评估。
实施例3
如图5所示，对应于实施例2中的长流程钢铁企业碳排放评估方法，本实施例提供了一种长流程钢铁企业碳排放评估系统，该系统包括：
输入输出模块100，用于采集钢铁企业生产过程中物质流和能量流的输入和输出；物质流包括含铁物质流和含碳物质流；能量流包括燃料和载能体；
模型建立模块200，用于基于输入输出模块100采集的钢铁企业生产过程中物质流和能量流的输入和输出建立实施例1中的长流程钢铁企业碳排放评估模型；
分析模块300，用于当某一参数变化时，基于输入输出模块100采集的钢铁企业生产过程中物质流和能量流的输入和输出，运用模型建立模块200建立的长流程钢铁企业碳排放评估模型确定出参数变化对物质流、能量流和物质流或能量流所含碳流的影响；某一参数包括单个或多个物质流、能量流以及各流的关键物理量；
评估模块400，用于基于分析模块300得到的参数变化对物质流、能量流和物质流或能量流所含碳流的影响，量化出参数改变前后生产过程的初始碳排放和预期碳排放；并基于参数改变前后生产过程的初始碳排放和预期碳排放，得到参数改变所造成的生产过程的碳排放差值。
对于本发明实施例的长流程钢铁企业碳排放评估系统而言，由于其与上面实施例中的长流程钢铁企业碳排放评估方法相对应，所以描述的比较简单，相关相似之处请参见上面实施例中长流程钢铁企业碳排放评估方法部分的说明即可，此处不再详述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种长流程钢铁企业碳排放评估模型，其特征在于，包括：
由物质流和能量流的耦合关系、物质流和能量流耦合的输入输出及输入与输出的转换关系组成的物质流-能量流耦合分析模型；以及，基于碳流与物质流和能量流的耦合关系，在所述物质流-能量流耦合分析模型的基础上，补充入碳流与物质流和能量流的转换关系形成的物质流-能量流-碳流耦合分析模型；
当某一参数变化时，运用所述物质流-能量流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理对该参数所在单元的物质流和能量流进行解耦，进而得到对其他物质流和能量流的影响，确定出对该单元的输出物质流或能量流、对中间物质流或能量流产物、对下级单元的输入和输出物质流或能量流的影响范围以及各变量的趋势变化；
当某一参数变化时，运用所述物质流-能量流-碳流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理对该参数所在单元的碳流与物质流和能量流之间进行解耦，进而得到对耦合在物质流和能量流的碳流的影响，确定出对该单元的输出碳流、对中间含碳流的物质流或能量流产物、对下级单元的输入和输出碳流的影响范围以及各变量的趋势变化；
其中，所述物质流包括含铁物质流和含碳物质流；所述能量流包括燃料和载能体；所述物质流和能量流耦合的输入与输出的转换关系为某一物质流、能量流或耦合的物质流和能量流输入到某一单元中经过转换过程后输出该单元，产生某一物质流、能量流或耦合的物质流和能量流；所述碳流与物质流和能量流的转换关系为物质流、能量流以及耦合的物质流和能量流与其所含碳量的关系。
2.根据权利要求1所述的长流程钢铁企业碳排放评估模型，其特征在于，建立物质流-能量流耦合分析模型，包括：
采集钢铁企业生产过程中的物质流和能量流的输入和输出；
基于生产过程中的冶金机理、所述物质流和能量流的输入和输出，确定生产过程中物质流和能量流的耦合关系；
基于生产过程中的冶金机理、所述物质流和能量流的输入和输出，确定碳流与物质流和能量流的耦合关系；
通过所述物质流和能量流的耦合关系、碳流与物质流和能量流的耦合关系，确定所述物质流、所述能量流和所述碳流所连接的各单元过程；所述各单元过程包括主要工序、能源系统以及主要工序和能源系统所包含的各生产设备；
根据物质流和能量流的耦合关系和所述各单元过程，确定出生产过程中物质流和能量流耦合的输入与输出的转换关系；
基于所述物质流和能量流的输入和输出、所述物质流和能量流的耦合关系以及所述物质流和能量流耦合的输入与输出的转换关系，建立物质流-能量流耦合分析模型；
建立物质流-能量流-碳流耦合分析模型，包括：
根据碳流与物质流和能量流的耦合关系和所述各单元过程，确定生产过程中碳流与物质流和能量流转换关系；
基于所述碳流与物质流和能量流的耦合关系，在所述物质流-能量流耦合分析模型的基础上，补充所述碳流与物质流和能量流转换关系，建立物质流-能量流-碳流耦合分析模型。
3.根据权利要求2所述的长流程钢铁企业碳排放评估模型，其特征在于，所述生产过程中物质流和能量流的输入和输出包括：所述生产过程中物质流和能量流的基本信息和关键物理量；
所述基本信息包括：物质流和能量流的种类、流动轨迹、转换规律和约束条件；
所述关键物理量包括：消耗量、产生量、回收量、放散量、返矿量、煤气热值、蒸汽温度、蒸汽压力、碳含量和铁含量。
4.根据权利要求2所述的长流程钢铁企业碳排放评估模型，其特征在于，所述物质流和能量流的耦合关系存在于固体燃料；
所述碳流与物质流和能量流的耦合关系存在于固体燃料。
5.根据权利要求2所述的长流程钢铁企业碳排放评估模型，其特征在于，所述主要工序包括高炉-转炉长流程中的炼焦、烧结、球团、炼铁、炼钢、热轧和冷轧工序；
所述能源系统包括煤气、氧气、蒸汽、电力及水系统；
所述主要工序所包含的各生产设备包括焦炉、干熄焦装置、烧结机、环冷机、焙烧设备、冷却设备、高炉、热风炉、转炉、钢包、精炼炉、连铸机、加热炉、粗轧机组、精轧机组、退火炉以及冷轧机组；
所述能源系统的各生产设备包括煤气发生炉、燃烧室、余热锅炉、燃煤锅炉、燃气锅炉、发电机组、制氧机、压缩机、鼓风机、加压机以及水处理装置。
6.根据权利要求1所述的长流程钢铁企业碳排放评估模型，其特征在于，运用物质流-能量流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理对该参数所在单元的物质流和能量流进行解耦，包括：
当所述某一参数发生改变时，根据该参数所流入的单元、所述物质流-能量流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理，得到该参数转换并流出的各物质流或能量流的变化规律；
确定各物质流或能量流是否是中间产物，如果是，则通过所述物质流-能量流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理分析出该参数所流入的单元中所转换并流出的其他物质流或能量流的变化规律。
7.根据权利要求1所述的长流程钢铁企业碳排放评估模型，其特征在于，运用物质流-能量流-碳流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理对该参数所在单元的碳流与物质流和能量流之间进行解耦，包括：
当所述某一参数发生改变时，根据该参数所流入的单元，利用所述物质流-能量流-碳流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理，得到该参数转换并流出的各物质流或能量流所含碳流的变化规律；
确定各物质流或能量流是否是中间产物，如果是，则通过所述物质流-能量流-碳流耦合分析模型和生产过程所基于的冶金机理分析出所述该参数所流入的单元中所转换并流出的其他物质流或能量流所含碳流的变化规律。
8.一种长流程钢铁企业碳排放评估方法，其特征在于，包括：
采集钢铁企业生产过程中物质流和能量流的输入和输出；所述物质流包括含铁物质流和含碳物质流；所述能量流包括燃料和载能体；
当某一参数变化时，基于采集的钢铁企业生产过程中物质流和能量流的输入和输出，运用权利要求1～7任一项权利要求所述的长流程钢铁企业碳排放评估模型确定出所述参数变化对物质流、能量流和物质流或能量流所含碳流的影响；所述某一参数包括单个或多个物质流、能量流以及所述各流的关键物理量；
基于所述参数变化对物质流、能量流和物质流或能量流所含碳流的影响，量化出所述参数改变前后生产过程的初始碳排放和预期碳排放；
基于所述参数改变前后生产过程的初始碳排放和预期碳排放，得到所述参数改变所造成的生产过程的碳排放差值。
9.根据权利要求8所述的长流程钢铁企业碳排放评估方法，其特征在于，当多个参数改变时，运用所述物质流-能量流-碳流耦合分析模型确定出第一参数变化对物质流、能量流和物质流或能量流所含碳流的影响；
运用所述物质流-能量流-碳流耦合分析模型确定出第二参数变化对物质流、能量流和物质流或能量流所含碳流的影响。
10.一种长流程钢铁企业碳排放评估系统，其特征在于，包括：
输入输出模块，用于采集钢铁企业生产过程中物质流和能量流的输入和输出；所述物质流包括含铁物质流和含碳物质流；所述能量流包括燃料和载能体；
模型建立模块，用于建立权利要求1～7任一项所述的长流程钢铁企业碳排放评估模型；
分析模块，用于当某一参数变化时，基于所述输入输出模块采集的钢铁企业生产过程中物质流和能量流的输入和输出，运用所述模型建立模块建立的所述长流程钢铁企业碳排放评估模型确定出所述参数变化对物质流、能量流和物质流或能量流所含碳流的影响；所述某一参数包括单个或多个物质流、能量流以及所述各流的关键物理量；
评估模块，用于基于所述分析模块得到的所述参数变化对物质流、能量流和物质流或能量流所含碳流的影响，量化出所述参数改变前后生产过程的初始碳排放和预期碳排放；并基于所述参数改变前后生产过程的初始碳排放和预期碳排放，得到所述参数改变所造成的生产过程的碳排放差值。
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