鐵的氧化物碳還原的最小能耗及co最低排放

1、鐵的氧化物碳還原的最小能耗及CO2最低排放,郭漢杰 教授北京科技大學(xué)Email: guohanjie@ustb.edu.cn,2024/4/1,1,目錄,1 氧化鐵碳還原最理想的熱力學(xué)模型1.1 C還原鐵的氧化物的理論消耗及CO2排放1.2 理想的鐵氧化物碳還原過程趨勢推測 碳素還原Fe2O3的趨勢 碳素還原Fe3O4的反應(yīng)趨勢 碳素還原FeO的反應(yīng)趨勢2 C的氣化與氧化鐵還原

2、2.1 CO2氣化C的熱力學(xué)計算2.2 H2O氣化C的計算2.3 碳的氣化與還原鐵氧化物同時考慮3 從Hess循環(huán)看現(xiàn)代高爐煉鐵3.1 現(xiàn)代高爐冶煉的理論能耗計算3.2 實際高爐流程能耗與理論能耗的對比3.3 關(guān)于還原過程能源效率的討論4 結(jié)論,2024/4/1,2,引言,熱力學(xué)原理來說，到底碳還原制取鐵的限度是多少？本研究針對鐵的氧化物的碳還原，設(shè)計幾種在熱力學(xué)上可能實現(xiàn)的熱力學(xué)理論模型，提出碳還原過程

3、的碳消耗和CO2排放的極限，以便在進行減碳的工藝設(shè)計時有明確的目標。,2024/4/1,3,,當前世界范圍都在關(guān)心“低碳”的問題，而鋼鐵的低碳革命被擺在首要位置。,歐盟啟動了低碳制鋼的ULCOS計劃，提出了20年低碳路線圖。,就煉鐵的方法來說，ULCOS開發(fā)的Hisarna[6]和堿性電解煉鐵工藝[7]等無疑都在最大限度降低工藝過程的碳消耗，以取得最低的CO2排放。,日本擬定了低碳排放工業(yè)技術(shù)路線圖及“冷地球50”的COURSE50計劃

4、。,1 氧化鐵碳還原最理想的熱力學(xué)模型,最理想的鐵的氧化物碳還原的熱力學(xué)原理組元數(shù)C=5，分別為FexOy、CO2、O2、Fe、C；元素數(shù)m=3，分別為：Fe、C、O;所以在這個體系中獨立的化學(xué)反應(yīng)數(shù)為：r = C – m =5 -3 =2因此從熱力學(xué)理論上用兩個獨立化學(xué)反應(yīng)描述氧化鐵的碳還原的始態(tài)和末態(tài)實際上就反映了全部的工藝過程。而理論上還原鐵的氧化物所需的碳分為兩部分:,2024/4/1,4,利用熱力學(xué)的Hess

5、定律,2024/4/1,5,可以看出，這是一個想象中最理想的碳還原氧化鐵的理論模型，其中的能源消耗分為兩個部分：1）按照反應(yīng)（1-1）還原的化學(xué)計量所需要的碳素；2）由碳的完全燃燒反應(yīng)（1-2）提供給反應(yīng)（1-1）需要的化學(xué)熱所消耗的碳素；3）CO2的排放由反應(yīng)（1-1）及（1-2）的化學(xué)計量算出。,1.1 C還原鐵的氧化物的理論消耗及CO2排放,2024/4/1,6,1.1 C還原鐵的氧化物的理論消耗及CO2排放,1）計算1Kg

6、的碳素和1Kg標煤的區(qū)別和換算在工業(yè)統(tǒng)計時一般都用標準煤Ce的概念，有必要推算標準煤Ce和碳素C熱值的關(guān)系。1Kg碳素完全燃燒的發(fā)熱量為：而1Kg標煤的發(fā)熱量的定義為： 這樣的話，如果按照發(fā)熱值計算，1Kg標煤Ce與1Kg碳素C的換算為：可以將碳素還原鐵的氧化物的理論消耗折算為標煤，最理想的氧化鐵碳還原理論碳耗為252.4KgCe/噸鐵。2）CO2的生成碳素還原產(chǎn)生的CO2為： 碳素燃燒產(chǎn)生的CO2為：

7、 二者合計為：420.66Nm3/tFe表1-1 兩種鐵的氧化物碳還原的理論能耗、用氧及CO2排放,,,,,2024/4/1,7,1.2 理想的鐵氧化物碳還原過程趨勢推測,1.2.1 碳素還原Fe2O3的趨勢,2024/4/1,8,碳素還原Fe2O3的趨勢,可以看出以下規(guī)律：在溫度為700K之前， CO2平衡壓強都非常

8、小，趨于零。體系稍微有壓強很小的CO2，碳都是不可能還原Fe2O3的；當溫度大于700K，CO2平衡壓強迅速增加， 當溫度增加到850K左右時，CO2平衡壓強接近1。也就是說，CO2平衡壓強的變化在150K的溫度范圍內(nèi)，這段范圍，只要體系中的CO2壓強小于平衡壓強，碳還原Fe2O3的反應(yīng)都是可以進行的；按照理想的熱力學(xué)模型，給體系溫度，碳與Fe2O3的反應(yīng)可以無條件進行的。因為產(chǎn)生的CO2壓強絕對不會超過、甚至遠低于其平衡值。,

9、,2024/4/1,9,碳素還原FeO、Fe3O4的反應(yīng)趨勢,2024/4/1,10,氧化鐵碳還原最理想的熱力學(xué)模型,三個氧化物 Fe2O3、Fe3O4和 FeO的碳還原的熱力學(xué)的本質(zhì)，還原了高爐冶煉的始態(tài)和狀態(tài)。因為高爐還原就是把含有碳素的固體焦炭和固態(tài)的鐵的氧化物加入，生成鐵和CO2（當然還有CO）。從高爐出來的CO2的分壓（一般為0.2-0.3），由此可以得到兩點結(jié)論： 1）高爐內(nèi)部的碳還原鐵的氧化物

10、還原反應(yīng)是在700-800K左右就與CO2分壓達到了平衡； 2）就Ｃ還原 Fe2O3、Fe3O4和 FeO來說，當平衡的 時，與此對應(yīng)的溫度分別為T=853.06K、T=994.73K 和 T=1013K。,,2024/4/1,11,2 C的氣化與氧化鐵還原,在碳素對氧化鐵的還原過程中產(chǎn)生的CO2，會與碳反應(yīng)形成CO，所謂碳的氣化反應(yīng)。熱力學(xué)需討論碳同時參

11、與的這兩個反應(yīng)的先后順序問題。關(guān)于C的氣化，一般分為兩個途徑: CO2氣化C的問題， H2O對C的氣化。兩種途徑需從兩個方面討論: CO2、H2O氣化C的能量問題； 溫度對氣化和氣化產(chǎn)物的濃度影響。,2024/4/1,12,2.1 CO2氣化C的熱力學(xué)計算,2024/4/1,13,,2024/4/1,14,CO2、H2O氣化C的熱力學(xué)計算,2024/4/1,15,碳的氣化與還原鐵氧化物同時考慮,碳氣化反應(yīng)平衡線將整個

12、平面分為上下兩個部分，上部為CO的優(yōu)勢區(qū)，下部為C和CO2優(yōu)勢區(qū)；而碳還原反應(yīng)平衡線將平面分為左右兩個部分，左邊為Fe3O4的優(yōu)勢區(qū)，右邊為Fe的優(yōu)勢區(qū)。但鐵的優(yōu)勢區(qū)的上下區(qū)域的特點顯而易見，上部區(qū)域，F(xiàn)e得到還原，但條件是由于碳素的不足，平衡產(chǎn)物是Fe+CO；而在下部區(qū)域，碳素比較充足，鐵被還原的同時，由于碳素充足，平衡產(chǎn)物為Fe+C+CO2。,2024/4/1,16,3 從Hess循環(huán)看現(xiàn)代高爐煉鐵,2024/4/1,17,現(xiàn)代高爐

13、反應(yīng)的熱力學(xué),3.1 現(xiàn)代高爐冶煉的理論能耗計算,2024/4/1,19,2024/4/1,20,2024/4/1,21,現(xiàn)代高爐冶煉的理論能耗計算結(jié)果,表3-1 高爐流程使用純Fe2O3和Fe3O4、FeO為原料時的噸鐵消耗和高爐煤氣成分,2024/4/1,22,3.2 實際高爐流程能耗與理論能耗的對比,2024/4/1,23,3.3 關(guān)于還原過程能源效率的討論,2024/4/1,24,3 從Hess循環(huán)看現(xiàn)代高爐煉鐵,2024/4/