鐵的氧化物碳還原的最小能耗及CO2最低排放

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Email:guohanjie@2024/3/21目錄1氧化鐵碳還原最理想的熱力學模型

1.1C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的反應趨勢 碳素還原FeO的反應趨勢 2C的氣化與氧化鐵還原 2.1CO2氣化C的熱力學計算 2.2H2O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關于還原過程能源效率的討論 4結論

2024/3/22引言熱力學原理來說，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，設計幾種在熱力學上可能實現(xiàn)的熱力學理論模型，提出碳還原過程的碳消耗和CO2排放的極限，以便在進行減碳的工藝設計時有明確的目標。2024/3/23當前世界范圍都在關心“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)技術路線圖及“冷地球50”的COURSE50計劃。1氧化鐵碳還原最理想的熱力學模型最理想的鐵的氧化物碳還原的熱力學原理組元數(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反應數(shù)為：r=C–m=5-3=2因此從熱力學理論上用兩個獨立化學反應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:

FexOy,C,O2(始態(tài)，298K)Fe，CO2（末態(tài)，298K）△Hθ一是碳作為還原劑所消耗的量是多少；二是還原過程都是吸熱反應，碳作為發(fā)熱劑所提供的量是多少。2024/3/24利用熱力學的Hess定律

2024/3/25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（1-1）還原的化學計量所需要的碳素；2）由碳的完全燃燒反應（1-2）提供給反應（1-1）需要的化學熱所消耗的碳素；3）CO2的排放由反應（1-1）及（1-2）的化學計量算出。1.1C還原鐵的氧化物的理論消耗及CO2排放2024/3/261.1C還原鐵的氧化物的理論消耗及CO2排放1）計算1Kg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的生成碳素還原產生的CO2為：碳素燃燒產生的CO2為：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

還原劑碳素/標煤，Kg/噸鐵加熱劑碳素/標煤，Kg/噸鐵碳素/標煤Kg（總量）/噸鐵O2/空氣Mm3/噸鐵CO2排放(燃燒O2)Mm3/噸鐵Fe2O3161.15/180.4964.21/71.92225.36/252.4120/570420.66Fe3O4143.24/160.4360.3/67.54203.54/227.96113/536379.94FeO107.0/119.8441.3/46.26148.3/166.177.1/367277.12024/3/271.2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2024/3/28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，這段范圍，只要體系中的CO2壓強小于平衡壓強，碳還原Fe2O3的反應都是可以進行的；按照理想的熱力學模型，給體系溫度，碳與Fe2O3的反應可以無條件進行的。因為產生的CO2壓強絕對不會超過、甚至遠低于其平衡值。2024/3/29碳素還原FeO、Fe3O4的反應趨勢

2024/3/210

氧化鐵碳還原最理想的熱力學模型

三個氧化物Fe2O3、Fe3O4和FeO的碳還原的熱力學的本質，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論：1）高爐內部的碳還原鐵的氧化物還原反應是在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，與此對應的溫度分別為T=853.06K、T=994.73K和T=1013K。2024/3/2112C的氣化與氧化鐵還原

在碳素對氧化鐵的還原過程中產生的CO2，會與碳反應形成CO，所謂碳的氣化反應。熱力學需討論碳同時參與的這兩個反應的先后順序問題。關于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物的濃度影響。

2024/3/2122.1CO2氣化C的熱力學計算2024/3/2132024/3/214CO2、H2O氣化C的熱力學計算2024/3/215碳的氣化與還原鐵氧化物同時考慮碳氣化反應平衡線將整個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，平衡產物為Fe+C+CO2。2024/3/2163從Hess循環(huán)看現(xiàn)代高爐煉鐵2024/3/217現(xiàn)代高爐反應的熱力學3.1現(xiàn)代高爐冶煉的理論能耗計算2024/3/2192024/3/2202024/3/221現(xiàn)代高爐冶煉的理論能耗計算結果

C/Ce,KgW氧化物,KgO2/空氣Nm3CO,Nm3CO2,Nm3N2,Nm3CO2/CO2+COFe2O3302.62/338.241430160/780401.1564.926200.58Fe3O4306.56/343.341389171/815802.2572.176440.41FeO302.86/339.21286255/12144012559590.39

總氣量（使用空氣）Nm3CO,%CO2,%N2,%

Fe2O315862535.639.09

Fe3O4201839.72831.9

FeO161524.815.859.38

表3-1高爐流程使用純Fe2O3和Fe