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(xué)Email:guohanjie@2024/3/21目錄1氧化鐵碳還原最理想的熱力學(xué)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(guò)程趨勢(shì)推測(cè)

碳素還原Fe2O3的趨勢(shì) 碳素還原Fe3O4的反應(yīng)趨勢(shì) 碳素還原FeO的反應(yīng)趨勢(shì) 2C的氣化與氧化鐵還原 2.1CO2氣化C的熱力學(xué)計(jì)算 2.2H2O氣化C的計(jì)算 2.3碳的氣化與還原鐵氧化物同時(shí)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(jì)算 3.2實(shí)際高爐流程能耗與理論能耗的對(duì)比 3.3關(guān)于還原過(guò)程能源效率的討論 4結(jié)論

2024/3/22引言熱力學(xué)原理來(lái)說(shuō)，到底碳還原制取鐵的限度是多少？本研究針對(duì)鐵的氧化物的碳還原，設(shè)計(jì)幾種在熱力學(xué)上可能實(shí)現(xiàn)的熱力學(xué)理論模型，提出碳還原過(guò)程的碳消耗和CO2排放的極限，以便在進(jìn)行減碳的工藝設(shè)計(jì)時(shí)有明確的目標(biāo)。2024/3/23當(dāng)前世界范圍都在關(guān)心“低碳”的問(wèn)題，而鋼鐵的低碳革命被擺在首要位置。歐盟啟動(dòng)了低碳制鋼的ULCOS計(jì)劃，提出了20年低碳路線圖。就煉鐵的方法來(lái)說(shuō)，ULCOS開(kāi)發(fā)的Hisarna[6]和堿性電解煉鐵工藝[7]等無(wú)疑都在最大限度降低工藝過(guò)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(jì)劃。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?cái)?shù)m=3，分別為：Fe、C、O;所以在這個(gè)體系中獨(dú)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(gè)獨(dú)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(shí)際上就反映了全部的工藝過(guò)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(guò)程都是吸熱反應(yīng)，碳作為發(fā)熱劑所提供的量是多少。2024/3/24利用熱力學(xué)的Hess定律

2024/3/25可以看出，這是一個(gè)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(gè)部分：1）按照反應(yīng)（1-1）還原的化學(xué)計(jì)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(jì)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(jì)算1Kg的碳素和1Kg標(biāo)煤的區(qū)別和換算在工業(yè)統(tǒng)計(jì)時(shí)一般都用標(biāo)準(zhǔn)煤Ce的概念，有必要推算標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)煤的發(fā)熱量的定義為：這樣的話，如果按照發(fā)熱值計(jì)算，1Kg標(biāo)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(biāo)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：二者合計(jì)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(biāo)煤，Kg/噸鐵加熱劑碳素/標(biāo)煤，Kg/噸鐵碳素/標(biāo)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(guò)程趨勢(shì)推測(cè)1.2.1碳素還原Fe2O3的趨勢(shì)2024/3/28碳素還原Fe2O3的趨勢(shì)可以看出以下規(guī)律：在溫度為700K之前，CO2平衡壓強(qiáng)都非常小，趨于零。體系稍微有壓強(qiáng)很小的CO2，碳都是不可能還原Fe2O3的；當(dāng)溫度大于700K，CO2平衡壓強(qiáng)迅速增加，當(dāng)溫度增加到850K左右時(shí)，CO2平衡壓強(qiáng)接近1。也就是說(shuō)，CO2平衡壓強(qiáng)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(qiáng)小于平衡壓強(qiáng)，碳還原Fe2O3的反應(yīng)都是可以進(jìn)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(wú)條件進(jìn)行的。因?yàn)楫a(chǎn)生的CO2壓強(qiáng)絕對(duì)不會(huì)超過(guò)、甚至遠(yuǎn)低于其平衡值。2024/3/29碳素還原FeO、Fe3O4的反應(yīng)趨勢(shì)

2024/3/210

氧化鐵碳還原最理想的熱力學(xué)模型

三個(gè)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?yàn)楦郀t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(dāng)然還有CO）。從高爐出來(lái)的CO2的分壓（一般為0.2-0.3），由此可以得到兩點(diǎn)結(jié)論：1）高爐內(nèi)部的碳還原鐵的氧化物還原反應(yīng)是在700-800K左右就與CO2分壓達(dá)到了平衡；2）就Ｃ還原Fe2O3、Fe3O4和FeO來(lái)說(shuō)，當(dāng)平衡的時(shí)，與此對(duì)應(yīng)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(duì)氧化鐵的還原過(guò)程中產(chǎn)生的CO2，會(huì)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(shí)參與的這兩個(gè)反應(yīng)的先后順序問(wèn)題。關(guān)于C的氣化，一般分為兩個(gè)途徑:CO2氣化C的問(wèn)題，H2O對(duì)C的氣化。兩種途徑需從兩個(gè)方面討論:CO2、H2O氣化C的能量問(wèn)題；溫度對(duì)氣化和氣化產(chǎn)物的濃度影響。

2024/3/2122.1CO2氣化C的熱力學(xué)計(jì)算2024/3/2132024/3/214CO2、H2O氣化C的熱力學(xué)計(jì)算2024/3/215碳的氣化與還原鐵氧化物同時(shí)考慮碳?xì)饣磻?yīng)平衡線將整個(gè)平面分為上下兩個(gè)部分，上部為CO的優(yōu)勢(shì)區(qū)，下部為C和CO2優(yōu)勢(shì)區(qū)；而碳還原反應(yīng)平衡線將平面分為左右兩個(gè)部分，左邊為Fe3O4的優(yōu)勢(shì)區(qū)，右邊為Fe的優(yōu)勢(shì)區(qū)。但鐵的優(yōu)勢(shì)區(qū)的上下區(qū)域的特點(diǎn)顯而易見(jiàn)，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(shí)，由于碳素充足，平衡產(chǎn)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(yīng)的熱力學(xué)3.1現(xiàn)代高爐冶煉的理論能耗計(jì)算2024/3/2192024/3/2202024/3/221現(xiàn)代高爐冶煉的理論能耗計(jì)算結(jié)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