铁的氧化物碳还原的最小能耗及CO2最低排放

铁的氧化物碳还原的最小能耗

及CO2最低排放郭汉杰教授北京科技大学Email:guohanjie@2024/3/21目录1氧化铁碳还原最理想的热力学模型

1.1C还原铁的氧化物的理论消耗及CO2排放

1.2理想的铁氧化物碳还原过程趋势推测

碳素还原Fe2O3的趋势 碳素还原Fe3O4的反应趋势 碳素还原FeO的反应趋势 2C的气化与氧化铁还原 2.1CO2气化C的热力学计算 2.2H2O气化C的计算 2.3碳的气化与还原铁氧化物同时考虑 3从Hess循环看现代高炉炼铁

3.1现代高炉冶炼的理论能耗计算 3.2实际高炉流程能耗与理论能耗的对比 3.3关于还原过程能源效率的讨论 4结论

2024/3/22引言热力学原理来说，到底碳还原制取铁的限度是多少？本研究针对铁的氧化物的碳还原，设计几种在热力学上可能实现的热力学理论模型，提出碳还原过程的碳消耗和CO2排放的极限，以便在进行减碳的工艺设计时有明确的目标。2024/3/23当前世界范围都在关心“低碳”的问题，而钢铁的低碳革命被摆在首要位置。欧盟启动了低碳制钢的ULCOS计划，提出了20年低碳路线图。就炼铁的方法来说，ULCOS开发的Hisarna[6]和碱性电解炼铁工艺[7]等无疑都在最大限度降低工艺过程的碳消耗，以取得最低的CO2排放。日本拟定了低碳排放工业技术路线图及“冷地球50”的COURSE50计划。1氧化铁碳还原最理想的热力学模型最理想的铁的氧化物碳还原的热力学原理组元数C=5，分别为FexOy、CO2、O2、Fe、C；元素数m=3，分别为：Fe、C、O;所以在这个体系中独立的化学反应数为：r=C–m=5-3=2因此从热力学理论上用两个独立化学反应描述氧化铁的碳还原的始态和末态实际上就反映了全部的工艺过程。而理论上还原铁的氧化物所需的碳分为两部分:

FexOy,C,O2(始态，298K)Fe，CO2（末态，298K）△Hθ一是碳作为还原剂所消耗的量是多少；二是还原过程都是吸热反应，碳作为发热剂所提供的量是多少。2024/3/24利用热力学的Hess定律

2024/3/25可以看出，这是一个想象中最理想的碳还原氧化铁的理论模型，其中的能源消耗分为两个部分：1）按照反应（1-1）还原的化学计量所需要的碳素；2）由碳的完全燃烧反应（1-2）提供给反应（1-1）需要的化学热所消耗的碳素；3）CO2的排放由反应（1-1）及（1-2）的化学计量算出。1.1C还原铁的氧化物的理论消耗及CO2排放2024/3/261.1C还原铁的氧化物的理论消耗及CO2排放1）计算1Kg的碳素和1Kg标煤的区别和换算在工业统计时一般都用标准煤Ce的概念，有必要推算标准煤Ce和碳素C热值的关系。1Kg碳素完全燃烧的发热量为：而1Kg标煤的发热量的定义为：这样的话，如果按照发热值计算，1Kg标煤Ce与1Kg碳素C的换算为：可以将碳素还原铁的氧化物的理论消耗折算为标煤，最理想的氧化铁碳还原理论碳耗为252.4KgCe/吨铁。2）CO2的生成碳素还原产生的CO2为：碳素燃烧产生的CO2为：二者合计为：420.66Nm3/tFe表1-1两种铁的氧化物碳还原的理论能耗、用氧及CO2排放

还原剂碳素/标煤，Kg/吨铁加热剂碳素/标煤，Kg/吨铁碳素/标煤Kg（总量）/吨铁O2/空气Mm3/吨铁CO2排放(燃烧O2)Mm3/吨铁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理想的铁氧化物碳还原过程趋势推测1.2.1碳素还原Fe2O3的趋势2024/3/28碳素还原Fe2O3的趋势可以看出以下规律：在温度为700K之前，CO2平衡压强都非常小，趋于零。体系稍微有压强很小的CO2，碳都是不可能还原Fe2O3的；当温度大于700K，CO2平衡压强迅速增加，当温度增加到850K左右时，CO2平衡压强接近1。也就是说，CO2平衡压强的变化在150K的温度范围内，这段范围，只要体系中的CO2压强小于平衡压强，碳还原Fe2O3的反应都是可以进行的；按照理想的热力学模型，给体系温度，碳与Fe2O3的反应可以无条件进行的。因为产生的CO2压强绝对不会超过、甚至远低于其平衡值。2024/3/29碳素还原FeO、Fe3O4的反应趋势

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氧化铁碳还原最理想的热力学模型

三个氧化物Fe2O3、Fe3O4和FeO的碳还原的热力学的本质，还原了高炉冶炼的始态和状态。因为高炉还原就是把含有碳素的固体焦炭和固态的铁的氧化物加入，生成铁和CO2（当然还有CO）。从高炉出来的CO2的分压（一般为0.2-0.3），由此可以得到两点结论：1）高炉内部的碳还原铁的氧化物还原反应是在700-800K左右就与CO2分压达到了平衡；2）就Ｃ还原Fe2O3、Fe3O4和FeO来说，当平衡的时，与此对应的温度分别为T=853.06K、T=994.73K和T=1013K。2024/3/2112C的气化与氧化铁还原

在碳素对氧化铁的还原过程中产生的CO2，会与碳反应形成CO，所谓碳的气化反应。热力学需讨论碳同时参与的这两个反应的先后顺序问题。关于C的气化，一般分为两个途径:CO2气化C的问题，H2O对C的气化。两种途径需从两个方面讨论:CO2、H2O气化C的能量问题；温度对气化和气化产物的浓度影响。

2024/3/2122.1CO2气化C的热力学计算2024/3/2132024/3/214CO2、H2O气化C的热力学计算2024/3/215碳的气化与还原铁氧化物同时考虑碳气化反应平衡线将整个平面分为上下两个部分，上部为CO的优势区，下部为C和CO2优势区；而碳还原反应平衡线将平面分为左右两个部分，左边为Fe3O4的优势区，右边为Fe的优势区。但铁的优势区的上下区域的特点显而易见，上部区域，Fe得到还原，但条件是由于碳素的不足，平衡产物是Fe+CO；而在下部区域，碳素比较充足，铁被还原的同时，由于碳素充足，平衡产物为Fe+C+CO2。2024/3/2163从Hess循环看现代高炉炼铁2024/3/217现代高炉反应的热力学3.1现代高炉冶炼的理论能耗计算2024/3/2192024/3/2202024/3/221现代高炉冶炼的理论能耗计算结果

C/Ce,KgW氧化物,KgO2/空气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

总气量（使用空气）Nm3CO,%CO2,%N2,%

Fe2O315862535.639.09

Fe3O4201839.72831.9

FeO161524.815.859.38

表3-1高炉流程使用纯Fe2O3和Fe