铁的氧化物碳还原的最小能耗及CO2最低排放.ppt

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@ustb.edu.cn * * 目录 1 氧化铁碳还原最理想的热力学模型 1.1 C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 2 C的气化与氧化铁还原 2.1 CO2气化C的热力学计算 2.2 H2O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 * * 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。 * * 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。 * * 利用热力学的Hess定律 * * 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。 1.1 C还原铁的氧化物的理论消耗及CO2排放 * * 1.1 C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 Fe2O3 161.15/180.49 64.21/71.92 225.36/252.4 120/570 420.66 Fe3O4 143.24/160.43 60.3/67.54 203.54/227.96 113/536 379.94 FeO 107.0/119.84 41.3/46.26 148.3/166.1 77.1/367 277.1 * * 1.2 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 * * 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Fe2O