铁的氧化物碳还原的最小能耗及CO最低排放ppt课件

1、铁的氧化物碳复原的最小能耗铁的氧化物碳复原的最小能耗及及CO2CO2最低排放最低排放郭汉杰郭汉杰 教授教授北京科技大学北京科技大学: : 2022-1-61目录目录1 1 氧化铁碳复原最理想的热力学模型氧化铁碳复原最理想的热力学模型1.1 C1.1 C复原铁的氧化物的实际耗费及复原铁的氧化物的实际耗费及CO2CO2排放排放1.2 1.2 理想的铁氧化物碳复原过程趋势推测理想的铁氧化物碳复原过程趋势推测 碳素复原碳素复原Fe2O3Fe2O3的趋势的趋势 碳素复原碳素复原Fe3O4Fe3O4的反响趋势的反响趋势 碳素复原碳素复原F

2、eOFeO的反响趋势的反响趋势2 C2 C的气化与氧化铁复原的气化与氧化铁复原2.1 CO22.1 CO2气化气化C C的热力学计算的热力学计算2.2 H2O2.2 H2O气化气化C C的计算的计算2.3 2.3 碳的气化与复原铁氧化物同时思索碳的气化与复原铁氧化物同时思索3 3 从从HessHess循环看现代高炉炼铁循环看现代高炉炼铁3.1 3.1 现代高炉冶炼的实际能耗计算现代高炉冶炼的实际能耗计算3.2 3.2 实践高炉流程能耗与实际能耗的对比实践高炉流程能耗与实际能耗的对比3.3 3.3 关于复原过程能源效率的讨论关于复原过程能源效率的讨论4 4 结论结论2022-1-62引言引言热力

3、学原理来说，究竟碳复原制取铁的限制是多少？热力学原理来说，究竟碳复原制取铁的限制是多少？本研讨针对铁的氧化物的碳复原，设计几种在热力学上能够实本研讨针对铁的氧化物的碳复原，设计几种在热力学上能够实现的热力学实际模型，提出碳复原过程的碳耗费和现的热力学实际模型，提出碳复原过程的碳耗费和CO2排放的排放的极限，以便在进展减碳的工艺设计时有明确的目的。极限，以便在进展减碳的工艺设计时有明确的目的。2022-1-63当前世界范围都在关怀当前世界范围都在关怀“低碳的问题，而钢铁的低碳革命被摆在首要位置。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欧盟启动了低碳制钢的ULCOS方案，提

4、出了方案，提出了20年低碳道路图。年低碳道路图。就炼铁的方法来说，就炼铁的方法来说，ULCOS开发的开发的Hisarna6和碱性电解炼铁工艺和碱性电解炼铁工艺7等无疑等无疑都在最大限制降低工艺过程的碳耗费，以获得最低的都在最大限制降低工艺过程的碳耗费，以获得最低的CO2排放。排放。日本拟定了低碳排放工业技术道路图及日本拟定了低碳排放工业技术道路图及“冷地球冷地球50的的COURSE50方案。方案。1 1 氧化铁碳复原最理想的热力学模型氧化铁碳复原最理想的热力学模型最理想的铁的氧化物碳复原的热力学原理最理想的铁的氧化物碳复原的热力学原理组元数组元数C=5，分别为，分别为FexOy、CO2、O2、

5、Fe、C；元素数元素数m=3，分别为：，分别为：Fe、C、O;所以在这个体系中独立的化学反响数为：所以在这个体系中独立的化学反响数为：r = C m =5 -3 =2因此从热力学实际上用两个独立化学反响描画氧化铁的碳复原的始态和因此从热力学实际上用两个独立化学反响描画氧化铁的碳复原的始态和末态实践上就反映了全部的工艺过程。末态实践上就反映了全部的工艺过程。而实际上复原铁的氧化物所需的碳分为两部分而实际上复原铁的氧化物所需的碳分为两部分: FexOy,C,O2(始态，始态，298K)Fe，CO2末态，末态，298KHH一是碳作为复原剂所耗费的量是多少；一是碳作为复原剂所耗费的量是多少；二是复原过

6、程都是吸热反响，碳作为发热剂所提供的量是多少。二是复原过程都是吸热反响，碳作为发热剂所提供的量是多少。2022-1-64利用热力学的利用热力学的HessHess定律定律 2022-1-65可以看出，这是一个想象中最理想的碳复原氧化铁的实际模型，其中的能源耗费可以看出，这是一个想象中最理想的碳复原氧化铁的实际模型，其中的能源耗费分为两个部分：分为两个部分：1 1按照反响按照反响1-11-1复原的化学计量所需求的碳素；复原的化学计量所需求的碳素；2 2由碳的完全熄灭反响由碳的完全熄灭反响1-21-2提供应反响提供应反响1-11-1需求的化学热所耗费的碳素；需求的化学热所耗费的碳素；3 3CO2CO

7、2的排放由反响的排放由反响1-11-1及及1-21-2的化学计量算出。的化学计量算出。1.1 C1.1 C复原铁的氧化物的实际耗费及复原铁的氧化物的实际耗费及CO2CO2排放排放2229822322398 393.52/ -3 2 811312425.5COCOHKJmolFeOFe OHKgFeFe OK 以还原计算，若碳素还原的反应，计算还原时碳素的理论消耗。由反应（）、（） ） （1 3232298/ -2343 470.44 -155xJmolFe OCFeCOHKJ（1 4）（1 ） 36 223.4 470.44 得 反应（） 10000 11 36 1000161.15/223.

8、4470.44 2 10002105.8/1223.4 13xKgKgFeyKJKgFeg由此计算得： ）还原铁需要的还原剂碳为 ）需要提供的热量为 这些热量如果全部由碳素完全 y燃烧反应（）提供，则由222229833,2 393.52/2105.864.210.121264.21 / 2) 0.02240.12/ 0.57/31) 93.52120. 1 2 COCOCOHKJmolWgKgFeVNmKgFeVNmFOKg e 空气 可计算得，提供这些热量需要的碳的质量和的量分别为或空气综合以上两项，碳素即作为还原23332161.1564.21221 1 225.36161.1564.2

9、5.311205760CWgNmNKgFe OKgKgKgmO剂，又作为发热剂，则还原的总消耗为所以，理论上还原 t铁需要碳素为（其中还原剂碳 ，发热剂碳为 ）；需要为 （或空气 ）。2022-1-661.1 C复原铁的氧化物的实际耗费及复原铁的氧化物的实际耗费及CO2排放排放1 1计算计算1Kg1Kg的碳素和的碳素和1Kg1Kg标煤的区别和换算标煤的区别和换算在工业统计时普通都用规范煤在工业统计时普通都用规范煤CeCe的概念，有必要推算规范煤的概念，有必要推算规范煤CeCe和碳素和碳素C C热值的关系。热值的关系。1Kg1Kg碳素完全熄灭的发热量为：碳素完全熄灭的发热量为：而而1Kg1Kg标

10、煤的发热量的定义为：标煤的发热量的定义为： 这样的话，假设按照发热值计算，这样的话，假设按照发热值计算，1Kg1Kg标煤标煤CeCe与与1Kg1Kg碳素碳素C C的换算为：的换算为：可以将碳素复原铁的氧化物的实际耗费折算为标煤，最理想的氧化铁碳复原实际碳可以将碳素复原铁的氧化物的实际耗费折算为标煤，最理想的氧化铁碳复原实际碳耗为耗为252.4KgCe/252.4KgCe/吨铁。吨铁。2 2CO2CO2的生成的生成碳素复原产生的碳素复原产生的CO2CO2为：为： 碳素熄灭产生的碳素熄灭产生的CO2CO2为：为： 二者合计为：二者合计为：420.66Nm3/tFe420.66Nm3/tFe表表1-

11、1 1-1 两种铁的氧化物碳复原的实际能耗、用氧及两种铁的氧化物碳复原的实际能耗、用氧及CO2CO2排放排放1000393.5232793.33/12CHKJKgC700029260/CeHKCalKJKgCe11.12KgCKgCe3161.150.0224300.8/ t0.012NmFe364.210.0224119.86/0.012NmtFe2022-1-671.2 1.2 理想的铁氧化物碳复原过程趋势推测理想的铁氧化物碳复原过程趋势推测1.2.1 1.2.1 碳素复原碳素复原Fe2O3Fe2O3的趋势的趋势2022-1-68碳素复原碳素复原Fe2O3Fe2O3的趋势的趋势可以看出以下

12、规律：可以看出以下规律：在温度为在温度为700K700K之前，之前， CO2 CO2平衡压强都非常平衡压强都非常小，趋于零。体系略微有压强很小的小，趋于零。体系略微有压强很小的CO2CO2，碳，碳都是不能够复原都是不能够复原Fe2O3Fe2O3的；的；当温度大于当温度大于700K700K，CO2CO2平衡压强迅速添加，平衡压强迅速添加， 当温度添加到当温度添加到850K850K左右时，左右时，CO2CO2平衡压强接平衡压强接近近1 1。也就是说，。也就是说，CO2CO2平衡压强的变化在平衡压强的变化在150K150K的温度范围内，这段范围，只需体系中的的温度范围内，这段范围，只需体系中的CO2

13、CO2压强小于平衡压强，碳复原压强小于平衡压强，碳复原Fe2O3Fe2O3的反响都是的反响都是可以进展的；可以进展的；按照理想的热力学模型，给体系温度，碳与按照理想的热力学模型，给体系温度，碳与Fe2O3Fe2O3的反响可以无条件进展的。由于产生的的反响可以无条件进展的。由于产生的CO2CO2压强绝对不会超越、甚至远低于其平衡值。压强绝对不会超越、甚至远低于其平衡值。300400500600700800900-0.50.00.51.01.52.02.53.0 PCO2T/K2022-1-69碳素复原碳素复原FeOFeO、Fe3O4Fe3O4的反响趋势的反响趋势2022-1-610 氧化铁碳复原

14、最理想的热力学模型氧化铁碳复原最理想的热力学模型 三个氧化物三个氧化物 Fe2O3、Fe3O4和和 FeO的碳复原的热力学的本质，复的碳复原的热力学的本质，复原了高炉冶炼的始态和形状。由于高炉复原就是把含有碳素的固体焦原了高炉冶炼的始态和形状。由于高炉复原就是把含有碳素的固体焦炭和固态的铁的氧化物参与，生成铁和炭和固态的铁的氧化物参与，生成铁和CO2当然还有当然还有CO。从高。从高炉出来的炉出来的CO2的分压普通为的分压普通为0.2-0.3，由此可以得到两点结论：，由此可以得到两点结论： 1高炉内部的碳复原铁的氧化物复原反响是在高炉内部的碳复原铁的氧化物复原反响是在700-800K左右就与左右

15、就与CO2分压到达了平衡；分压到达了平衡； 2就复原就复原 Fe2O3、Fe3O4和和 FeO来说，当平衡的来说，当平衡的 时，与此对时，与此对应的温度分别为应的温度分别为T=853.06K、T=994.73K 和和 T=1013K。21COP2022-1-6112 C2 C的气化与氧化铁复原的气化与氧化铁复原 在碳素对氧化铁的复原过程中产生的在碳素对氧化铁的复原过程中产生的CO2，会与碳反响构成，会与碳反响构成CO，所谓碳的气化反响。热力学需讨论碳同时参与的这两个反响的先所谓碳的气化反响。热力学需讨论碳同时参与的这两个反响的先后顺序问题。后顺序问题。关于关于C的气化，普通分为两个途径的气化，

16、普通分为两个途径: CO2气化气化C的问题，的问题， H2O对对C的气化。的气化。两种途径需从两个方面讨论两种途径需从两个方面讨论: CO2、H2O气化气化C的能量问题；的能量问题； 温度对气化和气化产物的浓度影响。温度对气化和气化产物的浓度影响。 2022-1-6122.1 CO22.1 CO2气化气化C C的热力学计算的热力学计算2022-1-6132022-1-614CO2CO2、H2OH2O气化气化C C的热力学计算的热力学计算2022-1-615碳的气化与复原铁氧化物同时思索碳的气化与复原铁氧化物同时思索碳气化反响平衡线将整个平面分为上下两个部分，上部为碳气化反响平衡线将整个平面分为

17、上下两个部分，上部为COCO的优势区，下部为的优势区，下部为C C和和CO2CO2优势优势区；而碳复原反响平衡线将平面分为左右两个部分，左边为区；而碳复原反响平衡线将平面分为左右两个部分，左边为Fe3O4Fe3O4的优势区，右边为的优势区，右边为FeFe的优的优势区。但铁的优势区的上下区域的特点显而易见，上部区域，势区。但铁的优势区的上下区域的特点显而易见，上部区域，FeFe得到复原，但条件是由于得到复原，但条件是由于碳素的缺乏，平衡产物是碳素的缺乏，平衡产物是Fe+COFe+CO；而在下部区域，碳素比较充足，铁被复原的同时，由于碳；而在下部区域，碳素比较充足，铁被复原的同时，由于碳素充足，平衡产物为素充足，平衡产物为Fe+C+CO2Fe+C+CO2。2022-1-6163 从从Hess循环看现代高炉炼铁循环看现代高炉炼铁2022-1-617现代高炉反响的热力学现代高炉反响的热力学3.1 现代高炉冶炼的实际能耗计算现代高炉冶炼的实际能耗计算2022-1-6192022-1-6202022-1-621现代高炉冶炼的实际能耗计算结果现代高炉冶炼的实际能耗计算结果表表3-1 高炉流程运用