鐵的氧化物碳還原的最小能耗及CO最低排放ppt課件

1、鐵的氧化物碳復原的最小能耗鐵的氧化物碳復原的最小能耗及及CO2CO2最低排放最低排放郭漢杰郭漢杰 教授教授北京科技大學北京科技大學: : 2022-1-61目錄目錄1 1 氧化鐵碳復原最理想的熱力學模型氧化鐵碳復原最理想的熱力學模型1.1 C1.1 C復原鐵的氧化物的實際耗費及復原鐵的氧化物的實際耗費及CO2CO2排放排放1.2 1.2 理想的鐵氧化物碳復原過程趨勢推測理想的鐵氧化物碳復原過程趨勢推測 碳素復原碳素復原Fe2O3Fe2O3的趨勢的趨勢 碳素復原碳素復原Fe3O4Fe3O4的反響趨勢的反響趨勢 碳素復原碳素復原F

2、eOFeO的反響趨勢的反響趨勢2 C2 C的氣化與氧化鐵復原的氣化與氧化鐵復原2.1 CO22.1 CO2氣化氣化C C的熱力學計算的熱力學計算2.2 H2O2.2 H2O氣化氣化C C的計算的計算2.3 2.3 碳的氣化與復原鐵氧化物同時思索碳的氣化與復原鐵氧化物同時思索3 3 從從HessHess循環(huán)看現(xiàn)代高爐煉鐵循環(huán)看現(xiàn)代高爐煉鐵3.1 3.1 現(xiàn)代高爐冶煉的實際能耗計算現(xiàn)代高爐冶煉的實際能耗計算3.2 3.2 實踐高爐流程能耗與實際能耗的對比實踐高爐流程能耗與實際能耗的對比3.3 3.3 關(guān)于復原過程能源效率的討論關(guān)于復原過程能源效率的討論4 4 結(jié)論結(jié)論2022-1-62引言引言熱力

3、學原理來說，究竟碳復原制取鐵的限制是多少？熱力學原理來說，究竟碳復原制取鐵的限制是多少？本研討針對鐵的氧化物的碳復原，設(shè)計幾種在熱力學上能夠?qū)嵄狙杏戓槍﹁F的氧化物的碳復原，設(shè)計幾種在熱力學上能夠?qū)崿F(xiàn)的熱力學實際模型，提出碳復原過程的碳耗費和現(xiàn)的熱力學實際模型，提出碳復原過程的碳耗費和CO2排放的排放的極限，以便在進展減碳的工藝設(shè)計時有明確的目的。極限，以便在進展減碳的工藝設(shè)計時有明確的目的。2022-1-63當前世界范圍都在關(guān)懷當前世界范圍都在關(guān)懷“低碳的問題，而鋼鐵的低碳革命被擺在首要位置。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歐盟啟動了低碳制鋼的ULCOS方案，提

4、出了方案，提出了20年低碳道路圖。年低碳道路圖。就煉鐵的方法來說，就煉鐵的方法來說，ULCOS開發(fā)的開發(fā)的Hisarna6和堿性電解煉鐵工藝和堿性電解煉鐵工藝7等無疑等無疑都在最大限制降低工藝過程的碳耗費，以獲得最低的都在最大限制降低工藝過程的碳耗費，以獲得最低的CO2排放。排放。日本擬定了低碳排放工業(yè)技術(shù)道路圖及日本擬定了低碳排放工業(yè)技術(shù)道路圖及“冷地球冷地球50的的COURSE50方案。方案。1 1 氧化鐵碳復原最理想的熱力學模型氧化鐵碳復原最理想的熱力學模型最理想的鐵的氧化物碳復原的熱力學原理最理想的鐵的氧化物碳復原的熱力學原理組元數(shù)組元數(shù)C=5，分別為，分別為FexOy、CO2、O2、

5、Fe、C；元素數(shù)元素數(shù)m=3，分別為：，分別為：Fe、C、O;所以在這個體系中獨立的化學反響數(shù)為：所以在這個體系中獨立的化學反響數(shù)為：r = C m =5 -3 =2因此從熱力學實際上用兩個獨立化學反響描畫氧化鐵的碳復原的始態(tài)和因此從熱力學實際上用兩個獨立化學反響描畫氧化鐵的碳復原的始態(tài)和末態(tài)實踐上就反映了全部的工藝過程。末態(tài)實踐上就反映了全部的工藝過程。而實際上復原鐵的氧化物所需的碳分為兩部分而實際上復原鐵的氧化物所需的碳分為兩部分: FexOy,C,O2(始態(tài)，始態(tài)，298K)Fe，CO2末態(tài)，末態(tài)，298KHH一是碳作為復原劑所耗費的量是多少；一是碳作為復原劑所耗費的量是多少；二是復原過

6、程都是吸熱反響，碳作為發(fā)熱劑所提供的量是多少。二是復原過程都是吸熱反響，碳作為發(fā)熱劑所提供的量是多少。2022-1-64利用熱力學的利用熱力學的HessHess定律定律 2022-1-65可以看出，這是一個想象中最理想的碳復原氧化鐵的實際模型，其中的能源耗費可以看出，這是一個想象中最理想的碳復原氧化鐵的實際模型，其中的能源耗費分為兩個部分：分為兩個部分：1 1按照反響按照反響1-11-1復原的化學計量所需求的碳素；復原的化學計量所需求的碳素；2 2由碳的完全熄滅反響由碳的完全熄滅反響1-21-2提供應反響提供應反響1-11-1需求的化學熱所耗費的碳素；需求的化學熱所耗費的碳素；3 3CO2CO

7、2的排放由反響的排放由反響1-11-1及及1-21-2的化學計量算出。的化學計量算出。1.1 C1.1 C復原鐵的氧化物的實際耗費及復原鐵的氧化物的實際耗費及CO2CO2排放排放2229822322398 393.52/ -3 2 811312425.5COCOHKJmolFeOFe OHKgFeFe OK 以還原計算，若碳素還原的反應，計算還原時碳素的理論消耗。由反應（）、（） ） （1 3232298/ -2343 470.44 -155xJmolFe OCFeCOHKJ（1 4）（1 ） 36 223.4 470.44 得 反應（） 10000 11 36 1000161.15/223.

8、4470.44 2 10002105.8/1223.4 13xKgKgFeyKJKgFeg由此計算得： ）還原鐵需要的還原劑碳為 ）需要提供的熱量為 這些熱量如果全部由碳素完全 y燃燒反應（）提供，則由222229833,2 393.52/2105.864.210.121264.21 / 2) 0.02240.12/ 0.57/31) 93.52120. 1 2 COCOCOHKJmolWgKgFeVNmKgFeVNmFOKg e 空氣 可計算得，提供這些熱量需要的碳的質(zhì)量和的量分別為或空氣綜合以上兩項，碳素即作為還原23332161.1564.21221 1 225.36161.1564.2

9、5.311205760CWgNmNKgFe OKgKgKgmO劑，又作為發(fā)熱劑，則還原的總消耗為所以，理論上還原 t鐵需要碳素為（其中還原劑碳 ，發(fā)熱劑碳為 ）；需要為 （或空氣 ）。2022-1-661.1 C復原鐵的氧化物的實際耗費及復原鐵的氧化物的實際耗費及CO2排放排放1 1計算計算1Kg1Kg的碳素和的碳素和1Kg1Kg標煤的區(qū)別和換算標煤的區(qū)別和換算在工業(yè)統(tǒng)計時普通都用規(guī)范煤在工業(yè)統(tǒng)計時普通都用規(guī)范煤CeCe的概念，有必要推算規(guī)范煤的概念，有必要推算規(guī)范煤CeCe和碳素和碳素C C熱值的關(guān)系。熱值的關(guān)系。1Kg1Kg碳素完全熄滅的發(fā)熱量為：碳素完全熄滅的發(fā)熱量為：而而1Kg1Kg標

10、煤的發(fā)熱量的定義為：標煤的發(fā)熱量的定義為： 這樣的話，假設(shè)按照發(fā)熱值計算，這樣的話，假設(shè)按照發(fā)熱值計算，1Kg1Kg標煤標煤CeCe與與1Kg1Kg碳素碳素C C的換算為：的換算為：可以將碳素復原鐵的氧化物的實際耗費折算為標煤，最理想的氧化鐵碳復原實際碳可以將碳素復原鐵的氧化物的實際耗費折算為標煤，最理想的氧化鐵碳復原實際碳耗為耗為252.4KgCe/252.4KgCe/噸鐵。噸鐵。2 2CO2CO2的生成的生成碳素復原產(chǎn)生的碳素復原產(chǎn)生的CO2CO2為：為： 碳素熄滅產(chǎn)生的碳素熄滅產(chǎn)生的CO2CO2為：為： 二者合計為：二者合計為：420.66Nm3/tFe420.66Nm3/tFe表表1-

11、1 1-1 兩種鐵的氧化物碳復原的實際能耗、用氧及兩種鐵的氧化物碳復原的實際能耗、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 理想的鐵氧化物碳復原過程趨勢推測理想的鐵氧化物碳復原過程趨勢推測1.2.1 1.2.1 碳素復原碳素復原Fe2O3Fe2O3的趨勢的趨勢2022-1-68碳素復原碳素復原Fe2O3Fe2O3的趨勢的趨勢可以看出以下

12、規(guī)律：可以看出以下規(guī)律：在溫度為在溫度為700K700K之前，之前， CO2 CO2平衡壓強都非常平衡壓強都非常小，趨于零。體系略微有壓強很小的小，趨于零。體系略微有壓強很小的CO2CO2，碳，碳都是不能夠復原都是不能夠復原Fe2O3Fe2O3的；的；當溫度大于當溫度大于700K700K，CO2CO2平衡壓強迅速添加，平衡壓強迅速添加， 當溫度添加到當溫度添加到850K850K左右時，左右時，CO2CO2平衡壓強接平衡壓強接近近1 1。也就是說，。也就是說，CO2CO2平衡壓強的變化在平衡壓強的變化在150K150K的溫度范圍內(nèi)，這段范圍，只需體系中的的溫度范圍內(nèi)，這段范圍，只需體系中的CO2

13、CO2壓強小于平衡壓強，碳復原壓強小于平衡壓強，碳復原Fe2O3Fe2O3的反響都是的反響都是可以進展的；可以進展的；按照理想的熱力學模型，給體系溫度，碳與按照理想的熱力學模型，給體系溫度，碳與Fe2O3Fe2O3的反響可以無條件進展的。由于產(chǎn)生的的反響可以無條件進展的。由于產(chǎn)生的CO2CO2壓強絕對不會超越、甚至遠低于其平衡值。壓強絕對不會超越、甚至遠低于其平衡值。300400500600700800900-0.50.00.51.01.52.02.53.0 PCO2T/K2022-1-69碳素復原碳素復原FeOFeO、Fe3O4Fe3O4的反響趨勢的反響趨勢2022-1-610 氧化鐵碳復原

14、最理想的熱力學模型氧化鐵碳復原最理想的熱力學模型 三個氧化物三個氧化物 Fe2O3、Fe3O4和和 FeO的碳復原的熱力學的本質(zhì)，復的碳復原的熱力學的本質(zhì)，復原了高爐冶煉的始態(tài)和形狀。由于高爐復原就是把含有碳素的固體焦原了高爐冶煉的始態(tài)和形狀。由于高爐復原就是把含有碳素的固體焦炭和固態(tài)的鐵的氧化物參與，生成鐵和炭和固態(tài)的鐵的氧化物參與，生成鐵和CO2當然還有當然還有CO。從高。從高爐出來的爐出來的CO2的分壓普通為的分壓普通為0.2-0.3，由此可以得到兩點結(jié)論：，由此可以得到兩點結(jié)論： 1高爐內(nèi)部的碳復原鐵的氧化物復原反響是在高爐內(nèi)部的碳復原鐵的氧化物復原反響是在700-800K左右就與左右

15、就與CO2分壓到達了平衡；分壓到達了平衡； 2就復原就復原 Fe2O3、Fe3O4和和 FeO來說，當平衡的來說，當平衡的 時，與此對時，與此對應的溫度分別為應的溫度分別為T=853.06K、T=994.73K 和和 T=1013K。21COP2022-1-6112 C2 C的氣化與氧化鐵復原的氣化與氧化鐵復原 在碳素對氧化鐵的復原過程中產(chǎn)生的在碳素對氧化鐵的復原過程中產(chǎn)生的CO2，會與碳反響構(gòu)成，會與碳反響構(gòu)成CO，所謂碳的氣化反響。熱力學需討論碳同時參與的這兩個反響的先所謂碳的氣化反響。熱力學需討論碳同時參與的這兩個反響的先后順序問題。后順序問題。關(guān)于關(guān)于C的氣化，普通分為兩個途徑的氣化，

16、普通分為兩個途徑: CO2氣化氣化C的問題，的問題， H2O對對C的氣化。的氣化。兩種途徑需從兩個方面討論兩種途徑需從兩個方面討論: CO2、H2O氣化氣化C的能量問題；的能量問題； 溫度對氣化和氣化產(chǎn)物的濃度影響。溫度對氣化和氣化產(chǎn)物的濃度影響。 2022-1-6122.1 CO22.1 CO2氣化氣化C C的熱力學計算的熱力學計算2022-1-6132022-1-614CO2CO2、H2OH2O氣化氣化C C的熱力學計算的熱力學計算2022-1-615碳的氣化與復原鐵氧化物同時思索碳的氣化與復原鐵氧化物同時思索碳氣化反響平衡線將整個平面分為上下兩個部分，上部為碳氣化反響平衡線將整個平面分為

17、上下兩個部分，上部為COCO的優(yōu)勢區(qū)，下部為的優(yōu)勢區(qū)，下部為C C和和CO2CO2優(yōu)勢優(yōu)勢區(qū)；而碳復原反響平衡線將平面分為左右兩個部分，左邊為區(qū)；而碳復原反響平衡線將平面分為左右兩個部分，左邊為Fe3O4Fe3O4的優(yōu)勢區(qū)，右邊為的優(yōu)勢區(qū)，右邊為FeFe的優(yōu)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，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)eFe得到復原，但條件是由于得到復原，但條件是由于碳素的缺乏，平衡產(chǎn)物是碳素的缺乏，平衡產(chǎn)物是Fe+COFe+CO；而在下部區(qū)域，碳素比較充足，鐵被復原的同時，由于碳；而在下部區(qū)域，碳素比較充足，鐵被復原的同時，由于碳素充足，平衡產(chǎn)物為素充足，平衡產(chǎn)物為Fe+C+CO2Fe+C+CO2。2022-1-6163 從從Hess循環(huán)看現(xiàn)代高爐煉鐵循環(huán)看現(xiàn)代高爐煉鐵2022-1-617現(xiàn)代高爐反響的熱力學現(xiàn)代高爐反響的熱力學3.1 現(xiàn)代高爐冶煉的實際能耗計算現(xiàn)代高爐冶煉的實際能耗計算2022-1-6192022-1-6202022-1-621現(xiàn)代高爐冶煉的實際能耗計算結(jié)果現(xiàn)代高爐冶煉的實際能耗計算結(jié)果表表3-1 高爐流程運用