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(fù)原的最小能耗鐵的氧化物碳復(fù)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(xué)北京科技大學(xué): : 2022-1-61目錄目錄1 1 氧化鐵碳復(fù)原最理想的熱力學(xué)模型氧化鐵碳復(fù)原最理想的熱力學(xué)模型1.1 C1.1 C復(fù)原鐵的氧化物的實(shí)際耗費(fèi)及復(fù)原鐵的氧化物的實(shí)際耗費(fèi)及CO2CO2排放排放1.2 1.2 理想的鐵氧化物碳復(fù)原過(guò)程趨勢(shì)推測(cè)理想的鐵氧化物碳復(fù)原過(guò)程趨勢(shì)推測(cè) 碳素復(fù)原碳素復(fù)原Fe2O3Fe2O3的趨勢(shì)的趨勢(shì) 碳素復(fù)原碳素復(fù)原Fe3O4Fe3O4的反響趨勢(shì)的反響趨勢(shì) 碳素復(fù)原碳素復(fù)原F

2、eOFeO的反響趨勢(shì)的反響趨勢(shì)2 C2 C的氣化與氧化鐵復(fù)原的氣化與氧化鐵復(fù)原2.1 CO22.1 CO2氣化氣化C C的熱力學(xué)計(jì)算的熱力學(xué)計(jì)算2.2 H2O2.2 H2O氣化氣化C C的計(jì)算的計(jì)算2.3 2.3 碳的氣化與復(fù)原鐵氧化物同時(shí)思索碳的氣化與復(fù)原鐵氧化物同時(shí)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(shí)際能耗計(jì)算現(xiàn)代高爐冶煉的實(shí)際能耗計(jì)算3.2 3.2 實(shí)踐高爐流程能耗與實(shí)際能耗的對(duì)比實(shí)踐高爐流程能耗與實(shí)際能耗的對(duì)比3.3 3.3 關(guān)于復(fù)原過(guò)程能源效率的討論關(guān)于復(fù)原過(guò)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(xué)原理來(lái)說(shuō)，究竟碳復(fù)原制取鐵的限制是多少？熱力學(xué)原理來(lái)說(shuō)，究竟碳復(fù)原制取鐵的限制是多少？本研討針對(duì)鐵的氧化物的碳復(fù)原，設(shè)計(jì)幾種在熱力學(xué)上能夠?qū)嵄狙杏戓槍?duì)鐵的氧化物的碳復(fù)原，設(shè)計(jì)幾種在熱力學(xué)上能夠?qū)崿F(xiàn)的熱力學(xué)實(shí)際模型，提出碳復(fù)原過(guò)程的碳耗費(fèi)和現(xiàn)的熱力學(xué)實(shí)際模型，提出碳復(fù)原過(guò)程的碳耗費(fèi)和CO2排放的排放的極限，以便在進(jìn)展減碳的工藝設(shè)計(jì)時(shí)有明確的目的。極限，以便在進(jìn)展減碳的工藝設(shè)計(jì)時(shí)有明確的目的。2022-1-63當(dāng)前世界范圍都在關(guān)懷當(dāng)前世界范圍都在關(guān)懷“低碳的問(wèn)題，而鋼鐵的低碳革命被擺在首要位置。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)了低碳制鋼的歐盟啟動(dòng)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(lái)說(shuō)，就煉鐵的方法來(lái)說(shuō)，ULCOS開(kāi)發(fā)的開(kāi)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(wú)疑等無(wú)疑都在最大限制降低工藝過(guò)程的碳耗費(fèi)，以獲得最低的都在最大限制降低工藝過(guò)程的碳耗費(fèi)，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(fù)原最理想的熱力學(xué)模型氧化鐵碳復(fù)原最理想的熱力學(xué)模型最理想的鐵的氧化物碳復(fù)原的熱力學(xué)原理最理想的鐵的氧化物碳復(fù)原的熱力學(xué)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?cái)?shù)元素?cái)?shù)m=3，分別為：，分別為：Fe、C、O;所以在這個(gè)體系中獨(dú)立的化學(xué)反響數(shù)為：所以在這個(gè)體系中獨(dú)立的化學(xué)反響數(shù)為：r = C m =5 -3 =2因此從熱力學(xué)實(shí)際上用兩個(gè)獨(dú)立化學(xué)反響描畫氧化鐵的碳復(fù)原的始態(tài)和因此從熱力學(xué)實(shí)際上用兩個(gè)獨(dú)立化學(xué)反響描畫氧化鐵的碳復(fù)原的始態(tài)和末態(tài)實(shí)踐上就反映了全部的工藝過(guò)程。末態(tài)實(shí)踐上就反映了全部的工藝過(guò)程。而實(shí)際上復(fù)原鐵的氧化物所需的碳分為兩部分而實(shí)際上復(fù)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(fù)原劑所耗費(fèi)的量是多少；一是碳作為復(fù)原劑所耗費(fèi)的量是多少；二是復(fù)原過(guò)

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(fù)原過(guò)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(xué)的利用熱力學(xué)的HessHess定律定律 2022-1-65可以看出，這是一個(gè)想象中最理想的碳復(fù)原氧化鐵的實(shí)際模型，其中的能源耗費(fèi)可以看出，這是一個(gè)想象中最理想的碳復(fù)原氧化鐵的實(shí)際模型，其中的能源耗費(fèi)分為兩個(gè)部分：分為兩個(gè)部分：1 1按照反響按照反響1-11-1復(fù)原的化學(xué)計(jì)量所需求的碳素；復(fù)原的化學(xué)計(jì)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(yīng)反響提供應(yīng)反響1-11-1需求的化學(xué)熱所耗費(fèi)的碳素；需求的化學(xué)熱所耗費(fèi)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(xué)計(jì)量算出。的化學(xué)計(jì)量算出。1.1 C1.1 C復(fù)原鐵的氧化物的實(shí)際耗費(fèi)及復(fù)原鐵的氧化物的實(shí)際耗費(fèi)及CO2CO2排放排放2229822322398 393.52/ -3 2 811312425.5COCOHKJmolFeOFe OHKgFeFe OK 以還原計(jì)算，若碳素還原的反應(yīng)，計(jì)算還原時(shí)碳素的理論消耗。由反應(yīng)（）、（） ） （1 3232298/ -2343 470.44 -155xJmolFe OCFeCOHKJ（1 4）（1 ） 36 223.4 470.44 得 反應(yīng)（） 10000 11 36 1000161.15/223.

8、4470.44 2 10002105.8/1223.4 13xKgKgFeyKJKgFeg由此計(jì)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(yīng)（）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(jì)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(xiàng)，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(fù)原鐵的氧化物的實(shí)際耗費(fèi)及復(fù)原鐵的氧化物的實(shí)際耗費(fèi)及CO2排放排放1 1計(jì)算計(jì)算1Kg1Kg的碳素和的碳素和1Kg1Kg標(biāo)煤的區(qū)別和換算標(biāo)煤的區(qū)別和換算在工業(yè)統(tǒng)計(jì)時(shí)普通都用規(guī)范煤在工業(yè)統(tǒng)計(jì)時(shí)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(biāo)

10、煤的發(fā)熱量的定義為：標(biāo)煤的發(fā)熱量的定義為： 這樣的話，假設(shè)按照發(fā)熱值計(jì)算，這樣的話，假設(shè)按照發(fā)熱值計(jì)算，1Kg1Kg標(biāo)煤標(biāo)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(fù)原鐵的氧化物的實(shí)際耗費(fèi)折算為標(biāo)煤，最理想的氧化鐵碳復(fù)原實(shí)際碳可以將碳素復(fù)原鐵的氧化物的實(shí)際耗費(fèi)折算為標(biāo)煤，最理想的氧化鐵碳復(fù)原實(shí)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(fù)原產(chǎn)生的碳素復(fù)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(jì)為：二者合計(jì)為：420.66Nm3/tFe420.66Nm3/tFe表表1-

11、1 1-1 兩種鐵的氧化物碳復(fù)原的實(shí)際能耗、用氧及兩種鐵的氧化物碳復(fù)原的實(shí)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(fù)原過(guò)程趨勢(shì)推測(cè)理想的鐵氧化物碳復(fù)原過(guò)程趨勢(shì)推測(cè)1.2.1 1.2.1 碳素復(fù)原碳素復(fù)原Fe2O3Fe2O3的趨勢(shì)的趨勢(shì)2022-1-68碳素復(fù)原碳素復(fù)原Fe2O3Fe2O3的趨勢(shì)的趨勢(shì)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(qiáng)都非常平衡壓強(qiáng)都非常小，趨于零。體系略微有壓強(qiáng)很小的小，趨于零。體系略微有壓強(qiáng)很小的CO2CO2，碳，碳都是不能夠復(fù)原都是不能夠復(fù)原Fe2O3Fe2O3的；的；當(dāng)溫度大于當(dāng)溫度大于700K700K，CO2CO2平衡壓強(qiáng)迅速添加，平衡壓強(qiáng)迅速添加， 當(dāng)溫度添加到當(dāng)溫度添加到850K850K左右時(shí)，左右時(shí)，CO2CO2平衡壓強(qiáng)接平衡壓強(qiáng)接近近1 1。也就是說(shuō)，。也就是說(shuō)，CO2CO2平衡壓強(qiáng)的變化在平衡壓強(qiáng)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(qiáng)小于平衡壓強(qiáng)，碳復(fù)原壓強(qiáng)小于平衡壓強(qiáng)，碳復(fù)原Fe2O3Fe2O3的反響都是的反響都是可以進(jìn)展的；可以進(jìn)展的；按照理想的熱力學(xué)模型，給體系溫度，碳與按照理想的熱力學(xué)模型，給體系溫度，碳與Fe2O3Fe2O3的反響可以無(wú)條件進(jìn)展的。由于產(chǎn)生的的反響可以無(wú)條件進(jìn)展的。由于產(chǎn)生的CO2CO2壓強(qiáng)絕對(duì)不會(huì)超越、甚至遠(yuǎn)低于其平衡值。壓強(qiáng)絕對(duì)不會(huì)超越、甚至遠(yuǎn)低于其平衡值。300400500600700800900-0.50.00.51.01.52.02.53.0 PCO2T/K2022-1-69碳素復(fù)原碳素復(fù)原FeOFeO、Fe3O4Fe3O4的反響趨勢(shì)的反響趨勢(shì)2022-1-610 氧化鐵碳復(fù)原

14、最理想的熱力學(xué)模型氧化鐵碳復(fù)原最理想的熱力學(xué)模型 三個(gè)氧化物三個(gè)氧化物 Fe2O3、Fe3O4和和 FeO的碳復(fù)原的熱力學(xué)的本質(zhì)，復(fù)的碳復(fù)原的熱力學(xué)的本質(zhì)，復(fù)原了高爐冶煉的始態(tài)和形狀。由于高爐復(fù)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(fù)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(dāng)然還有當(dāng)然還有CO。從高。從高爐出來(lái)的爐出來(lái)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(diǎn)結(jié)論：，由此可以得到兩點(diǎn)結(jié)論： 1高爐內(nèi)部的碳復(fù)原鐵的氧化物復(fù)原反響是在高爐內(nèi)部的碳復(fù)原鐵的氧化物復(fù)原反響是在700-800K左右就與左右

15、就與CO2分壓到達(dá)了平衡；分壓到達(dá)了平衡； 2就復(fù)原就復(fù)原 Fe2O3、Fe3O4和和 FeO來(lái)說(shuō)，當(dāng)平衡的來(lái)說(shuō)，當(dāng)平衡的 時(shí)，與此對(duì)時(shí)，與此對(duì)應(yīng)的溫度分別為應(yīng)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(fù)原的氣化與氧化鐵復(fù)原 在碳素對(duì)氧化鐵的復(fù)原過(guò)程中產(chǎn)生的在碳素對(duì)氧化鐵的復(fù)原過(guò)程中產(chǎn)生的CO2，會(huì)與碳反響構(gòu)成，會(huì)與碳反響構(gòu)成CO，所謂碳的氣化反響。熱力學(xué)需討論碳同時(shí)參與的這兩個(gè)反響的先所謂碳的氣化反響。熱力學(xué)需討論碳同時(shí)參與的這兩個(gè)反響的先后順序問(wèn)題。后順序問(wèn)題。關(guān)于關(guān)于C的氣化，普通分為兩個(gè)途徑的氣化，

16、普通分為兩個(gè)途徑: CO2氣化氣化C的問(wèn)題，的問(wèn)題， H2O對(duì)對(duì)C的氣化。的氣化。兩種途徑需從兩個(gè)方面討論兩種途徑需從兩個(gè)方面討論: CO2、H2O氣化氣化C的能量問(wèn)題；的能量問(wèn)題； 溫度對(duì)氣化和氣化產(chǎn)物的濃度影響。溫度對(duì)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(xué)計(jì)算的熱力學(xué)計(jì)算2022-1-6132022-1-614CO2CO2、H2OH2O氣化氣化C C的熱力學(xué)計(jì)算的熱力學(xué)計(jì)算2022-1-615碳的氣化與復(fù)原鐵氧化物同時(shí)思索碳的氣化與復(fù)原鐵氧化物同時(shí)思索碳?xì)饣错懫胶饩€將整個(gè)平面分為上下兩個(gè)部分，上部為碳?xì)饣错懫胶饩€將整個(gè)平面分為

17、上下兩個(gè)部分，上部為COCO的優(yōu)勢(shì)區(qū)，下部為的優(yōu)勢(shì)區(qū)，下部為C C和和CO2CO2優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)區(qū)；而碳復(fù)原反響平衡線將平面分為左右兩個(gè)部分，左邊為區(qū)；而碳復(fù)原反響平衡線將平面分為左右兩個(gè)部分，左邊為Fe3O4Fe3O4的優(yōu)勢(shì)區(qū)，右邊為的優(yōu)勢(shì)區(qū)，右邊為FeFe的優(yōu)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，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)eFe得到復(fù)原，但條件是由于得到復(fù)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(fù)原的同時(shí)，由于碳；而在下部區(qū)域，碳素比較充足，鐵被復(fù)原的同時(shí)，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(xué)現(xiàn)代高爐反響的熱力學(xué)3.1 現(xiàn)代高爐冶煉的實(shí)際能耗計(jì)算現(xiàn)代高爐冶煉的實(shí)際能耗計(jì)算2022-1-6192022-1-6202022-1-621現(xiàn)代高爐冶煉的實(shí)際能耗計(jì)算結(jié)果現(xiàn)代高爐冶煉的實(shí)際能耗計(jì)算結(jié)果表表3-1 高爐流程運(yùn)用