-铁的氧化物碳还原的最小能耗及CO2最低排放-PPT课件.ppt
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1、铁的氧化物碳还原的最小能耗铁的氧化物碳还原的最小能耗及及COCO2 2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Email:guohanjieustb.edu2022-8-81目录目录1 1 氧化铁碳还原最理想的热力学模型氧化铁碳还原最理想的热力学模型1.1 C1.1 C还原铁的氧化物的理论消耗及还原铁的氧化物的理论消耗及COCO2 2排放排放1.2 1.2 理想的铁氧化物碳还原过程趋势推测理想的铁氧化物碳还原过程趋势推测 碳素还原碳素还原FeFe2 2O O3 3的趋势的趋势 碳素还原碳素还原FeFe3 3O O4 4的反应趋势的反应趋势 碳素还原碳素还原FeOFeO的反
2、应趋势的反应趋势2 C2 C的气化与氧化铁还原的气化与氧化铁还原2.1 CO2.1 CO2 2气化气化C C的热力学计算的热力学计算2.2 H2.2 H2 2O O气化气化C C的计算的计算2.3 2.3 碳的气化与还原铁氧化物同时考虑碳的气化与还原铁氧化物同时考虑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 现代高炉冶炼的理论能耗计算现代高炉冶炼的理论能耗计算3.2 3.2 实际高炉流程能耗与理论能耗的对比实际高炉流程能耗与理论能耗的对比3.3 3.3 关于还原过程能源效率的讨论关于还原过程能源效率的讨论4 4 结论结论2022-8-82引言引言l热力学原理
3、来说,到底热力学原理来说,到底碳还原制取铁碳还原制取铁的限度是多少?的限度是多少?l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实现的热力学理论模型,提出碳还原过程的碳消耗和COCO2 2排放排放的极限,以便在进行减碳的工艺设计时有明确的目标。的极限,以便在进行减碳的工艺设计时有明确的目标。2022-8-83当前世界范围都在关心当前世界范围都在关心“低碳低碳”的问题,而钢铁的低碳革命被摆在首要位置的问题,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计划
4、,提出了计划,提出了20年低碳路线图。年低碳路线图。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等无疑都等无疑都在最大限度降低工艺过程的碳消耗,以取得最低的在最大限度降低工艺过程的碳消耗,以取得最低的CO2排放。排放。日本拟定了低碳排放工业技术路线图及日本拟定了低碳排放工业技术路线图及“冷地球冷地球50”的的COURSE50计划。计划。1 1 氧化铁碳还原最理想的热力学模型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最理想的铁的氧化物碳还原的热力学原理n组元数组元数C=5C=5,分别为,分别为FeFex
5、xO Oy y、COCO2 2、O O2 2、FeFe、C C;n元素数元素数m=3m=3,分别为:,分别为:FeFe、C C、O;O;n所以在这个体系中独立的化学反应数为:所以在这个体系中独立的化学反应数为:r=C m=5-3=2r=C m=5-3=2n因此从热力学理论上用因此从热力学理论上用两个独立化学反应两个独立化学反应描述氧化铁的碳还原的始态和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。末态实际上就反映了全部的工艺过程。n而理论上还原铁的氧化物所需的碳分为两部分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,始态,298K)Fe,CO2(末态,(末
6、态,298K)H一是碳作为还原剂所消耗的量是多少;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。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。2022-8-84利用热力学的利用热力学的HessHess定律定律 2022-8-85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:分为两个部分:1 1)按照反应()按照反应(1-11-1)还原的化学计量所需要的碳素;)还原的化学计量所需要的碳素;2 2)由碳的完全燃烧反应()由碳的完全燃烧反应
7、(1-21-2)提供给反应()提供给反应(1-11-1)需要的化学热所消耗的碳素;)需要的化学热所消耗的碳素;3 3)CO2CO2的排放由反应(的排放由反应(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还原铁的氧化物的理论消耗及还原铁的氧化物的理论消耗及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 OC
8、FeCOHKJ(1 4)(1)36 223.4 470.44 得 反应()10000 11 36 1000161.15/223.4470.44 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
9、别为或空气综合以上两项,碳素即作为还原23332161.1564.21221 1 225.36161.1564.25.311205760CWgNmNKgFe 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)。2022-8-861.1 C还原铁的氧化物的理论消耗及还原铁的氧化物的理论消耗及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一般都用标准煤在工业统计时一般都用标准煤CeCe的概念,有必要推算标准煤的概念,有必要推算标准煤CeCe和碳素和碳
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