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1 氧化铁碳还原最理想热力学模型
C还原铁氧化物理论消耗及CO2排放
理想铁氧化物碳还原过程趋势推测
碳素还原Fe2O3趋势
碳素还原Fe3O4反应趋势
碳素还原FeO反应趋势
2 C气化与氧化铁还原
CO2气化C热力学计算
H2O气化C计算
碳气化与还原铁氧化物同时考虑
3 从Hess循环看当代高炉炼铁
当代高炉冶炼理论能耗计算
实际高炉流程能耗与理论能耗对比
关于还原过程能源效率讨论
4 结论
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铁的氧化物碳还原的最小能耗及CO最低排放
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引言
热力学原理来说，到底碳还原制取铁程度是多少？
本研究针对铁氧化物碳还原，设计几个在热力学上可能实现热力学理论模型，提出碳还原过程碳消耗和CO2排放极限，方便在进行减碳工艺设计时有明确目标。
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当前世界范围都在关心“低碳”问题，而钢铁低碳革命被摆在首要位置。
欧盟开启了低碳制钢ULCOS计划，提出了20年低碳路线图。
就炼铁方法来说，ULCOS开发Hisarna[6]和碱性电解炼铁工艺[7]等无疑都在最大程度降低工艺过程碳消耗，以取得最低CO2排放。
日本确定了低碳排放工业技术路线图及“冷地球50”COURSE50计划。
铁的氧化物碳还原的最小能耗及CO最低排放
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1 氧化铁碳还原最理想热力学模型
最理想铁氧化物碳还原热力学原理
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化学反应数为：r = C – m =5 -3 =2
所以从热力学理论上用两个独立化学反应描述氧化铁碳还原始态和末态实际上就反应了全部工艺过程。
而理论上还原铁氧化物所需碳分为两部分:
FexOy,C,O2
(始态，298K)
Fe，CO2
（末态，298K）
△Hθ
一是碳作为还原剂所消耗量是多少；
二是还原过程都是吸热反应，碳作为发烧剂所提供量是多少。
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铁的氧化物碳还原的最小能耗及CO最低排放
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利用热力学Hess定律
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能够看出，这是一个想象中最理想碳还原氧化铁理论模型，其中能源消耗分为两个部分：
1）按照反应（1-1）还原化学计量所需要碳素；
2）由碳完全燃烧反应（1-2）提供给反应（1-1）需要化学热所消耗碳素；
3）CO2排放由反应（1-1）及（1-2）化学计量算出。
铁的氧化物碳还原的最小能耗及CO最低排放
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C还原铁氧化物理论消耗及CO2排放
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C还原铁氧化物理论消耗及CO2排放
1）计算1Kg碳素和1Kg标煤区分和换算
在工业统计时普通都用标准煤Ce概念，有必要推算标准煤Ce和碳素C热值关系。1Kg碳素完全燃烧发烧量为：
而1Kg标煤发烧量定义为：
这么话，假如按照发烧值计算，1Kg标煤Ce与1Kg碳素C换算为：
能够将碳素还原铁氧化物理论消耗折算为标煤，。
2）CO2生成
碳素还原产生CO2为：
碳素燃烧产生CO2为： 二者累计为：
表1-1 两种铁氧化物碳还原理论能耗、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
120/570
Fe3O4
113/536
FeO
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铁的氧化物碳还原的最小能耗及CO最低排放
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理想铁氧化物碳还原过程趋势推测
碳素还原Fe2O3趋势
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铁的氧化物碳还原的最小能耗及CO最低排放
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碳素还原Fe2O3趋势
能够看出以下规律：
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CO2，碳都是不可能还原Fe2O3；
当温度大于700K，CO2平衡压强快速增加，
当温度增加到850K左右时，CO2平衡压强靠近1。也就是说，CO2平衡压强改变在150K温度范围内，这段范围，只要体系中CO2压强小于平衡压强，碳还原Fe2O3反应都是能够进行；
按照理想热力学模型，给体系温度，碳与Fe2O3反应能够无条件进行。因为产生CO2压强绝对不会超出、甚至远低于其平衡值。
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铁的氧化物碳还原的最小能耗及CO最低排放
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碳素还原FeO、Fe3O4反应趋势
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铁的氧化物碳还原的最小能耗及CO最低排放
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氧化铁碳还原最理想热力学模型
三个氧化物 Fe2O3、Fe3O4和 FeO碳还原热力学本质，还原了高炉冶炼始态和状态。因为高炉还原就是把含有碳素固体焦炭和固态铁氧化物加入，生成铁和CO2（当然还有CO）。从高炉出来CO2分压（-），由此能够得到两点结论：
1）高炉内部碳还原铁氧化物还原反应是在700-800K左右就与CO2分压到达了平衡；
2）就Ｃ还原 Fe2O3、Fe3O4和 FeO来说，当平衡 时，与此对应温度分别为T=、T= 和 T=1013K。
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铁的氧化物碳还原的最小能耗及CO最低排放
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