铁的氧化物碳还原的最小能耗及CO2最低排放

　　北京科技大学冶金与生态工程学院

　　高端金属材料特种熔炼与制备北京市重点实验室

　　当前世界范围都在关心“低碳”的问题[1]，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ULCOS计划，提出了20年低碳路线图;日本拟定了低碳排放工业技术路线图及“冷地球50”的COURSE50计划。世界各国不约而同地把钢铁工业的减碳定位低碳革命的首要位置。根据IEA(国际能源机构)的预测，世界经济在低速增长下的钢产量在2015年将为16亿吨、2030年为19亿吨、2050年为23亿吨，而在高速增长下则分别为17亿吨、22亿吨、27亿吨。同时IEA还按照温室气体(按CO2计算)排放量2050年比2005年减半的目标提出了各行业的减排方案，有关钢铁业的目标如下：低速发展方案下，按60年全球钢铁业CO2排放总量为27亿吨的水平计算，到2050年的排放总量将达到47亿吨，而减排目标是降低到13亿吨。降低34亿吨CO2的主要措施是通过提高效率和转换燃料减排13亿吨、用可再生能源电力和节电减排12亿吨、CO2分离回收(CCS)减排9亿吨。在高速发展方案下，CO2总排放量由53亿吨减至13亿吨，应通过提高效率和转换燃料减排15亿吨、用可再生能源电力和节电减排14亿吨、CO2分离回收(CCS)减排11亿吨。因此，单位钢产量的CO2排放量需减至现今的1/3左右，任务相当艰巨。

　　任何事物的发展规律都应该是科学的发展，不应该脱离科学规律。

　　全球到目前为止，还没有找到一种材料可以取代钢铁材料，而钢铁材料的制取也没有找到实质上取代碳还原的方法，因此各国都在寻求碳还原过程中更为低碳的方法[3]，欧洲低碳钢项目(ULCOS)[4]、生物质还原[5]。就炼铁的方法来说，ULCOS开发的Hisarna[6]和碱性电解炼铁工艺[7]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CO2排放。但就热力学原理来说，到底碳还原制取铁的限度是多少?似乎还没有人进行系统的计算。

　　本文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CO2排放的极限，以便在进行减碳的工艺设计时有明确的目标。

　　氧化铁利用碳还原的理论能量消耗及与此相适应的CO2排放都在各教科书中有很多种计算，似乎已经形成定论，没有必要再研究了，但找遍所有的教科书，没有找到碳还原制铁的最低量的计算值及依据。

　　在对氧化物进行还原时，可以利用C与CO作为还原剂，可以分别利用Ellingham图和计算两个方面讨论其还原性的强弱，以进一步讨论高炉内部的直接还原与间接还原的问题。

　　直接还原反应的还原剂

 
图 ：C与CO作为还原剂的还原强弱比较

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