北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院

　　高端金屬材料特種熔煉與制備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

　　當(dāng)前世界范圍都在關(guān)心“低碳”的問(wèn)題[1]，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ULCOS計(jì)劃，提出了20年低碳路線圖;日本擬定了低碳排放工業(yè)技術(shù)路線圖及“冷地球50”的COURSE50計(jì)劃。世界各國(guó)不約而同地把鋼鐵工業(yè)的減碳定位低碳革命的首要位置。根據(jù)IEA(國(guó)際能源機(jī)構(gòu))的預(yù)測(cè)，世界經(jīng)濟(jì)在低速增長(zhǎng)下的鋼產(chǎn)量在2015年將為16億噸、2030年為19億噸、2050年為23億噸，而在高速增長(zhǎng)下則分別為17億噸、22億噸、27億噸。同時(shí)IEA還按照溫室氣體(按CO2計(jì)算)排放量2050年比2005年減半的目標(biāo)提出了各行業(yè)的減排方案，有關(guān)鋼鐵業(yè)的目標(biāo)如下：低速發(fā)展方案下，按60年全球鋼鐵業(yè)CO2排放總量為27億噸的水平計(jì)算，到2050年的排放總量將達(dá)到47億噸，而減排目標(biāo)是降低到13億噸。降低34億噸CO2的主要措施是通過(guò)提高效率和轉(zhuǎn)換燃料減排13億噸、用可再生能源電力和節(jié)電減排12億噸、CO2分離回收(CCS)減排9億噸。在高速發(fā)展方案下，CO2總排放量由53億噸減至13億噸，應(yīng)通過(guò)提高效率和轉(zhuǎn)換燃料減排15億噸、用可再生能源電力和節(jié)電減排14億噸、CO2分離回收(CCS)減排11億噸。因此，單位鋼產(chǎn)量的CO2排放量需減至現(xiàn)今的1/3左右，任務(wù)相當(dāng)艱巨。

　　任何事物的發(fā)展規(guī)律都應(yīng)該是科學(xué)的發(fā)展，不應(yīng)該脫離科學(xué)規(guī)律。

　　全球到目前為止，還沒(méi)有找到一種材料可以取代鋼鐵材料，而鋼鐵材料的制取也沒(méi)有找到實(shí)質(zhì)上取代碳還原的方法，因此各國(guó)都在尋求碳還原過(guò)程中更為低碳的方法[3]，歐洲低碳鋼項(xiàng)目(ULCOS)[4]、生物質(zhì)還原[5]。就煉鐵的方法來(lái)說(shuō)，ULCOS開(kāi)發(fā)的Hisarna[6]和堿性電解煉鐵工藝[7]等無(wú)疑都在最大限度降低工藝過(guò)程的碳消耗，以取得最低的CO2排放。但就熱力學(xué)原理來(lái)說(shuō)，到底碳還原制取鐵的限度是多少?似乎還沒(méi)有人進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算。

　　本文針對(duì)鐵的氧化物的碳還原，設(shè)計(jì)幾種在熱力學(xué)上可能實(shí)現(xiàn)的熱力學(xué)理論模型，提出碳還原過(guò)程的碳消耗和CO2排放的極限，以便在進(jìn)行減碳的工藝設(shè)計(jì)時(shí)有明確的目標(biāo)。

　　氧化鐵利用碳還原的理論能量消耗及與此相適應(yīng)的CO2排放都在各教科書(shū)中有很多種計(jì)算，似乎已經(jīng)形成定論，沒(méi)有必要再研究了，但找遍所有的教科書(shū)，沒(méi)有找到碳還原制鐵的最低量的計(jì)算值及依據(jù)。

　　在對(duì)氧化物進(jìn)行還原時(shí)，可以利用C與CO作為還原劑，可以分別利用Ellingham圖和計(jì)算兩個(gè)方面討論其還原性的強(qiáng)弱，以進(jìn)一步討論高爐內(nèi)部的直接還原與間接還原的問(wèn)題。

　　直接還原反應(yīng)的還原劑

 
圖 ：C與CO作為還原劑的還原強(qiáng)弱比較

……