H-C-O体系质量及化学平衡衡算图的开发_沈峰满.pdf

第5 8卷 第6期 2 0 2 3年6月钢 铁I r o na n dS t e e lV o l.5 8,N o.6,p 1 2-1 7 J u n e2 0 2 3 D O I:1 0.1 3 2 2 8/j.b o y u a n.i s s n 0 4 4 9-7 4 9 x.2 0 2 2 0 7 4 9H-C-O体系质量及化学平衡衡算图的开发沈峰满(东北大学冶金学院,辽宁 沈阳1 1 0 8 1 9)摘 要:制备满足直接还原铁工艺要求的富氢还原气体是确保直接还原铁工艺能否取得成功的关键环节之一,因此解决还原气体制备参数的选择问题至关重要。基于物质衡算及化学热力学平衡原理,创新性地构建了“H-C-O体系质量及化学平衡衡算图”(H-C-O衡算图),开发了由H-C-O衡算图确定制备富氢还原气体工艺参数的图解法。介绍了包括nH2O/nCH4标尺和nC O2/nCH4标尺制作过程等在内的H-C-O衡算图制作原理、使用方法和包括确定各种气体在H-C-O衡算图中的位置、制备给定nH2/nC O还原气体组成时1m o lCH4气体应配加的H2O和C O2物质的量、制备任意给定组成气体的气源配比情况下配加气体的物质的量以及制备富氢还原气体工艺时的析碳区域等功能。以采用天然气(N G)与焦炉煤气(C O G)的混合气体(3 0%N G+7 0%C O G,体积分数)为制备富氢还原气体的气源,运用H-C-O衡算图确定需添加的C O与C O2混合气体的物质的量为例,详细介绍了H-C-O衡算图的使用方法。同时,简要地介绍了采用天然气或焦炉煤气重整制备富氢还原气体工艺过程中“临界析碳曲线”和“析碳”区域,讨论了制备富氢还原气体工艺时的重整温度、体系总压、还原气体nH2/nC O比值对临界析碳曲线和析碳区域的影响,为天然气重整或焦炉煤气重整制备富氢还原气体工艺参数的选择提供了新的理论指导依据。关键词:富氢直接还原铁;富氢还原气体;H-C-O体系;质量衡算;化学热力学平衡;天然气或焦炉煤气重整文献标志码:A 文章编号:0 4 4 9-7 4 9 X(2 0 2 3)0 6-0 0 1 2-0 6D e v e l o p m e n t o fH-C-Os y s t e mm a s sb a l a n c ea n dc h e m i c a l e q u i l i b r i u md i a g r a mS HE NF e n g m a n(S c h o o l o fM e t a l l u r g y,N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y,S h e n y a n g1 1 0 8 1 9,L i a o n i n g,C h i n a)基金项目:国家自然科学基金资助项目(N S F C 5 2 2 7 4 3 2 2,N S F C 5 1 9 7 4 0 7 3)作者简介:沈峰满(1 9 5 8),男,博士,教授;E-m a i l:s h e n f mm a i l.n e u.e d u.c n;收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 6A b s t r a c t:T h ep r e p a r a t i o no fh y d r o g e n-r i c hr e d u c t i o ng a sm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so ft h ed i r e c tr e d u c t i o ni r o np r o c e s s i so n eo f t h ek e y l i n k s t oe n s u r e t h es u c c e s so f t h ed i r e c t r e d u c t i o n i r o np r o c e s s,s o i t i s i m p o r t a n t t os o l v et h ep r o b l e mo f t h es e l e c t i o no f t h er e d u c t i o ng a sp r e p a r a t i o np a r a m e t e r s.B a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm a t e r i a lb a l a n c ea n dc h e m i c a l t h e r m o d y n a m i ce q u i l i b r i u m,aH-C-Os y s t e m m a s sb a l a n c ea n dc h e m i c a le q u i l i b r i u md i a g r a m(H-C-Ob a l a n c ed i a g r a m)w a s i n n o v a t i v e l yc o n s t r u c t e da n dag r a p h i c a lm e t h o dt od e t e r m i n et h ep r o c e s sp a r a m e t e r so fp r e-p a r i n gh y d r o g e n-r i c hr e d u c i n gg a s f r o mt h eH-C-Ob a l a n c ed i a g r a mh a v eb e e nd e v e l o p e d.T h ec o n s t r u c t i o np r i n c i-p l e,i n c l u d i n gt h ed e s i g np r o c e s so fnH2O/nCH4a n dnC O2/nCH4s c a l e s,a n dh o wt ou s e t h eg r a p h i c a lm e t h o do f t h eH-C-Ob a l a n c ed i a g r a ma r e i n t r o d u c e d.B yu s i n gt h i sg r a p h i c a lm e t h o d,t h ep o s i t i o no f a n yg a sc o m p o s i t i o n i nt h eH-C-Ob a l a n c ed i a g r a m,t h em o l a m o u n to fH2Oa n dC O2t h a t s h o u l db ea d d e dt o1m o lCH4g a sw h e np r e p a r i n gt h er e d u c t i o ng a sw i t hag i v e nnH2/nC Oc o m p o s i t i o n,t h es o u r c eg a sr a t i of o rp r e p a r i n ga n yg i v e ng a sc o m p o s i t i o n,a n dt h ec a r b o nd e p o s i t i o nr e g i o nf o rp r e p a r i n gh y d r o g e n-r i c hr e d u c t i o ng a sc a nb ed e t e r m i n e d.I na d d i t i o n,a ne x a m p l ef o rp r e p a r i n gh y d r o g e n-r i c hr e d u c t i o ng a su s i n gt h em i x e dg a s(v o l u m ep e r c e n t,f o re x a m p l e3 0%NG+7 0%C O G)o fn a t u r a l g a s(N G)a n dc o k eo v e ng a s(C O G)a s t h eg a s s o u r c ew a s t a k e n i nd e t a i l f o rd e t e r m i n i n g t h em o l a m o u n to f t h em i x e dg a so fC Oa n dC O2t ob ea d d e d.F u r t h e r m o r e,ab r i e f l y i n t r o d u c t i o n f o r t h e c r i t i c a l c a r b o nd e p o s i t i o nc u r v e a n d c a r b o nd e p o s i t i o nr e g i o n i nt h ep r o c e s so fp r e p a r i n gh y d r o g e n-r i c hr e d u c t i o ng a sb yr e f o r m i n gn a t u r a lg a so r c o k eo v e ng a s i sc o n d u c t e da n dt h e i n f l u e n c eo f r e f o r m i n gt e m p e r a t u r e,t o t a l s y s t e mp r e s s u r ea n dnH2/nC Oo ft h er e d u c t i o ng a so nt h ec r i t i c a l c a r b o nd e p o s i t i o nc u r v ea n dc a r b o nd e p o s i t i o nr e g i o na r ed i s c u s s e d.T h ea b o v e m e n-t i o n e da c h i e v e m e n t p r o v i d e s an e wt h e o r e t i c a l a n dg u i d i n gb a s i s f o r t h e s e l e c t i o no f p r o c e s sp a r a m e t e r s f o r t h ep r e p a-r a t i o no fh y d r o g e n-r i c hr e d u c t i o ng a s f r o mn a t u r a l g a sr e f o r m i n go rc o k eo v e ng a sr e f o r m i n g.第6期沈峰满:H-C-O体系质量及化学平衡衡算图的开发K e yw o r d s:h y d r o g e n-r i c hd i r e c t r e d u c t i o n i r o n;h y d r o g e n-r i c hr e d u c t i o ng a s;H-C-Os y s t e m;m a s sb a l a n c e;c h e m i-c a l t h e r m o d y n a m i ce q u i l i b r i u m;n a t u r a l g a sr e f o r m i n go rc o k eo v e ng a sr e f o r m i n g 作为C O2排放大户的钢铁行业对于实现“双碳”目标肩负更大的责任和义务,使用富氢还原气体生产直接还原铁是钢铁行业减少C O2排放的重要途径之一1-7。迄今为止,针对直接还原理论与技术开发,广 大 科 技 工 作 者 已 展 开 了 大 量 的 研 究 与 讨