李 鑫 秦跃林 高绪东 胡景兰

(重庆科技学院 冶金与材料工程学院， 重庆 401331)

0 前 言

在31个制造业中，钢铁业的碳排放量最大，承担着较大的减排压力，钢铁企业低碳转型的任务迫在眉睫[1-2]。我国钢铁业吨钢CO2排放量约为 1.7～1.8 t，高炉炼铁及前端所产生的CO2占整个钢铁业的80%[3]。为了更好地实现高炉减排，研究人员提出了由“碳冶金”过渡至“氢冶金”的技术路线[4]。在这一过程中存在一个过渡状态 —— 富氢冶金，此过程通过碳氢元素的共同作用实现高炉内的化学反应[5-6]。天然气是北美钢铁企业常用的还原剂，但我国天然气价格相对昂贵，无法大规模应用于工业。页岩气与天然气成分相近，且我国页岩气储量丰富，因此未来页岩气有望应用于高炉生产[7]。

为探究还原气体对还原过程的影响，提出一种仅由CO、H2、CH4还原Fe2O3的简化炼铁模型。在反应温度为900 ℃的条件下，通过气体利用率、还原气体使用量、反应能耗等指标，综合评价不同还原气体对Fe2O3的还原效果。

1 基本原理

1.1 基本定义

生产能耗，是指在一定温度和足量反应物的条件下，生产1 mol Fe的能耗。

最佳气体还原量(nBR)，是指在一定条件下生成1 mol Fe所需的还原气体量，此时的气体利用率为还原气体的实际有效利用率(ηI)。

1.2 炼铁模型

建立CH4、H2、CO还原Fe2O3的简化炼铁模型，模型假设条件如下：

(1) 忽略反应及传热过程的动力学影响，仅探讨反应方向和限度。

(2) 忽略实际炼铁过程中灰分、碱金属等物质对还原过程的影响。

在等压封闭体系中，能量变化等于相应的焓变，如式(1)所示：