锌氧化物的固体碳还原过程

3.2 金属氧化物的碳还原与氢还原 5.2 1 简单金属氧化物的CO还原 一、金属氧化物CO还原反应热力学
金属氧化物的CO还原反应：
MeO + CO = Me + CO2 对于大多数金属（Fe、Cu、Pb、Ni、Co），在 还原温度下MeO和Me均为凝聚态，系统的自由度 为： f = c – p + 2 = 3 – 3 +2 = 2 忽略总压力对反应的影响，系统的平衡状态可用 %CO-T曲线描述。
2、C-O系优势区图 → 在影响反应平衡的变量（温度、总压、气相组 成）中，有两个是独立变量。 碳汽化反应为吸热反应，随着温度升高，其平 衡常数增大，有利于反应向生成CO的方向迁移。 → 在总压P总一定的条件下，气相CO%增加。 在C-O系优势区图中，平衡曲线将坐标平面划 分为二个区域： Ⅰ—— CO部分分解区（即碳的稳定区）
二、铁氧化物的CO还原
铁氧化物的还原是逐级进行的
当温度高于843 K时，分三阶段完成： Fe2O3 —> Fe3O4 —> FeO —> Fe 温度低于843 K时，FeO不能存在，还原分两阶段完成： Fe2O3 —>Fe3O4 —>Fe 用CO还原铁氧化物的反应： 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 （1） Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 FeO + CO = Fe + CO2 1/4Fe3O4 + CO = 3/4Fe + CO2 （2） （3） （4）
第三章 还原过程
概述 一、研究还原过程的意义


金属元素在自然Βιβλιοθήκη Baidu很少以单质形态存在
有色金属矿物大多数是硫化物或氧化物 炼铁所用矿物及很多冶金中间产品主要是氧化物形态 钛、锆、铪等金属的冶金中间产品为氯化物 还原反应在从这些矿物提取金属的过程中起着重要作用
还原过程实例： 高炉炼铁、锡冶金、铅冶金、火法炼锌、钨冶金、钛冶金
→ H2的还原能力大于CO的还原能力。 温度低于1083K，则相反。
三、燃烧反应气相平衡成分计算 多组份同时平衡气相成分计算的一般途径 平衡组分的分压之和等于总压，即ΣPi=P总。 根据同时平衡原理，各组分都处于平衡状态。
→ 根据反应的平衡方程式和平衡常数建立相 应的方程式。
根据物料平衡，反应前后物质的摩尔数及摩 尔数之比不变。
三、还原剂的选择 1、对还原剂X的基本要求 • X对A的亲和势大于Me对A的亲和势。对于氧化物—— → 在氧势图上线应位于线之下； → XO的分解压应小于MeO的分解压。
• 还原产物XA易与产出的金属分离；
• 还原剂不污染产品—— → 不与金属产物形成合金或化合物
• 价廉易得
→ 碳是MeO的良好还原剂。
二、氢-氧系燃烧反应的热力学 在通常的冶炼温度范围内，氢的燃烧反应进行得十 分完全，平衡时氧的分压可忽略不计。 氢燃烧反应的△rGθ-T线与CO燃烧反应的△rGθ-T 线相交于一点，交点温度： -503921+117. 36T = -564840+173. 64T T = 1083K
温度高于1083K，H2对氧的亲和势大于CO对氧的 亲和势
Ⅱ—— 碳的气化区（即CO稳定区）。
•t < 400℃时，%CO≈0
反应基本上不能进行；随着温度升高，%CO变化不明显。 • t = 400~1000℃时 随着温度升高，%CO明显增大。 • t > 1000℃时，%CO≈100 反应进行得很完全。 → 在高温下，有碳存在时，气相中几乎全部 为CO。
2、碳还原剂的主要特点求
• 碳对氧的亲和势大，且随着温度升高而增加，能还原绝大多数 金属氧化物。 → Cu2O、PbO、NiO、CoO、SnO等在标准状态下，在不太高 的温度下可被碳还原。 → FeO、ZnO、Cr2O3、MnO、SiO2等氧化物在标准状态下，在 线与线交点温度以上可被碳还原。 → V2O5、Ta2O5、Nb2O5等难还原氧化物在标准状态下不能被碳 还原；但在高温真空条件下可被碳还原。 → CaO等少数金属氧化物不能被碳还原。 • 反应生成物为气体，容易与产品Me分离。 • 价廉易得。 • 碳易与许多金属形成碳化物。
→ C、CO、H2是金属氧化物的良好还原剂
一、碳-氧系燃烧反应的热力学
1、碳-氧系燃烧反应 碳–氧系的主要反应 • 碳的气化反应 → 在高温下向正方向进行——布多尔反应； → 低温下反应向逆方向进行——歧化反应（或碳素沉积反 应）。
• 煤气燃烧反应：△Gθ随着温度升高而增大，
→ 高温下CO氧化不完全。 • 碳的完全燃烧反应： △Gθ<< 0 • 碳的不完全燃烧反应：△Gθ<< 0
二、还原过程分类
气体还原剂还原 用CO或H2作还原剂还原金属氧化物。 固体碳还原 用固体碳作还原剂还原金属氧化物。 金属热还原 用位于 △Gθ－T 图下方的曲线所表示的金属作 还原剂，还原位于△Gθ－T 图上方曲线所表示的 金属氧化物（氯化物、氟化物）以制取金属。 真空还原 在真空条件下进行的还原过程 。
3、氢还原剂 在标准状态下，H2可将Cu2O、PbO、NiO、 CoO等还原成金属。 在较大的下，H2可将WO3、MoO3、FeO等还 原成金属。 在适当的下，氢可还原钨、钼、铌、钽等的氯 化物。 4、金属还原剂 铝、钙、镁等活性金属可作为绝大部分氧化物 的还原剂。 钠、钙、镁是氯化物体系最强的还原剂。
结论
碳的高价氧化物（CO2）和低价氧化物（CO）的 稳定性随温度而变。 温度升高，CO稳定性增大，而CO2稳定性减小。
在高温下，CO2能与碳反应生成CO，而在低温下， CO会发生歧化，生成CO2和沉积碳。
在高温下并有过剩碳存在时，燃烧的唯一产物是 CO。
如存在过剩氧，燃烧产物将取决于温度；温度愈 高，愈有利于 CO的生成。
3.1 燃烧反应 火法冶金常用的燃料 ： 1. 固体燃料 煤和焦碳，其可燃成分为C 2. 气体燃料 煤气和天然气，其可燃成分主要为CO和H2 3. 液体燃料 重油等，其可燃成分主要为CO和H2
火法冶金常用的还原剂 1. 固体还原剂 煤、焦碳等，其有效成分为C； 2. 气体还原剂 CO和H2等 3. 液体还原剂 Mg、Na等 → C、CO、H2为冶金反应提供所需要的热能