含碳球团还原反应及其技术
铁矿热压含碳球团制备及其应用技术
铁矿热压含碳球团制备及其应用技术铁矿热压含碳球团是一种重要的铁矿石预处理技术，其应用在铁矿石冶炼中具有重要意义。
本文将介绍铁矿热压含碳球团的制备方法和其在冶炼过程中的应用技术。
一、铁矿热压含碳球团的制备方法铁矿热压含碳球团的制备方法主要包括矿石研磨、混合、球团化和热压等步骤。
将铁矿石进行研磨处理，使其颗粒大小均匀，提高球团化的效果。
研磨处理可以通过机械研磨或化学研磨等方法进行。
然后，将研磨后的铁矿石与适量的焦炭、石灰石等添加剂进行混合。
添加剂的选择和添加量的控制对球团化效果有着重要的影响。
焦炭可以提供还原剂和热源，石灰石可以提供熔融剂和结合剂。
接下来，将混合后的物料进行球团化处理。
球团化是将颗粒状的物料通过球团机或球团盘进行塑性变形，使其形成一定大小和形状的球团。
球团化过程中，物料表面的结合剂可以起到粘结和固化的作用，从而使球团具有一定的强度和耐高温性。
对球团进行热压处理。
热压是指在高温下对球团进行加压，使其进一步固化和增强。
热压温度和压力的选择需要根据具体情况进行调整，以确保球团具有适合冶炼的性能。
二、铁矿热压含碳球团的应用技术铁矿热压含碳球团在铁矿石冶炼过程中具有重要的应用技术。
铁矿热压含碳球团可以提高铁矿石的冶炼效率。
球团化可以使铁矿石颗粒之间的间隙减小，增加物料的比表面积，有利于燃气和还原气体的传递。
此外，球团化还可以提高物料的机械强度，降低粉尘的产生，减少冶炼过程中的能耗和环境污染。
铁矿热压含碳球团可以改善铁矿石的还原性能。
球团化过程中添加的焦炭可以提供还原剂，增加还原反应的速率和程度。
此外，球团化还可以改善物料的流动性和渗透性，有利于还原气体在物料层中的传递和反应。
铁矿热压含碳球团可以降低冶炼过程中的能耗和环境污染。
球团化可以提高物料的密度和机械强度，使得冶炼炉的风量和焦炭消耗量减少。
同时，球团化还可以降低冶炼废气中的有害物质排放，减少对环境的污染。
铁矿热压含碳球团可以提高铁矿石的冶金反应性能。
含碳球团还原反应及其技术
专家论坛含碳球团还原反应及其技术汪琦(辽宁科技大学,辽宁鞍山114044)摘要:对含碳球团的自还原反应和工艺中涉及的燃烧和氧化反应进行了论述,分析了煤的性质、氧化性气氛对含碳球团自还原性的影响;介绍并且评价了现有和正在研发的含碳球团直接还原法和熔融还原法。
关键词:含碳球团;还原工艺;自还原性中图分类号:TF124 文献标识码:A 文章编号:1006-4613(2009)04-0001-10Reduction Reacti o n of Carbon-Conta i n ing Pellet and Its R educti o n ProcessW ang Q i(Sc ience and T echnology Un i v ersity of L iaon i n g,Ahshan114044,L iaon i n g,Ch i n a)Abstract:Se lf reducti on reac ti ons o f carbon-conta i n i ng pe llet and combusti on and ox i d izi ng reac tions i nvo lved i n t he reducti on process are discussed,and effects of coa l properti es and ox i d izi ngat m osphere on the self-reduc tion o f carbon-conta i n i ng pe llet are ana l y zed.Ex isti ng and be i ng de-ve loped pro cesses o f t he direc t reduction and m elti ng reduc tion of carbon-conta i n i ng pellet are i ntro-duced and t hen eva l uated.K ey word s:ca rbon-contai n i ng pe ll et;reducti on process;self-reduction含碳球团是指由含铁粉料配以固体还原剂(煤粉和焦粉等)和适当的粘结剂,经充分混合后经造球机造球或压球机压制而成的一种含碳含铁的小球或冷压块。
含碳球团竖炉直接还原试验研究
1999 年第 5 期
宝钢技术
31
含碳球团竖炉直接还原试验研究
周渝生 曹传根 齐渊洪 任志国 许海川
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宝钢技术
ห้องสมุดไป่ตู้
1999 年第 5 期
化球团中, 这部分残碳对于防止产品的再氧化起 到一定的保护作用。
图 8 竖炉上部还原煤气成分分析
图 9 气体还原和碳还原所占比例与 温度的关系
3 2 2 顺行操作 保持顺行操作是冷固结含碳球团竖炉直接还
原的关键技术之一, 而保持顺行操作的最重要的 措施之一又是如何防止还原过程发生悬料。影响 悬料的因素很多, 除炉料本身的性质外, 操作参数 和操作方式的选择是十分重要的。
图 6 还原温度与金属化率的关系
图 7 停留时间与金属化率的关系 冷固结球团在竖炉还原气氛中的直接还原包 括气体及固体碳与铁氧化物还原反应两部分。 图 8 为竖炉上部还原煤气成分分析, 图中还 原温度 930 , 煤气进气高度为 0 m。图 9 为含碳 球团气体还原和固体碳还原所占比例随温度的变 化。由图 9 可知, 温度较低时, 以气体还原为主, 固体碳还原所占比例较小, 但固体碳还原的比例 随着温度的提高而逐渐增加。 在竖炉中冷固结球团的还原行为与氧化球团 类似。然而, 冷固结球团可以在较高的温度范围 内还原, 并能比氧化球团获得更高的还原速度, 一 方面是由于冷固结球团的软化温度较高, 另一方 面是由于球团内均匀 分布的碳粉改 善了传质条 件, 加快了还原反应速度。球团内的碳除还原消 耗球团重量的 3% ~ 5% 外, 一部分将残留在金属
Cr2O3含碳球团的还原过程
万方数据
粒径／ｃｍ：１—１．２；２—１．５；３—１．９ 圈６氧化物球团粒径与还原速率之间的关系 Ｆｉｇ．６ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｐｅｌｌｅｔ
ａｎｄ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｒａｔｅ
２．３含碳量对氯化物球团还原过程的影响 金属氧化物的还原度随着球团中碳含量的增大
Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｏｒ２ ０３／ｃａｒｂｏｎ ｐｅｌ ｌｅｔｓ
ＰＥＮＧ Ｂｉｎｇ，ＳＯＮＧ Ｈａｉ—ｃｈｅｎ，ＷＡＮＧ Ｊｉａ，ＣＨＡＩ Ｌｉ—ｙｕａｎ，ＷＡＮＧ Ｙｕｎ—ｙａｎ，ＭＩＮ Ｘｉａｏ－ｂｏ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３，Ｃｈｉｎａ）
ｇ（，）＝（０．２９ｍ—ｏ．０１）ｔ·ｅｘｐ［一６０ ３７０／（ＲＴ）］；还原过程后期为扩散控制，其动力学方程为ｇ（，）一（一０．１７伽＋
０．３１）ｔ·ｅｘｐ［－－９９ ４３５／（ＲＴ）］。
关键词：Ｃｒ２０３；还原；动力学模型
中圈分类号：ＴＦ７４１
文献标识码：Ａ
文章缩号：１６７２—７２０７（２００５）０４—０５７１—０５
球团粘结剂之含碳球团直接还原工艺
球团粘结剂之含碳球团直接还原工艺
现在直接还原炼铁是一种不熔化即将铁矿石中氧化铁还原成金属的生产工艺。
在18世纪末，有人提出了直接还原的设想。
20世纪60年代开始得到了快速发展，在20世纪有很多工艺得到商业化生产，其中采用最普遍的是以天然气为还原剂Midrex及HYL法以及以煤为还原剂回转窑法等。
随着世界钢产量增长，电炉钢比扩大，对直接还原铁的需求也日益增多，除了数量上原因外，部分采用直接还原铁为原料，可以减少废钢中有害杂质对钢质量的负面影响。
1980年全世界直接还原铁（DRI)产量为713万t，占世界生铁产量1.4%，2000
年世界DRI产量4620万t,占世界生铁产量7.5%，其中气基Midrex 及HYL法生产的约占总量93%，煤基回转窑法占7%。
目前大量生产的Midrex及HYL法有两个重要问题∶一是需用价格昂贵的天然气作还原剂，二是铁矿石需是块矿或是球团矿等人早块矿。
回转窑法虽用煤为还原剂但效率低，最大的生产线也只有年产6万t左右，同样也需要块矿或球团矿。
因此许多企业着力开发新的直接还原炼铁工艺，有些已经在实验室和小型试验厂中获得成功，有些已经在建设商业化工厂，有些已在商业规模工厂中顺利生产。
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含碳球团还原性实验设计
含碳球团还原性实验设计摘要：本文简要设计了含碳球团还原的实验，利用正交实验试验含碳球团的还原性，以及对含碳球团还原性的影响因素。
关键词：含碳球团还原性实验设计含碳球团作为炼铁工艺的一种新型原料，已经越来越受到研究者广泛的关注，无论是从工艺优化的观点，还是从节能、资源回收利用和环境保护的角度出发，含碳球团的使用优势正在得到更充分地认识和理解。
含碳球团。
实际就是矿粉和含碳物质的混合物，矿粉包括赤铁矿、磁铁矿、含铁的钢铁厂废弃物等，含碳物质包括焦粉、煤粉、木炭等，绝大多数时候需添加少量粘结剂。
根据原料和工艺条件，含碳球团的组成、形状、碳含量和物理性能可以在较宽范围内变化。
1 实验方法1．1 实验原料本次试验采用的原料是鞍山地区铁矿粉和煤粉。
化学成分如表1，表2表2煤粉（%）1．2造球实验将充分烘干的铁精矿粉和煤粉按规定的碳氧比配料，其中配加2％的膨润土，混合均匀．加入一定质量的水造球，所造球团直径约为10—15 mm．并在鼓风干燥箱中105℃干燥12 h备用．【2】1．3 实验方法本实验采用正交实验考察对含碳球团还原性的影响因素，实验因素与水平设计如表3所示．在直接还原实验中，先称取一定质量的含碳球团，在105℃烘干2 h，充分去除水分后称量球团人炉前的质量．然后将试样放入刚玉坩埚中，放进球团焙烧炉内．在升温过程中，通入氮气流量为160 L／h，当升温至指定温度时，向炉内通人流量为900 L／h的还原性气体．待反应结束后，关闭还原性气体，继续通人氮气保护试样，冷却到室温后，取样称量球团质量，计算失重．【3】1．4数据处理对还原后的球团进行取样，用锯条在球团矿直径最大处径向锯开，收集锯下粉末混合均匀后化验其中的碳含量，进而计算出含碳球团在反应中的还原度．在本实验中，首先称量得到还原前后含碳球团的失重量，然后通过化学分析化验出还原后海绵铁的残余碳含量，计算出还原过程中铁矿石的失氧量，进而求得还原度．含碳球团的还原度计算公式如下：r=0失／0i=(W失—m1)／O i，其中：W失为含碳球团的失重量，g；m1为煤粉的失重量，g；O i为铁矿粉中与铁结合的氧的质量，g．【4-5】参考文献[1]汪琦．铁矿含碳球团技术[M]．北京：冶金工业出版社，2005．[2]黄希祜．钢铁冶金原理[M]．北京：冶金工业出版社，2007·284-288．[3]邱冠周，姜涛，徐经沧，等．冷固结球团直接还原[M]．长沙：中南大学出版社，2001：1222—1223．[4]梁德兰，贾彦忠，王学伟．球团用进口矿性能研究．第八届全国炼铁原料学术会议论文集，2003，9．[5]方觉．非高炉炼铁工艺与理论[M]．北京：冶金工业出版社，2007：1-43．。
钠盐强化某低品位铁矿含碳球团还原机理
第50卷第3期中南大学学报(自然科学版) V ol.50No.3 2019年3月Journal of Central South University (Science and Technology)Mar. 2019 DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.03.002钠盐强化某低品位铁矿含碳球团还原机理钟荣海，黄柱成，易凌云，汉合童(中南大学资源加工与生物工程学院，湖南长沙，410083)摘要：采用内配煤造球还原焙烧的方法对某高硅低品位铁矿进行处理，并加入钠盐强化还原，研究温度、时间和添加剂质量分数对还原的影响，并采用烟气分析仪研究含钠盐对还原过程的影响。
计算CO体积分数对FeO还原和铁橄榄石(Fe2SiO4)生成反应的热力学影响，并采用SEM和XRD等分析还原球团的微观结构和成分。
研究结果表明：还原中间产物FeO可与SiO2反应生成难以再还原的铁橄榄石(Fe2SiO4)；提高还原反应体系中CO的体积分数可以促进FeO的还原和减少铁橄榄石(Fe2SiO4)的生成；钠盐能够有效地促进球团中碳的气化反应，提高球团内CO的体积分数，从而促进FeO的还原，减少Fe2SiO4的生成，进而改善还原效果；当内配煤质量分数(即C与Fe 质量比m(C)/m(Fe))为0.4，钠盐质量分数为3%，焙烧时间为30 min以及焙烧温度为950 ℃时，还原效果最佳，还原球团的金属化率为56.74%，磨矿、磁选后精矿铁品位和铁回收率分别为74.16%和74.57%。
关键词：低品位铁；钠盐添加剂；内配煤球团；还原焙烧中图分类号：TF551 文献标志码：A 文章编号：1672−7207(2019)03−0506−08Reduction enhancement mechanisms of low iron grade ore-coalcomposite pellets by sodium saltZHONG Ronghai, HUANG Zhucheng, YI Lingyun, HAN Hetong(School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)Abstract: Method of reduction roasting with iron ore-coal composite pellets was adopted to deal with high silicon content-low iron grade ore, and sodium salt was used to enhance the reduction process. Effects of temperature, reduction time and mass fraction of sodium salt on reduction behavior were researched. Gas analysis was used to investigate effect of sodium salt on the reduction process. Effects of CO volume fraction on thermodynamic of reduction of FeO and formation of fayalite were analyzed, and SEM and XRD were applied to analyse microstructures and composition of reduced pellets. The results show that FeO may react with SiO2 and form fayalite which can hardly be reduced again.Increasing CO volume fraction can improve the reduction of FeO, and thus decrease the formation of fayalite. Reduction of iron oxide can be facilitated effectively by sodium salt, which can be attributed to the fact that sodium improves the gasification reaction of carbon and increases CO volume fraction, which promotes the reduction of FeO. Reduced pellets with metallization ratio of 56.74% can be obtained with ratio of m(C)/m(Fe) 0.4, mass fraction of sodium salt 3% and reduces at 950 ℃ for 30 min. TFe in the magnetic separation concentrate and iron recovery are 74.16% and 74.57%, respectively.Key words: low grade iron ore; sodium salt additive; composite pellets; reduction roasting低品位赤铁矿是我国难选铁矿资源中的一种，具有铁品位低、硅酸盐质量分数高、铁氧化物晶粒粒度小(平均粒度在0.045 mm以下)以及铁氧化物与含铁硅酸盐脉石矿物共生紧密、物理化学性质相近等特点，收稿日期：2018−05−10；修回日期：2018−07−21基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51504230) (Project(51504230) supported by the National Natural Science Foundation of China) 通信作者：易凌云，博士，副教授，从事绿色冶金、多金属复杂资源综合利用研究；E-mail：**************第3期钟荣海，等：钠盐强化某低品位铁矿含碳球团还原机理507难以采用常规选矿方法进行有效富集[1−4]。
含碳球团在氧化性气氛中的还原机理
图 3 气流速度对 还原过程的影响 —— N2; ---- CO2
Fig. 3 Eff ects of f low rates on the reduction of pellet
第 3 期 汪 琦等: 含碳球团在氧化性气氛中的 还原机理
D —— 气体扩散系数;
Q—— 气体密度;
Y CO —— 气相中任意 r 处的 CO 浓度。 不发生氧化的必要条件是: 还原过程的 St efan 流的 CO 2 质量分流大于气相中 CO 2 气体向球面的 扩散质量流, 使扩散到球面的 CO 2 浓度低于氧化反 应的 CO 2 平衡浓度。由质量平衡得
2
钢 铁 研 究 学 报 第 10 卷
燥后, 留作还原实验。 还原实验在反应管直径为 50 m m 的竖式电炉 中进行。当炉温升到给定温度后通入气体。将 3 个球 团吊入炉内, 用失重法测试其还原度[ 8] 。 1. 2 实验结果 由图 1 和图 2 示出的铁矿—煤球团( IO-CP ) 在 N 2 和 CO 2 气氛( 气流速度 v= 0. 034 m/ s) 中的还原 度 R 和还原速度 vR 比较可见, 在还原初期存在一个 抗氧化的还原阶段, 在 N 2 和 CO 2 气氛中的还原度 和还原速度在此阶段基本一致。还原进行到一段时
曲线的交点。 由式( 15) 和表 1 的数据可见, 在一定温度下, 极 限抗氧化还原速度随气相 CO 浓度的升高而降低, 随 CO 2 气流速度的增加而增大, 而温度对极限抗氧 化还原速度的影响不大。
表 1 极限抗氧化还原速度的计算值和实测值 Table 1 Measured and calculated minimum reduction rates of pellet without oxidation
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专家论坛含碳球团还原反应及其技术汪琦(辽宁科技大学,辽宁鞍山114044)摘要:对含碳球团的自还原反应和工艺中涉及的燃烧和氧化反应进行了论述,分析了煤的性质、氧化性气氛对含碳球团自还原性的影响;介绍并且评价了现有和正在研发的含碳球团直接还原法和熔融还原法。
关键词:含碳球团;还原工艺;自还原性中图分类号:TF124 文献标识码:A 文章编号:1006-4613(2009)04-0001-10Reduction Reacti o n of Carbon-Conta i n ing Pellet and Its R educti o n ProcessW ang Q i(Sc ience and T echnology Un i v ersity of L iaon i n g,Ahshan114044,L iaon i n g,Ch i n a)Abstract:Se lf reducti on reac ti ons o f carbon-conta i n i ng pe llet and combusti on and ox i d izi ng reac tions i nvo lved i n t he reducti on process are discussed,and effects of coa l properti es and ox i d izi ngat m osphere on the self-reduc tion o f carbon-conta i n i ng pe llet are ana l y zed.Ex isti ng and be i ng de-ve loped pro cesses o f t he direc t reduction and m elti ng reduc tion of carbon-conta i n i ng pellet are i ntro-duced and t hen eva l uated.K ey word s:ca rbon-contai n i ng pe ll et;reducti on process;self-reduction含碳球团是指由含铁粉料配以固体还原剂(煤粉和焦粉等)和适当的粘结剂,经充分混合后经造球机造球或压球机压制而成的一种含碳含铁的小球或冷压块。
含碳球团还原技术特点是含碳球团在使用时不需固结或冷固结,可以回收处理钢铁企业的废料,无论在经济上,还是在环保上都具有重要意义。
可实现在1200~1300 温度下的快速还原;还原过程中产生的气体从球团内排出,能够抑制气相中氧化性气氛对球团的氧化作用,使含碳球团在氧化性气氛中能够还原,为在还原反应器内用高温烟气或直接燃烧还原过程中产生的可燃性气体提供还原耗热创造了条件。
含碳球团还原技术受到越来越多的冶金工作者的重汪琦,教授,博士生导师,现任辽宁科技大学材料科学与工程学院冶金系主任,辽宁省优秀专家,中国金属学会青年委员会委员,辽宁省金属学会理事,w angq i8822@s i na.co 。
视。
本文对含碳球团自还原反应和在工艺中涉及的燃烧和氧化反应等进行了论述,并对鞍钢开发含碳球团还原技术提出了合理建议。
1 含碳球团还原过程中的化学反应1.1 含碳球团自还原反应及其影响因素1.1.1 含碳球团还原反应及其特点由于含碳球团的碳在整个球团内均匀分布,当球团达到一定温度时,分布在球团内的无数碳粒与铁氧化物发生反应,因此球团内部的还原可以称为 自还原 。
煤中挥发分占可燃基的10% ~40%,煤被加热到足够高温度时开始析出挥发分气体。
挥发分中的可燃性气体除了一氧化碳和氢气外,主要是碳氢化合物,高温下碳氢化合物二次分解成碳和氢。
因此,将铁矿粉和煤粉混合制成的含碳球团自还原过程极为复杂,它包括如下1反应:煤热解时挥发分的析出和挥发分中碳氢化合物的裂解:煤 C+挥发分(1)高分子碳氢化合物 低分子碳氢化合物+ C+H2(2)铁氧化物被挥发分中的CO和H2以及裂解产生的H2的间接还原、铁氧化物与气化反应产生的C O和H2的还原反应均为:Fe x O y+C O/H2 Fe x O y-1+CO2/H2O(3)二氧化碳和水蒸汽与碳的气化反应:CO2/H2O+C 2CO/(CO+H2)(4)反应(3)与(4)结合生成反应(5):Fe x O y+C Fe x O y-1+C O(5)反应(4)与反应(5)结合,需借助碳气化反应的 直接还原 。
普通球团和含碳球团的还原差别在于,含碳球团自还原时产生的CO引起了球团内气体压力增加,促使CO的扩散,加速了球团的还原速率,使含碳球团的还原速率明显高于一般球团。
研究结果表明[1-2],只有当含碳球团内固定碳物质的量与铁氧化物所含氧物质的量的比R 1,并在高温下(1200 以上)含碳球团才能快速还原,获得超过90%的金属化率。
1.1.2 煤的性质对 自还原 性的影响配烟煤的含碳球团比配无烟煤的含碳球团还原反应速度快,其原因是烟煤的反应性比无烟煤的好,碳在还原铁氧化物时反应的活化能低[3-5],或是碳的还原作用开始温度降低和反应动力学常数前的指数因子大[6]。
挥发分的还原作用主要是温度超过700 ,且工业分析的挥发分基本析出后,残留的挥发分中碳氢化合物裂解产生氢气和游离碳。
烟煤工业分析的挥发分最高可占可燃基的20%~40%左右,是一些分子结构较小的分子,析出温度较低。
在还原工艺中若析出的挥发分不能作燃料利用,则会引起煤耗的增加。
无烟煤中的工业分析挥发分量比烟煤的少,只用煤作还原剂时,无烟煤的煤耗比烟煤的低。
1.1.3 气氛对 自还原 性的影响早在1977年,M c Ada m[7]就报道了含碳球团在一定的二次燃烧气氛中进行还原。
任志国等[2]在实验中发现含碳球团在空气中能还原出金属铁。
杜挺等[2]进行的含碳球团在氧化性气氛中的还原实验发现,在1300 时含碳球团在两种氧化性气氛中(气相浓度比CO CO2=70和CO CO2=30)的 自还原 和 再氧化 特性为:反应前期,以 自还原 为主;反应中期,球团中含碳量明显减少,球团 自还原 和 再氧化 速度基本相等,球团在两种气氛中的金属化率分别达到80%和90%左右;反应后期,球团内的碳将近用完, 自还原 基本停止,球团以 再氧化 为主,金属化率迅速降至50%左右。
影响含碳球团 自还原 和 再氧化 的因素为:气相中CO增加,含碳球团 自还原 和 再氧化 速度基本不变,但最高金属化率增加;球团直径增加,最高金属化率增加,但 再氧化 速度降低。
含碳球团在氧化性气氛中具有的这种 自还原 性是目前开发含碳球团直接还原工艺和熔融还原工艺的理论基础。
因此,含碳球团还原反应还包括球团与氧化性气体之间的氧化反应和脱碳反应,从球团内排出的可燃性气体的燃烧反应等。
1.2 含碳球团自热还原1.2.1 自热还原Fe2O3的直接还原反应:Fe2O3+3C=2Fe+3COH=456.4kJ/m o l(6)式中, H为焓变,kJ/m ol。
C素消耗为:3 122 56=0.3214kg(C)/kg(Fe)但如果该直接还原所需要的热量由C素的不完全燃烧提供,那么:C+1/2O2=COH0298=-451.48kJ/m o l(7)每从Fe2O3直接还原1kgFe,不完全燃烧需耗C素为:1256456.4451.5=0.2166kg(C)/kg(Fe)则直接还原1kgFe还原剂和耗热累计消耗的C素量为:0.3214+0.2166=0.5380kg(C)/kg(Fe)直接还原产生大量的CO(3 22.4/2 56= 0.6m3),其燃烧热量为:3CO+3/2O2=3CO22H=-841.6kJ/mo l(8)可见,如能充分利用该热量供给直接还原耗热,还剩余:841.6-456.4841.6100%=45.77%冶炼过程中如该热量能满足需要,则冶炼生铁C素消耗仅是作为还原剂的消耗,即321.4kg(C)/kg(Fe),能耗仅为9.42kJ/t F e,这个能耗是冶金工作者梦寐以求的目标。
实现燃烧直接还原产生的CO,提供直接还原耗热的还原过程称为自热还原。
根据化学热力学理论,还原反应和燃烧反应在一个反应器内是不能同时进行的。
因此,在目前的还原工艺中,采取将还原反应与燃烧反应隔开,将燃烧热量高效率地传递给还原反应器或还原反应区域。
1.2.2 燃烧和氧化反应含碳球团还原过程中排出的可燃性气体包括挥发分和还原产生的CO。
挥发分在温度高于700 后发生裂解反应(1)和脱氢反应(2),产生H2和C H4。
因此,这些可燃性气体的燃烧反应归纳起来为CO和H2的燃烧,甲烷C H4的离解和燃烧。
高温烟气中的主要氧化性气氛是CO2和H2O。
对还原后含碳球团中的金属铁的氧化和脱碳是通过气氛中的CO2和H2O进行的。
高温烟气氧化金属铁的反应式为:Fe+CO2=Fe O+COG0=13160-17.21T(9)Fe+H2O=Fe O+H2G0=-23430+16.16T(10)式中, G0为吉布斯自由能变化量,(kJ/m o l) CO2与Fe的氧化反应是吸热反应,即随温度的升高CO2的氧化能力增强;H2O与Fe的氧化反应是放热反应,故随温度的升高H2O氧化能力减弱。
上述两个反应均是可逆反应,当烟气中CO 和H2含量足够高时,氧化反应就不能进行。
含碳球团在高温烟气中的脱碳反应是碳气化反应的逆反应。
[C石墨]P+CO2=2COG=172130-177.46T(11) [C石墨]P+H2O=H2+COG0=135540-144.00T(12)[C石墨]P+2H2O=2H2+C O2G0=98960-110.53T(13)式中,[C石墨]P为球团中残留碳。
由碳气化反应气相组成平衡图可知,只有高温烟气成分在碳气化反应气相平衡浓度曲线以上,才能够防止脱碳反应发生。
而温度在1000 以上,只要烟气中有CO2和H2O存在,脱碳反应几乎是不可避免的。
因此,含碳球团在高温烟气中还原时,要使球团中具有一定的残碳量,必须使已还原的球团迅速离开高温烟气区。
只要有足够的反应时间,高温烟气能够按水煤气反应建立平衡。
其气相中CO2和H2O平衡成分远远高于CO和H2还原铁氧化物要求的CO2和H2O的平衡成分,而低于碳气化反应平衡浓度。
因此,含碳球团在高温烟气中还原或者直接燃烧含碳球团还原过程中产生的可燃性气体,能够保证含碳球团的还原,但脱碳反应仍然能够进行。
含碳球团自热还原过程是在含氧的气氛中进行的。
还原得到的金属铁和球团中的碳与氧的反应为:2Fe+2/3O2=Fe2O3G0=-818023+251.12T(14)Fe3C+O2 3FeG0=-405996+10.12T(15)[C石墨]P+O2 CO2G0=-294762-0.84T(16)上述氧化和脱碳反应均是不可逆的,反应不能控制。