Теоретический анализ

При совместном восстановлении этими реагентами картина иная. Здесь большую роль играет реакция водяного газа, которая распределяет кислород, отнимаемый от окислов, между H2O и CO2 и понижает концентрацию паров воды в газе.

В результате водород в принципе может восстанавливать окислы параллельно с СО вплоть до полного погашения суммарного восстановительного потенциала начальной смеси СО и Н2. Механизм совместного протекания реакций восстановления и водяного газа сложный. Нельзя считать, что вначале протекает восстановление, а выделяющиеся с поверхности окислов продукты реакции H2O и CO2 в дальнейшем взаимодействуют с СО и Н2 по реакции в газовой фазе.

Все реакции идут одновременно на твердой поверхности окислов, и распределение кислорода между H2O и CO2 по реакции водяного газа происходит, .вероятно, в адсорбционном слое. При достаточно быстром протекании каталитической реакции конечный состав газа может оказаться равновесным по отношению к этой реакции, но может быть неравновесным по отношению к реакциям восстановления. Таким образом, совместное восстановление окислов водородом и окисью углерода осуществимо и при равновесии реакции водяного газа.

Восстановительный потенциал Н2 и СО в четырехкомпонентной смеси: Для совместного восстановления водородом и окисью углерода при наличии в газе CO2 и H2O в качестве величины, характеризующей восстановительный потенциал СО и Н2 по отношению к какому-либо окислу, примем степень достижения равновесия у, эквивалентную величине %.

Степень достижения равновесия непосредственно связана с изменением изобарного потенциала AZ, являющимся мерой химического сродства. Как уже отмечалось, реакция водяного газа в широком интервале температур протекает быстрее восстановления окислов и в условиях доменной печи может довольно близко подходить к равновесию. Следовательно, на значительной части высоты доменной печи независимо от температуры восстановительные возможности водорода и окиси углерода примерно одинаковы.

Процессы в области смешанного восстановления: На границе областей прямого и смешанного восстановления, когда в газе почти отсутствуют CO2 и H2O, газовая смесь не равновесна по отношению к реакции водяного газа и восстановительный потенциал водорода при высоких температурах больше, чем у окиси углерода. Обладая к тому же кинетическими преимуществами, водород активнее участвует в восстановлении: пары воды накапливаются в газе интенсивнее двуокиси углерода. Это начинает тормозить реакцию взаимодействия окислов железа с водородом сильнее, чем с окисью углерода.

При понижении температуры (по ходу газового потока) восстановительный потенциал водорода уменьшается, а окиси углерода по отношению к FeO увеличивается. В результате совместного влияния /кинетических и термодинамических факторов при какой-то температуре эти потенциалы или степени достижения равновесия реакций выравниваются, что означает достижение равновесия реакцией водяного. В дальнейшем в присутствии железорудных материалов и даже кокса при температурах ~ 1000°С вплоть до 700 800°С газовая фаза остается близкой к равновесию для реакции.

Протекая быстрее процессов восстановления, реакция как бы распределяет кислород, отнятый от окислов металла, между водяным паром и углекислым газом. При этих температурах с довольно большой скоростью идет газификация углерода. Несмотря на весьма ориентировочный характер расчета, из него можно заключить, что уже вскоре после начала .накопления CO2 и Н2О IB газовом потоке состав печного газа становится близким к равновесному для реакции водяного газа.

Отношение фактических концентраций CO2/СО и H2O/Н2: Выясним, как изменяются величины А и В по ходу газового потока для современных условий доменной плавки (при отсутствии в шихте гидратов и карбонатов). Водород вносится в доменную печь влагой дутья, различными видами топлив, инжектируемых через фурмы, и коксом. Его основное количество переходит в печные газы уже в горне. В области прямого и смешанного восстановления по мере газификации углерода атомная концентрация последнего в газе увеличивается и отношение А = Н/С уменьшается. В дальнейшем, в области непрямого восстановления на значительной части высоты печи, величина А почти постоянная.

Лишь на колошнике она увеличивается в результате выделения из шихты гигроскопической влаги, что, однако, учитывать не будем. При увеличении А вследствие введения углеводородов отношение В, как правило, возрастает, но с различной интенсивностью. Введение природного газа обычно сопровождается увеличением степени непрямого восстановления Ri и числителя в уравнении. Одновременно снижается относительный расход кокса и количество углерода Сгаз, но возрастает количество углерода, вводимого природным газом.

Поэтому знаменатель в уравнении в зависимости от коэффициента замены углерода природным газом может и увеличиваться и уменьшаться. Таким образом, количественная зависимость между величинами В и А получается сложной и подверженной значительным изменениям. Таким образом, увеличение доли водорода в печных газах в результате инжекции природного газа в количествах, применяемых ц современной практике, должно в среднем улучшать использование и СО и Н2. Хотя в отдельных случаях может наблюдаться ухудшение их использования.

При увеличении А в результате повышения влажности дутья картина иная. Даже при соответствующем повышении нагрева дутья расход кокса и отношение В изменяются мало и увеличение доли водорода в печных газах может сопровождаться ухудшением использования СО и Н2. Поэтому характер изменения величины Ян2 и степени использования водорода по высоте печи определяется соотношением интенсивностей изменения величин #со и /Сз и будет различным на разных ступенях теплообмена в доменной печи.

    Пока нет новостей