第二章理化基础.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 理化基础,2.1,气基直接还原,（热力学分析、动力学分析、冶金还原煤气）,2.2,煤基直接还原,（热力学分析、动力学分析）,2.3,熔融还原的动力学分析,2.1,气基直接还原,2.1.1,热力学分析,铁氧化物包括：,铁氧化物还原的顺序：,还原各阶段失氧率：,Fe,2,O,3,的还原可以认为是不可逆的；,Fe,3,O,4,及,FeO,需要更多的煤气量平衡；,还原每摩尔,FeO,时,CO,增加的比值为：,一般形式：,还原,1KgFe,耗用煤气量,Vg,：,式中：,m,铁氧化物中,O,与,Fe,的原子比,实际需要的煤气量,Vg,则为：,分级还原：总的煤气量按,FeO,平衡气相成分计算即可。,三种氧化物同时还原：总煤气量分别为还原需要的总和，煤气量明显增加，显然,VgVg。,煤气还原反应的最大利用率为：,2.1.2,动力学分析,动力学条件决定还原速度,1,）微粒模型,粒度很小的矿石还原过程以拟均相反应机理进行。适用于粒径,d,P,60%),。,3,）未反应核模型,按反应界面自外向矿石核心推进的机理导出。目前应用最广泛，适用于有一定粒度（,2,mm）,及一定孔隙率（,V,g,时，,CO+H,2,或,N,2,及,CO,2,H,2,O,实际煤气耗量；,V,R,13,，煤气中,S,以,H,2,S,为主；低温（,200,）时，,K,H2S,和,K,COS,相差不大。如煤气中,CO,含量较高，则有相当比例的,COS,。,COS,接触海绵铁，,S,进入铁，不利脱硫；但,COS,对触媒毒化及管道危害小。,脱除困难，一般煤气处理时不脱除,COS。,H,2,S,腐蚀管件、毒化触媒，一般要求煤气,H,2,S,小于,0.1,煤气中硫绝大部分以,H,2,S,形式起作用，还原中：,假定反应平衡，则与每,Kg,硫反应的煤气量为：,当煤气中,H,2,H,2,S/K,s,时，脱硫反应平衡；,H,2,H,2,S/K,s,时，煤气可脱硫；,H,2,28.7，,一般的还原煤气都可以脱硫。,每,M3,煤气可脱硫,Ms：,脱硫率：,式中：,V,g,每吨矿石煤气耗量，,m3,；,S,P,单位矿石含硫量，,kg,2),海绵铁的渗碳,分两个步骤：,表面析碳,（主要）,固相扩散,扩散速度：,式中：,D,s,固相扩散系数；,E,D,扩散活化能；,A,D,有关系数；,d,x,海绵铁粒径。,T，,促进,CH,4,析碳及,D,S,，,海绵铁,C；,CH,4,，,海绵铁,C。,2.1.3.3,冶金还原煤气的制造,制气反应：裂化,CH,4,。,冶金还原煤气的要求：氧化度低；,CH,4,及,H,2,S,含量少；,N,2,适量；一定的温度。,冶金还原煤气的制造特点：氧化度低（,900，CO100，CO,2,0，,则：,则有：,即铁矿石“直接”还原速度。,一般情况下，是碳还原的限制性环节，其受动力学控制，所以,温度,、,碳的反应活性,及,配碳量,是影响碳还原反应的最重要因素。,温度。,温度，还原速度。,煤的反应性。还原速度与煤的反应性成正比。,配碳量。,气化反应的触媒效应。,Li、Na、K、Fe,等。,还原碳与铁矿石的接触紧密程度。,2.3,熔融还原的动力学分析,液态,FeO,可以直接被焦炭中的碳还原，反应式为：,液态,FeO,也可能被预先溶于铁中,C,还原，反应式为：,对（,c）,有：,对（,c）,有：,为纯,CO,2,气氛下与煤中碳反应的速度。在熔融还原使用煤粉的条件下，建议采用,Hedden,模型。,式中：,k,C,反应有效速率常数；,M,C,碳的摩尔重量；,H,C,燃料反应性系数；,C,煤的表观密度。,由上式可以看出（,b,）反应速度取决于碳的反应性及气氛中,CO,2,分压,实验证明：碳“直接还原”的限制性环节是,FeO,被,CO,还原（反应,a）。,其反应过程可能受下列三个步骤控制：,1,）空间到反应表面的气体扩散；,2,）反应面上的化学反应；,3,）液相间反应界面的液体扩散。,其中只有,1、2,两个步骤可能形成反应（,a）,的限制性步骤,令反应（,a）,的速度：,式中：,A,反应界面：,FeO,FeO,的摩尔量；,o,FeO,原始,FeO,的摩尔量,第一步气相扩散速度：,式中：,p,*,CO,平衡时,CO,分压；,p,o,CO,初始时,CO,分压。,第二步化学反应速度：,由铁液中,FeO,1，,反应平衡时：,得：,又：,动态平衡时，,由 得：,带入总反应速度式得：,上式也适用于,H,2,还原,FeO,时得还原速率表达式。,对于纯,FeO,还原则,FeO,1，,有,其中,k,g,可由,Sherwood,准数（）求出，,Sh,值可由经验公式给出：,实际中可按化学反应的速度来衡量和分析熔融还原过程中的,FeO,还原过程。,CO,还原纯,FeO,时反应速率：,当炉渣中,(,FeO)40%，（FeO）,含量对还原不产生影响，即还原速度与（,FeO）,含量无关。,低（,FeO）,时：,式中：；,三价铁的摩尔量；,二价铁的摩尔量。,结论：,液态,FeO,还原的控制步骤是,FeO,与,CO,的反应；,反应速度受温度影响最大，气氛中,CO,及,CO2,分压也影响较大；,还原速度与碳的反应性；,液态（,FeO）,与还原反应气体的反应界面状态对还原速度有强力影响。,本章重点,掌握直接还原和熔融还原的还原反应；,了解直接还原和熔融还原的动力学模型，掌握影响还原速度的因素；,理解冶金还原煤气的作用及机理；了解冶金还原煤气的制造；,谢 谢,（待续）,