Повышение эффективности процесса прямого восстановления железа в процессе XIL-III
СН4 + Н2О + Q → 3Н2 + СО
Н2 + СО2 + Q → СО + Н2О
Для XIL-III в условиях Лебединского ГОКа существует возможность повышения эффективности работы печи металлизации за счёт инжекции кислорода в восстановительный газ и его частичного сгорания. По литературным данным инжекция кислорода повышает температуру восстановительного газа и производительность печи (рис. 2)
Рис. 2. Воздействие инжекции кислорода на температуру восстановительного газа и производительность
До инжекции кислорода на установке XIL-III была разработана математическая модель изменения производительности печи в зависимости от расхода кислорода на инжекцию. Был рассмотрен вопрос с точки зрения прохождения реакций в печи при обычном способе прямого восстановления и с инжекцией кислорода в восстановительный газ.
В процессе прямого восстановления железной руды с газом между твёрдой и газообразной фазами происходят несколько гетерогенных реакций.
Руда подогревается до нужной для восстановления температуры горячим восстановительным газом. Затем из руды удаляется кислород с помощью нескольких химических реакций с водородом и оксидом углерода. Механизм восстановления можно представить следующим образом: шаги восстановления твёрдых
Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe
Полная реакция (кал/г∙моль)
Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O (+22806)
Механизм (кал/г∙моль)
3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O (-2798)
Fe3O4 + H2 = 3FeO + H2O (+18502)
FeO + H2 = Fe + H2O (+5702)
Восстановление оксидом углерода
Полная реакция (кал/г∙моль)
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 (-6708)
Механизм (кал/г∙моль)
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO (-12636)
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 (+8664)
FeO + CO = Fe + CO2 (-4136)
Как видно по теплу реакций, восстановление оксидов железа водородом является эндотермическим процессом, а восстановление с оксидом углерода — экзотермическим процессом. Процесс HYL, где используется восстановительный газ с высоким содержанием водорода, полный процесс восстановления является эндотермическим.
Науглероживание оксидом углерода
2Fe + 2CO = Fe3C + CO2 (-35240)
2CO = C + CO2 (-21220)
CO + H2 = C + H2O (-31382)
Науглероживание метаном
3Fe + 2CO = Fe3C + CO (-35240)
2CO = C + CO2 (-21220)
CO + H2 = C + H2O (-31382)
3Fe + CH4 = Fe3C + 2H2 (+23869)
CH4 = C +2H (+17889)
Газообразная фаза в процессе прямого восстановления является смесью нескольких газов, которые должны обладать высокой восстановительной способностью; другими словами, должно быть высокое соотношение восстановления к окислительной смеси, что можно выразить следующим образом: восстановительная способность = (Н2 + СО) / (Н2О + СО2).