ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УГЛЕРОДА И ПАРОВ ВОДЫ

Аннотация

Выполнен  термодинамический  анализ полного восстановления оксида  железа при нагревании с изотермическими выдержками исходной системы

«Fe₃O₄ (e_oмоль) – Н₂О(b_o моль) – С(избыток)».

По характеру протекающих реакций процессы в системе можно разбить на четыре этапа.

1. Газификация углерода парами воды при температурах ниже 880 K активирует протекание реакции водяного газа и диссоциации CO с образованием сажистого углерода. Состав получающейся газовой смеси «Н₂ – Н₂O – CO – CO₂» зависит только от температуры. Расход углерода при 880 K составляет ~ 0,445 моль на 1 моль воды.

         2. Восстановление Fe₃O₄ до вюстита FeO_{1+ x} c разной степенью окисленности протекает в интервале температур 880 – 917 K. При этом водород восстанавливает оксид при температурах выше 888 K. Доля оксида, восстановленного водородом в этом интервале температур, возрастает от нуля до ~ 63%. Общее количество Fe₃O₄, восстановленного до вюстита при 917 K, составляет ~ 123 моля на 1 моль воды. Это возможно лишь при многократной регенерации восстановителей CO и Н₂ по реакциям газификации углерода парами воды и диоксидом CO₂. Расход углерода составляет примерно 78 моль.  

           3. Получающийся  при 917 K вюстит FeO_1,092 восстанавливается только монооксидом CO в интервале температур 917– 955 K до вюстита с меньшей степенью окисленности FeO_1,054 . Углерод газифицируется только диоксидом CO₂, расход углерода – примерно 18  моль.

           4. При изотермической выдержке ~ 955 K вюстит восстанавливается до железа. Вюстит восстанавливается только монооксидом углерода. Расход углерода составляет примерно 257  моль.

           Для полного восстановления примерно 123 моль Fe₃O₄ в смеси с избытком углерода в закрытой системе при 1 атм достаточно 1 моля воды. Общий расход углерода составляет ~ 353 моль на получение 368 моль Fe или  ~ 0,21 кг/кг железа.