根據(jù)世界鋼鐵協(xié)會發(fā)布的《世界鋼鐵統(tǒng)計數(shù)據(jù)2019》[1]，過去三年里，全球直接還原鐵產(chǎn)量增長迅猛，2016年全球直接還原鐵產(chǎn)量約7590萬噸，2017年約8870萬噸，2018年約9980萬噸，增長率分別為16.86%，12.51%。氣基直接還原的工藝，占世界還原鐵總產(chǎn)量的80%以上，具有投資少，單體規(guī)模大，污染排放低等優(yōu)勢。我國的氣基直接還原鐵產(chǎn)量雖然當(dāng)前為零，但是眾多企業(yè)和科技工作者正在努力開發(fā)適用中國條件的工藝和方法。

　　還原氣利用率和綜合還原能耗直接關(guān)系氣基直接還原工藝開發(fā)的成敗，前者是限定了氣體利用限度，后者決定了生產(chǎn)成本的高低。

　　本文針對氣體還原鐵氧化物的氣體利用率和能耗，從氣體還原煉鐵的熱力學(xué)數(shù)據(jù)出發(fā)，建立氣體還原的能耗模型，分析了噸金屬鐵生產(chǎn)所需的還原氣量和熱能量，對還原氣體的選擇和搭配、還原鐵生產(chǎn)的節(jié)能降耗、還原工藝條件的改善都具有一定的參考意義。

　　1氣體還原鐵氧化物模型

　　1.1 單一氣體還原鐵氧化物

　　還原氣消耗量

　　根據(jù)化學(xué)平衡法原理，依據(jù)熱力學(xué)手冊數(shù)據(jù)手冊[1]，計算單一氣體還原鐵氧化物的利用率。

　　已知，當(dāng)溫度大于570℃，F(xiàn)e2O3的還原分為三個階段逐級進行，依次為：Fe2O3→Fe3O4，F(xiàn)e3O4→FeO，F(xiàn)eO→Fe。

　　表 1列出單一氣體還原鐵氧化物的化學(xué)方程式和相應(yīng)的熱力學(xué)函數(shù)數(shù)值。表中，、，分別式是化學(xué)反應(yīng)在273.15K時標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵變、標(biāo)準(zhǔn)摩爾焓變，單位分別為J?K-1?mol-1，kJ?mol-1。還原反應(yīng)的吉布斯自由能變根據(jù)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能求得，然后對開爾文溫度T做線性擬合，得到的線性關(guān)系式。結(jié)合等溫方程式，可以求得還原反應(yīng)的平衡常數(shù)。的關(guān)系如下式所示：

 

 

　　原過程還原氣體利用率逐級減小，分別為100%，93.57%~ 96.57%，16.35%~22.54%。溫度對于第一級還原反應(yīng)Fe2O3→Fe3O4的影響幾乎沒有。溫度對于第二級還原反應(yīng)Fe3O4→FeO的影響比較小，氣體利用率在微小上下區(qū)間內(nèi)變化。溫度對于第三級還原反應(yīng)FeO→Fe的影響比較大，氣體利用率隨溫度的變化斜率明顯大于第二級還原反應(yīng)。

　　另外，對于第二、三級還原反應(yīng)，CO氣體利用率隨溫度的升高而減小，H2氣體利用率隨溫度的升高而增大。在831~834℃范圍時，CO和H2還原相同鐵氧化物的氣體率相等。高于該溫度范圍，還原相同鐵氧化物的利用率H2高于CO，且隨著溫度增大，兩者的差距也隨之變大；低于該溫度范圍，還原相同鐵氧化物的利用率H2低于CO，且隨著溫度增大，兩者的差距隨之變小。

　　混合氣體還原鐵氧化物

　　根據(jù)最小自由能原理，依據(jù)熱力學(xué)手冊數(shù)據(jù)手冊[1]，計算混合氣體還原鐵氧化物的平衡組成和氣體還原氣利用率。

　　1.1.1 最小自由能原理

　　將氣基直接還原煉鐵過程看作是一個封閉體系，進料為氧化球團礦和還原混合氣，出料為金屬鐵、脈石、尾氣，化學(xué)反應(yīng)在高溫下充分進行而達到平衡狀態(tài)。對于這一氣固反應(yīng)的多元多相體系，當(dāng)體系達到熱力學(xué)平衡時，總的自由能最小。

　　最小自由能原理可以從體系中組元的始態(tài)和終態(tài)的角度來考慮體系的平衡問題，通過初始態(tài)，計算平衡態(tài)，根據(jù)終止態(tài)與起始態(tài)的物質(zhì)的量變化，可以判斷復(fù)雜體系中特定組元的化學(xué)反應(yīng)量。其模型如下式所示，式為約束條件。

 

 

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