Восстановление оксидов железа водородом

 

Вторым восстановителем НВ в доменной печи, является водород. Он образуется в горне при разложении влаги дутья и природного газа, если последний вдувают в доменную печь, а также летучих кокса. Количество водорода в газе составляет 1 – 2% если печь работает на увлажненном дутье. При вдувании природного газа содержание водорода в газе повышается до 6 – 12% и роль его в восстановительных процессах значительно возрастает.

Восстановление оксидов железа водородом протекают по уравнениям:

при температуре ниже 570° С

 

3Fe₂О₃ + H₂ → 2Fe₃О₄ + H₂О + 5210 ккал, (57)

Fe₃О₄ + k'Н₂ = 3 Fe + (k' - 4)Н₂ + 4Н₂O - 35240 ккал; (58)

 

при температуре выше 570° С

 

3Fe₂О₃ + H₂ →2Fe₃О₄ + H₂О +5210 ккал (59)

Fe₃О₄ + m'H₂ =3FeO + (m' - l)H₂ + H₂O - 14860 ккал, (60)

FeO + n'H₂ = Fe + (n' - l)H₂ + H₂O - 6620 ккал. (61)

 

Реакция восстановления Fe₂О₃ до Fe₃О₄ идет необратимо, т. е. до полного использования Н₂ или Fe₂О₃. Реакции восстановления Fe₃О₄ и FeO обратимы. Направление протекания реакции зависит от отношения Н₂/Н₂О_газ в газе и от температуры. Равновесный состав газовой смеси для реакций (57) – (61) зависит только от температуры, так как они идут без изменения объема газообразных веществ. На рисунке 26 показано равновесие газовых смесей Н₂ и Н₂О_газ с оксидами железа и железом в зависимости от температуры. Равновесные кривые делят диаграмму на три поля: Fe, FeO и Fe₃О₄.

 

Рисунок 26 - Кривые равновесия газовых смесей Н₂ и Н₂О_газ с оксидами железа и железом

 

Отличие диаграммы на рисунке 26 от диаграммы на рисунке 25 состоит в том, что равновесные кривые 2' и 3' с повышением температуры изображены нисходящими линиями, т. к. восстановление водородом Fe₃О₄ до Fe по реакции (58) и FeO до Fe по реакции (61) идет с поглощением тепла в отличие от аналогичных реакций восстановления оксидом углерода, где реакция восстановления FeO до Fe идет с выделением тепла. Для сопоставления восстановительной способности СО и Н₂ совместим диаграммы равновесных газовых смесей Н₂ - Н₂О_газ и СО – СО₂ с оксидами железа и железом.

При температуре 810° С равновесные кривые 3 и 4 диаграммы на рисунке 25 пересекаются с соответствующими равновесными кривыми 3' и 4' на рисунке 26 (см. рисунок 27). В точках пересечения равновесных кривых отношение Н₂/Н₂О_газ равно отношению СО/СО₂, т. е. восстановительная способность Н₂ и СО, или их химическое сродство к кислороду, одинакова. При температуре ниже 810°С отношение Н₂/Н₂О_газ в равновесной смеси выше отношения СО/СО₂, следовательно, для восстановления оксидов железа и железа водородом, его концентрация в газовой смеси должна быть выше, чем концентрация окиси углерода при восстановлении оксидом углерода. Это значит, что при температурах ниже 810° С химическое сродство водорода к кислороду выражено слабее, чем у оксида углерода, и он обладает меньшей восстановительной способностью.

 

Рисунок 27 - Кривые равновесия газовых смесей Н₂ – Н₂Огаз и СО – СО₂ с оксидами железа и железом

 

При температуре выше 810 °С, наоборот, отношение Н₂/Н₂О_газ в равновесной смеси ниже отношения СО/СО₂, т. е. восстановительная способность водорода выше, чем восстановительная способность окиси углерода.

В связи с тем что ниже 810° С сродство к кислороду у окиси углерода больше, чем у водорода, СО может взаимодействовать с водяным паром, образующимся при восстановлении, например:

 

FeO + H₂→Fe + H₂O_газ

+

Н ₂ О _газ + СО → Н ₂ + СО ₂

FeО +CO→ Fe + CО₂. (62)

 

Аналогичные реакции можно написать для Fe₂O₃ и Fe₃О₄.

Выше 810° С сродство к кислороду у окиси углерода меньше, чем у водорода, однако взаимодействие водорода с СО не получает развития по той причине, что при 900– 1000 °С и водяной пар, и диоксид углерода активно взаимодействуют с углеродом, превращаясь в водород и оксид углерода.

Таким образом, водород в доменной печи как при умеренных, так и при высоких температурах является промежуточным реагентом или переносчиком кислорода от оксидов железа к оксиду углерода или углероду.