1 氧化鋅火法還原的熱效應(yīng)及熱力學(xué)分析

氧化鋅的熱還原是一個(gè)強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)。氧化鋅被碳及一氧化碳還原的反應(yīng)熱效應(yīng)很大，兩個(gè)反應(yīng)的熱效應(yīng)如下：

ＺｎＯ+ＣＯ=Ｚｎ(氣)+ＣＯ2-19565ｋＪ/ｍｏｌ(1)

ＺｎＯ+Ｃ=Ｚｎ(氣)+ＣＯ-36819ｋＪ/ｍｏｌ(2)

從反應(yīng)式可以看出，氧化鋅用碳還原需要從外界吸入大量熱。外界提供的熱量除了把物料加熱到足夠的溫度并補(bǔ)償過程的熱損失外，還必須提供氧化鋅還原反應(yīng)本身所需的大量熱量。

氧化鋅的熱還原還要求有強(qiáng)烈的還原氣氛和高溫條件。從過程的動(dòng)力學(xué)來說，隨著溫度的升高，反應(yīng)速度都會(huì)急劇增大。氧化鋅的熱還原是一個(gè)強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，反應(yīng)的平衡常數(shù)隨溫度的升高而急劇增大。所以說，無論從熱力學(xué)還是從動(dòng)力學(xué)角度來看，提高溫度對氧化鋅還原過程都是非常有利的。在高溫下，氧化鋅的還原將變的較為容易，例如在1100～1300℃以上時(shí)，過程將變得比ＦｅＯ的還原過程更易進(jìn)行。這也是以上所介紹的ＳＰＭ法、ＲＨＦ回轉(zhuǎn)窯、川崎的焦炭填充床等工藝的*作溫度一般在1100～1300℃的原因。

氧化鋅被碳還原表面上是一個(gè)簡單的固相反應(yīng)，但實(shí)際上還原過程由如下兩個(gè)連續(xù)的氣-固相反應(yīng)組成：

ＺｎＯ+ＣＯ=Ｚｎ(氣)+ＣＯ2①

ＣＯ2+Ｃ=2ＣＯ②

這兩個(gè)反應(yīng)具有不同的反應(yīng)特性，ＣＯ在這兩個(gè)反應(yīng)中所起的作用不同，對反應(yīng)①它是反應(yīng)物，對反應(yīng)②它卻是生成物。在較低溫度下，要使氧化鋅還原為金屬鋅，必須提供ＰＣＯ/ＰＣＯ2比值很高的混合氣體。但在這種條件下，布杜爾反應(yīng)所產(chǎn)生的混合氣體則恰好相反，相應(yīng)的比值ＰＣＯ/ＰＣＯ2很小。隨著溫度的升高，這兩個(gè)比值的差距將不斷縮小，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，這兩個(gè)比值趨于等同。溫度繼續(xù)升高，這種差值關(guān)系就顛倒過來。

2 電爐除塵粉中金屬氧化物還原的冶金反應(yīng)討論

除塵粉中鐵的氧化物主要是Ｆｅ2Ｏ3，另外有少部分ＦｅＯ，以下主要討論Ｆｅ2Ｏ3、ＦｅＯ以及ＺｎＯ被碳及一氧化碳還原的化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)以及Ｆｅ2Ｏ3、ＦｅＯ、ＺｎＯ過程升溫吸熱情況。

幾個(gè)反應(yīng)的熱效應(yīng)如下：

ＺｎＯ+ＣＯ=Ｚｎ(氣)+ＣＯ2-19565ｋＪ/ｍｏｌ

ＺｎＯ+Ｃ=Ｚｎ(氣)+ＣＯ-36819ｋＪ/ｍｏｌ

ＦｅＯ+ＣＯ=Ｆｅ+ＣＯ2+1604ｋＪ/ｍｏｌ(3)

Ｆｅ2Ｏ3+3ＣＯ=2Ｆｅ+3ＣＯ2+255ｋＪ/ｍｏｌ(4)

Ｆｅ2Ｏ3+3Ｃ=2Ｆｅ+3ＣＯ-49212ｋＪ/ｍｏｌ(5)

由以上化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)可以看出反應(yīng)(3)、(4)是放熱反應(yīng)，在反應(yīng)過程中有少量化學(xué)反應(yīng)熱量放出，放熱量不大。鋅的還原過程、Ｆｅ2Ｏ3的還原均是吸熱反應(yīng)，并且吸熱量較大。

另外對于除塵粉壓塊進(jìn)行升溫。由于除塵粉成分不同，各成分的比熱不同，假設(shè)升高同樣的溫度，其中Ｆｅ2Ｏ3吸熱量占所吸熱量的90%以上，可見Ｆｅ2Ｏ3升溫過程耗熱情況對吸熱影響明顯。

通過以上的簡要分析，可以看出鋅的還原、鐵的還原過程需要的熱量較大。在轉(zhuǎn)爐過程中這部分熱量只能來自于鐵水的物理熱、化學(xué)熱，電爐過程只能*輸入電能來補(bǔ)償。

3 粉塵處理工藝經(jīng)濟(jì)性分析

近20年來，盡管大量的研究工作集中在粉塵處理方面，也有幾十項(xiàng)有關(guān)技術(shù)開發(fā)出來，但經(jīng)濟(jì)性好且具有普遍意義的處理技術(shù)仍未出現(xiàn)，以下主要對較成熟的ＳＰＭ法和ＲＥＤＳＭＥＬＴ工藝作介紹。

ＳＰＭ法工藝介紹的運(yùn)行成本為4829日元/ｔ，其中包括用于還原劑和能源的1642日元/ｔ。其工藝收益主要體現(xiàn)在產(chǎn)品30%返回高爐中利用，70%返回?zé)Y(jié)使用。當(dāng)高爐配料中增加1%ＳＰＭ產(chǎn)品，減少高爐燃料單耗3ｋｇ/ｔ，在燒結(jié)使用時(shí)，減少燒結(jié)焦粉225ｋｇ/ｔ，但使燒結(jié)鍋爐蒸汽減少，另外由于回收的鋅價(jià)值648日元/ｔ。以上三者效益之和5784日元/ｔ，和運(yùn)行成本相比每ｔ灰塵盈利955日元。

ＲＥＤＳＭＥＬＴ工藝介紹通過埋弧電弧爐生產(chǎn)鐵水，其鐵水成本為178美元/ｔ，比通常高爐流程鐵水150美元/ｔ高出28美元/ｔ，折合到灰塵的處理成本為13美元/ｔ。其在計(jì)算過程中將廢棄物的價(jià)值當(dāng)作零。

其他粉塵處理工藝的經(jīng)濟(jì)性未見報(bào)道，從以上兩種工藝的經(jīng)濟(jì)性中也可以看出，鋼鐵廠粉塵處理工藝的成本是較高的。

鋼鐵廠含鋅粉塵處理工藝主要分火法和濕法兩種，火法工藝雖說投資較大，但綜合效益較好，使得火法較濕法競爭性強(qiáng)，火法工藝主要包括：①ＣＦＢ法，②ＳＰＭ法，③Ｉｎｍｅｔｃｏ及ＲｅｄＳｍｅｌｔ法，④川崎制鐵的Ｚ-ＳＴＡＲ法，⑤冷固結(jié)球團(tuán)法。通過以上分析，可以看出鋅的還原、鐵的還原過程需要的熱量較大。在轉(zhuǎn)爐過程中這部分熱量只能來自于鐵水的物理熱、化學(xué)熱，電爐過程只能*輸入電能來補(bǔ)償。從ＳＰＭ法和ＲＥＤＳＭＥＬＴ工藝的經(jīng)濟(jì)性中也可以看出，鋼鐵廠粉塵處理工藝的成本是較高的。

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