МЕТАЛЛУРГИЯ ЖЕЛЕЗА – Часть 42

При высоких содержаниях водорода в исходной смеси реакция водяного газа служит как бы поставщиком оксида углерода, при низких содержаниях водорода— поставщиком последнего.

Реальные руды имеют сравнительно высокую пористость, поэтому парциальное давление восстановителя меняется в пределах частицы, а реакционная поверхность определяется доступностью зерен газу-восстановителю. В этих условиях, по исследованиям Д. И.Рыжонкова, измельчение частиц желе­зорудного материала в определенных пределах не будет ска­зываться на протяженности зоны реагирования. Исследование влияния температуры на кинетику восстановления в слое частиц показало, что необходимо учитывать воздействие температуры на термодинамические и кинетические параметры процесса восстановления. Равновесные характеристики для водорода и оксида углерода при восстановлении вюстита изменяются в противоположных направлениях (см. рис. 4), а константы скорости растут в обоих случаях. Наложение тен­денций увеличения (для H2) и уменьшения (для СО) степени использования восстановительной способности с ростом тем­пературы будет определять суммарное количество кислорода, отнимаемого от оксида с изменением температуры.

При восстановлении в слое смеси различных оксидов Д. И.Рыжонковым и другими исследователями показано, что с точки зрения скорости восстановления и улучшения степени использования восстановителя целесообразно получать столб 92 шихты не из равномерно смешанной шихты, а из отдельных слоев в соответствии с их восстановимостью (от наиболее хрудновосстановимого на входе газа — к легковосстановимо­му на выходе).

Кинетические закономерности слоевого восстановления обобщены Н. Л.Гольдштейном. В качестве модели предложен цилиндр (рис. 17), заполненный слоем кусков оксидов. Снизу поступает газ-восстановитель. Между ним и оксидами протекает обратимая реакция одноступенчатого восстановле­ния первого порядка по концентрации восстановителя. Реак­ция в каждом элементарном слое протекает с постоянной скоростью. Тогда

Da/dr = k(N‘„ N‘) = k(N – Np) = ArAAr1 (118)

Где do — количество продуктов восстановления (CO2 или H2O), образующихся в единице объема слоя за время dr пре­бывания газа в элементарном слое d/; к — отнесенная к единице объема слоя наблюдаемая константа скорости; Ntp и N’ — равновесная и фактическая концентрация окислителя; Np и N – то же, для восстановителя.

Величина da связана с приращением концентрации dN’ за время dr соотношением

Da = vrdAT, (119)

Где vr— количество газа, отнесенное к единице объема слоя.

Поскольку обсуждаемые реакции идут без изменения объе­ма, время т и путь / пропорциональны друг другу (т. е. при постоянной температуре по высоте цилиндрического реакто­ра):

Dx/xL = dl/L = <Lc, – (120)

Где tl — время пребывания газа в реакторе высотой L-, х — безразмерная координата по пути движения газа (время или расстояние);

DT = TLdx-, da/dr = vTdN‘/TLdx.

Рве. 17. Схема восстановления в слое (Nt и Nk) – концентрация восеийовите – Ля на входе и на выходе; Ng и Nk — Концентрация продукта восстановления иа входе и выходе) ^

Рве. 18. Изменение концентрации окислителя по высоте слоя в изотермических условиях:

При малом (J) и большом (2) значении и

Соотношение vr/r^ = со представляет объемную скорость газового потока. С учетом этих преобразований уравнение (118) приобретает вид

DN‘/dx = (k/u)(N‘p – N‘) = (k/u)(N~Np) = (k/u)LN. (122)

Величины к и ы для реакции первого порядка имеют оди­наковую размерность (время-1), поэтому для такого случая

К/и = и (123)

Представляет собой безразмерный критерий слоевого восста­новления, величина которого характеризует тип процесса.