●  Химико-металлургические науки

●
 Химия-металлургия ғылымдары 
 
ҚазҰТУ хабаршысы №1 2014  
 
271 
Как  видно  из  состава  газов,  при  полном  горении  получаем  отработанный  газ,  который 
благодаря  высокой  температуре  может  быть  использован  для  нагрева  и  плавки  металлов  или 
выработки  электроэнергии  на  ТЭЦ.  Что  касается  газов  продуктов  неполного  горения,  то  они 
обладают  не  только  довольно  высокой  температурой  нагрева  (1150 
0
С),  но  и  высоким 
восстановительным  потенциалом  (СО),  достаточным  для  переработки  оксидного  сырья  в 
металлизованные  продукты.  Поэтому  далее  они  могут  быть  использованы  в  качестве  горячих 
восстановительных газов (ГВГ) в металлургических процессах, а также  как газообразное топливо в 
энергетике. При использовании ГВГ в металлургических процессах  его потоки с температурой 1150 
0
С  вводятся  в  слои  шихты  и  обеспечивают  одновременно  нагрев  и  восстановление  металлов.  В 
случае,  когда  ГВГ  надо  использовать  в  энергетике  как  газообразное  топливо,  необходимо,  прежде 
всего, транспортировать их по газопроводам и поэтому охладить до атмосферной температуры. Тогда 
встает вопрос, как использовать теплосодержание газов до подачи к газопроводам и потребителям. 
Калорийность таких газов с содержанием СО 34,7% составляет 4382 кДж/м
3
 (или 1046 ккал/м
3 
), 
что  многократно  ниже  калорийности  природного  газа.  Поэтому  избыток  температуры  на  выходе 
может быть использован для повышения калорийности за счет обогащения горючими компонентами 
СО  и  Н
2
.  Такой  процесс  может  быть  организован  введением  в  состав  дутья  пара,  который  в  зоне 
неполного горения углерода преобразуется по эндотермической реакции в дополнительные газы СО 
и Н
2 
[4]. 
 
O
H
Q
H
CO
O
H
C
2
2
2




; (
O
H
Q
2
=4180 кДж/кг Н
2
О)                     (8) 
 
Поскольку реакция эндотермична, количество вводимого в дутье пара должно соответствовать 
компенсации избытка теплосодержания выделяющегося газа. 
Реакция  (8)  успешно  протекает  при  600 
0
С  и  более.  Эндотермия  реакции  может  быть 
компенсирована  использованием  теплосодержания  отходящего  газа  для  нагрева  паровоздушной 
смеси через регенеративный воздухонагреватель. Регенерация тепла в воздухонагревателе при уровне 
температуры ГВГ на входе 1100 
0
С и на выходе 400 
0
С позволяет подогревать паровоздушную смесь 
до температуры 600-650 
0
С, которая обеспечивает приход тепла, определяемый по выражению 
 
â
â
â
â
t
ñ
q





,                                             (9) 
 
и компенсирует эндотермию, соответствующую расходу пара 
 
O
H
â
â
â
O
H
Q
t
ñ
m
2
2





,                                        (10) 
 
Количество  вводимого  в  дутье  пара  может  быть  оценено  относительной  влажностью  как 
объемная  доля  пара  в  1  м
3
  воздуха  –  φ
вл
  м
3
/м
3
  [5],  также  как  объемная  доля  кислорода 
0
r
.  Тогда 
паровоздушная смесь будет состоять из трех объемных долей кислорода (
0
r
), пара (φ
вл
) и азота (
2
N

), 
их  сумма 
0
r
+  φ
вл
  + 
2
N

=1.  Поскольку  сухой  воздух  состоит  из  двух  компонентов 
0
r
=0,21  и 
2
N

=0,79, введение в него объемной доли пара φ
вл
 приводит изменению долей кислорода и азота 
 
)
1
(
21
,
0
'
0
âë
r



; 
)
1
/(
79
,
0
2
âë
N




. 
 
При  неполном  горении  углерода  расход  паровоздушной  смеси  может  быть  определен  по 
формуле 
)
2
(
1
866
,
1
'
0
/
âë
ï
â
r




, м
3
/кг С                                  (11) 

●
 Химико-металлургические науки  
 
                                                    
№1 2014 Вестник КазНТУ  
                    
272 
Выход ГВГ по формуле 
)
1
(
'
0
/
/
âë
ï
â
ï
ã
r






, м
3
/кг С                                  (12) 
Покомпонентно 
 












))
(
1
(
)
2
(
0
/
/
'
0
/
2
2
âë
ï
â
N
âë
ï
â
Í
âë
ï
â
CO
r
r









, м
3
/кг С                                (13) 
 
С влажностью дутья связана эндотермия, определяемая по балансу 
 
O
H
âë
ï
â
ï
â
Q
t
c
2
803
,
0
/
/







 
 
откуда выводится необходимая температура нагрева паровоздушной смеси 
 
ï
â
ï
â
O
H
âë
ï
â
c
Q
t
/
/
/
2
803
,
0






, 
0
С                                      (14) 
 
При  влажности  φ
вл 
=0,1  и 
0
r
=0,189; 
ï
â
C
/
=1,46  кДж/м
3
∙град  и 
O
H
Q
2
=4180  кДж/кг  Н
2
О, 
необходимая температура нагрева составит 
 
59
700
,
5
65
,
335
1
,
0
189
,
0
2
1
866
,
1
46
,
1
4180
1
,
0
803
,
0
/














ï
â
t
 
0
С 
 
Регенерация  теплосодержания  ГВГ  обеспечивает  нагрев  паровоздушной  смеси,  как  минимум, 
до  300-400 
0
С, что позволяет увеличить влажность φ
вл
 в несколько раз. 
При увеличении φ
вл  
до 0,35-0,4 расход дутья снизится до 3,0-2,86 м
3
/кг С.  
Выход ГВГ достигнет, соответственно: 
 
4595
,
4
)
35
,
0
1365
,
0
1
(
0
,
3
/




ï
ã

 м
3
/кг С 
364
,
4
)
4
,
0
126
,
0
1
(
86
,
2
/




ï
ã

 м
3
/кг С 
 
Состав газа, соответственно: 
 
CO

=3,0(2∙0,1365+0,35)=1,869 м
3
;  СО=
91
,
41
100
4595
,
4
869
,
1


% 
2
Í

=3,0∙0,35=1,05 м
3
; Н
2
=
54
,
23
100
4595
,
4
05
,
1


% 
CO

=2,86(2∙0,126+0,4)=1,864 м
3
; СО=
73
,
42
100
364
,
4
864
,
1


% 
2
Í

=2,86∙0,4=1,144 м
3
; Н
2
=
21
,
26
100
364
,
4
144
,
1


% 
 
Как видно, сумма СО+Н
2
 достигает 65-69%, что обеспечивает высокий потенциал, технические 
условия использования газа как в энергетике, так и в технологических процессах. 

●
 Химия-металлургия ғылымдары 
 
ҚазҰТУ хабаршысы №1 2014  
 
273 
При использовании его в качестве газообразного топлива, калорийность достигает по реакциям: 
 
2
2
2
5
,
0
CO
Q
CO
O
CO



; (
CO
Q
=12650 кДж/м
3
 СО)                    (15) 
O
H
Q
O
H
O
H
2
'
2
2
2
5
,
0



; (
O
H
Q
2
'
=10805 кДж/м
3
 Н
2
)                  (16) 
 
До величин: 
 
'
ÃÂÃ
Q
=12650∙0,4191+10805∙0,2354=5302+2543=7845 кДж/м
3
 ГВГ 
''
ÃÂÃ
Q
=12650∙0,4273+10805∙0,2621=5405+2832=8237 кДж/м
3
 ГВГ, 
 
что вполне достаточно для эффективной работы топливно-энергетических  установок, включая 
бытовые. 
Восстановительный  потенциал  газа  оценивается  суммарным  содержанием  СО+Н
2
  и  удельным 
расходом его на металлизацию единицы железорудного сырья, определяемым по формуле 
 
âï
ÃÂÃ
B
g
Fe
R






0
4
,
1
, м
3
/кг шихты ,                              (17) 
 
где  Fe,  g
0 
–  содержание  общего  железа  в  шихте  (%)  и  связанного  с  его  оксидами  кислорода 
(доли), соответственно; 
В – сумма восстановительных компонентов (СО+Н
2
, %); 
âï

,  R  -  степень  использования  восстановительной  способности  газов  и  восстановления 
металла (доли) соответственно. 
При Fe=55,0 %; g
0
=0,4285; R=0,99; В=69,0 %; 
âï

=0,40 удельный расход газа  
 
18
,
1
6
,
27
66
,
32
4
,
0
69
4285
,
0
55
99
,
0
4
,
1






ГВГ

 м
3
/кг шихты 
 
Полученный  результат  говорит  о  высокой  эффективности  ГВГ  как  восстановительного 
реагента. В современных доменных печах удельный расход газа на единицу (1 кг) шихты колеблется 
в пределах 1,35-1,45 м
3
/кг. Как видно, снижение удельного расхода ГВГ до 1,18 м
3
/кг, т.е. на 12,0-18,0 
% по отношению к действующим доменным процессам достигнуто за счет регенерации тепла ГВГ на 
выходе и использования нагретой паровоздушной смеси с влажностью на уровне φ
вл
=0,35-0,4. 
Централизованное  и  массовое  производство  ГВГ  по  предлагаемой  технологии  паровоздушной 
газификации энергетического угля открывает еще новое направление зеленой технологии энергетики. 
Кроме того высококонцентрированный ГВГ обладает удивительным свойством ‒ превращаться 
в конденсированное и очищенное твердое топливо. Газ СО способен разлагаться по реакции 
 
2СО → С
(тв)
 + СО
2(г)
 + Q
разл 
                                           (18) 
 
Со  значительным  экзотермическим  эффектом  Q
разл
=13157,0  кДж/кг  С.  Реакция  успешно 
протекает  на  уровне  температуры  350÷600  ºС,  и  как  видно,  сопровождается  двукратным 
уменьшением  объема  газовой  фазы.  Это  означает,  что  повышение  давления  системы  сдвигает 
равновесие  реакции  слева  направо,  т.е.  в  сторону  образования  твердого  углерода.  Вместе  с  тем, 
наличие  в  системе  дисперсных  слоев,  особенно  металлов  и  их  оксидов,  оказывает  каталитическое 
действие на процесс разложения СО.Таким образом, из ГВГ в процессе  его  охлаждения совершенно 
без  затраты  дополнительной  энергии  можно  осаждать  чистый  твердый  углерод  отдельно  в 
специальной  емкости  или  в  слое  металлизуемого  оксидного  материала.  В  том  и  другом  случае 

●
 Химико-металлургические науки  
 
                                                    
№1 2014 Вестник КазНТУ  
                    
274 
дальнейшее использование чистого 100 %-ного углерода открывает страницы новых технологических 
процессов. 
Имеются  еще  определенные  попытки  прямого  использования  энергетического  угля  в 
металлургии  для  прямого  восстановления  металла  [6].  Однако  наличие  в  энергетическом  угле 
значительного  количества  золы  снижает  эффективность  получения  металлизованного  продукта  и 
выплавки из него металла. Однако  решение проблемы в этом направлении возможно.  Оно связано с 
селективным 
гравитационным 
извлечение 
углеродистой 
части 
топлива 
в 
специальной 
аэродинамической  установке.  Возможность  разделения  твердых  частиц  связана  в  их  объемной 
массой. Например, если объемные массы частиц золы (SiO
2
,  Al
2
O
3
) составляют 1,8-1,9 гр/см
3
. Почти 
двукратное различие в объемных массах разнородных частиц позволяет регулировать их гравитации 
изменением скорости витания частиц, т.е. второй критической скорости, определяемой по формуле 
 


,
3
4
ã
ã
r
ã
gd








 м/с,                                       (19) 
 
где,  d – диаметр частиц, м; 
γ
r
, γ
г
 – объемный вес частиц и газа, соответственно, кг/м
3
; 
ψ' – коэффициент сопротивления частиц (ψ'=5÷6); 
g = 9,81 м/с
2
. 
 
При  продувке  слоя  газовым  потоком  скорость  витания  (уноса)  частиц  углерода  со  средним 
диаметром  0,5  мм  (5∙10
-4
м)  при  их  объемной  массе  800  кг/м
3
  достигает  0,58  м/с,  в  то  время  как 
скорость  витания  частиц,  SiO
2
  диаметром  0,5  мм  и  объемной  массой  1700  кг/м
3
  достигает  1,12  м/с. 
Отсюда  видно,  что  регулируя  скорость  потока  газа  в  пределах  0,6-0,9  м/с,  можно  вывести 
углеродсодержащие  частицы  угля  в  отдельную  емкость.  Такой  подход  к  решению  задач  открывает 
еще одно направление перспективного использования энергетического угля в энерготехнологических 
процессах. 
 
Заключение. 
Углерод 
является 
природно 
неисчерпаемым 
энергоисточником 
и 
технологическим материалом. Существующие запасы на земной поверхности в виде энергетического 
угля  и  углеводородных  ресурсов  могут  быть  использованы  в  различных  направлениях  техники, 
технологии  и  энергетики.  Существуют  разнообразные  способы  преобразования  и  утилизации, 
которые должны быть подчинены условиям обеспечения равновесия баланса содержание углерода в 
атмосфере и на  поверхности Земли. 
 
ЛИТЕРАТУРА 
1. Б.Дж. Бринкворт. Солнечная энергия человека. М.: изд. «МИР». 1976, - 291 с. 
2.  Макаров  Г.Н.,  Харлампович  Г.Д.,  Королев  Ю.Г.,  Бронштейн  А.П.,  Фомин  А.П.,  Житов  Б.Н. 
Химическая технология твердых горючих ископаемых. М.: Химия. 1986. – 496 с. 
3.Елютин  В.П.,  Павлов  Ю.А.,  Поляков  В.П.,  Шеболдаев  С.Б.  Взаимодействие  окислов  металлов  с 
углеродом. М.: Металлургия, 1976. – 360 с. 
4. Доменное производство. Справочник под редукцией Вегмана Е.Ф. М.: Металлургия. 1989. – 496 с. 
5.  Kiyekbayev  Y.Y.,  Tleugabulov  S.M.  Carbothermic  reactions  in  the  metallurgy  and  energy-technological 
processes  //  Сборник  трудов  19-ой  международной  конференции  по  Металлургии  и  Материалам  “Metal2010”. 
Рознов под Радхостем, Чешская Республика, ЕС. 2010, 18-20 мая. 
6.  Кудрявцев  В.С.,  Пчелкин  С.А.  Использование  некоксующихся  углей  в  черной  металлургии.  М.: 
Металлургия. 1981, -168 с. 
 
                                                                           REFERENCES 
           1. B.Dzh. Brinkvort. Solnechnaya energiya chelovecka. M.: izd. «M1R». 1976, - 291 s. 
2.  Makarov  G.N.,  Kharlampovich  G.I.,  Korolev  Yu.G..  Bronshteyn  A.P.,  Fomin  A.P.,  Zhitov  B.N. 
Khimicheskaya tekhnologiya tverdykh goryuchikh iskopaemykh. M.: Khimiya. 1986, - 496 s. 
3. Elyutin V.P., Pavlov Yu.A., Polyakov V.P., Sheboldaev S.B. Vzaymodeystvie okislov metallov s uglerodom. 
M.: Metallurgiya, 1976,- 360 s. 

●
 Химия-металлургия ғылымдары 
 
ҚазҰТУ хабаршысы №1 2014  
 
275 
4. Domennoe proizvodstvo. Spravochnik pod redaktsiey Vegmana E.F. M.: Metallurgiya. 1989, - 496 s. 
5.  Kiekbaev  E.E.,  Tleugabulov    S.M.,    Carbothermic  reactions  in  the  metallurgy  and  energy-technological 
processes // Sbornik trudov 19-oy mezhdunarodnoy konferentsii po Metallurgii i Materialam "Metal 2010". Roznov pod 
Radkhostem, Cheshskaya Respublika, ES. 2010. 18-20 Maya. 
6. Kudryavtsev  V.S..  Pchelkin  S.A.  Ispol'zovanie  nekoksuyushikhsya  ugley  v  chernoy  metallurgii.  M.: 
Metallurgiya. 1981, -168 s. 

жүктеу/скачать 43,12 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: