一氧化碳利用率

一氧化碳利用率是衡量在高爐煉鐵過程中高爐內氣固相還原反應中一氧化碳轉化為二氧化碳的程度的指標。一氧化碳利用率的值常用小數表示。這一指標就用來說明高爐內碳氧化的程度和間接還原發展的程度，以判斷能量利用的好壞。

基本介紹

• 中文名：一氧化碳利用率
• 外文名：utilization ratio of carbonmonoxide
• 學科：冶金工程
• 套用：鋼鐵冶煉
• 符號：ηCO
• 意義：CO轉化為CO2的程度的指標

定義與計算公式

衡量在高爐煉鐵過程中高爐內氣固相還原反應中CO轉化為CO₂的程度的指標，也是評價高爐內間接還原進程的重要指標。CO是高爐內的氣體還原劑，在還原過程中它奪取固體鐵礦石中氧化物的氧而轉化為CO₂。這一指標就用來說明高爐內碳氧化的程度和間接還原發展的程度，以判斷能量利用的好壞。一氧化碳利用率一般表示為：

爐頂煤氣成分後，即可根據煤氣中CO₂和CO含量算出η_CO(常以小數表達)。在先進高爐上這一數值可達0.5～0.54，而生產情況差的高爐只能達到0.3～0.4。生產煉鋼生鐵為0.3～0.54;鑄造生鐵為0.25～0.4;高爐錳鐵為0.1～0.2。

影響因素

在現代高爐上使用熔劑性燒結礦或高鹼度燒結礦冶煉後，石灰石不再加入高爐配料或只加入量很少，只作為爐渣鹼度的調節手段，爐頂煤氣中的CO₂含量基本上是由CO在還原過程中奪取礦石的氧轉化而來的。因此η_CO的大小取決於冶煉所使用礦石中鐵的氧化程度和易還原金屬氧化物含量，高爐內間接還原發展程度和高爐間接還原區內氫含量與一氧化碳含量的比值(H₂%/CO%)等；此外決定焦比的因素以及噴吹燃料等也會給一氧化碳利用率帶來一定影響。

(1)鐵礦石中鐵氧化程度高，也就是Fe₂O₃含量高(赤鐵礦、球團礦和高鹼燒結礦中Fe₂O₃含量高)，易還原金屬氧化物含量高(高價錳氧化物MnO₂、Mn₂O₃及Cu₂O，NiO等)在爐身CO能奪取的氧量多，轉化成CO₂的量也多，η_CO就略有提高。但在生產中原料條件相對穩定的情況下，這類因素對η_CO的影響不會很大。

(2)鐵氧化物的間接還原發展程度是決定η_CO的主要因素。由於間接還原是可逆反應(見高爐鐵礦石還原)，η_CO受熱力學規律所限制，在還原反應達到平衡狀態時，平衡氣相成分中CO₂含量就決定了η_CO的最高值，顯然它受反應的平衡常數Kp控制的：η_COmax= K_P/(1+K_P)，而反應的平衡常數是隨溫度而變的，因此不同溫度下的η_COmax也不同。

從鐵礦石還原理論可以知道，鐵氧化物的還原是按Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe順序逐級還原的。各還原反應有它自己的平衡常數，也就有它在熱力學上最高的一氧化碳利用率。高爐冶煉具有爐料與煤氣在逆流運動中進行反應的特點，理論和生產實踐證明，高爐煤氣中CO數量在中溫區下部還原FeO到金屬鐵後，離開FeO還原地區隨煤氣進入Fe₃O₄還原到FeO的地區，仍有足夠的還原能力保證Fe₃O₄+CO→3FeO+CO₂反應向右進行。這樣在逆流運動中進行還原反應的條件下，兩個反應的ηco的比值為η_COFe3O4→F_eO/η_COFeO→F_e=4/3～5/3。根據這個關係，計算出兩個反應同時達到平衡的溫度為910K(637℃)，η_COmax=0.59。在溫度高於910K時一氧化碳利用率的最高值由FeO還原反應的平衡常數決定，而低於910K時，一氧化碳利用率由Fe₃O₄還原反應的平衡常數決定。

(3)高爐冶煉的煤氣中含有一定數量的氫，熱力學規律說明溫度在1083K(810℃)以上時，氫對鐵氧化物的還原能力比一氧化碳高，而在1083K以下則相反。另外在任何溫度條件下，氫對相同礦石的還原速度都比一氧化碳的快。煤氣中H₂的存在肯定要對η_CO產生影響。在CO和H₂同時還原鐵氧化物時，平衡氣相成分與煤氣中的H2%/CO%有關。這樣η_CO也隨氫含量而有所變化。但是高爐記憶體在著極易達到平衡的水煤氣反應：

CO+H₂O=CO₂+H₂

這一反應使H₂有著促進CO還原的作用，相當於是CO還原反應的催化劑，H₂還原氧化物後生成的水蒸氣與CO反應形成CO₂和H₂，這就有利於η_CO的提高。然而在CO₂含量超過水煤氣反應平衡成分時，CO還原反應生成的CO₂又與H₂作用生成CO，相當於還原反應消耗了H₂。所以高爐冶煉過程中η_CO和η_H2是相互促進又相互制約的。它們之間存在著一定的關係：η_H2/η_CO=0.9～1.10。

(4)決定焦比的一些因素也對η_CO有影響。例如鼓風參數：風溫、富氧率、鼓風濕度等。風溫提高以後，焦比降低，單位生鐵的CO數量減少，造成鐵的直接還原增加，不利於CO的利用。但是如果單位生鐵的焦炭消耗和高爐爐頂煤氣量減少的程度大於一氧化碳絕對量減少的程度，則仍可以觀察到爐頂煤氣中CO₂含量增加，η_CO的數值升高。鼓風富氧以後，風口產生的煤氣中CO濃度提高，氮含量降低，增加了煤氣的還原能力並促進間接還原的發展。儘管鼓風中氧濃度的提高並不增加消耗於單位被還原鐵的CO量，焦比接近於不變，但是按爐頂煤氣成分算出的η_CO呈提高趨勢。鼓風加濕後，風口前形成的煤氣中還原性氣體(CO和H₂)的數量和它們的濃度增加，有利於間接還原的發展，使直接還原度降低。但是隨著鼓風濕度的提高，必須要用提高風溫來補償風中H₂O分解消耗的熱量，才能取得η_CO的改善，否則風中H₂O分解耗熱過多，引起焦比升高，η_CO也隨之降低。

(5)高爐噴吹燃料時，η_CO也會發生變化。噴吹含H₂氣體燃料(天然氣、焦爐煤氣)時η_CO隨噴吹量的增加呈有最大值的曲線變化，一般在噴吹量100m/t生鐵時出現最大值。噴吹煤粉時，η_CO隨噴吹量的增加而提高，提高的幅度與噴吹煤種和補償風溫的程度有關。