[科普中国]-一氧化碳利用率

定义与计算公式

衡量在高炉炼铁过程中高炉内气固相还原反应中CO转化为CO2的程度的指标，也是评价高炉内间接还原进程的重要指标。CO是高炉内的气体还原剂，在还原过程中它夺取固体铁矿石中氧化物的氧而转化为CO2。这一指标就用来说明高炉内碳氧化的程度和间接还原发展的程度，以判断能量利用的好坏。一氧化碳利用率一般表示为：

炉顶煤气成分后，即可根据煤气中CO2和CO含量算出ηCO(常以小数表达)。在先进高炉上这一数值可达0.5～0.54，而生产情况差的高炉只能达到0.3～0.4。生产炼钢生铁为0.3～0.54;铸造生铁为0.25～0.4;高炉锰铁为0.1～0.2。1

影响因素在现代高炉上使用熔剂性烧结矿或高碱度烧结矿冶炼后，石灰石不再加入高炉配料或只加入量很少，只作为炉渣碱度的调节手段，炉顶煤气中的CO2含量基本上是由CO在还原过程中夺取矿石的氧转化而来的。因此ηCO的大小取决于冶炼所使用矿石中铁的氧化程度和易还原金属氧化物含量，高炉内间接还原发展程度和高炉间接还原区内氢含量与一氧化碳含量的比值(H2%/CO%)等；此外决定焦比的因素以及喷吹燃料等也会给一氧化碳利用率带来一定影响。

(1)铁矿石中铁氧化程度高，也就是Fe2O3含量高(赤铁矿、球团矿和高碱烧结矿中Fe2O3含量高)，易还原金属氧化物含量高(高价锰氧化物MnO2、Mn2O3及Cu2O，NiO等)在炉身CO能夺取的氧量多，转化成CO2的量也多，ηCO就略有提高。但在生产中原料条件相对稳定的情况下，这类因素对ηCO的影响不会很大。

(2)铁氧化物的间接还原发展程度是决定ηCO的主要因素。由于间接还原是可逆反应(见高炉铁矿石还原)，ηCO受热力学规律所限制，在还原反应达到平衡状态时，平衡气相成分中CO2含量就决定了ηCO的最高值，显然它受反应的平衡常数Kp控制的：ηCOmax= KP/(1+KP)，而反应的平衡常数是随温度而变的，因此不同温度下的ηCOmax也不同。

从铁矿石还原理论可以知道，铁氧化物的还原是按Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe顺序逐级还原的。各还原反应有它自己的平衡常数，也就有它在热力学上最高的一氧化碳利用率。高炉冶炼具有炉料与煤气在逆流运动中进行反应的特点，理论和生产实践证明，高炉煤气中CO数量在中温区下部还原FeO到金属铁后，离开FeO还原地区随煤气进入Fe3O4还原到FeO的地区，仍有足够的还原能力保证Fe3O4+CO→3FeO+CO2反应向右进行。这样在逆流运动中进行还原反应的条件下，两个反应的ηco的比值为ηCOFe3O4→FeO/ηCOFeO→Fe=4/3～5/3。根据这个关系，计算出两个反应同时达到平衡的温度为910K(637℃)，ηCOmax=0.59。在温度高于910K时一氧化碳利用率的最高值由FeO还原反应的平衡常数决定，而低于910K时，一氧化碳利用率由Fe3O4还原反应的平衡常数决定。

(3)高炉冶炼的煤气中含有一定数量的氢，热力学规律说明温度在1083K(810℃)以上时，氢对铁氧化物的还原能力比一氧化碳高，而在1083K以下则相反。另外在任何温度条件下，氢对相同矿石的还原速度都比一氧化碳的快。煤气中H2的存在肯定要对ηCO产生影响。在CO和H2同时还原铁氧化物时，平衡气相成分与煤气中的H2%/CO%有关。这样ηCO也随氢含量而有所变化。但是高炉内存在着极易达到平衡的水煤气反应：

CO+H2O=CO2+H2

这一反应使H2有着促进CO还原的作用，相当于是CO还原反应的催化剂，H2还原氧化物后生成的水蒸气与CO反应形成CO2和H2，这就有利于ηCO的提高。然而在CO2含量超过水煤气反应平衡成分时，CO还原反应生成的CO2又与H2作用生成CO，相当于还原反应消耗了H2。所以高炉冶炼过程中ηCO和ηH2是相互促进又相互制约的。它们之间存在着一定的关系：ηH2/ηCO=0.9～1.10。

(4)决定焦比的一些因素也对ηCO有影响。例如鼓风参数：风温、富氧率、鼓风湿度等。风温提高以后，焦比降低，单位生铁的CO数量减少，造成铁的直接还原增加，不利于CO的利用。但是如果单位生铁的焦炭消耗和高炉炉顶煤气量减少的程度大于一氧化碳绝对量减少的程度，则仍可以观察到炉顶煤气中CO2含量增加，ηCO的数值升高。鼓风富氧以后，风口产生的煤气中CO浓度提高，氮含量降低，增加了煤气的还原能力并促进间接还原的发展。尽管鼓风中氧浓度的提高并不增加消耗于单位被还原铁的CO量，焦比接近于不变，但是按炉顶煤气成分算出的ηCO呈提高趋势。鼓风加湿后，风口前形成的煤气中还原性气体(CO和H2)的数量和它们的浓度增加，有利于间接还原的发展，使直接还原度降低。但是随着鼓风湿度的提高，必须要用提高风温来补偿风中H2O分解消耗的热量，才能取得ηCO的改善，否则风中H2O分解耗热过多，引起焦比升高，ηCO也随之降低。

(5)高炉喷吹燃料时，ηCO也会发生变化。喷吹含H2气体燃料(天然气、焦炉煤气)时ηCO随喷吹量的增加呈有最大值的曲线变化，一般在喷吹量100m/t生铁时出现最大值。喷吹煤粉时，ηCO随喷吹量的增加而提高，提高的幅度与喷吹煤种和补偿风温的程度有关2。